【正文】 階法開(kāi)挖 正臺(tái)階法開(kāi)挖優(yōu)點(diǎn)很多，能較早地使支護(hù)閉合，有利于控制其結(jié)構(gòu)變形及由此引起的地面沉降，上臺(tái)階長(zhǎng)度（ L）一般控制在 1~ 倍洞徑（ D），根據(jù)地層情況，可選擇兩步或多步開(kāi)挖。 （ b）多部分步開(kāi)挖留核心土 該法適用于較差的地層，圍巖級(jí)別為 V、 VI 級(jí)，上臺(tái)階取 1 倍洞徑左右環(huán)形開(kāi)挖，留核心土，用系統(tǒng)21 小導(dǎo)管超前支護(hù)、預(yù)注漿穩(wěn)定工作面；用網(wǎng)鉤鋼拱架做初期支護(hù)；拱腳、墻腳設(shè)置鎖腳錨桿。 （ c）正臺(tái)階法開(kāi)挖優(yōu)缺點(diǎn) 靈活多變，適用性強(qiáng)。而且，當(dāng)遇到地層變化（變好或變壞），都能及時(shí)更改、變換成其他方法，所以被稱(chēng)為淺埋暗挖施工方法之母。當(dāng)?shù)貙訜o(wú)水、洞跨小于 10m 時(shí)，均可采用該方法。 中隔墻法（ CD 工法）、交叉中隔墻法（ CRD 工法） (1)基本概念 CD 法（ CenterDiaphragm）主要適用于地層較差和不穩(wěn)定巖 體，且地面沉降要求嚴(yán)格的地下工程施工。 CD 法首次在德國(guó)慕尼黑地鐵工程的實(shí)踐中獲得了成功， CRD 法是日本吸取歐洲 CD 法的經(jīng)驗(yàn)，將原CD 工法先開(kāi)挖中壁一側(cè)改為兩側(cè)交叉開(kāi)挖、步步封閉成環(huán)、改進(jìn)發(fā)展的一種工法。 (3)方法的比較 大量的施工實(shí)例資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明， CRD 法優(yōu)于 CD 法（ CRD 法比 CD 法減少地面沉 降近 50%），而 CD 法又優(yōu)于眼鏡法。每步的臺(tái)階長(zhǎng)度都應(yīng)控制，一般為 5~7m。而從 進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)角度 考慮，由于各工法的工序和臨時(shí)支護(hù)不同，其順序 恰恰相反 。 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 工序較復(fù)雜，導(dǎo)坑的支護(hù)拆除困難，有可能由于測(cè)量誤差而引起鋼架連接困難，從而加大了下沉值，而且成本較高，進(jìn)度較慢。 特大斷面施工施工方法 在修筑地下發(fā)電廠、地下倉(cāng)庫(kù)、地下商業(yè)街及地鐵車(chē)站時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)地下大空間的施工問(wèn)題。 當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差、斷面特大時(shí)，一般設(shè)計(jì)成多跨結(jié)構(gòu)，跨與跨之間有梁、柱連接。 大斷面暗挖主要集中在地鐵車(chē)站及渡線段。 施工要點(diǎn)及技術(shù)措施 ①注意控制先行導(dǎo)洞的開(kāi)挖中線和水平，確保開(kāi)挖斷面圓順，鋼格柵安裝位置正確。 ③因?yàn)橹懈舯诜üば蜉^多，工序轉(zhuǎn)換使得結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，為保證拆除臨時(shí)格柵時(shí)的安全，必須保證各部格柵之間的連接質(zhì)量。拆除時(shí)要有專(zhuān)項(xiàng)拆除方案，采用滑輪、繩索等措施確保安全，嚴(yán)禁采用卷?yè)P(yáng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備連續(xù)拆除，一般采用跳倉(cāng)或換撐拆除等方法。 常用的輔助工法 穩(wěn)定 地層的主要手段是用注漿加固隧道周邊地層，用管棚加固隧道拱部地層。常用管棚為108mm~159mm,也有采用更大的管棚。管棚施工帶水作業(yè)時(shí)要間隔進(jìn)行，同時(shí) 完成一個(gè)管就要立即進(jìn)行注漿，防止地層中地下水的串流。常用的小導(dǎo)管為 25mm— 42mm。以?xún)?nèi)。目前一般旋噴長(zhǎng)度為 20m 左右，開(kāi)挖 18m，留 2m 搭接。