【正文】 劉俊新 ( 西南科技大學土木工程與建筑學院 ) 第四篇 掘進機法修建的地下工程 第一章 TBM法及其應(yīng)用 第一節(jié) 概述 盾構(gòu)掘進機 掘進機 （ tunnel boring machine） ，簡稱 TBM， 是一種修建巖質(zhì)隧道的工廠化的施工技術(shù) 。與盾構(gòu)有異曲同工之處。在機械施工中，很長一段時期，把在土質(zhì)隧道中采用的機械稱為盾構(gòu)，而把在巖質(zhì)隧道施工中的機械稱為掘進機，或者巖石掘進機。由于機械制造技術(shù)的快速發(fā)展，這種區(qū)分越來越不明顯，因此目前多把掘進機和盾構(gòu)一并稱為盾構(gòu)掘進機。 ?① 安全、省力、改善勞動環(huán)境等社會的要求提高。使單純作業(yè)和危險作業(yè)機械化。 ?② 掘進機施工不采用爆破，對圍巖擾動小，有利于保護圍巖、維護圍巖固有的承載力，減輕支護結(jié)構(gòu)的支護量。 ?③ 施工對周圍影響小、安全性和施工可靠性高、洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境也比其他隧道施工方法好等。 ?④ 由于地質(zhì)條件的復雜性，把盾構(gòu)技術(shù)引進到 TBM中，使 TBM法的適用范圍擴大，發(fā)揮 TBM的作用。 掘進機技術(shù)獲得巨大發(fā)展的原因 第二節(jié) TBM法 TBM法 隧道 TBM是一種專用的開挖設(shè)備 。它利用機械破碎巖石的原理，完成開挖、出碴及混凝土（鋼）管片安裝的聯(lián)合作業(yè)，連續(xù)不斷地進行掘進。用此法修筑隧道的方法，稱為 TBM法。 ?： 擠壓式主要是通過水平推進油缸，使刀盤上的滾刀強行壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進過程中，用擠壓和剪切的聯(lián)合作用破碎巖體。 切削式利用巖石抗彎、抗剪強度低（僅為抗壓強度的1/101/20）的特點，靠銑削（即剪切）和彎斷破碎巖體。 ? TBM的作業(yè)是否封閉分類： 可分為 開敞式 、 單護盾 和 雙護盾 TBM。 開敞式 TBM適用于 圍巖穩(wěn)定性好 的場合， 護盾式 TBM適合于 圍巖較軟弱、需進行混凝土（鋼）管片安裝 的場合。 TBM的分類 TBM一般由 刀盤、機架、推進缸、套架、支撐缸、膠帶機及動力間 等部分組成。 掘進時，通過推進缸給刀盤施加壓力，滾刀旋轉(zhuǎn)切碎巖體，由裝在刀盤上的集料斗轉(zhuǎn)至頂部通過膠帶機將巖碴運至機尾，卸入其他運輸設(shè)備運走。為了避免粉塵危害， TBM頭部裝有噴水及吸塵設(shè)備，在掘進過程中連續(xù)噴水、吸塵。 TBM ? 圖 a為機器用支撐板撐住，前后下支撐回縮，推進缸推壓刀盤鉆掘開始； ? 圖 b為掘進一個行程，鉆掘終止 。 ? 圖 c為前后下支撐伸出到洞底部、支撐板回縮； ? 圖 d為外機體前移，用后下支撐調(diào)整機器方位； ? 圖 e為支撐板撐住洞壁，前后下支撐回縮，為下一個工作循環(huán)做好準備。 TBM的破巖原理 TBM的破巖原理，隨刀具的類型不同分為 滾刀 和 削刀 兩類。 滾刀破巖是通過滾刀對巖石施加強大的壓力，在巖面上滾動來 破碎巖石 的。 根據(jù)滾刀的形式不同，又分為 圓盤型 、 楔齒型 、 球齒型滾刀 幾類。 工作時每只圓盤刀具上約作用有 50200 kN的壓力，使巖體表面在刀圈刀尖強集中力作用下破碎并被切入，并形成切入坑，如圖 412b所示。 隨著滾刀滾動，切入坑連通，在巖面上形成一條條的破碎溝，破碎溝之間巖石 AO1 C又受滾刀側(cè)刃擠壓力的作用而剪切破碎。當切入深度 h較小時，剪裂面為 O1 C或 O2 D， h較大時，剪裂面為 O1 O2 ，如圖 412c所示。 