1第二章

地下工程掘進(jìn)技術(shù)

§2.1概述

§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)§2.3開挖方案及其選擇

§2.4新奧法理論與實(shí)踐2§2.1概述地下工程不僅在設(shè)計理論和方法方面不同于地面建筑，在施工設(shè)備和技術(shù)等方面和地面建筑也有較大差異。地下工程的掘進(jìn)技術(shù)包含在兩個方面：一是地下結(jié)構(gòu)的開挖；二是支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，因此，掘進(jìn)、排碴和支護(hù)(包括臨時支護(hù)和永久支護(hù))工作是地下工程施工的基本操作。由于地下工程中巖體和土體復(fù)雜多變，其性質(zhì)難以確定，因此，地下工程在施工中，必須充分考慮工程的特點(diǎn)，才能在保證施工安全的條件下，快捷、優(yōu)質(zhì)、低價地完成施工任務(wù)。一、地下工程施工特點(diǎn)3§2.1概述以隧道為例，地下工程施工特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)：1隧道工程屬地下隱蔽工程，因此工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件對施工的成敗起著重要的、甚至是決定性的作用。2隧道工程是一個線形地下結(jié)構(gòu)物，一般情況下僅有一個掘進(jìn)工作面，相對其它地面交通工程來講，隧道的施工速度比較慢，工期也比較長，一些長大隧道往往成為控制新建交通線路竣工的關(guān)鍵工程。3地下作業(yè)環(huán)境較差，如陰暗、潮濕、地下水、粉塵、有害氣體、噪音等。4隧道大多穿越崇山峻嶺，施工工地一般都位于偏遠(yuǎn)的深山峽谷之中，往往遠(yuǎn)離既有的交通線，材料、設(shè)備運(yùn)輸不便，洞外場地布置困難，這些也是隧道工程規(guī)劃設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮的主要問題之一。5隧道是地下工程的一種，一旦建成就難以修改。6隧道施工不受或少受地面環(huán)境的影響，如晝夜更替、季節(jié)變換、氣候變化等，可以竟日終年、穩(wěn)定地安排施工。4§2.1概述影響施工方法選擇的因素很多，選擇施工方法時，應(yīng)著重考慮以下因素：1工程的重要性。2地下工程所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。3工程投資與投入使用后的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；4周邊建筑的位置、基礎(chǔ)埋深及特殊要求等；5施工條件(人員素質(zhì)、施工習(xí)慣及施工機(jī)械裝備條件)、動力及原材料供應(yīng)情況；6有關(guān)污染、地面沉降等環(huán)境方面的要求和限制；7施工安全狀況。二、地下工程施工方法5§2.1概述地下工程施工中常用的施工方法：新奧法：全斷面、分部開挖、臺階法明挖法：敞口放坡法、護(hù)壁直槽法蓋挖逆筑法：樁梁支撐蓋挖法、地下連續(xù)墻蓋挖法淺埋暗挖法：盾構(gòu)法、頂進(jìn)法、管棚法水域區(qū)施工法：圍堰法、沉埋法、沉箱(沉井)法特殊施工法：.鉆井法、隧道掘進(jìn)機(jī)法6§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)掘進(jìn)機(jī)法是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層挖掘隧道的一種施工方法。隧道掘進(jìn)機(jī)是一種集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)和通風(fēng)、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機(jī)械。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)簡稱掘進(jìn)機(jī)（TBM）。它是利用回轉(zhuǎn)刀盤又借助推進(jìn)裝置的作用力從而使得刀盤上的滾刀切割（或破碎）巖面以達(dá)到破巖開挖隧道（洞）的目的。作為構(gòu)造來講，掘進(jìn)機(jī)是由切削破碎裝置、行走推進(jìn)裝置、出渣運(yùn)輸裝置、驅(qū)動裝置、機(jī)器方位調(diào)整機(jī)構(gòu)、機(jī)架和機(jī)尾，以及液壓、電氣、潤滑、除塵系統(tǒng)等組成。

7§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)一、掘進(jìn)機(jī)類型最常用的分類方法是根據(jù)使用目的、工程地點(diǎn)、開挖對象、圍巖、施工方法等對隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行分類1.按切削方式分類當(dāng)前世界上的使用的隧道掘進(jìn)機(jī)，可大致分為全斷面切削方式和部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞?類。部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞绞峭诰蛎禾坑玫臋C(jī)械在隧道挖掘施工上的應(yīng)用，全斷面切削開挖的斷面一般是圓形的。8§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)2.按開挖地層分類（1）土質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)。1）根據(jù)開挖面上的挖掘方式，可以分為人工挖掘（手掘）式、半機(jī)械挖掘式和機(jī)械挖掘式；2）根據(jù)切削面上的擋土方式，可以分為開放型方式和封閉型方式（土體能自穩(wěn)時采用開放型方式、土體松軟而不能自穩(wěn)時則用封閉型方式）；3）根據(jù)開挖面施加壓力的方式，可分為氣壓方式、泥水加壓方式、削土加壓方式和加泥方式。（2）巖石隧道掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)的機(jī)器構(gòu)造形式多種多樣，從世界范圍內(nèi)使用的掘進(jìn)機(jī)來看，是根據(jù)制造商生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)在各自范圍自行分類。9§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)3.按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，可將其分為開敞式掘進(jìn)機(jī)、單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)、雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。(1)開敞式掘進(jìn)機(jī)是一種利用支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁，以承受向前推進(jìn)的反作用力和扭矩的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，適用于巖石不易坍塌和地層比較穩(wěn)定的軟硬巖隧道。開敞式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)隧道的最終支護(hù)方式是模筑混凝土或鋼纖維噴射混凝土。10§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(2)單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)