目前采用旋噴加固土體主要問(wèn)題是漿液流失較大，另外長(zhǎng)距離水平旋噴方向性23 偏差。 第六節(jié) 隧道掘進(jìn)機(jī)施工方法 一、隧道掘進(jìn)機(jī)法基本概念 TBM 發(fā)展歷史簡(jiǎn)介 隧道掘進(jìn)機(jī) (TunnelBoringMachine)是一種用機(jī)械破碎巖石、出碴與支護(hù)實(shí)行連續(xù)作業(yè)的綜合設(shè)備，它是由盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。 1846 年意大利人 Maus 發(fā)明隧道掘進(jìn)機(jī) (盾構(gòu) )。威爾遜研制出 TBM 試用于花崗巖掘進(jìn)未獲成功。 美國(guó)羅賓斯 (Robbins)公司 1952 年研制出第一臺(tái)軟巖 TBM， 1956 年又成功研制中硬巖 TBM。常用于硬巖，采取有效支護(hù)手段后也可應(yīng)用于軟巖隧道。 單護(hù)盾 TBM：常用于劣質(zhì)地層。與雙護(hù)盾TBM 相比，掘進(jìn)與安裝管片不能同時(shí)進(jìn)行。 缺點(diǎn)： 地質(zhì)適應(yīng)性較差 。 斷面適應(yīng)性較差 。 設(shè)備購(gòu)置及使用成本大。五六十年代隨著機(jī)械工業(yè)與掘進(jìn)機(jī)技術(shù)水平的不斷提高發(fā)展較 快。 （ 1）國(guó)外典型應(yīng)用 ——英吉利海峽隧道 由 2 條外徑 單線鐵路隧道與 1 條外徑 輔助隧道組成。英國(guó)側(cè) 6 臺(tái)，岸邊段 3 臺(tái)海底段 3 臺(tái) (單向推進(jìn) )。最深處需承受 10atm 水壓力，平均月進(jìn)尺 1000m/月。 國(guó)外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展技術(shù)水平 （ 2） TBM 在我國(guó)的應(yīng)用 我國(guó)目前急需超大直徑盾構(gòu)與 TBM 我國(guó)十二五期間 TBM 的市場(chǎng)需求在 200 臺(tái)以上，設(shè)備價(jià)格超過(guò) 300 億元。 目前國(guó)內(nèi)所有 TBM 均從國(guó)外采購(gòu)，國(guó)內(nèi)廠家最多只作為分包方承擔(dān)部分加工任務(wù)，沒(méi)有涉及核心技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)匱乏。 國(guó)外公司有 技術(shù)有經(jīng)驗(yàn)但是在國(guó)內(nèi)工程和用戶(hù)的適應(yīng)性方面還需要進(jìn)一步研究。 二、 TBM基本構(gòu)造 TBM 由破巖機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、巖碴裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向調(diào)向機(jī)構(gòu)及吸塵、通風(fēng)裝置等幾部分組成。 滾刀 類(lèi)型：圓盤(pán)型、楔齒形、球齒型 （ 2）切削式 25 主要利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低 (僅為抗壓強(qiáng)度的 5~10%)的特點(diǎn)， 靠銑削 (即剪切 )與彎斷破碎巖體。 推進(jìn)機(jī)構(gòu) 主 支撐鞋頂撐洞壁以支承和推進(jìn)機(jī)身。 出碴機(jī)構(gòu) 破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤(pán)上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉(zhuǎn)到頂部卸入集料斗，經(jīng)皮帶機(jī)裝車(chē)運(yùn)出洞外。 5. 通風(fēng)及吸塵裝置 掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)將產(chǎn)生大量的熱量與粉塵。一般在刀盤(pán)頭部安裝有吸塵設(shè)備和噴水裝置，掘進(jìn)時(shí)連續(xù)噴水降塵。 三、 TBM法施工技術(shù)要求 基本原則 TBM 掘進(jìn)斷面大可達(dá) 10m 以上，小僅為 。 （ 1）判定依據(jù) ① 隧道圍巖的抗壓強(qiáng)度、裂縫狀態(tài)、涌水狀態(tài)等巖性條件； ② 機(jī)械構(gòu)造、 TBM 直徑等機(jī)械條件； ③ 隧道斷面、長(zhǎng)度、位置狀況、地址條件等。 （ 1）影響 TBM 選用的地質(zhì)因素 ① 隧道地壓。涌水范圍、大小與壓力會(huì)造成工作面崩塌與承載力低下，應(yīng)慎用。 開(kāi)挖難易一般用抗壓強(qiáng)度來(lái)判定。 ② 巖層裂隙。裂隙適度發(fā)育的巖層，即使抗壓強(qiáng)度大也26 能進(jìn)行較為有 效的開(kāi)挖。 一般地，對(duì)于 q＜ 100MPa 的巖層，其石英含量較多、粒徑較大，刀具磨耗很大。 在破碎帶、風(fēng)化帶等難于自穩(wěn)的困難條件下進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖，均需采取輔助施工方法配合施工。 （ 3） TBM 適用范圍 ① 一般只適用于圓形斷面隧道，只有銑削滾筒式掘進(jìn)機(jī)可在軟巖中掘進(jìn)非圓形斷面隧道。 ③ 一次性連續(xù)開(kāi)挖長(zhǎng)度不宜短于 1km，也不宜長(zhǎng)于 10km，以 3~8km 最佳。 ⑤ 地質(zhì)條件對(duì) TBM 掘進(jìn)效率影響很大。 ⑥ 選用 TBM 開(kāi)挖隧道應(yīng)盡量避開(kāi)復(fù)雜不良巖層。 在硬巖中開(kāi)挖大直徑隧道很是困難。 目前 TBM 多數(shù)是單軸回轉(zhuǎn)式。 隨著開(kāi)挖直徑的增大，需要增大推力，支撐靴也要增大，將導(dǎo)致運(yùn)輸困難與承載力問(wèn)題。根據(jù)其直徑與型式、運(yùn)輸途徑、組裝基地狀況等不同，需準(zhǔn)備 1~2個(gè)月。 隧道長(zhǎng)度小于 1000m 時(shí)，其運(yùn)行成本急劇增大。 國(guó)外在斷面 10~30m長(zhǎng) 1000km 以上的隧道開(kāi)挖，優(yōu)先考慮采用 TBM 施工。 工程所在 地的道路設(shè)施 TBM 的運(yùn)輸與組裝要求注意工程所在地的基礎(chǔ)設(shè)施條件。 TBM 一般在工廠試組裝、試運(yùn)輸后分割。 TBM 施工電耗較高，約為同規(guī)模其他工法施工的雙車(chē)道隧道的 倍，規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮。 刀具與刮渣板非正常失效 TBM 地質(zhì)情況復(fù)雜，同一掌子面巖層多變，如何正確選用穿透力更強(qiáng)的大尺寸滾刀，達(dá)到更加理想的掘進(jìn)效果； 地層巖石強(qiáng)度高，特殊地段高達(dá) 300MPa， 滾刀振動(dòng)強(qiáng)烈，磨損嚴(yán)重，如何提高刀具的耐磨性及穩(wěn)定性，進(jìn)而保證刀具的長(zhǎng)時(shí)間高效穩(wěn)定掘進(jìn)； 刀具選型、布置不當(dāng)或更換不及時(shí)導(dǎo)致滾刀被巖碴包裹，產(chǎn)生非正常磨損、熱淬火、破巖能力降低等現(xiàn)象； 刮渣板受到巖石的沖擊作用發(fā)生損壞，考慮刮渣板的布置和構(gòu)型設(shè)計(jì)，提高刮渣板的耐沖擊性能。 盾構(gòu)法的起源 1818 年，英國(guó)工程師布魯諾爾 ()從蛀蟲(chóng)鉆孔（船的木板中有一種蛀蟲(chóng)鉆出孔道，并用它分泌的粘液加固洞穴）得到啟發(fā)，最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國(guó)取得了專(zhuān)利。采用的方法是將所有的單元格牢靠地裝在盾殼上。 第一種方法后來(lái)被采用，并得到了推廣應(yīng)用，演變?yōu)槌墒斓亩軜?gòu)法。 28 1825 年，他第一次在倫敦泰晤土河下開(kāi)始用一個(gè)斷面高 、寬 ， 并由 12 個(gè)鄰接的框架組成的矩形盾構(gòu)修建隧道。 泰晤士河下的隧道工程施工期間遇到了許多困難，在經(jīng)歷了五 次以上的特大洪水后，直到 1843 年，經(jīng)過(guò) 18 年施工，完成了全長(zhǎng) 458m 的第一條盾構(gòu)法隧道。 按盾構(gòu)切削斷面形狀分類(lèi) 按盾構(gòu)切削斷面形狀，盾構(gòu)可分為圓形、非圓形兩大類(lèi)。非圓形又分為馬蹄形、矩形（長(zhǎng)方形、正方形、凹、凸矩形）、橢圓形（縱向 橢圓形、橫向橢圓形）等。 ? 超小型盾構(gòu)系指 D（直徑）≤ 1m 的盾構(gòu)， ? 小型盾構(gòu)系指 1m＜ D≤， ? 中型盾構(gòu)系指 ＜ D≤6m的盾構(gòu)， ? 大型盾構(gòu)系指 6m＜ D≤14m的盾構(gòu)， ? 特大型盾構(gòu)系指 14m＜ D≤17m的盾構(gòu)， ? 超特大型盾構(gòu)系指 D＞ 17m 的盾構(gòu) 按挖掘土體的方式分類(lèi) 按挖掘土體的方式，盾構(gòu)可分手掘式盾構(gòu)、半機(jī)械式盾構(gòu)及機(jī)械式盾構(gòu)三種。 ② 半機(jī)械盾構(gòu)：即大部分掘削和出土作業(yè)由機(jī)械裝置完成，但另一部分仍靠人工完成。 （ 1）手掘式盾構(gòu)機(jī) 如圖所示，手掘式盾構(gòu)機(jī)的正面是開(kāi)敞的，通常設(shè)置防止開(kāi)挖頂面塌陷的活動(dòng)前檐及上承千斤頂、工作面千斤頂及防止開(kāi)挖面塌陷的擋土千斤頂。 這種盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)的土質(zhì)是自穩(wěn)性強(qiáng)的洪積層壓實(shí)的砂、砂礫，固結(jié)粉砂和粘土。 目前手掘式盾構(gòu)機(jī)一般用于開(kāi)挖斷面有障礙物、巨礫石等特殊場(chǎng)合，應(yīng)用逐漸減少。 為防止開(kāi)挖面頂面塌陷，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)裝備了活動(dòng)前檐和千斤頂。 與手掘式盾構(gòu)機(jī)一樣，應(yīng)有確保開(kāi)挖面穩(wěn)定的措施。也可用于軟弱沖積層，但須同時(shí)采用超前加固，或采取 降水、改良地基等輔助措施。 在開(kāi)挖自穩(wěn)性好的圍巖時(shí)，機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)的土質(zhì)與手掘式盾構(gòu)機(jī)、半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)一樣，須采用輔助施工方法。 （ 1）全開(kāi)敞式：指沒(méi)有隔墻、開(kāi)挖面敞露狀態(tài)的盾構(gòu)機(jī)。 這種盾構(gòu)機(jī)適用于開(kāi)挖面自 穩(wěn)性好的圍巖。 （ 2）密封式：是指在機(jī)械開(kāi)挖式盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置隔墻，進(jìn)入刀盤(pán)與隔墻土倉(cāng)的土體，由泥水壓力或土壓提供足以使開(kāi)挖面保持穩(wěn)定的壓力。 這種盾構(gòu)機(jī)適用于軟弱粘土層，在推進(jìn)過(guò)程中要引起較大的地面隆起。 ①壓氣式：即向掘削面施加壓縮空氣，用該氣壓穩(wěn)定掘削面。 ③ 土壓平衡式 （也稱(chēng)削土加壓式）：即用掘削下來(lái)的土體的土壓穩(wěn)定掘削面。 ⑤泥漿式：即向掘削面注入高濃度泥漿（＝ ）靠泥漿壓力穩(wěn)定掘削面。 局 部氣壓式盾構(gòu)機(jī)： 在機(jī)械式盾構(gòu)支承環(huán)的前邊裝上隔板，使切口環(huán)成為一個(gè)密封艙，其中充滿(mǎn)壓縮空氣，達(dá)到疏干和穩(wěn)30 定開(kāi)挖面土體的作用。 由于這種盾構(gòu)是靠壓縮空氣對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行密封，故要求地層透水性小，滲透系數(shù) K 小于 1 105m/s，靜水壓力不大于 。 三、盾構(gòu)機(jī)的組成 盾構(gòu)機(jī)由通用機(jī)構(gòu)與專(zhuān)用機(jī)構(gòu)組成。 專(zhuān)用機(jī)構(gòu)因機(jī)種而異，如對(duì)于土壓盾構(gòu)而言，專(zhuān)用機(jī)構(gòu)即為排土機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)、添加材注入裝置；而對(duì)于泥水盾構(gòu)而言，專(zhuān)用機(jī)構(gòu)系指送排泥機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)。盾構(gòu)殼體從工作面開(kāi)始可分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三部分。 