最初由楔齒的尖端，在滾刀轉(zhuǎn)動情況下產(chǎn)生切向張力破壞巖石的表面，切入深度為 λ，如圖 413c所示。 然后，由齒尖在楔入力繼續(xù)引起剪切破壞，楔入深度為 h。另外，各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。 球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，球齒型滾刀更為耐磨，適用于硬巖掘進。 工作時，削刀在 擠壓力 PV和 切割力 PH的作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū)，隨著刀具回轉(zhuǎn)運動，形成剪力破碎區(qū) ，如圖 414所示。 削刀繼續(xù)回轉(zhuǎn)即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，該槽的寬度即為刀刃的寬度，約為刀具回轉(zhuǎn)一周破巖總進尺的 1/41/3 ，兩切削槽之間的巖石，約為破巖進尺的 2/33/4 ，則由削刀側(cè)向擠壓力 R作用而剪力破碎，如圖 415所示。 不論是滾刀或是削刀，總的破巖體積中，大部分破巖并不是由刀具直接切割的，而是由后進刀具剪切破碎的。為有效破巖，先形成破碎溝或切削槽是前提條件。破碎溝或切削槽的深度、寬度愈大，破巖效果便愈好。因此，需根據(jù)開挖巖體的性質(zhì)，選擇適宜的刀具。 TBM的特點 1. TBM法的優(yōu)點 ?① 開挖作業(yè)能連續(xù)進行，施工速度快，工期短。特別是在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時，此特征尤其明顯。 ?② 對圍巖的擾動損傷小，用爆破法使圍巖的損傷范圍約為23m，而 TBM法只有 1m左右，幾乎不產(chǎn)生松弛、掉塊、崩塌的危險，可減輕支護的工作量。此外，超挖小，襯砌也省時省料。 ?③ 開挖表面平滑，在圓形隧洞的情況下，受力條件好。 ?④ 振動和噪聲對周圍的居民和結(jié)構(gòu)物的影響小。 ?⑤ 施工安全，近期的 TBM可在防護棚內(nèi)進行刀具的更換，密閉式操縱室、高性能集塵機等的采用，使安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。 ?⑥ 作業(yè)人員少。 2. TBM法的缺點 ?① 設(shè)備的購置、運輸、組裝解體等的費用高，設(shè)計制造時間長，初期投資高。 ?② 施工途中不能改變開挖直徑。 ?③ 地質(zhì)的適應(yīng)性受到一定限制。 ?④ 開挖斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上受到一定的制約。 ?⑤ 運輸困難 TBM法的基本條件 在 TBM法中， TBM和掌子面是分離的，故有軟弱層和破碎帶時，采用輔助工法很困難。所以，不良地質(zhì)的調(diào)查，不僅對 TBM的選擇和施工速度有很大的影響，對能否采用 TBM法也是決定性的因素。 TBM施工的地質(zhì)調(diào)查主要是調(diào)查影響 TBM使用的地質(zhì)條件 ，如地層的硬軟、破碎帶的位置、規(guī)模、地下水的涌水、膨脹性圍巖等，對 TBM法是否適合，以及影響TBM開挖效率的地質(zhì)因素等。 TBM法的地質(zhì)因素 ?① 隧道地壓 是否存在塑性地壓是決定 TBM適用性的重要因素。 ?② 涌水狀態(tài) 在軟弱巖層、破碎帶中，涌水的范圍、大小、壓力等，是造成掌子面崩塌和承載力低下的主要問題。 TBM效率的地質(zhì)因素 ?① 巖石強度 ?② 巖層的裂隙 ?③ 巖石硬度 ?④ 破碎帶等惡劣的條件 TBM進入現(xiàn)場后，一般要經(jīng)過運輸、組裝的過程。