單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)配置有完整的圓形護(hù)盾，推進(jìn)則依靠推進(jìn)缸支撐在安裝好的管片獲得支反力。單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)由于掘進(jìn)和安裝管片不能同時進(jìn)行，進(jìn)度較慢。單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)適用于中等長度隧道。與開敞式掘進(jìn)機(jī)相比，單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)最終襯砌方式為管片。11§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(3)雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)配置有前后護(hù)盾，在前后護(hù)盾之間有伸縮護(hù)盾，后護(hù)盾配置有一套支撐靴。在地質(zhì)條件良好時，雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)和安裝管片可同時進(jìn)行，有較快的進(jìn)度。在地質(zhì)條件較差時，雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)采用單護(hù)盾模式推進(jìn)。與開敞式掘進(jìn)機(jī)相比，雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)必須采用管片，由于管片造價比模筑混凝土襯砌高，導(dǎo)致工程造價增加。雙護(hù)盾盾體d≥1~3m，調(diào)方向困難，常因不能及時支護(hù)而被卡死，發(fā)生塌方；管片不能承受過高水壓力,對巖層多變、水壓過大、埋深變化的山嶺隧道不宜采用管片襯砌；機(jī)型造價高，管片襯砌費(fèi)用又高于復(fù)合式襯砌2倍以上，壽命也不能保證百年。工程實(shí)踐證明，隧道施工不宜采用單護(hù)盾、雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。12§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)以秦嶺隧道使用的德國WIRTH維爾特公司制造的直徑8.8m的TB880E型掘進(jìn)機(jī)為例，介紹開敞式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)。TB880E型掘進(jìn)機(jī)是我國鐵路隧道施工中首次成功應(yīng)用的大型成套設(shè)備，該機(jī)主要適用于硬巖隧道掘進(jìn)施工，對局部斷層地帶也具有一定的通過能力。該機(jī)主要有主機(jī)、后配套系統(tǒng)及附屬設(shè)備三大部分組成。1.主機(jī)TB880E主要由以下部分組成:刀盤部件、刀盤護(hù)盾、刀盤軸承及刀盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、刀盤密封、機(jī)架、“X”，支撐及推進(jìn)系統(tǒng)、前、后下支承、出碴設(shè)備、激光導(dǎo)向系統(tǒng)、除塵裝置、支護(hù)設(shè)備和司機(jī)室等組成。二、掘進(jìn)機(jī)基本構(gòu)造13§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)

