TBM穿越软弱围岩施工技术

敬请各位专家莅临指导中铁隧道集团有限公司2003年7月技术研究中隧集团有限公司TBM穿越软弱围岩施工1.工作报告2.研究报告3.用户使用报告4.经济效益、社会效益分析报告5.查新报告目录工作报告工作报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究

TB880E掘进机是由德国维尔特（WIRTH）公司设计和生产的大型敞开式全断面硬岩掘进机。为了修建秦岭Ⅰ线隧道，由铁道部投资购制了两台TB880E掘进机，该机械在秦岭Ⅰ线隧道硬岩条件下得到了成功的应用，从而使中国铁路修建水平得到了一个巨大的飞跃，成为中国铁路修建史上的一个重要里程碑。但秦岭隧道TBM施工基本以硬岩为主。如果能对TBM在软弱围岩中施工技术进行研究，将会大大地拓展TBM的发展和应用空间。磨沟岭隧道是西安－南京铁路的重点控制工程，该隧道多为软弱围岩，软弱围岩占全隧总长度的70%左右。本科研项目主要依托磨沟岭隧道，对TBM在软弱围岩地质条件下施工技术进行研究和应用，从而较好地解决磨沟岭隧道的施工技术难题，研究开敞式掘进机在穿越软弱围岩时的施工配套技术，为今后类似工程施工提供借鉴经验。

工作报告1、课题来源TBM穿越软弱围岩施工技术研究工作报告2、研究过程

（1）调研、咨询：2001年5月～7月（2）设备改进、完善、调试：2001年7月～10月（3）施工技术研究及改进：2001年10月～2001年12日（4）现场应用：2001年12月～2002年6月（5）总结：2002年6月～2003年2月TBM穿越软弱围岩施工技术研究工作报告3、研究方法

国内外资料收集分析→结合磨沟岭隧道进行理论研究→室内试验→现场测试→现场应用→修改完善→总结→建立软弱围岩隧道TBM掘进施工模式TBM穿越软弱围岩施工技术研究工作报告

4、主要研究成果软弱围岩条件下TBM施工时的：

超前地质预测预报技术

超前支护施工方案

超前管棚及预注浆技术

初期支护模式

掘进参数选择

换步及方向控制技术

监控量测信息反馈

清碴系统改进

同步衬砌技术

强富水条件掘进技术探讨TBM穿越软弱围岩施工技术研究工作报告5、提交鉴定的技术文件（1）工作报告（2）研究报告（3）用户使用报告（4）经济、社会效益分析报告（5）查新报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究研究报告研究报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究工程介绍研究报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究1工程概况

磨沟岭隧道是西安—南京铁路线上的重点工程之一，隧道全长6114m，预留Ⅱ线。隧道位于陕西省丹凤县和商南县交界处，设计为人字坡，最大埋深315m，相对高差100～300m。隧道采用TBM施工。磨沟岭为清油河—武关河的分水岭，隧道通过处基岩多裸露，为泥盆系中统石英片岩及大理岩。该段工程地质由于受区域性F2大断裂带及一系列小断层影响，岩体破碎，节理发育，稳定性差，且地下水发育。研究报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究2需要解决的技术难题及研究对策

技术难题一：由于隧道受F2区域性大断裂影响，围岩破碎，如何保证TBM在软弱围岩条件下的施工技术和施工安全问题？

研究对策一：研究软弱围岩条件下TBM施工的超前地质预报体系、超前支护体系、施工监测反馈体系。TBM穿越软弱围岩施工技术研究研究报告

技术难题二：如何解决软弱围岩条件下TBM的施工进度及工期保证问题？

研究对策二：研究软弱围岩条件下TBM施工的掘进方案选择、掘进参数制定、清碴系统改进、同步衬砌技术。TBM穿越软弱围岩施工技术研究研究报告

技术难题三：如何保证软弱围岩条件下TBM的施工质量以及工程的永久性质量问题？

研究对策三：研究软弱围岩条件下TBM施工的初期支护型式、施工监测信息反馈、衬砌质量保证体系。TBM穿越软弱围岩施工技术研究研究报告超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

