【正文】 粗顆粒含量高的碴土塑流性差，實現(xiàn)土壓平衡困難。根據(jù)歐美和日本的施工經(jīng)驗可知： （ 1）當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù) 107m/s 時，可以選用土壓平衡 盾構(gòu)； （ 2）當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在 107m/s 和 104m/s 之間時，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)； （ 3）當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于 104m/s 時，宜選用泥水盾構(gòu)。 五、盾構(gòu)法施工步驟 ① 在盾構(gòu)法隧道的起始端和終端各建一個工作井； ② 盾構(gòu)在起始端工作井內(nèi)安裝就位； ③ 依靠盾構(gòu)千斤頂推力（作用在新拼裝好的襯砌和工作井后壁上）將盾構(gòu)從起始工作井的壁墻開孔處推出； ④ 盾構(gòu)在地層中沿著設(shè)計軸線推進(jìn)，在推進(jìn)的同時不斷出土和安裝襯砌管片； 32 ⑤ 及時地向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動和固定襯砌環(huán)的位置； ⑥ 盾構(gòu)進(jìn)入終端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進(jìn)。 泥水盾構(gòu)機(jī)對于隧道面可被泥水加壓所支撐的土質(zhì)條件很理想，適用于應(yīng)付各種困難地層和控制地表沉降。如此不斷循環(huán)實現(xiàn)掘削、排土、推進(jìn)。通常取泥水壓力 大于 地層的地下水壓 +土壓，所以盡管盾構(gòu)刀盤掘削地層，但地層不會坍落，即處于穩(wěn)態(tài)。 同時通過伺服控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂速度與螺旋輸送機(jī) 6 向外排土的速度相 匹配 ，經(jīng)艙內(nèi)塑流體向開挖面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)始終在保持動態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進(jìn)。 當(dāng)土體充滿土艙時，其被動土壓與掘削面上的土、水壓基本相同，故掘削面實現(xiàn)平衡（即穩(wěn)定）。 四、盾構(gòu)機(jī)的工作原理 目前在盾構(gòu)工程中普遍采用的多為封閉式盾構(gòu)機(jī)，其中以泥水平衡式與土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)最為普及。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)可以按照不同的組合形式擬合出不同半徑的曲線隧道。 按其材料可分為鋼筋混凝土管片和金屬管片，其中鋼筋混凝土管片應(yīng)用的更廣泛。 推進(jìn)機(jī)構(gòu) 31 盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)是靠設(shè)置在支承環(huán)內(nèi)側(cè)的盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏ψ饔迷诠芷?，進(jìn)而通過管片產(chǎn)生的反推動力使盾構(gòu)前進(jìn)的。 對泥水盾構(gòu)而言，擋土機(jī)構(gòu)是泥水艙內(nèi) 的加壓泥水和刀盤面板。 擋土機(jī)構(gòu) 擋土機(jī)構(gòu)是為了防止掘削時，掘削面地層坍塌和變形，確保掘削面穩(wěn)定而設(shè)置的機(jī)構(gòu)。 刀盤的構(gòu)成及功能 ： 掘削刀盤即作轉(zhuǎn)動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具、穩(wěn)定掘削面的面板、出土槽口、轉(zhuǎn)動或搖動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。 另外 ，最近作為防止高壓地下水的措施，有人在鋼絲刷之間的空隙處加壓注入密封材料和潤滑劑等填充材料及采用 4 層鋼絲刷密封，從而把耐地下 水壓的能力提高到 。 盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水、背后注入漿液、開挖面上的泥水、泥土從盾尾間隙流向盾構(gòu)而設(shè)置的封裝措施。盾尾部為管片拼裝空間，該空間內(nèi)裝有拼裝管片的舉重臂。因為要支承盾構(gòu)的全部荷載， 所以該部位的 前沿和后方均設(shè)有環(huán)狀梁和支柱，由梁和柱支承其全部荷載。 