(1)總體構(gòu)造采用內(nèi)外凱氏(Ke場)方機(jī)架為該機(jī)的一個特色。前后外凱氏方機(jī)架上裝有前后“X”,形支撐靴,內(nèi)凱氏方機(jī)架前端與刀盤支承殼體連接,后面裝后下支承。刀盤與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由可浮動的前下支承、可調(diào)的頂部支承、兩側(cè)的防塵盾包圍并支承著。刀盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于前后“X”,支撐靴之間,為錨桿鉆機(jī)與緊跟在刀盤護(hù)盾后面的圈梁安裝器提供盡量大的空間。聯(lián)結(jié)于內(nèi)凱氏機(jī)架的推進(jìn)液壓缸置于后部,也是為了保持前部盡可能大的空間。大直徑開敞式TBM則有前后推進(jìn)液壓缸的設(shè)置。刀盤上裝有盤形滾刀、若干切刀與鏟斗,可將被破碎的巖碴送到置于內(nèi)凱氏方機(jī)架中的帶式輸送機(jī)上。14§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(2)刀盤部件由刀盤、鏟斗、刀具等組成的刀盤為焊接的鋼結(jié)構(gòu)件,分成兩塊便于運(yùn)輸,也便于在隧道內(nèi)吊運(yùn),裝配時用螺栓拼成一體。滾刀為后裝式,向后面凹的滾刀座則是刀盤的組成部分。滾刀(或切刀)突出于刀盤面的距離宜小,也就是刀盤面與掌子面間的距離宜小,以防止遇到斷層破碎地帶時,將刀盤擠死。刮碴器與鏟斗沿刀盤周邊布置,用以將底部的石碴運(yùn)送到頂部,再沿石碴槽送到輸送帶上面的石碴漏斗。鏟斗的口與刮碴器向刀盤中心延伸一定距離,使得大量的石碴在落到底部之前,就已進(jìn)人刀盤里面。15§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(3)刀盤護(hù)盾護(hù)盾提供了一套保護(hù)頂蓬以利于安裝圈梁。它防止大塊巖石堵住刀盤,并在掘進(jìn)或者在掘進(jìn)終了換步時,支持掘進(jìn)機(jī)的前部。刀盤護(hù)盾由液壓預(yù)加載仰拱即前下支承與三個可擴(kuò)張的拱形架組成。三個可擴(kuò)張的拱形架均可用螺栓安裝格柵式護(hù)盾,以便在護(hù)盾托住頂部時,可安裝錨桿。（4）主軸承與刀盤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主軸承為一兩重式軸向、徑向滾柱的組合體,軸向預(yù)加荷載,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。小齒輪通過聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動軸相聯(lián),接到帶有液壓操作摩擦離合器的水冷式行星減速箱與水冷式雙速電動機(jī)。減速箱與電動機(jī)置于兩凱氏外機(jī)架之間。另設(shè)有液壓驅(qū)動的輔助驅(qū)動裝置(微動裝置),用以使刀盤可轉(zhuǎn)至某一定位置,以便更換滾刀及進(jìn)行其他維修保養(yǎng)作業(yè)。16§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(5)刀盤密封主軸承與末級傳動由三唇式密封保護(hù),此密封又用迷宮式密封保護(hù),后者經(jīng)常不斷地由自動潤滑脂系統(tǒng)清洗凈化。(6)機(jī)架凱氏方形內(nèi)機(jī)架既作為刀盤進(jìn)退之導(dǎo)向,也將掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時的推進(jìn)力與力矩傳遞給凱氏方形外機(jī)架。內(nèi)機(jī)架的后端裝有后下支承,前端與刀盤支承殼體連接,亦為上部錨桿孔設(shè)備提供支座。凱氏方形外機(jī)架連同“X”,形支撐靴可沿凱氏方形內(nèi)機(jī)架作縱向滑動。16個由液壓操作的支撐靴將外機(jī)架牢牢固定在挖好的隧道內(nèi)壁,以承受刀盤傳來的反扭矩與掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力的反力。17§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(7)“X”支撐及推進(jìn)系統(tǒng)作用在刀盤的推力的反力,經(jīng)由凱氏內(nèi)機(jī)架、外機(jī)架傳到圍巖。因凱氏外機(jī)架分為前后兩個獨(dú)立的部件,各有其獨(dú)立的推進(jìn)液壓缸。后凱氏外機(jī)架的推進(jìn)液壓缸將力傳到凱氏內(nèi)機(jī)架,而前凱氏外機(jī)架則將推進(jìn)力直接傳到刀盤支承殼體上。掘進(jìn)循環(huán)終了,凱氏內(nèi)機(jī)架的后部支承伸出至隧道仰拱部上(以承重),支撐靴板回縮,推進(jìn)液壓缸使凱氏外機(jī)架向前移動以使循環(huán)重復(fù)。18§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(8)后下支承后下支承位于后凱氏外機(jī)架的后面,裝在凱氏內(nèi)機(jī)架上。后下支承由液壓缸使之伸縮,還可用液壓缸作橫向調(diào)整。一旦支撐靴板縮回,凱氏內(nèi)機(jī)架的位置可作水平方向與垂直方向的調(diào)節(jié),用以決定下一個掘進(jìn)循環(huán)的方向,保持TBM在要求的隧道中線上。19§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(9)除塵裝置采用洞外壓入式通風(fēng)方式,在洞口外約25m左右裝有串聯(lián)軸流式風(fēng)機(jī),軟風(fēng)筒懸掛在洞頂。吸塵器置于后配套的前部,吸人管接到TBM凱氏內(nèi)機(jī)架與刀盤護(hù)盾。吸塵器在刀盤室內(nèi)形成負(fù)壓,以使供至TBM前的新鮮空氣的40%進(jìn)人刀盤室,并防止含有粉塵的空氣進(jìn)人隧道。一旦空氣進(jìn)人吸塵系統(tǒng),吸塵器的軸流式風(fēng)扇將驅(qū)使含塵空氣穿過噴水空間后通過匯流葉片再穿過吸塵器。大量塵埃被分離出來而流向集塵箱,集塵箱配有再循環(huán)水泵。集塵器的排氣管端對著隧道通風(fēng)系統(tǒng)的管道,通過一增壓通風(fēng)機(jī)使吸塵器排出的空氣隨隧道內(nèi)的廢氣又回到作業(yè)面。20§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(10)激光導(dǎo)向系統(tǒng)在TBM上安裝ZED260印導(dǎo)向系統(tǒng),設(shè)兩個靶子與一套激光設(shè)備。前靶裝在刀盤切削頭護(hù)盾的后面,由一臺工業(yè)用VT照像機(jī)監(jiān)測,它將TBM相對于激光束的位置傳送到司機(jī)室內(nèi)的屏幕上。另有一套裝置用來測量TBM的轉(zhuǎn)向與高低起伏,并將數(shù)據(jù)傳送至司機(jī)室。司機(jī)室內(nèi)可在TBM再設(shè)置時,對TBM的支承系統(tǒng)作必要的糾正。