分项研究报告之一超前地质预测预报技术超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

目前国内外超前地质预报主要方法种类表项

目预报主要内容主要方法（仪器）重点预报地段常规预报围岩类别岩性特征，节理、裂隙发育特征和岩体结构特征地质素描法，TSP202，物探法断层破碎带软弱围岩地段涌水状态涌水量大小、压力、变化规律，环境水文地质特征钻探孔、测流计，TSP202，压力计岩溶裂隙地段高水压地段异常预报断层位置，规模，破碎程度，充填情况，含水情况钻探孔，TSP202，地质素描法，物探法断层破碎地段溶洞大小，位置，与水的关系钻探孔，地质素描法，物探法岩溶发育带突水突泥位置，规模，泥屑、流泥成份性质钻探孔，TSP202，素描法，物探，测流计岩溶发育带，抗水压衬砌地段超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

1、TSP202超前地质预报系统

采用目前国内外较好的TSP202隧道地震波超前地质预报系统先进行100～150m长距离预报控制，从而从宏观上预测开挖前方地层。超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

2、超前探孔

对可疑地段利用钻机钻孔准确判定。在开挖断面上部布设探孔3个，分别位于拱顶、拱腰部位。超前探水段长30~50m，探水孔终孔超出开挖轮廓线外1.5~3m，钻孔直径70mm。超前探孔是一种最为直接有效的探水方法，采用该方法结合止浆系统可直接判断出前方地层开挖时可能存在的危害度。超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

3、掘进参数对比分析

掘进参数对比分析是TBM独有的一种地质预测预报方式。当隧道接近断层破碎地带时，TBM的推进力会突然下降，出碴体中会有一部分大石存在，若地层过于破碎，进入掘进仓中可以观察到刀盘前岩层的自稳性很差，有部分破碎岩层滑落。4、地质素描

派有经验的地质工程师24小时值班，在TBM掘进前后对地层进行地质素描，必要时用数码摄相机，并绘制地质素描图。通过综合分析判断，提出地质预测报告。超前地质预测预报技术

分项研究报告之一

5、磨沟岭隧道超前地质预测预报程序

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

分项研究报告之二超前支护施工方案软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

依托磨沟岭隧道软弱围岩地层研究并应用的三种施工方案

快速掘进、径向注浆加强方案

超前管棚支护方案

超前管棚预注浆加固方案

分项研究报告之二

1“快速掘进、径向注浆加强”施工方案

☆适用边界条件

采取超前地质预测预报判析出前方地层较软

TBM掘进时出碴大小较均匀，刀盘前岩体虽破碎，但有一定的自稳性。

围岩暴露于护盾后的地层虽裂隙发育，但无较大的坍塌，只是在局部有掉块现象。

☆施工方案

调整TBM掘进参数→快速掘进→快速立拱和网喷支护→快速进行径向注浆加强软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

☆掘进参数：将掘进速度调整为40～50cm/h，推进力调整为5～7kN。

☆快速支护：每开挖90cm立一榀拱架，拱架采用I18型钢。钢筋网采用φ6mm钢筋，网格间距为＠20cm×20cm。喷射砼采用C20砼。☆径向注浆加强:

径向φ25mm自迈式锚杆，长3m，布设间距1m×1m。

根据需要注入普通水泥单液浆或超细水泥（20μm）单液浆。浆液水灰比=0.6:1～0.8:1。注浆终压设计为2MPa。软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

2“超前管棚支护”施工方案

☆适用边界条件：采取超前地质预测预报综合措施判析出前方地层软弱，采取快速掘进时可能会造成拱顶部分坍塌，对施工安全和施工质量会形成危害。

☆施工方案：利用TBM配套的THC500超前地质钻机，在拱顶84°范围内进行钻孔→在钻孔中下入超前管棚，充分利用超前管棚的刚性支护作用，避免或减少施工中拱顶部位的坍塌、剥落，以保证施工质量和施工安全。软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

☆方案设计:综合考虑成孔速度和成孔能力，现场采取长16m超前管棚支护。管棚主要在拱顶部位84°范围内布置，环向布置间距65cm，管棚布设数量11根。管棚布设外插角6°，终孔位于开挖轮廓线外1.67m。每次布设管棚后开挖掘进8～10m。软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

☆管棚施工:管棚采用φ50mm、δ=3.5mm的无缝钢管加工，每节长度2m，采用丝扣连接。钻孔采用TBM自带的THC500型超前地质钻机施作，钻头采用φ64mm，成孔直径φ70mm。成孔后下入管棚。☆开挖支护:管棚施工后进行开挖支护，一般一次开挖90cm支护一次，若经监控量测变形较大，则支护间距应调整为45cm。软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

