【文章內容簡介】 斷面形狀自由 隧道可以分部開挖，斷面形狀和大小可自由選擇，即使遇到局部堅硬的部分，開挖其周圍后，還有掉落的可能。在掌子面難以自穩(wěn)的圍巖中，可保留核心進行環(huán)向開挖。 ?② 易于適應地質條件的變化 在開挖中，局部遇到硬巖時，可改為爆破開挖。采用松弛爆破，使圍巖產生裂隙，再采用機械開挖。為排水和壓漿的鉆孔作業(yè)也容易進行。 ?③ 開挖速度快 巖質在自由斷面 TBM的適應范圍以內時，開挖、裝碴可同時進行，故掘進速度快。利用 TBM的臂可架設支撐和背板。 ?④ 圍巖松弛少 爆破法圍巖易于松弛。機械開挖時對圍巖的影響小，可減輕支撐，襯砌厚度也可減小。 ?⑤ 噪聲、振動小 開挖動力都是電力、油壓。故洞內外噪聲、振動都小。 ?⑥ 輕量、小型、機動性好 即使是大斷面用的大型機，其重量也只有 50t 。導坑用的小斷面掘進只有 12t 左右。機械的搬入、搬出是很容易的。 ?⑦ 人員少，安全性高 開挖作業(yè)時，只有一名司機。 ?⑧ 機械購置費低 機械購置費低，通用性、工作效率都高，機械損耗小，維修費等也小。 TBM法的缺點 ?① 地質條件的適用范圍小 最近的大型自由斷面 TBM，在抗壓強度小于 80MPa時可經濟地進行掘進。歐美的掘進機可達到 100 MPa，開挖效率，限界不僅與巖石的抗壓強度有關，也與裂隙，石英含量。石英粒徑等有關。 ?② 發(fā)生粉塵 在抗壓強度大于 15MPa的巖層中開挖時，粉塵會成為一個問題。惡化視線，降低效率，環(huán)境差。 ?③ 有涌水時易于泥化。 ?① 從地質條件看適用范圍 自由斷面的 TBM的適用范圍，隨著技術的提高逐漸擴大。不僅用于軟巖，也開始用于硬巖。 ?② 從機械因素看適用范圍 自由斷面 TBM與全斷面 TBM不同之點是：開挖反力由機械重量來支持。因此，各種的適用范圍與開挖斷面的高度、機體的重心高度、機體自重的支持點距離、刀具的切向力等有關。單軸抗壓強度大于 80100 MPa后，機體重量急劇增加。 TBM的基本構造 自由斷面 TBM由 破巖裝置 、 出碴裝置 、 移動裝置 等基本部分組成，如圖 429所示。自由斷面 TBM的破巖裝置，系安裝在液壓伸臂上的球狀或圓錐狀的銑刀頭，又稱 切削頭 。這種 TBM大多數只有一個液壓臂，所以又稱為 獨臂鉆 。該臂能伸縮及在水平方向和垂直方向上回轉，從而可在任意位置上切割破巖。自由斷面 TBM的出碴裝置，實質上就是刮板式或蟹爪式裝碴機。破碎的石碴由刮板或蟹爪搜取經鏈板轉輸至機后的輸送帶，再裝車運走。 這種 TBM的移動裝置有履帶式或輪胎式兩種，以履帶式采用較多 。 第三章 TBM法隧道的支護技術 第一節(jié) 概述 目前沒有適用于 TBM隧道支護設計的設計方法的原因 ?① 掌子面被 TBM機體所堵塞，很難基于掌子面直接觀察進行狀況的判斷。 ?② 拱頂下沉和凈空位移等隧道動態(tài)量測，在開挖后立即進行是困難的，因此，要采用量測以 ?外的手段來判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護是否妥當。 ?③ 施設支護的位置，要離開掌子面一定距離，支護設置時間較遲。 ?④ 支護設置位置，因 TBM的形式而異。 ?⑤ TBM的直徑、用途是多種多樣的，在同樣的條件下的工程實績較少。 支護形式的基本要素 第二節(jié) TBM法隧道的支護設計 在 TBM法的支護設計 ?① 為確保高速掘進，應在盡可能短的時間內進行支護的施設，或支護能與掘進平行施工。 ?② TBM法的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，可采用輕型的支護形式。 ?③ 考慮開挖到構筑的時間較長，構筑支護時對 TBM裝置的影響，確定合理的支護施工位置（與掌子面的距離） 。 ?④ 是永久的或是暫時的支護。 ?⑤ 支承靴擠壓對洞壁的影響。 TBM法與爆破法比，圍巖松弛范圍要小些，根據彈性波測試和孔內加載試驗，圍巖松弛區(qū)域內的彈性系數約降低 40%60% TBM法隧道常用的支護設計方法 ? 在歐洲大多采用 Wickham提出的 RSR（ rockstructure rating）方法。此方法是采用表示巖層良好度的 RSR值，在 TBM隧道支護設計時，視隧道直徑不同， RSR值要增值 020 ％ 。 ? RQD法是以 RQD指標進行隧道圍巖分級的方法，其開挖方法和支護的關系見表 434 。（參見教材 P294） ? 在 TBM法中，支護的構筑位置與礦山法不同，是在掌子面后方一定距離處，作用在支護上的荷載是松弛荷載，故可采用 Terzhaghi的松弛荷載進行設計。表 435是按 Q值的支護分類。表 436是按坑道壁的崩落情況的支護分類。 ? 最近有人提出，根據 TBM的機械破巖數據和圍巖狀態(tài)來決定支護的方法的建議。表 437表示根據 地質狀況（坑壁觀察、 RSR、 RMR、 Q值等） 、坑壁擠出和崩塌狀況、 TBM的機械數據 等選擇支護時的基本要素。 ? 我國在修建秦嶺隧道中，提出以 TBM法施工圍巖劃分等級來確定支護參數，我國 TBM法施工圍巖分級如表 438所示。根據表 438列出的圍巖級別，直徑 m的 TBM隧道的支護結構類型及參數列于表 439和表 4310 。（參見教材 P297） TBM法隧道支護實施例 ? 表 4311所示是以鋼支撐為主的支護示例， 鋼支撐是TBM法采用最多的一種支護形式 ， 其理由是 ：材料便宜，可在短時間內架設，視圍巖狀況易變更設計，常采用 100150的 H鋼支撐，與噴層和錨桿比，可立即發(fā)揮支護效果，這對掘進速度快的 TBM法是很有利的，在松弛荷載較大時，可采用鋼背板。 ? 仰拱管片的支護形式主要采用 在盾構式 TBM法 。 采用的理由是 ：設置簡單；不損害路基；鋪設鋼軌精度高；支承靴無效時，可用盾構千斤頂為反力。 管片的種類有鋼和RC兩種。管片上部的支護多采用鋼支撐和噴層 。 ? 金屬管片多用于盾構式 TBM中，通常因材料的價格高，而限于在大量涌水區(qū)段和膨脹性圍巖地段或支承靴無效的圍巖區(qū)段采用。材料一般是 鋼 制的，在大斷面隧道和水路隧道中，也采用 RC制的。此時， RC管片一般是作為永久支護采用的，全周管片的支護特征可舉出以下幾點 。 ?① 可適應大地壓、大量涌水。 ?② 支承靴無效時，可用盾構千斤頂為反力。 ?③ 因可在盾構內組裝，安全性高。 ?④ 可在盾構內組裝，作業(yè)容易。 ?⑤ 在支承靴可能推進的地點，能與 TBM掘進平行作業(yè)，故可縮短工期。 ?⑥ 對掉塊、崩塌等事故的適應性好。 ? 采用噴錨支護，盡可能地接近掌子面構筑支護對圍巖穩(wěn)定是有利的。但在 TBM法中不能像礦山法那樣進行構筑，通常是在 TBM主體的后部構筑噴錨支護 。在敞開式 TBM中，最接近掌子面構筑支護的位置是在刀盤后，大約距掌子面１暢５ m左右。盾構式 TBM，在盾構的后部距掌子面約 10m左右。