切口環(huán) ： 該部位裝有掘削機(jī)械和擋土設(shè)備，故又稱掘削擋土部。 盾構(gòu)機(jī)外殼 設(shè)置盾構(gòu)外殼的目的是保護(hù)掘削、排土、推進(jìn)、施工襯砌等所有作業(yè)設(shè)備、裝置的安全，故整個外殼用鋼板制作，并用環(huán)形梁加固支承。 通用機(jī)構(gòu)一般由外殼、掘土機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、擋土機(jī)構(gòu)、管片組裝 機(jī)構(gòu)、附屬機(jī)構(gòu)（即后配套臺車）等組成。 另外，這種盾構(gòu)在密封艙、盾尾及管片接縫處易產(chǎn)生漏氣，引起工作面土體坍塌，造成地面降陷。 壓縮空氣的壓力值可根據(jù)工作面下 1/3 點的地下靜水壓力確定。 ⑥ 泥土加壓式：即向掘削面注入潤滑性泥土，使之與掘削下來的砂卵混合，由該混合泥土對掘削面加壓穩(wěn)定掘削面。 ④ 加水式：向掘削面注入高壓水，通過水壓穩(wěn)定掘削面。 ② 泥水加壓式 ：即用外加泥水向掘削面加壓穩(wěn)定掘削面。 按加壓穩(wěn)定掘削面的形式分類 按加 壓穩(wěn)定掘削面的形式，盾構(gòu)可分為壓氣式、泥水加壓式，土壓平衡式，加水式，泥漿式，泥土加壓式六種。 (3)半開敞式 是指擠壓式盾構(gòu)機(jī)，它是在開放型盾構(gòu)的切口環(huán)與支撐環(huán)之間設(shè)置胸板，以支擋正面土體，但在胸板上有一些開口，當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時，需要排出的土體將從開口處擠入盾構(gòu)內(nèi)，然后裝車外運(yùn)。在遇到開挖面不能自穩(wěn)的地層時，則需進(jìn)行地層超前加固等輔助施工方法，以防止開挖面坍塌。 根據(jù)開挖方式的不同，又分為手掘式、半機(jī)械化式及機(jī)械式三種。 按掘削面的擋土形式分類 按掘削面的擋土形式，盾構(gòu)機(jī)可分為全開敞式、半開敞式、密封式三種。 （ 3）機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) 機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)前面裝備有旋轉(zhuǎn)式刀盤，增大了盾構(gòu)機(jī)的挖掘能力，開挖的土砂通過旋轉(zhuǎn)鏟斗和排土可以連續(xù)進(jìn)行，縮短了工期，減少了作業(yè)人員。適應(yīng)土質(zhì)以洪積層的砂、砂礫、粉砂和粘土為主。由于安裝了挖掘機(jī)，再設(shè)置工作面千斤頂?shù)戎踉O(shè)備是較困難的。 （ 2）半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) 29 半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開挖及裝運(yùn)石碴都采用專用機(jī)械，配備液壓鏟土機(jī)、臂式刀盤等挖掘機(jī)械和皮帶運(yùn)輸機(jī)等出碴機(jī)械，或配備具有開挖與出碴雙重功能的機(jī)械，以圖省力。對于開挖面不能自穩(wěn)的沖積軟弱砂層、粉砂和粘土施工時必須采用穩(wěn)定開挖面的輔助施工法，如氣壓施工法、改良地基、降低地下水位等 措施。開挖采用鐵鍬、鎬、碎石機(jī)等開挖工具，人工進(jìn)行。 ③ 機(jī)械式盾構(gòu)：即掘削和出土等作業(yè)均由機(jī)械裝備完成。 ① 手掘式盾構(gòu)：即掘削和出土均靠人工操作進(jìn)行的方式。 按盾構(gòu)機(jī)的尺寸大小分類 按 盾構(gòu)機(jī)的尺寸大小，盾構(gòu)機(jī)可分為超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。圓形又可分為單圓形、半圓形、雙圓搭接形、三圓搭接形。 盾構(gòu)法的發(fā)展史 二、盾構(gòu)機(jī)的種類 盾構(gòu)機(jī)的分類方法較多，可按盾構(gòu)機(jī)切削斷面的形狀；盾構(gòu)自身構(gòu)造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘土體的方式；掘削面的擋土形式；穩(wěn)定掘削面的加壓方式；施工方法；適用土質(zhì)的狀況等多種方式分類。其中每一個框架分成 3 個艙，每一個艙里有一個工人，共有 36 個工人。 此后，布魯諾爾逐步完善了盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)計成用 全斷面螺旋式開挖的封閉式盾殼、襯徹緊隨其后的方式。 當(dāng)時設(shè)計了兩種方法， 一種是當(dāng)一段隧道挖完后，整個盾殼由液壓千斤頂借助后靠向前推進(jìn)；另一種方法是每一個單元格能單獨地向前推進(jìn)。 