3“超前管棚预注浆加固”施工方案

☆适用边界条件：当采取超前地质预测预报综合措施判析出前方地层极其软弱，并且有含水构造时，采取快速掘进和超前管棚支护措施也较难保证施工安全和施工质量时，可采取超前管棚预注浆加固施工方案。

☆施工方案：对超前管棚进行注浆，固结围岩，提高围岩的自稳能力，以保证施工安全和施工质量。

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

☆超前预注浆

分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

△注浆材料:采用普通水泥－水玻璃双液浆，浆液配比参数：（1）水灰比W:C=0.75:1～1:1（2）稀水玻璃浓度：35Be′（3）水泥、水玻璃体积比C:S＝1:1分项研究报告之二

△注浆参数

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之二

△注浆施工:采用KBY-50/70型注浆泵进行注浆施工。采用定量－定压相结合进行注浆结束标准控制。软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

△注浆工艺:采取目前注浆效果最好的后退式分段注浆施工工艺。分项研究报告之二

软弱围岩地质条件下TBM超前支护施工方案研究

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究

1管棚钻孔成孔工艺研究

TBM的施工特点是机械能力强，掘进速度快,上部有护盾结构,因而可采用TBM配套的THC500型超前钻机施作钻孔，钻孔的环向范围84°，钻机仰角6°。超前钻机施作钻孔时，要求护盾后缘2.7m范围内拱架不能与施钻发生干涉。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究

现场试验

试验段里程为DK230+606.3（护盾后里程）～+590.3，计16米。按试验设计，断面内共布设超前支护导管11根。施工时间自2001.6.1416:00到2001.6.1616:00。施工中实施钻一孔注一孔钻注平行作业，钻注顺序为隔孔进行。试验测试数据如下表所示：

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究※钻孔时间的总体分配由图表来看：①该试验段钻孔时间最短为11号孔2h55min，最长为10号孔6h40min，平均钻孔时间为4h8min/孔。②试验中各工序的衔接是比较紧的，时间利用率较高。③除2#孔、4#孔钻孔时钻杆下沉，6#孔钻孔施作中跑钻，10#孔准备时间过长等特殊原因外，其余各孔施工都基本正常，各孔施工时间基本为3h～4h，平均为3.55h。④施工中钻孔功效并不随时间的持续呈明显的加快趋势，可见，钻机的施作能力，已得到了根本体现。⑤在该试验段中，对钻孔施作影响的因素主要有：施工准备、钻杆下沉、钻杆跑位，钻孔换位等，其影响时间分别为3h45min、2h、2h、30min，合计8h15min，这在施工中应引起重视。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究※钻进能力分析

钻进功效图由上图来看：①在钻深16米范围内，钻进过程中钻进速度基本保持一致，可见在16米钻深条件下钻机的额定功率能得到完全发挥。②钻孔时间回归公式：t钻=5.625L（L≤16m）式中：t钻——钻孔时间（min）L——钻孔深度（m）

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究※拆钻杆能力分析

有效钻深16米范围内，一般拆钻杆时间为30min。拆钻杆时间回归公式：t拆=1.875L（L≤16m）式中：t拆——拆钻杆时间（min）L——钻孔深度（m）分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究※钻机成孔施工工艺

△钻孔前施工准备

（1）K1尽可能处于最前端，使成孔可利用长度最长。（2）在开孔之前，开孔位置应做到如下处理，以方便开孔。

①护盾后缘立有拱架，沿拱架后缘向上用镐凿出一垂直小断面，高度约150mm。

（3）对施作超前预注浆地段拱架间距在初期支护过程中预先作经调整，将拱架间距加大为1.35m/1.8m连续立两榀，钻孔时若拱架影响，则应割开钻孔位置的拱架腹板，上下缘加焊钢板加固，同时两榀拱架范围喷射砼厚度增加至20cm，将拱架间全部喷平，预留出的孔位置在护盾后作永久标记。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究

②护盾后缘未立拱架，沿护盾后缘向上用风镐凿出一垂直小断面，高度约150mm。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究△钻孔作业（1）操作臂伸缩机械和钻机推进机构，使钻头接触岩石。（2）将冲击手柄板向半冲击状态，采用低推进力和低旋转速度，保证顺利开孔。（3）顺利开孔后，将冲击手柄板向全冲击状态，在开孔后1米范围内，仍采用低推进力低转速方式钻孔，保证该范围内成孔要好。（4）随着孔深的增加，逐渐提高推进力和旋转速度。