由于 TBM法施工時，刀盤和支承靴間有主馬達和千斤頂等裝置，對構筑噴錨支護的空間有限制，同時噴混凝土的粉塵和回彈對裝置也有影響。 采用噴錨支護時，要注意以下幾點。 ?① 粉塵和回彈對裝置的影響。 ?② 裝置和后方設備的清掃。 ?③ 開挖斷面和錨桿長度及位置。 ?④ 支護效果發(fā)現的時間。 ?⑤ 粉塵對洞內環(huán)境的影響。 ?⑥ 支承靴對噴層的損害。 ?⑦ 開挖石粉在洞壁的附著。 第四章 TBM法隧道的施工技術 第一節(jié) TBM法隧道的施工流程 全斷面 TBM的掘進循環(huán)作業(yè) ?① 掘進開始 作業(yè)開始時，主支撐架相對主機架處在前位，主支撐靴撐緊洞壁。 TBM調整方向定位后，后支撐靴提起。切削刀盤轉動，推進液壓缸伸出， TBM向前掘進。推進液壓缸全部伸出， TBM掘進向前移動一個行程。 ?② 掘進終了準備換步 切削刀盤停止轉動，后支撐靴伸出抵到仰拱上以承受機器后端重力，前支撐與底面接觸以承受機械前端重力。主支撐靴回縮。 ?③ 換步開始 當主支撐靴回縮后，使推進裝置的推進液壓缸反向進油，則活塞桿縮回帶動主支承架與主支撐靴一起相對主機架向前移動一個行程。 ?④ 換步終了 換步時推進液壓缸活塞桿全部縮回，則換步終了，可以進行下一個掘進循環(huán)，即主支撐靴伸出，再與巖壁接觸撐緊，提起后支撐靴離開仰拱，使前支撐靴處于浮動狀態(tài)。 TBM定位找正，開始工作。 自由斷面 TBM的掘進循環(huán)作業(yè)過程 ?① 為了有利于切割和落巖，切削頭首先從開挖斷面的中央下部開始切割，如圖 442所示。 ?② 自下而上分層切割。液壓臂達到最大距離或伸長，即完成一個切削行程后，液壓臂收縮，移動裝置也隨之推進。 ?③ 切削頭重新從開挖斷面的中央下部開始切割，是連續(xù)作業(yè)，如圖 443所示。 第二節(jié) TBM法隧道施工技術要點 TBM法破巖技術要點 TBM切削破碎巖石是在掘進時盤型刀沿巖石開挖面滾動，并通過刀盤上滾刀均勻地對巖面施加壓力，形成 滾動擠壓切削而實現破巖 。刀盤每轉動一圈，將貫入巖面一定深度，在刀刃與巖石接觸處，巖石被粉碎成巖石?；驍D壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴展，進而形成片狀石碴。 不同的巖石需要設置不同的盤型刀的刀間距和壓入巖石的最低壓強值，才能達到較理想的貫入深度 。貫入深度在堅硬和裂隙很少的巖石中，一般為 mm／ r，在中等堅硬和裂隙較多的巖石中，一般為 59 mm／ r。如果刀間距太大，盤型刀產生的壓力達不到與相鄰盤型刀的影響范圍相接，必定開挖不出片狀石碴，從而使開挖效率降低。反之則會使石碴塊太小，從而浪費了設備的功率。單個盤型刀的使用壽命，與軸承使用壽命、刀圈材質和加工質量以及它在大刀盤上的位置有關。目前刀圈的形狀已趨于常斷面型，它的優(yōu)點是刀圈尖端寬度在磨損后仍保持不變，因此確保了即使它承受的荷載有變化，也將是具有良好的貫入速度和深度，從而提高了切割速度并降低刀具的消耗。 應該強調指出， TBM破巖施工不僅要注意巖石的抗壓強度，還應注意巖石的磨蝕性以及巖體的裂隙程度，當巖體節(jié)理裂隙面間距較大時，切割也就越困難 。表 441是通用于世界的裂隙分級標準。 TBM施工管理技術要點 采用 TBM開挖隧道，實現了隧道施工的工廠化，這是一個大的管理系統(tǒng)工程。 提高施工現場管理和設備管理水平，是提高 TBM施