21§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)2.后配套系統(tǒng)后配套系統(tǒng)設(shè)計為雙線,掘進(jìn)機(jī)全部供應(yīng)設(shè)備與裝運(yùn)系統(tǒng)均置于其上。石碴由列車運(yùn)出。后配套由若干個平架車和一個過橋組成,過橋用于將平架車與TBM聯(lián)接,平架車擺放在仰拱上的軌道上面,過橋下面。TBM前進(jìn)時,在TBM的后面拉著過橋與平架車前移。后配套的過橋與某些部分,分別裝著TBM的液壓動力組件、配電盤、變壓器、主斷電開關(guān)、電纜槽、電纜卷筒、集塵器、通風(fēng)集塵管、操縱臺與輸送帶,也為噴射混凝土裝置、注漿裝置與灰漿泵提供了空間。22§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(1)皮帶橋大約為12m皮帶橋直接置于TBM后面,它向上搭橋以加大下面的作業(yè)空間,為的是便于鋪設(shè)仰拱砌塊與隧道鋼軌。此皮帶橋鉸接于TBM后部,支承在第一個平架車上。此外,它也是攜帶噴射混凝土的作業(yè)平車。再在其后是同時供通風(fēng)用的兩個空箱形架子,形成平架車,聯(lián)接起來并將拉力向后傳遞,液壓驅(qū)動的中間輸送帶則置于其上。(2)平架車與裝運(yùn)設(shè)備平架車是門架式拖車的下層,是斗車、載人車與牽引機(jī)車運(yùn)行之處,其上層則為供應(yīng)設(shè)備放置之處。有一單軌梁用來吊放仰拱砌塊,然后再吊放鋼軌。裝載艙(即平架車下層)為雙線系統(tǒng),設(shè)計可容兩列車。每一列車由8個石碴車、2臺攪拌車和3臺材料車組成,這一套列車的設(shè)計容量與TBM換步行程1.8m相適應(yīng)。23§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(3)液壓系統(tǒng)除了刀盤之外,TBM全機(jī)與輔助裝置均為液壓驅(qū)動,液壓動力站置于后配套平架車上。(4)電力安裝設(shè)置于后配套系統(tǒng)之上的有:主配電盤,電動機(jī)和輔助裝置用斷流器與電磁啟動器,帶主斷路器的變壓器,糾正功率因素的無功電流補(bǔ)償器,可控電流變壓器,應(yīng)急發(fā)電機(jī)。照明系統(tǒng)設(shè)有很多強(qiáng)力照明燈,以便管理TBM進(jìn)行圍巖支護(hù)作業(yè)和鋪設(shè)鋼軌。24§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)3.附屬設(shè)備(1)TBM通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)此系統(tǒng)使TBM操作人員可與三處連絡(luò),一是直接到刀盤切削頭后面,二是到鋼軌安裝與材料卸載處,三是到后配套末尾石碴換裝處。(2)滅火系統(tǒng)在后配套系統(tǒng)上,為液壓設(shè)備與電力動力設(shè)備提供一套人工操作的干式滅火系統(tǒng),此外,在TBM與后配套上還放置若干手提式滅火器。(3)數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)此系統(tǒng)將監(jiān)測與記錄下列數(shù)據(jù):時間與日期;掘進(jìn)距離;推進(jìn)速度;每一步的行程長度與延續(xù)時間;驅(qū)動電動機(jī)的電流數(shù);接人的驅(qū)動馬達(dá)數(shù);推進(jìn)液壓缸油壓;支撐液壓缸油壓。TBM操作人員也要將換刀時間、停機(jī)時間填表記錄。25§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（4）甲烷監(jiān)測器本機(jī)提供一套帶三個傳感器的探測甲烷的監(jiān)測裝置。當(dāng)甲烷氣濃度超過臨界值,此裝置報警或關(guān)機(jī)。三個傳感器,一個裝在TBM刀盤切削頭后面,兩個裝在吸塵管內(nèi)。（5）通風(fēng)管隧道通風(fēng)系統(tǒng)的終端,為后配套設(shè)備末尾處的通風(fēng)管,根據(jù)耗風(fēng)量設(shè)計后配套的通風(fēng)系統(tǒng),采用鋼管連接。鋼管用一液壓缸操作臂從材料車提起,裝到一液壓操作的夾鉗中。后配套中還提供有作業(yè)平車,用來接風(fēng)管并將其吊到隧道拱部預(yù)設(shè)的吊鉤上。此通風(fēng)管安裝器是為直徑48約1.22m、長約9m的風(fēng)管而設(shè)計的。26§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)1.TBM施工工藝TBM施工技術(shù)是集成機(jī)械原理、電子學(xué)原理、機(jī)器人原理和土工學(xué)原理的一套系統(tǒng)化設(shè)備的施工工廠，其施工原理及技術(shù)是建立在主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（PLC）、超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、超前處理系統(tǒng)、主機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、永久支護(hù)系統(tǒng)及洞外保障系統(tǒng)等各系統(tǒng)的綜合作用的運(yùn)用。TBM施工工藝主要圍繞TBM掘進(jìn)、出渣及初期支護(hù)三個關(guān)鍵施工工序的基礎(chǔ)上來進(jìn)行的，三、掘進(jìn)機(jī)施工工藝過程28§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（1）掘進(jìn)機(jī)施工的局限性1)掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問題。由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對零部件的耐久性要求較高，因而制造的價格較高，前期一次性投資成本費(fèi)用較高，工程建設(shè)投資高。2)設(shè)計制造周期長。根據(jù)目前市場情況，采購周期一般需要12~15個月，主要是關(guān)鍵部件，如主軸承、大排量液壓泵，目前只有少數(shù)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)。3)掘進(jìn)機(jī)針對性強(qiáng)，對多變的地質(zhì)條件（如斷層、破碎帶、溶洞、擠壓帶、涌水及堅(jiān)硬巖石等）的適應(yīng)性較差。不同地質(zhì)條件需要不同種類的掘進(jìn)機(jī)及相應(yīng)的配置，因此其適應(yīng)性沒有鉆爆法靈活。4)開挖斷面只限于圓形，每臺掘進(jìn)機(jī)只能用于一種開挖斷面。5)要求施工人員的技術(shù)水平和管理水平高,施工短隧道時不能發(fā)揮其優(yōu)越性。29§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)