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究（5）延长钻杆和套管①延长钻杆和套管前先停钻，原地反转钻机，后退钻机约300mm，通过专用工具夹紧钻杆，反转，使钻杆松脱，遇到无法松脱时，可边冲击边反转。②松脱钻杆后，后退钻机大于2米，取下套管后部附件，延长钻杆和套管，安装套管后部附件重新联结钻杆，开钻。③钻孔完毕，先停钻，原地反转钻机，退钻机，逐根取下连接的钻杆和钻具，退钻杆时要均匀缓慢。④钻具退出，套管留入孔内，插入注浆钢管，利用钻机上最后一根钻杆和连接套拉出套管，逐段拆下。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究2注浆材料研究

对于注浆材料的选取，应根据浆液的可靠性、可行性、无污染、经济性及工艺实施难易度综合分析选取。

综合以上五个特性进行比较。我们选择采用国内外常采用的普通水泥-水玻璃双液浆作为主要注浆材料。

经过室内试验确定了所选择的普通水泥－水玻璃双液浆的配比参数。（1）水灰比W:C=0.75:1～1:1（2）稀水玻璃浓度：35Be′（3）水泥、水玻璃体积比C:S=1:1分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究3止浆系统研究

TBM要求注浆施工要具有良好的注浆效果。在TBM条件下，应尽可能地实施深孔注浆，因而要提高注浆效果必须对止浆技术进行研究。止浆技术是注浆施工的一项重要技术手段，利用止浆技术可实现前进式分段注浆工艺和后退式分段注浆工艺，从而使注浆加固效果得到很大的提高。分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究

机械式止浆塞计算网格化分图

环向受力情况（H=80mm、F=0.5kN）

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究计算结果①H=80mm、F=0.5kN时，计算结果如下图所示：

纵向受力情况（H=80mm、F=0.5kN）

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究②H=80mm,F=1.0kN时，计算结果如下图所示：

当H=80mm、P=1.0kN时，AB面上的位移最大，其值为0.170mm环向受力情况（H=80mm、F=1.0kN）

分项研究报告之三

软弱围岩地质条件下TBM超前注浆与管棚技术研究注浆过程中止浆塞受力分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

TBM施工监控量测信息反馈

TBM施工监控量测信息反馈分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

采用无尺量测（非接触三维观测）技术对该隧道进行净空位移监测。

分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

2、检测结果分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

3、检测结果分析1分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

2分项研究报告之四TBM施工监控量测信息反馈

4、结论所监测各断面结构是安全的、稳定的。因而TBM施工中采取的支护体系结构是合理的，工程永久性有保证。分项研究报告之五软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之五初期支护模式研究分项研究报告之五1、TBM在软弱围岩的施工工艺流程

TBM在软弱围岩地质条件下施工工艺流程图

软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之五

2、软弱围岩条件下支护作业流程

软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之五

3、TBM条件下软弱围岩初期支护参数表

软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之五

软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之五

软弱围岩地质条件下TBM初期支护模式研究分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究分项研究报告之六掘进参数研究

分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究1、节理不发育～发育的中硬岩

选择高速（5.4r/min）掘进。

开始掘进时掘进速度选择15%，掘进到5cm后，方可提速。

正常情况下，掘进速度一般≤35%。分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究2、节理发育的软弱围岩

选择自动扭矩控制模式

一般掘进速度可调整在80%，必须保证扭矩值≤80%，且变化范围10%，相应贯入度为10mm。

分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究3、节理发育且硬度变化较大围岩地段

推进力≤1700KN

扭矩≤55%，且扭矩变化范围不超过10%，相应贯入度为6mm左右。分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究