根據(jù)TBM的直徑和形式、運輸途徑、組裝基地的狀況等，要準備 12個月。其次， TBM的后續(xù)設(shè)備長 100200 m，為正規(guī)地進行掘進，也要先修筑一段長 200m左右的隧道。所以，隧道長度短時，包括機械購置費在內(nèi)的成本是很高的。 在 TBM法中因進行機械的運輸、組裝等，故要對隧道所處地點的狀況給予應(yīng)有的注意。 TBM的搬運計劃，要考慮道路的寬度、高度及重量的限制，根據(jù)組裝條件要充分調(diào)查運輸時的分割方法（最小分割尺寸和重量） 。 第三節(jié) TBM法的應(yīng)用 應(yīng)用簡介（見教材 P273） 應(yīng)用事例 TBM的應(yīng)用前景 第二章 TBM的結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)造 第一節(jié) 全斷面隧道 TBM的類型 全斷面隧道 TBM ?① 開式隧道 TBM 指切削時不用控制工作面的地壓， TBM按出碴系統(tǒng)運碴能力掘進。不需要特別考慮地表下沉的情況。其設(shè)計剛度較大，適用于在硬地層中快速掘進。 ?② 閉式隧道 TBM 通過控制好螺旋運輸機卸料門的開啟，使切削巖土的刀盤前腔的壓力與地壓平衡。通常用于軟地層或流動性地層。在 軟地層中隧道施工的 TBM又稱為 盾構(gòu) 。 支撐式 TBM 刀盤屬于 TBM第一組合體，由液壓馬達或電動機驅(qū)動，通常沿中空主軸承周圍以環(huán)形模式布置在機器的主軸上。帶有防塵隔層的刀盤罩將刀盤與被開挖掌子面隔開，刀盤罩可保護刀盤，防止物料侵入；防塵隔層防止灰塵和碎屑進入刀盤后面的工作區(qū)。巖碴通過刀盤上的鏟斗裝置和刀盤后面的導向板運到刀盤中心，在那里巖碴落進漏斗，送到運輸機上，運輸機通常置于機器的中心軸位置。選用液壓驅(qū)動馬達時，驅(qū)動液壓泵站的電動機安裝在后配套上。掘進頭的推進力由一支撐推進系統(tǒng)提供。 第二組合體和設(shè)施用在工作面或 TBM防塵護盾后面進行即時支護措施，并進行地層預探測。 初期保護性支護措施包括 ：直接在刀盤罩后面架設(shè)支護拱架和掛網(wǎng)、洞頂錨桿或噴漿，進行洞頂區(qū)域的巷道保護 。 擴孔式 TBM 擴孔 TBM特適合于需要通過探測導洞來確認特殊風險因素的地層條件。 在第一階段由 TBM開挖直徑為 m的導洞，再用擴孔 TBM進行第二階段的擴孔開挖。 護盾式 TBM 1. 單護盾式 TBM 單護盾式 TBM的整個機器都是由一個護盾進行保護，適用于需在刀盤后采用較多支護措施的一般破碎甚至不穩(wěn)定的地層。 護盾式 TBM的優(yōu)點 是支護工作可在護盾殼內(nèi)完成，與洞壁沒有任何接觸。然而，當遇到較大的斷層或通過洞穴地層時會產(chǎn)生嚴重的問題。因此， 在預測的斷層地段掘進期間，進行系統(tǒng)的勘測鉆探是非常重要的 。 TBM遇到有問題的地段時，可以進行灌漿以穩(wěn)固巖體，或者借助用玻璃纖維強化的洞頂錨桿來加強地層結(jié)構(gòu)。另外，要以最佳的方式設(shè)計 刀盤檢修出口 ，以便在掌子面前發(fā)生障礙時進行檢查并處理，對掌子面前方的“洞穴”也能從這些出口用噴漿進行穩(wěn)固。在護盾保護下用管片進行 支護 和 襯砌 。 2. 雙護盾式 TBM 同單護盾式 TBM一樣，雙護盾式 TBM適用于無地下水的不能自立的軟弱破碎地層段，并在護盾內(nèi)安裝管片襯砌。雙護盾系統(tǒng)可同時滿足推進和管片安裝的要求。雙護盾 TBM在每個掘進行程中的中斷時間短，后接觸護盾周期性地前移。雙護盾 TBM系統(tǒng)在縱向上可分為三部分 ： 帶刀盤的前護盾 ；中間部分的伸縮護盾 ； 后接觸護盾，帶有用于安裝管片的尾盾 。把 伸縮護盾 、 接觸護盾（支撐盾殼） 和 盾尾 合稱為 后護盾 T