（2）掘進(jìn)機(jī)的使用范圍采用掘進(jìn)機(jī)施工時，應(yīng)明確地質(zhì)條件及必要預(yù)處理措施。隧道長度6~7km以上，圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度在50~200MPa之間。從機(jī)械條件看適用范圍，合理選型及完善后配套系統(tǒng)。對作業(yè)場地和運(yùn)輸方案有特殊要求。企業(yè)自身的實(shí)際能力。30§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)2.TBM施工方法(1)導(dǎo)向控制TBM掘進(jìn)方向的控制極為重要，方向控制不當(dāng)，造成盤型滾刀受力不均，致使刀具提前損壞，增加換刀的次數(shù)和配件成本，影響施工進(jìn)度，另一方面，會使得隧道出現(xiàn)超、欠挖過大，增加后期工程的工作量，影響工程質(zhì)量。因此，在隧道施工中應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)方向，將偏差控制在允許范圍內(nèi)。TBM導(dǎo)向控制原則包括以下內(nèi)容：1)確定合理的方向參數(shù)；2)控制掘進(jìn)軸線與設(shè)計中心線的偏差；3)確保做到掘進(jìn)前準(zhǔn)確定位，掘進(jìn)中嚴(yán)格操作，掘進(jìn)后適時調(diào)整。31§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（2）TBM掘進(jìn)施工順序流程TBM掘進(jìn)施工工序流程見圖。32§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(3)掘進(jìn)施工1)刀盤后部的側(cè)向撐靴向洞壁撐起并穩(wěn)固在洞壁巖面上，同時用楔塊油缸將側(cè)支撐的位置牢牢鎖定，并將推進(jìn)反作用力傳給洞壁，掘進(jìn)的水平方向鎖定，同時調(diào)整前支撐，將掘進(jìn)的垂直方向（即坡度）鎖定；2)水平撐靴定位以后，推進(jìn)推力油缸并轉(zhuǎn)動刀盤開始掘進(jìn)。掘進(jìn)時，刀盤上的每一個滾刀可產(chǎn)生最大250kN的推進(jìn)力，使強(qiáng)度為100MPa的掌子面圍巖產(chǎn)生破裂，并形成直徑10cm左右的碎塊；3)根據(jù)TBM設(shè)備的扭矩～轉(zhuǎn)速曲線的基本性能，在不良地質(zhì)條件下采用轉(zhuǎn)速為0～4.21rpm、扭矩為6805kNm的參數(shù)切割軟巖，在圍巖條件較好、強(qiáng)度較高的硬巖采用4.21～6.32rpm的轉(zhuǎn)速、4533kNm的扭矩高速切割硬巖，若出現(xiàn)刀盤卡住則采用10616kNm的脫困扭矩或采用刀盤逆轉(zhuǎn)的方式處理，施工過程中根據(jù)不同的圍巖條件調(diào)整合適的參數(shù)33§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)4)刀盤的推力由推進(jìn)油缸提供，推進(jìn)的反作用力被傳遞到水平支撐靴板上，水平支撐靴板由水平支撐油缸緊緊的撐到洞壁，直接將推進(jìn)油缸的推力傳遞到洞壁，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的反扭矩由機(jī)頭架、大梁及滑塊、鞍架和斜缸通過水平支撐板傳遞到洞壁；5)鉆進(jìn)的工作行程結(jié)束，初步支護(hù)工作完成后，撐靴將收回，這時，TBM的重量將由后面的后支撐支撐。TBM及其后配套系統(tǒng)通過收縮牽引油缸，撐靴重新支撐洞壁來向前移動到新的掘進(jìn)位置。當(dāng)推進(jìn)行程結(jié)束時，水平支撐油缸縮進(jìn)，此時TBM的操作手要調(diào)整好TBM的軸線方向，通過激光方向鎖定系統(tǒng)來操縱推力油缸控制方向，由此開始一個新的推進(jìn)行程。34§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(4)刀具更換TBM在掘進(jìn)過程中，由于刀具對巖石的不斷切削，會造成刀具磨損嚴(yán)重，進(jìn)而影響施工進(jìn)度與質(zhì)量，為此需要對刀具進(jìn)行及時的調(diào)整和更換。又因TBM刀盤直徑大，刀具數(shù)量多，在進(jìn)行調(diào)整和更換時，需結(jié)合刀盤的結(jié)構(gòu)形式采用一定的方式進(jìn)行，主要程序和調(diào)整、更換的方法如下：35§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)1)中心滾刀的拆卸a.將刀盤旋轉(zhuǎn)到使?jié)L刀中心處于水平的位置；b.安裝工具架調(diào)整好后，拆下夾緊件，將安裝工具與噴嘴頭聯(lián)接上，然后將噴嘴頭拆下；c.更換內(nèi)側(cè)滾刀時，須從一側(cè)先拆下外側(cè)滾刀，然后將安裝小車移動到滾刀位置并用螺栓將其固定；d.將安裝小車推入到里面的空間，使用轉(zhuǎn)動工具將滾刀扭轉(zhuǎn)90°；e.將安裝小車與滾刀一起往后拔出，同時，把滾刀掛到小吊機(jī)上，然后穿過內(nèi)機(jī)架運(yùn)到TBM后部；f.清潔滾刀的安裝面，檢查有無損壞，視情況更換襯墊。36§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)2)中心滾刀的安裝，其操作順序與拆卸時相反。3)面刀和邊刀的拆卸a.將大刀盤轉(zhuǎn)到待更換的滾刀底部位置；b.借助小吊機(jī)將導(dǎo)軌放入滾刀的安裝座里，并分別將繩索滑輪支架和導(dǎo)軌固定住；c.將安裝小車通過牽引繩索并繞過滑輪固定到小吊機(jī)上；d.移動安裝小車，并通過緊定裝置將其固定在滾刀位置上；e.使用轉(zhuǎn)動工具將滾刀在安裝小車?yán)镛D(zhuǎn)90°，借助小吊機(jī)將滾刀拔離滾刀安裝座；f.用繩索圈將滾刀栓住，借助小吊機(jī)將滾刀與安裝小車一起吊進(jìn)主軸承內(nèi)，然后放于一旁；g.將安裝小車拆下，滾刀被向后拉，通過內(nèi)機(jī)架的腔道拔出；h.清潔滾刀的安裝面，同時檢查襯墊有無損壞，必要時成套更換。4）面刀和邊刀的安裝，其次序與拆卸時相反。