电机选用高速时，掘进速度＜50%，扭矩变化范围＜10%。

电机选用低速时，掘进速度开始为20%，等围岩变化趋于稳定后，推进速度可上调，但不应超过45%，扭矩变化范围＜10%。

4、节理较发育、裂隙较多的破碎带、断层等地段

分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究

当皮带机上出现直径为30cm大小的岩块，且块体的比例大约占出碴量的20%～30%时，应降低掘进速度，控制贯入度≤7mm。

当皮带机上出现大量块石，并连续不断成堆向外输出时，应停止掘进，更换刀盘转速2.7r/min低速掘进。

分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究

当围岩状况变化大，掘进时，刀具可能局部承受轴向载荷，影响刀具的寿命，所以必须严格扭矩变化范围≤10%，并应以低速掘进，一般情况，掘进速度≤55%，贯入度≤7mm

。5、极软弱围岩地段

撑靴压力调整到180bar

掘进速度调整限定在50％以内，刀盘推力一般在4～6MN。

分项研究报告之六软弱围岩地质条件下TBM掘进参数研究分项研究报告之七软弱围岩地质条件下TBM掘进方向控制研究

分项研究报告之七掘进方向控制研究分项研究报告之七☆ZED-260激光导向系统装配

在标准的ZED-260导向系统中，目标单元和控制单元都需安装在TBM上，接口单元需安放在激光和重复单元相毗连的隧道内，个人微机装置在测量站。

软弱围岩地质条件下TBM掘进方向控制研究

☆ZED-260激光导向系统对TBM调向控制

读出和记录ZED上显示的机器位置；

停止推进；

向后移动刀盘距离掌子面约30mm；

使刀盘再转动几圈，以清除石碴；

停止刀盘旋转；分项研究报告之七软弱围岩地质条件下TBM掘进方向控制研究

使胶带输送机继续运行，直到其上没有石碴；

拖拉配套；

伸出后支承；在支承缸伸出到达中间位置后，两侧翼缸伸出，当侧翼缸达到约80bar的最低支承压力时，伸出动作停止，此后外凯撑靴方能放松；

放松前、后外凯上的撑靴；

向前移动两个外凯，在TBM被重新撑紧之前调整机器的方向。分项研究报告之七软弱围岩地质条件下TBM掘进方向控制研究

分项研究报告之八软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八清碴设备的改进研究分项研究报告之八1、原机清碴系统的设计缺陷

原清碴范围有限，只能完成刀盘后约5米范围内石碴的清理。而在软弱围岩下施工，整个主机下部约15米范围内都有需要清理的石碴。

原机清碴系统只能在掘进机掘进时工作。

依靠人工装碴，工人劳动强度大，清碴速度慢。软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八原机刀盘下部清碴系统图

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八改进后的刀盘底部清碴系统

2、原机清碴系统改进方案的研究

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八（1）功能一：主要依靠该系统向刀盘内输碴

掘进机掘进时，若只是1#皮带机附近区域有碴，可利用1#皮带机向刀盘内输碴。整个主机下部都有碴，便可利用1#、2#两台皮带机接力向刀盘内输碴1#、2#皮带机接力向刀盘内输碴

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八（2）功能二：主要依靠该系统向后部料斗内输碴掘进机换步作业和停机保养时，主机下部没清完的碴子，可利用1#、2#两台皮带机接力反向输送到后部料斗内，也可单独由2#皮带机完成向后输碴。

1#、2#皮带机接力向后部料斗内输碴

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八改进后的优点

扩大了清碴范围。清碴范围由原来的刀盘后部5米扩大到15米。

可以在掘进机作业的全时段内进行清碴，提高了清碴速度。

在主机后部仰拱块作业区内，液压装碴机械手的使用，降低了作业人员的劳动强度，提高了掘进机的掘进速度。

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之八方案改进后的效果

对原机清碴系统改进后，在磨沟岭隧道投入使用，清碴速度有了明显提高，没有因清碴不及时造成掘进停止，在全隧软弱围岩段，这套系统共计输碴约15000m3。

软弱围岩地质条件下TBM清碴设备的改进研究

分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

分项研究报告之九同步衬砌技术研究分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

TBM同步衬砌的特点

保障施工安全

缩短工期

资源、生产趋于均衡、合理

对施工和设备管理提出了更高的要求分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

TBM同步衬砌方案的研究重点

防水板铺设

砼衬砌

砼表面修理与掘进相互干扰矛盾的解决分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

1、防水板铺设

方案一

拆除15号拖车上层平台上的TBM附件，将防水板铺设机构安装在15号拖车二层平台上。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

☆优点:△铺设架制作简单,随TBM掘进前行。△可减少整个同步衬砌架子下浮放轨的长度。△可利用TBM上的电源，减少供电环节。☆缺点：△防水板铺设随掘进进行，受掘进速度影响。△防水板铺设前的工序必须在15号拖车前完成，难度较大。△洞室开挖只有在防水板铺设后进行，受爆破影响较大。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

方案二防水板铺设采用独立的架子，在TBM后进行。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

☆优点

△铺设架独立，不受掘进制约，作业灵活。△为防水板铺设前的其他工序留有较大空间。☆缺点△增长了同步衬砌架子下的浮放轨，加大了列车通过的难度。△要考虑铺设架供电问题。

