【文章內(nèi)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(jiān)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(jìn)行環(huán)向開挖。 ?② 易于適應(yīng)地質(zhì)條件的變化 在開挖中，局部遇到硬巖時(shí)，可改為爆破開挖。采用松弛爆破，使圍巖產(chǎn)生裂隙，再采用機(jī)械開挖。為排水和壓漿的鉆孔作業(yè)也容易進(jìn)行。 ?③ 開挖速度快 巖質(zhì)在自由斷面 TBM的適應(yīng)范圍以內(nèi)時(shí)，開挖、裝碴可同時(shí)進(jìn)行，故掘進(jìn)速度快。利用 TBM的臂可架設(shè)支撐和背板。 ?④ 圍巖松弛少 爆破法圍巖易于松弛。機(jī)械開挖時(shí)對(duì)圍巖的影響小，可減輕支撐，襯砌厚度也可減小。 ?⑤ 噪聲、振動(dòng)小 開挖動(dòng)力都是電力、油壓。故洞內(nèi)外噪聲、振動(dòng)都小。 ?⑥ 輕量、小型、機(jī)動(dòng)性好 即使是大斷面用的大型機(jī)，其重量也只有 50t 。導(dǎo)坑用的小斷面掘進(jìn)只有 12t 左右。機(jī)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(shí)，只有一名司機(jī)。 ?⑧ 機(jī)械購置費(fèi)低 機(jī)械購置費(fèi)低，通用性、工作效率都高，機(jī)械損耗小，維修費(fèi)等也小。 TBM法的缺點(diǎn) ?① 地質(zhì)條件的適用范圍小 最近的大型自由斷面 TBM，在抗壓強(qiáng)度小于 80MPa時(shí)可經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行掘進(jìn)。歐美的掘進(jìn)機(jī)可達(dá)到 100 MPa，開挖效率，限界不僅與巖石的抗壓強(qiáng)度有關(guān)，也與裂隙，石英含量。石英粒徑等有關(guān)。 ?② 發(fā)生粉塵 在抗壓強(qiáng)度大于 15MPa的巖層中開挖時(shí)，粉塵會(huì)成為一個(gè)問題。惡化視線，降低效率，環(huán)境差。 ?③ 有涌水時(shí)易于泥化。 ?① 從地質(zhì)條件看適用范圍 自由斷面的 TBM的適用范圍，隨著技術(shù)的提高逐漸擴(kuò)大。不僅用于軟巖，也開始用于硬巖。 ?② 從機(jī)械因素看適用范圍 自由斷面 TBM與全斷面 TBM不同之點(diǎn)是：開挖反力由機(jī)械重量來支持。因此，各種的適用范圍與開挖斷面的高度、機(jī)體的重心高度、機(jī)體自重的支持點(diǎn)距離、刀具的切向力等有關(guān)。單軸抗壓強(qiáng)度大于 80100 MPa后，機(jī)體重量急劇增加。 TBM的基本構(gòu)造 自由斷面 TBM由 破巖裝置 、 出碴裝置 、 移動(dòng)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(shù)只有一個(gè)液壓臂，所以又稱為 獨(dú)臂鉆 。該臂能伸縮及在水平方向和垂直方向上回轉(zhuǎn)，從而可在任意位置上切割破巖。自由斷面 TBM的出碴裝置，實(shí)質(zhì)上就是刮板式或蟹爪式裝碴機(jī)。破碎的石碴由刮板或蟹爪搜取經(jīng)鏈板轉(zhuǎn)輸至機(jī)后的輸送帶，再裝車運(yùn)走。 這種 TBM的移動(dòng)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(hù)技術(shù) 第一節(jié) 概述 目前沒有適用于 TBM隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法的原因 ?① 掌子面被 TBM機(jī)體所堵塞，很難基于掌子面直接觀察進(jìn)行狀況的判斷。 ?② 拱頂下沉和凈空位移等隧道動(dòng)態(tài)量測，在開挖后立即進(jìn)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(hù)是否妥當(dāng)。 ?③ 施設(shè)支護(hù)的位置，要離開掌子面一定距離，支護(hù)設(shè)置時(shí)間較遲。 ?④ 支護(hù)設(shè)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(shí)績較少。 支護(hù)形式的基本要素 第二節(jié) TBM法隧道的支護(hù)設(shè)計(jì) 在 TBM法的支護(hù)設(shè)計(jì) ?