支承環(huán) ： 支承部即盾構(gòu)的中央部位，是盾構(gòu)的主體構(gòu)造部。 盾尾環(huán) ： 盾尾部即盾構(gòu)的后部。為了防止周?chē)貙拥耐痢⒌叵滤氨澈笞⑷氲奶畛錆{液竄入該部位 ，須設(shè)置尾封裝置。尾封通常使用鋼絲刷、尿烷橡膠或者兩者的組合。 掘削機(jī)構(gòu) 對(duì)機(jī)械式盾構(gòu)、封閉式（土壓式、泥水式）盾構(gòu)而言，掘削機(jī)構(gòu)即掘削刀盤(pán)。刀盤(pán)設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)的最前方，其功能是既能掘削地層土體，又能對(duì)掘削面起一定支承作用從而保證掘削面的穩(wěn)定。該機(jī)構(gòu)因盾構(gòu)種類(lèi)的不同而不同。對(duì)土壓盾構(gòu)而言，擋土機(jī)構(gòu)是土艙內(nèi)的掘削加壓土和刀盤(pán)面板。 管片拼裝系統(tǒng) 盾構(gòu)隧道是由預(yù)制管片逐環(huán)連接而成，管片拼裝機(jī)安裝在盾尾區(qū)域，在盾殼保護(hù)下，用于安裝襯砌管片（鋼筋混凝土管片）。管片按其形狀可分為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)兩種。 后配 套臺(tái)車(chē) 主要配置盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)所需的動(dòng)力源以及水、電、氣、液、測(cè)量與監(jiān)測(cè)等輔助施工系統(tǒng)以及人工操作等系統(tǒng)。 土壓平衡盾構(gòu)（ EPB 盾構(gòu)）工作原理 盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，其前端刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)掘削地層土體，切削下來(lái)的土體進(jìn)入土艙。 刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削土體，同時(shí)液壓千斤頂 5 將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，并向密封倉(cāng)內(nèi) 3 加入塑流化改性材料，與開(kāi)挖面切削下 來(lái)的土體經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體。 泥水平衡盾構(gòu)工作原理 泥水盾構(gòu)系靠盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力使泥水（水、粘土及添加劑的混合物）充滿(mǎn)封閉式盾構(gòu)的密封艙（也稱(chēng)泥水艙），從而對(duì)掘削面上的土體施加一定的壓力，該壓力稱(chēng)為泥水壓力。 刀盤(pán)掘削下來(lái)的土砂進(jìn)入泥水艙，經(jīng)設(shè)置在艙內(nèi)的攪拌裝置拌和后成為含掘削土砂的高濃度泥水，再經(jīng)泥漿泵將其泵送到地表的泥水分離系統(tǒng)，待土、水分離后，再把濾除掘削土砂的泥水重新壓送回泥水艙。因靠泥水壓力使掘削面穩(wěn)定故得名泥水加壓盾構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)泥水盾構(gòu)。挖出的土以泥水形式由管道運(yùn)輸，而礫石可壓碎后被管道運(yùn)輸或在管道輸送中途被移走。 六 、盾構(gòu)機(jī)的選型 盾構(gòu)類(lèi)型與滲透性的關(guān)系 地層滲透系數(shù)對(duì)于盾構(gòu)的選型是一個(gè)很重要的影響因素。 盾構(gòu)類(lèi)型與顆粒級(jí)配的關(guān)系 一般來(lái)說(shuō)，細(xì)顆粒含量多，碴土易形成不透水的塑流體，容易充滿(mǎn)土倉(cāng)，在土倉(cāng)中可以建立壓力，平衡開(kāi)挖面的土體。 盾構(gòu)類(lèi)型與顆粒級(jí)配的關(guān)系如下： （ 1）淤泥粘土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)范圍； （ 2）粗砂、細(xì)砂區(qū)，既可使用泥水盾構(gòu)，也可經(jīng)土質(zhì)改良后使用土