37§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（5）粉塵控制掘進(jìn)過程中，隨著巖石的不斷切削破碎，將產(chǎn)生大量的粉塵污染物，影響施工環(huán)境，并容易造成設(shè)備潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障，為此，需要采取措施及時處理。1）在TBM刀盤后面設(shè)有一防塵鋼護(hù)盾，作業(yè)面上產(chǎn)生的粉塵，在刀盤區(qū)域內(nèi)分離出來，從卸渣區(qū)域吸出，經(jīng)主大梁內(nèi)一密封系統(tǒng)，然后再經(jīng)吸管，吸到一安裝在后配套上的除塵器，及時進(jìn)行清理。2）刀盤前方的噴嘴座上裝有噴水嘴，通過噴射水霧對產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行控制。水霧基本上防止了切削產(chǎn)生的粉塵粒子不再擴(kuò)散，并且根據(jù)地層條件的要求，對作業(yè)面上的噴射水量可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大限度降低粉塵懸浮率38§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（6）注意事項(xiàng)1）支撐與洞壁一定要完全接觸，由于刀盤的穩(wěn)定對于滾刀的連續(xù)作業(yè)軌跡十分關(guān)鍵（消除余震和位移），一個穩(wěn)定的刀盤和一致的、重復(fù)的刀具軌跡，可以提高TBM的進(jìn)尺和延長刀具及大軸承的壽命，因此，支撐的穩(wěn)固情況就顯得尤為重要。