① 為確保高速掘進(jìn)，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行支護(hù)的施設(shè)，或支護(hù)能與掘進(jìn)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(hù)形式。 ?③ 考慮開挖到構(gòu)筑的時(shí)間較長，構(gòu)筑支護(hù)時(shí)對(duì) TBM裝置的影響，確定合理的支護(hù)施工位置（與掌子面的距離） 。 ?④ 是永久的或是暫時(shí)的支護(hù)。 ?⑤ 支承靴擠壓對(duì)洞壁的影響。 TBM法與爆破法比，圍巖松弛范圍要小些，根據(jù)彈性波測試和孔內(nèi)加載試驗(yàn)，圍巖松弛區(qū)域內(nèi)的彈性系數(shù)約降低 40%60% TBM法隧道常用的支護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，視隧道直徑不同， RSR值要增值 020 ％ 。 ? RQD法是以 RQD指標(biāo)進(jìn)行隧道圍巖分級(jí)的方法，其開挖方法和支護(hù)的關(guān)系見表 434 。（參見教材 P294） ? 在 TBM法中，支護(hù)的構(gòu)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(hù)上的荷載是松弛荷載，故可采用 Terzhaghi的松弛荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。表 435是按 Q值的支護(hù)分類。表 436是按坑道壁的崩落情況的支護(hù)分類。 ? 最近有人提出，根據(jù) TBM的機(jī)械破巖數(shù)據(jù)和圍巖狀態(tài)來決定支護(hù)的方法的建議。表 437表示根據(jù) 地質(zhì)狀況（坑壁觀察、 RSR、 RMR、 Q值等） 、坑壁擠出和崩塌狀況、 TBM的機(jī)械數(shù)據(jù) 等選擇支護(hù)時(shí)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(jí)來確定支護(hù)參數(shù)，我國 TBM法施工圍巖分級(jí)如表 438所示。根據(jù)表 438列出的圍巖級(jí)別，直徑 m的 TBM隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及參數(shù)列于表 439和表 4310 。（參見教材 P297） TBM法隧道支護(hù)實(shí)施例 ? 表 4311所示是以鋼支撐為主的支護(hù)示例， 鋼支撐是TBM法采用最多的一種支護(hù)形式 ， 其理由是 ：材料便宜，可在短時(shí)間內(nèi)架設(shè)，視圍巖狀況易變更設(shè)計(jì)，常采用 100150的 H鋼支撐，與噴層和錨桿比，可立即發(fā)揮支護(hù)效果，這對(duì)掘進(jìn)速度快的 TBM法是很有利的，在松弛荷載較大時(shí)，可采用鋼背板。 ? 仰拱管片的支護(hù)形式主要采用 在盾構(gòu)式 TBM法 。 采用的理由是 ：設(shè)置簡單；不損害路基；鋪設(shè)鋼軌精度高；支承靴無效時(shí)，可用盾構(gòu)千斤頂為反力。 管片的種類有鋼和RC兩種。管片上部的支護(hù)多采用鋼支撐和噴層 。 ? 金屬管片多用于盾構(gòu)式 TBM中，通常因材料的價(jià)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(shí)， RC管片一般是作為永久支護(hù)采用的，全周管片的支護(hù)特征可舉出以下幾點(diǎn) 。 ?① 可適應(yīng)大地壓、大量涌水。 ?② 支承靴無效時(shí)，可用盾構(gòu)千斤頂為反力。 ?③ 因可在盾構(gòu)內(nèi)組裝，安全性高。 ?④ 可在盾構(gòu)內(nèi)組裝，作業(yè)容易。 ?⑤ 在支承靴可能推進(jìn)的地點(diǎn)，能與 TBM掘進(jìn)平行作業(yè)，故可縮短工期。 ?⑥ 對(duì)掉塊、崩塌等事故的適應(yīng)性好。 ? 采用噴錨支護(hù)，盡可能地接近掌子面構(gòu)筑支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定是有利的。但在 TBM法中不能像礦山法那樣進(jìn)行構(gòu)筑，通常是在 TBM主體的后部構(gòu)筑噴錨支護(hù) 。在敞開式 TBM中，最接近掌子面構(gòu)筑支護(hù)的位置是在刀盤后，大約距掌子面１暢５ m左右。盾構(gòu)式 TBM，在盾構(gòu)的后部距掌子面約 10m左右。由于 TBM法施工時(shí)，刀盤和支承靴間有主馬達(dá)和千斤頂?shù)妊b置，對(duì)構(gòu)筑噴錨支護(hù)的空間有限制，同時(shí)噴混凝土的粉塵和回彈對(duì)裝置也有影響。 