分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

2、表面修补架

为使浮放轨尽可能的短，修补架可做成简易架，长度考虑6～10m，不占用轨道，且移动灵活。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

3、运输问题

方案一如果防水板铺设在TBM15号拖车上完成，那么只是在台车下有浮放轨。在浮放轨前后各有一个渡线轨。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

方案二

如果防水板铺设使用一独立的架子，占用两外侧轨道，则浮放轨长度必须加长。同样，台车下的浮放轨、铺设架下的浮放轨及两个渡线轨之间的距离应大于112m。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

浮放轨

方案一和方案二中浮放轨的形式考虑重载列车的通过，其截面结构见图，底板采用δ=20的钢板，下部背80#槽钢，以2m的间距均布。轨道采用43Kg轨。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

铺设架为独立架子，修补架为简易架的情况下，风管通过同步衬砌段的结构如图。铺设架和修补架中部都有较大的空间，风管可以通过。台车中部空间较小，风管通过时成椭圆形。台车在原来的基础上，中部的所有杆件拆除，作风管通道。风管挂钩吊点应打在隧道顶部。4、通风问题分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

5、供水问题直径200mm的供水钢管走中心水沟，闸伐体积大可换用体积小的蝶伐，在TBM后部弯接。供水如下图。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

6、供电问题

变压器放在铺设架上，自TBM10KV电缆接线盒上T接，经过变压后给铺设架和台车供电。考虑到TBM掘进与衬砌同步进行，衬砌用电只能从10KV上“T”接，不能“串”接。

分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

7、TBM拆卸

主机拆卸洞为：长×宽=50×12米，设2×75吨桥吊一台，后配套拆卸洞为长×宽=30×12米，设30吨桥吊一台。TBM步进到位后，主机与后配套自设备桥前端分离。在主机拆卸洞依靠2×75吨桥吊进行主机部分的拆卸。在后配套拆卸洞依靠30吨桥吊进行后配套部分的拆卸，后配套的拆卸自后向前，一次将2节拖车拖入拆卸洞，分解拆卸运输后，再将另外2节拖车拖入拆卸洞，如此循环进行，直至将设备桥部分拆完。分项研究报告之九软弱围岩地质条件下TBM同步衬砌技术的研究

8、同步衬砌工艺

分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究1、TBM通过断层破碎带的技术措施1洞壁发生小规模岩石剥落地段

△工作面特征：刀盘护盾与岩壁间有小块石头掉下，拱部或侧壁发生小坍塌，但没有继续发展扩大的迹象。

△判断依据：掘进正常，推力、扭矩变化不大，机械（尤其主机区域）没有异常的振动和声响，碴均匀集中，偶尔混有大块岩碴。

△支护措施：撑靴以上部位挂钢筋网、打系统锚杆，间距0.9m，视情况架立I16全圆拱架，间距1.8m，3榀拱架之间打6-8根3m长锚杆，第一榀钢拱架的安装质量关系到底部开槽式仰拱块能否顺利铺设，必须严格按照技术人员指定的位置安装。

△全圆拱架安装要求：安装允许误差为横向和高程±5cm，垂直度±2°；钢拱架应密贴岩壁，有间隙时按2m间距设楔形块挤紧，拱架与坍塌围岩间设支撑撑紧；拱顶及前撑靴上部各打2根锚杆锁住拱架；避开撑靴及仰拱块位置，在2榀拱架间，按间距1.0m焊Φ22mm纵向连接筋，加固拱架。分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究2节理密集带或中等规模断层破碎带

△工作面特征：拱顶或侧壁(撑靴处)坍塌厉害，护盾与岩壁间落下大量石块。

△判断依据：掘进时机械振动较大，推力减至8-9MN甚至更小时，扭矩增加60-70%，并且变化幅度较大，皮带输送机上大块增多，伴有少量细碴，碴堆忽多忽少，不均匀。

△支护措施：利用手喷混凝土系统向坍塌处喷射混凝土，及时封闭围岩，减少岩石暴露时间。安装全圆钢拱架，间距0.9m。拱架安装前先在撑靴以上部位挂钢筋网。撑靴处坍塌较严重部位，为防止坍塌继续发展，保证后部支撑靴的顺利通过，在钢拱架背面立模板浇灌C30细石混凝土与坍塌处围岩构成封闭的受力整体。前、后支撑靴间距只有7m左右，因此，混凝土中心必须掺加适量的外加剂，使其能够在较短的时间内获得足够的强度