2）在TBM刀盤前方的噴嘴座上裝有噴水嘴，正常施工掘進(jìn)時，通過噴射水霧來降低刀具的溫度，并抑制粉塵的擴(kuò)散，因此要經(jīng)常、及時地對噴嘴進(jìn)行檢查，防止因水質(zhì)不凈而堵塞，從而影響施工環(huán)境和降低刀具的使用壽命。

3）在通過軟巖、斷層和破碎帶時，需盡可能加大支撐靴板與洞壁的接觸面積，使支撐靴板在保證足夠的支撐力時，對于洞壁的比壓足夠小，這樣可以避免支撐靴板在不良地質(zhì)條件下陷入洞壁，保證TBM的連續(xù)掘進(jìn)，進(jìn)而減小機(jī)體的震動，保證施工安全、控制掘進(jìn)速度。39§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)4）因TBM掘進(jìn)時，抑制粉塵擴(kuò)散和冷卻刀具均需要消耗大量的水，并且在掘進(jìn)過程中還可能遇到洞壁涌水，這些積水過多時會將刀座淹沒，此時需根據(jù)水位傳感器收集的信號及時啟動機(jī)頭架后面的潛水泵快速排水，以保證TBM的連續(xù)掘進(jìn)不受影響。5）在每天預(yù)留的檢修時間內(nèi)，需對刀盤、支撐系統(tǒng)等重要部位的螺栓、連接裝置及液壓推進(jìn)系統(tǒng)的供油管路等進(jìn)行檢查，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。6）檢修期間內(nèi)，需對刀盤刀具的數(shù)量及磨損情況進(jìn)行認(rèn)真檢查，合理安排刀具的更換。40§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)7）注意掘進(jìn)方向的控制與調(diào)整：對于水平方向的調(diào)整，主要是活塞腔和活塞桿都充滿壓力油的水平支撐油缸在缸筒內(nèi)的單方向移動，因缸筒與滑塊是以十字銷軸方式連接在一起的，為此滑塊和大梁也隨著水平支撐缸筒移動，從而實(shí)現(xiàn)水平方向上的調(diào)整，防止超挖和欠挖情況的發(fā)生。對于垂直方向的調(diào)整是使用安裝在鞍架和大梁之間的斜缸，當(dāng)斜缸伸長時，大梁相對于水平支撐油缸升高，TBM機(jī)器向下掘進(jìn)；相反，當(dāng)斜缸縮進(jìn)時，大梁相對于水平支撐油缸下降，TBM則向上掘進(jìn)。因此，要控制好前進(jìn)軸線方向，避免偏斜。8）掘進(jìn)過程中，要密切注意數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的信息，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時采取措施，以保障施工的正常行。41§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（7）TBM通過不良地質(zhì)洞段的施工方法1）斷層帶的處理措施超前處理措施：①通過地質(zhì)超前預(yù)報，確定掌子面前方斷層的性質(zhì)、特征、規(guī)模等情況，特別是涌水量、洞內(nèi)水與地表水的連通性、巖體結(jié)構(gòu)狀況和次生軟弱構(gòu)造對施工和支護(hù)的影響程度，以便采取相應(yīng)的處理措施。②在設(shè)計或工程師的指導(dǎo)下，采取超前灌漿、管棚、超前小導(dǎo)管注漿、超前錨桿等處理措施，進(jìn)行預(yù)處理。42§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)2）斷層破碎帶地段TBM掘進(jìn)措施斷層帶圍巖受構(gòu)造影響嚴(yán)重，圍巖破碎、穩(wěn)定性極差，在TBM掘進(jìn)過程中可能會出現(xiàn)塌方，且影響范圍大、深度深，拱頂沉降量大，嚴(yán)重時很容易造成拱架失穩(wěn)、變形。①TBM掘進(jìn)至斷層破碎帶時，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，TBM刀盤應(yīng)頂在掌子面上，暫不后退，更不能在無推進(jìn)的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動刀盤進(jìn)行掘進(jìn)開挖出渣，否則，會造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盤前部的空洞，處理起來困難更大，而且會延誤工期。②首先采用人工噴錨，及時封閉圍巖，對不同圍巖條件的地段，噴混凝土的厚度要及時調(diào)整，確保圍巖變形受到控制和主機(jī)撐靴不會撐跨圍巖，監(jiān)控量測及時反饋，若拱頂下沉仍得不到控制，應(yīng)補(bǔ)噴混凝土或加密拱架支撐等一系列增強(qiáng)支護(hù)措施。43§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)③對坍塌區(qū)用鐵皮封堵，噴混凝土封閉，及時快速灌注混凝土，對范圍大且坍塌于護(hù)盾上的坍腔回填時，為減少支護(hù)時間，提高工效，在混凝土中加入適量速凝劑（速凝劑量適中，以保證混凝土有一定的流動性，以確保坍腔回填密實(shí)）。④拱架安裝一定要保證豎直，間距符合要求，螺栓擰緊，隧洞清底要徹底，以保證鋼拱架緊貼仰拱，以確保仰拱塊的順利安裝。⑤若鋼拱架受壓變形應(yīng)及時用型鋼加固，其連接要牢固，以有效控制拱架變形、穩(wěn)定圍巖，確保安全及主機(jī)順利通過。⑥對圍巖破碎區(qū)和滲水區(qū)，打入注漿錨桿，用濃度為36Be的水玻璃與水灰比為0.8～1.0的水泥漿加固圍巖，填充空隙。44§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)⑦調(diào)整設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，降低對巖面的承壓力，減少擾動，保護(hù)圍巖，盡量減少剝落坍塌量。一般在硬巖中，TBM撐靴壓力通常在250bar以上，速度在70％以上，以提供最大的支撐反力和扭距。由于斷層破碎帶處圍巖整體性和穩(wěn)定性較差，可能伴隨大型坍塌，為減少對巖體的破壞，此時不再使用側(cè)向撐靴，而用后支撐頂推行走，采用較低的刀盤轉(zhuǎn)速，從而控制刀盤的推進(jìn)速度，掘進(jìn)速度也隨即降低。3）斷層帶加固在TBM通過斷層帶后，應(yīng)盡快加固圍巖，主要是沿隧道周圍鉆孔對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，地下水豐富時，更應(yīng)對灌漿厚度、長度加強(qiáng)控制。45§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（8）地下涌水的處理措施1）滲漏水的處理措施①對于TBM施工經(jīng)過斷層時，首先探明水文地質(zhì)條件及圍巖穩(wěn)定條件，早預(yù)防、早準(zhǔn)備，封閉地下水、固結(jié)圍巖，再掘進(jìn)，盡可能的減少涌水對施工造成災(zāi)難性的影響。②處理涌水主要有引排和封堵兩種措施。掘進(jìn)前，打超前鉆孔，探測鉆孔出水量、水壓、涌水里程等，如水量不大，利用TBM配備的鉆機(jī)打排水孔排水，在做好排水系統(tǒng)的情況下，TBM繼續(xù)掘進(jìn)；如水量較大、巖石破碎，而不具備排水條件時，則要通過注漿堵水等處理后再掘進(jìn)，否則涌水可能會造成工作面及側(cè)壁坍塌。46§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)③遇到裂隙發(fā)育、涌水量大的破碎帶，并且破碎帶含承壓水層，巖石的導(dǎo)水性及富水性較好，可采用排堵結(jié)合的施工方法。在特別破碎的Ⅴ類圍巖地段，除進(jìn)行必要的排水外，還需打超前小導(dǎo)管進(jìn)行化學(xué)灌漿封堵，并在刀盤頂護(hù)盾后端用型鋼支撐，配以錨桿、噴混凝土進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖變形。2）承壓水的處理①當(dāng)預(yù)測掘進(jìn)掌子面前方有承壓水，而且排放不會影響圍巖穩(wěn)定，可采用超前鉆孔排水。②當(dāng)預(yù)計TBM掘進(jìn)掌子面前方有高承壓水危及施工安全時，采取超前灌漿進(jìn)行處理。47§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（9）控制圍巖變形防止坍塌的處理措施1）采取超前小導(dǎo)管注漿加固掌子面前方圍巖，堅(jiān)持先護(hù)頂后掘進(jìn)的原則組織施工。2）刀盤頂護(hù)盾通過后，及時進(jìn)行噴射混凝土等初期支護(hù)，并架設(shè)鋼支撐，做好鋼支撐間的連接處理，以減少圍巖的松弛變形。3）采用高壓注漿錨桿、管棚等加固圍巖，以改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件，限制其過大變形。4）TBM開始掘進(jìn)必須在初期支護(hù)具有一定強(qiáng)度后實(shí)施。5）施工過程中對圍巖變形及應(yīng)力及時進(jìn)行量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)結(jié)合觀察報告正確分析圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定性，并采取正確的對策，當(dāng)初期支護(hù)變形過大時，及時噴射早強(qiáng)混凝土補(bǔ)強(qiáng)。48§2.2掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)（10）塌方的處理1）如果隧洞施工中發(fā)生塌方，應(yīng)及時、迅速、妥善的處理。處理前必須詳細(xì)觀察塌方范圍、形狀、地質(zhì)構(gòu)造，分析塌方發(fā)生原因和地下水活動情況，制定處理方案報工程師審批。2）隧洞塌方后，視其與TBM的相對位置情況采取應(yīng)對措施，一般先加固未塌方地段，防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，同時加強(qiáng)排水工作。3）當(dāng)塌方規(guī)模較小時，先將TBM的刀盤頂住塌體，然后加固塌體兩端洞段，盡快施作噴射混凝土或噴錨聯(lián)合支護(hù)。4）當(dāng)塌方規(guī)模較大時，TBM的刀盤被卡住時，采取先護(hù)后挖的方法，在查清塌穴規(guī)模情況下，可采用管棚法或灌漿加固法穩(wěn)定圍巖和渣體。49§2.3開挖方案及其選擇