采用噴錨支護(hù)時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)。 ?① 粉塵和回彈對(duì)裝置的影響。 ?② 裝置和后方設(shè)備的清掃。 ?③ 開挖斷面和錨桿長度及位置。 ?④ 支護(hù)效果發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。 ?⑤ 粉塵對(duì)洞內(nèi)環(huán)境的影響。 ?⑥ 支承靴對(duì)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(shù) 第一節(jié) TBM法隧道的施工流程 全斷面 TBM的掘進(jìn)循環(huán)作業(yè) ?① 掘進(jìn)開始 作業(yè)開始時(shí)，主支撐架相對(duì)主機(jī)架處在前位，主支撐靴撐緊洞壁。 TBM調(diào)整方向定位后，后支撐靴提起。切削刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，推進(jìn)液壓缸伸出， TBM向前掘進(jìn)。推進(jìn)液壓缸全部伸出， TBM掘進(jìn)向前移動(dòng)一個(gè)行程。 ?② 掘進(jìn)終了準(zhǔn)備換步 切削刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，后支撐靴伸出抵到仰拱上以承受機(jī)器后端重力，前支撐與底面接觸以承受機(jī)械前端重力。主支撐靴回縮。 ?③ 換步開始 當(dāng)主支撐靴回縮后，使推進(jìn)裝置的推進(jìn)液壓缸反向進(jìn)油，則活塞桿縮回帶動(dòng)主支承架與主支撐靴一起相對(duì)主機(jī)架向前移動(dòng)一個(gè)行程。 ?④ 換步終了 換步時(shí)推進(jìn)液壓缸活塞桿全部縮回，則換步終了，可以進(jìn)行下一個(gè)掘進(jìn)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(dòng)狀態(tài)。 TBM定位找正，開始工作。 自由斷面 TBM的掘進(jìn)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(dá)到最大距離或伸長，即完成一個(gè)切削行程后，液壓臂收縮，移動(dòng)裝置也隨之推進(jìn)。 ?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(shù)要點(diǎn) TBM法破巖技術(shù)要點(diǎn) TBM切削破碎巖石是在掘進(jìn)時(shí)盤型刀沿巖石開挖面滾動(dòng)，并通過刀盤上滾刀均勻地對(duì)巖面施加壓力，形成 滾動(dòng)擠壓切削而實(shí)現(xiàn)破巖 。刀盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，將貫入巖面一定深度，在刀刃與巖石接觸處，巖石被粉碎成巖石粒或擠壓成粉末，從這個(gè)區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴。 不同的巖石需要設(shè)置不同的盤型刀的刀間距和壓入巖石的最低壓強(qiáng)值，才能達(dá)到較理想的貫入深度 。貫入深度在堅(jiān)硬和裂隙很少的巖石中，一般為 mm／ r，在中等堅(jiān)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(chǎn)生的壓力達(dá)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(huì)使石碴塊太小，從而浪費(fèi)了設(shè)備的功率。單個(gè)盤型刀的使用壽命，與軸承使用壽命、刀圈材質(zhì)和加工質(zhì)量以及它在大刀盤上的位置有關(guān)。目前刀圈的形狀已趨于常斷面型，它的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出， TBM破巖施工不僅要注意巖石的抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)注意巖石的磨蝕性以及巖體的裂隙程度，當(dāng)巖體節(jié)理裂隙面間距較大時(shí)，切割也就越困難 。表 441是通用于世界的裂隙分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 TBM施工管理技術(shù)要點(diǎn) 采用 TBM開挖隧道，實(shí)現(xiàn)了隧道施工的工廠化，這是一個(gè)大的管理系統(tǒng)工程。 提高施工現(xiàn)場管理和設(shè)備管理水平，是提高 TBM施