布魯諾爾構(gòu)想的盾構(gòu)機(jī)機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由不同的單元格組成，每一個單元格可容納一個工人獨立工作并對工人起到保護(hù)作用。 第七節(jié) 盾構(gòu)隧道施工技術(shù) 一、盾構(gòu)法的起源及發(fā)展史 盾構(gòu)法的含義 盾構(gòu)法 (Shield Method)是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，它是將盾構(gòu)機(jī)在地層中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時在開挖面 前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。 TBM 選用應(yīng)考慮的條件 工程規(guī)模： 隧道形狀、長度、直徑、埋深、走向； 地質(zhì)情況： 巖石類型與強(qiáng)度、節(jié)理分布與發(fā)育程度、斷層、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、27 河流 等 基礎(chǔ)設(shè)施： 交通運(yùn)輸能力、水電來源、進(jìn)出洞口場地 施工進(jìn)度與企業(yè)能力 (制造維修、經(jīng)濟(jì)、施工管理與習(xí)慣 ) 五、 TBM法施工中工程事故 目前 TBM 應(yīng)用中存在的主要問題 極端地質(zhì)情況下刀盤系統(tǒng)失效 高硬度巖石，巖爆，大涌水，高地應(yīng)力和高地震烈度等極端地質(zhì)情況下造成刀盤振動過大，刀盤結(jié)構(gòu)、密封和驅(qū)動部件的損壞，如何提高刀盤動力學(xué)性能和地質(zhì)適應(yīng)性。分割重量約為 35t，斷面 左右。搬運(yùn)計劃應(yīng)考慮道路寬度、高度與重量等限制，根據(jù)組裝條件充分調(diào)查運(yùn)輸時的分割方法 (即最小分割尺寸與重量 )。最佳開挖長度為 3000km以上，短隧道慎用。達(dá) 3000m 左右時的成本大致是一定的。 TBM 后續(xù)設(shè)備長 100~200m，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)也需先筑一段長 200m 左右的隧道。 開挖長度 TBM 進(jìn)場需經(jīng)歷運(yùn)輸、組裝等過程。若開挖直徑越大，刀頭內(nèi)周與外周的周差速越大，將對刀頭產(chǎn)生種種不良影 響。日本實例的最大直徑僅為 5m 左右。 機(jī)械條件 TBM 不僅受 地質(zhì)條件 約束，還受到 開挖直徑 、 開挖機(jī)構(gòu) 的約束。在良好巖層中月進(jìn)尺可達(dá) 500~600m，而在破碎巖層中只有100m 左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停機(jī)處理。 ④ 適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于 20~250MPa，尤以 50~100MPa 最佳。 ② 開挖隧道直徑 ~12m 之間，以直徑 3~6m 最為成熟。特別是在有涌水的條件下更為困難，拱頂崩塌、機(jī)體下沉、支承反力降低等問題時有發(fā)生。 ④ 破碎帶等惡劣條件。 ③ 巖石硬度。 巖層節(jié)理、層理、片理對開挖效率影響極大。刀具消耗應(yīng)考慮巖石中石英粒范圍、大小與抗拉強(qiáng)度等判斷。 （ 2）影響 TBM 效率的地質(zhì)因素 ① 巖石強(qiáng)度。是否存在塑性地壓？ 指標(biāo) ：圍巖強(qiáng)度比 (軟巖 )；圍巖抗剪強(qiáng)度比 (似砂土軟巖 ) 斷層破碎帶、軟弱泥巖以及蛇紋巖等膨脹性巖層掘進(jìn)困難 ② 涌水狀態(tài)。 （ 2） TBM 工法選用流程 工程地 質(zhì)條件 主要調(diào)查 影響 TBM 使用的 地質(zhì)條件。由于 TBM 與輔助施工技術(shù)日臻完善以及現(xiàn)代高科技成果的應(yīng)用大大提高了 TBM 對各種困難條件的適應(yīng)性，因此簡單從開挖可能性來考慮 TBM 的適用范圍是不全面的。機(jī)房內(nèi)專設(shè)通風(fēng)降溫設(shè)備。故對通風(fēng)、降塵要 求較高。 4. 導(dǎo)向及調(diào)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是用來指示和校核掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)的方向，使其保證符合設(shè)計的軸線和坡度的要求。副支撐鞋控制振動與方向。 在 兩種破巖方式總的破巖體積中，大部分并不是由刀具直接切割下來的，而是由后進(jìn)刀具剪切破碎的，先形成破碎溝或切削槽是先決條件。 