分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究3大规模的断层破碎带处

△工作面情况：拱顶及洞壁发生大面积坍塌，且发展很快以致于常规施工方法无法控制。从护盾边缘观察拱顶坍塌很深，大量石块从护盾与岩壁之间落下，坍塌向后部区域扩大。

△判断依据：掘进时机械振动特别大，在主控室即能听到掌子面发出的巨大声响。扭矩增至70%以上，推力减至4MN左右。1号皮带时堵时通，严重时刀盘被石块卡住，无法旋转，碴中以大块为主，几乎没有细碴。

△支护施工：断层破碎带的喷射混凝土显得更为重要。手喷混凝土时必须做好相关设备的防护工作，避免混凝土回弹料污染主机设备。喷射混凝土必须从填充岩面空洞、裂缝开始。在钢拱架地段，钢架与围岩之间空隙必须用喷射混凝土填充密实，不要旋转喷头。通过断层破碎带时，岩碴清理量特别大，致使安装一榀钢架时间最多达5h。侧壁坍塌处支撑靴无法伸出，换步次数增多，且换步时间较长。

分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究4TBM撑脚处的围岩加固技术

TBM的支撑系统是采用在边墙上进行双排四角支撑，分为外机架1和外机架2两个支撑部分。每个支撑部分由8个撑靴组成，额定总支撑力为9100kN，接地压力为190N/cm2,每个撑靴都能独立操作。TBM掘进时，支撑靴支撑着设备的重量并将推力和刀盘扭矩的反力传递给边墙岩壁，当边墙岩壁强度足以承受支撑靴压力时，TBM可正常掘进。因此，对小范围的边墙坍方，可通过锁死部分支撑靴，减小对围岩的支撑压力，同时相应地减小TBM推力、推进速度，使TBM不停机，安全通过坍方地段。在软弱破碎围岩地段，掘进时反力不足。在小范围时，可在支撑靴处加垫枕木垛以增大接地面积后通过。在范围较大时，可以在TBM外部用人力开挖，灌注反力混凝土；也可在撑靴处打2-3根带小孔锚杆，管径Ф40mm，并注浆形成支承座。当隧道边墙发生较大的坍方、边墙围岩强度不足以承受撑靴压力时，TBM将无法掘进，此时必须停机，采用喷锚网+钢拱+灌注混凝土的联合支护方式进行处理后再掘进。具体步骤是：设作业平台；处理危石；喷混凝土；打锚杆；挂钢筋网；安装钢拱架，边掘进边安装；在多拱架之间焊接厚3mm的钢板，然后向内灌注加速凝剂的细石混凝土，凝固后使撑靴撑在初期支护面上，TBM开始掘进。分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究2、TBM掘进时突发涌水的处理措施

△处理原则：预测先行，预防为主；防微杜渐，确保安全。

△掘进前采取超前钻孔，并结合破碎带探孔，探测钻孔出水量、水压，确定涌水点里程；打超前放水孔进行放水，放水过程中，时刻观察水压及水量变化，如水压减小，在做好排水系统的条件下，TBM继续掘进；如排水孔水压及水量不减，开挖后会造成工作面及侧壁坍塌或排水设施跟不上，必须采用注浆堵水。

△面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面；对侧壁的漏水采用挡遮、引排措施，保证喷混凝土质量；喷混凝土后，由于水压升高，有可能使一次支护破坏，则应采用引排方法或壁后注浆法封堵。当水压过高，水量过大时，采用围岩注浆，将水堵在围岩内部。

（1）确定技术处理措施的原则。TBM掘进突生涌水可给施工带来严重影响，甚至会危及人员及财产安全。因而，处理方案应坚持的原则为：预测先行，预防为主；防微杜渐，确保安全。（2）掘进前采取的措施打超前钻孔，并结合破碎带探孔，探测钻孔出水量、水压，确定涌水点里程；打超前放水孔进行放水，放水过程中，时刻观察水压及水量变化，如水压减小，在做好排水系统的条件下，TBM继续掘进；如排水孔水压及水量不减，开挖后会造成工作面及侧壁坍塌或排水设施跟不上，必须采用注浆堵水。（3）面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面；对侧壁的漏水采用挡遮、引排措施，保证喷混凝土质量；喷混凝土后，由于水压升高，有可能使一次支护破坏，则应采用引排方法或壁后注浆法封堵。当水压过高，水量过大时，采用围岩注浆，将水堵在围岩内部。（4）根据水量不同分别采用不同的措施分项研究报告之十特殊地段TBM施工技术研究2TBM施工中对涌水的处理措施