TBM 破巖機(jī)構(gòu)及其破巖原理 TBM 破巖方式主要有：擠壓式與切削式 （ 1）擠壓式 主要是通過水平推進(jìn)油缸使刀盤上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體。國內(nèi)急需掌握各項關(guān)鍵技術(shù)并自主研發(fā)國產(chǎn) TBM。 國外公司控制著核心技術(shù)和集成技術(shù)，使 TBM 的價格居高不下，嚴(yán)重制約了 TBM 在我國隧道工程中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。按國際通用的 1:16 的帶動作用估算， TBM 將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè) 4800 億元。 隧道建成標(biāo)志著 TBM 施工技術(shù)的最高水平，也是 融合英、美、法、德等國 TBM 施工技術(shù)于一體的最高成就。法國側(cè) 5 臺，岸邊段 2 臺海底段 3 臺。全長 ，海底段長 ，隧道最深處在海平面下 100m，全部采用 TBM 施工。迄今為止，世界上采用 TBM 施工的隧道超過 1000 座，總長度超過 4000km，已逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。 TBM 國內(nèi)外應(yīng)用概況 TBM 施工法始于二十世紀(jì)三十年代，限于機(jī)械技術(shù)水平，其應(yīng)用實例甚少。 運(yùn)輸困難，對施工場地有特殊要求 。 24 不適宜中短距離隧道的施工 。 TBM 法施工的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 快速 — 約為鉆爆法的 4~6 倍； 優(yōu)質(zhì) 洞壁光滑，超挖量少； 高效 節(jié)約襯砌，節(jié)約人工勞動，縮短工期； 安全 無爆破作業(yè)，安全性加大，作業(yè)環(huán)境安全； 環(huán)保 非爆破開挖，塵土、氣體、噪音污染少，減少輔助洞室，減少地表破壞； 自動化、信息化程度高。單護(hù)盾 TBM 推進(jìn)時利用管片作支撐，其原理類似于盾構(gòu)。 雙護(hù)盾 TBM：適用于各種地質(zhì)，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層 。 TBM 分類 微型 TBM： ~ 中型 TBM： ~ 巨型 TBM：大于 開敞式 TBM：配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設(shè)備。 1881 年波蒙特開發(fā)出壓縮空氣式 TBM，成功用于英吉利海峽隧道直徑 的勘探導(dǎo)坑。 1851 年美國人查理士 1818 年英國布魯諾 (Brunel)受蛀蟲鉆孔啟示，最早提出盾構(gòu)雛形與施工方法。水平旋噴施工期間會有較大沉降，有時可超過 10mm，但開挖 時沉降較小，初支背后壓漿亦少，對于個別點棚護(hù)不好時，可補(bǔ)打小導(dǎo)管注漿處理。旋噴壓力為不小于 20MPa，覆土較薄時要減壓，且適當(dāng)縮小間距。 （ 3）水平旋噴法 開挖前進(jìn)行水平 旋噴加固土體，一般土柱直徑為 30mm，相互咬合搭接，形成整體殼體，開挖時起到棚護(hù)作用。對較好的粘性土層 ,采用開挖鎬刨 ,小導(dǎo)管打入較困難，只要能夠使開挖面穩(wěn)定，可不必強(qiáng)求打小導(dǎo)管；小導(dǎo)管仰角不宜過大 ,一般控制在 15176。 （ 2）小導(dǎo)管超前支護(hù) 在軟弱地層中沿著開挖輪廓線和加固輪廓線，按照一定的入射角度，打設(shè)一定數(shù)量的小導(dǎo)管，用注漿設(shè)備把配置好的注漿材料，通過小導(dǎo)管注入到地層里，使注漿材料在軟弱地層里向四周迅速擴(kuò)散和固結(jié)，并使小導(dǎo)管和土體固結(jié)在一起，起到棚護(hù)和加固地層的作用。管棚直徑不是越大越好 ,施工過程中注意沉降控制。常用輔助方法： （ 1）大管棚支護(hù) 一般開挖洞門或結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換、大斷面或通過重要管線等地方 ,設(shè)計普遍采用管棚方案。 四、淺埋暗挖法常用的配套技術(shù) 淺埋暗挖施工中出現(xiàn)的問題 施工一般地處第四紀(jì)沖、洪積扇的中上部 ,地層由粘性土、粉土、砂類土、碎石類土沉積而成 ,土質(zhì)松散 ,成拱條件 差； 而且地下水水位高，滲透性強(qiáng)（一般采取降水措施 ,但仍有殘留水）；加上大部分線路處于交通繁忙地段，車輛行駛過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈震動，使淺埋隧道周邊土體更加松弛，開挖過程中極易坍塌。 ④中隔墻、板拆除時，一定要進(jìn)行拆除實驗，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，決定拆除長度。 ②盡可能縮短