TBM穿越软弱围岩施工技术研究取得的主要成果及研究成果的技术水平

“TBM穿越软弱围岩施工技术研究”是结合西安－南京铁路磨沟岭隧道软弱围岩地层而进行开展研究的一项重要科研课题。课题组紧扣工程，针对TBM在软弱围岩施工中的缺陷，通过资料调研、理论分析、现场试验，对软弱围岩地质条件下TBM施工的超前地质预测预报技术、超前支护施工方案、初期支护模式、掘进参数选择、TBM换步与掘进方向控制、清碴系统改进、同步衬砌等技术进行了系统的研究，并将研究成果成功地应用于磨沟岭隧道软弱围岩施工中。TBM穿越软弱围岩施工技术研究现场应用表明，在该隧道Ⅱ、Ⅲ类软弱围岩施工中，月进度达到160～220m，全隧比施组提前4个月贯通。该科研成果的成功研究，大大地拓宽了TBM在地下工程施工中的应用空间，为国内外TBM在软弱围岩地质条件下的设计、施工、领导决策提供了借鉴价值、指导意义和理论依据。经技术查新，该科研成果的研究在我国尚属首次，在国外也未见到有完整的体系研究，因而研究成果达到了国际领先水平。课题所取得的主要研究成果综述如下：TBM穿越软弱围岩施工技术研究

综合技术水平填补了国内同类技术的空白，为TBM在软弱围岩中的设计、施工和领导决策提供了重要的理论依据和借鉴价值。

TBM穿越软弱围岩施工技术研究

研究的各项技术成果均具有极大的推广应用价值

拓宽了TBM的应用范围，为中国铁路修建技术水平写下了光辉的一页。

用户使用报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究

用户使用报告

用户使用报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究

我单位承建的西安南京铁路磨沟岭隧道全长6112米，是西安南京铁路十大控制工程之一，采用敞开式TBM掘进机施工。我公司于2000年元月1日进场,经过几个月快速、有序、安装调试,TBM于2000年7月9日开始掘进，在全体参战职工的积极摸索和辛勤努力下，在现场监理和设计配合大队密切配合下，我们顺利地通过设计图中的685米F2断层，截止2001年6月30日累计掘进1920米，其中最高月进尺472.4米，最高日进30.3米,平均月进160米，平均日进5.33米,在顺利通过设计Ⅱ、Ⅲ类软弱破碎带之后，TBM遇到了更严竣的考验，2001年4月4日掘进至DK230+760.4处TBM被卡，直到2001年5月11日才得以彻底脱困。因以上地质因素，造成工期滞后6个多月。用户使用报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究为确保总工期的顺利实现，加大科技投入，并通过组织专家论证会、调动全集团技术精英和利用地方优势力量，联合组织科研攻关，通过采取后配套增设软弱围岩设备，超前加固、短进尺、及时支护等一系列措施、手段，实现了快速、安全通过软弱围岩地段的目的。大大拓展了敞开式硬岩掘进机的通用范围，在围岩类别低，围岩自弱能力差，使用TBM施工的各类山岭、水工及海底隧道均可使用本技术，此技术的成功配套应用，使敞开式硬岩掘进机在软弱地质条件的快速、安全施工起到了有效保障。并研究制定了本施工技术，成功攻破了敞开式硬岩掘进机在软弱地质条件下的施工技术难关，取得了可喜成绩：用户使用报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究1、立足于TBM施工，攻破软弱围岩施工技术难关，提高TBM在软弱围岩中的施工能力。2、优化施工组织设计，强化施工管理，优化施工组织。3、抓好TBM机况的保证工作。4、由于采取了以上有效措施，成功穿越受F2区域性大断层影响最严重的破碎围岩地段，并使原来因地质原因造成滞后6个多月的工期挽回了非常保贵的3个多月时间，为保质保量完成磨沟岭隧道施工任务打下了坚实基础。用户使用报告TBM穿越软弱围岩施工技术研究5、通过科研攻关，有效拓展了全断面硬岩掘进机的适应性，使TBM的软弱围岩通过能力稳步提升，使Ⅱ、Ⅲ类围岩月进度可达到160～220米。这是人工钻爆法无法比拟的。在2001年12月创造了日进41.3米，月进