一、全斷面開挖法全斷面開挖法是指按隧道設(shè)計輪廓線將其一次爆破成型，再進(jìn)行下一步工序施工。其適用條件包括較好的圍巖級別和適度的開挖斷面。而圍巖級別低，其自穩(wěn)性差，若采用全斷面開挖必須先行預(yù)加固，對施工進(jìn)度和效益并無益處；斷面面積過大，不但對鉆爆設(shè)備性能有特殊要求，而且起爆順序復(fù)雜，雷管段位多，超過常用段位需要生產(chǎn)廠家特制，費(fèi)用較高，一次起爆藥量大，對圍巖的擾動較大。對水工隧道來講，松動圈過大，不但對結(jié)構(gòu)的耐久性有影響，而且加大固結(jié)灌漿費(fèi)用。50§2.3開挖方案及其選擇

1.施工工藝過程以鉆爆法為例，全斷面鉆眼爆破、初次支護(hù)、排碴、二次支護(hù)四項(xiàng)基本操作，其施工順序如下：(1)使用移動式全斷面鑿巖臺車鉆眼，然后裝藥、聯(lián)線；(2)鑿巖臺車后退到50米以外的安全地點(diǎn)，然后起爆炸藥，一次爆破出整個設(shè)計輪廓；(3)排除危石，安設(shè)拱部錨桿并噴射第一次混凝土；(4)用裝碴機(jī)械和運(yùn)喳車輛將石碴運(yùn)出洞外；(5)安設(shè)邊墻錨桿并噴射第一次邊墻混凝土；(6)當(dāng)拱部不穩(wěn)定或變形速度加快時應(yīng)噴射拱部第二層混凝土；如底板不穩(wěn)定或有底臌現(xiàn)象時應(yīng)挖掘底拱并噴射混凝土；(7)進(jìn)入下一輪循環(huán)；(8)當(dāng)初次支護(hù)變形穩(wěn)定后，或按施工組織中規(guī)定的日期構(gòu)筑內(nèi)層襯砌。51§2.3開挖方案及其選擇

2.全斷面法施工要求(1)全斷面法開挖空間大，工序少，應(yīng)采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，各道工序盡可能平行交叉作業(yè)，縮短循環(huán)時間。(2)全斷面法開挖量大，爆破引起的振動較大，應(yīng)嚴(yán)格控制一次同時起爆的炸藥量，按鉆爆設(shè)計要求控制炮眼間距、深度和角度，鉆眼完畢，按炮眼布置圖進(jìn)行檢查并做好記錄，對不符合要求的炮眼應(yīng)重鉆，經(jīng)檢查合格后方可裝藥。(3)鉆眼時，周邊眼及掏槽眼應(yīng)定人定崗，并嚴(yán)格控制周邊眼外插角。每循環(huán)爆破參數(shù)，改善爆破效果，減少超欠挖。(4)應(yīng)確定合理的循環(huán)進(jìn)尺，確保兩個循環(huán)的接茬位置平滑、圓順。(5)每循環(huán)爆破后及時找頂，初期支護(hù)施作前應(yīng)按要求進(jìn)行地質(zhì)素描。52§2.3開挖方案及其選擇

3.全斷面法優(yōu)缺點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn)1）工序少，相互干擾相對減少，便于施工組織的管理。2）全斷面開挖有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度。3）全斷面一次成型，對圍巖的擾動次數(shù)減少，對隧道的圍巖穩(wěn)定有利。(2)缺點(diǎn)1）由于開挖面較大，圍巖穩(wěn)定性降低，且每個循環(huán)工作量較大。53§2.3開挖方案及其選擇

4.使用全斷面法時應(yīng)注意的幾個問題(1)弄清開挖面前方的地質(zhì)條件，隨時準(zhǔn)備好應(yīng)急措施(包括防水、防坍塌和改變施工方法等)，以確保施工安全；(2)各種施工機(jī)械設(shè)備務(wù)求配套，如鉆眼、裝碴等主要機(jī)械和相應(yīng)的輔助機(jī)具(如鉆桿、裝碴車輛、調(diào)車設(shè)備等)尺寸，性能和生產(chǎn)能力上均應(yīng)相互配合，工作才能環(huán)環(huán)緊扣，不至相互牽制而影響進(jìn)度。同時，還要配備足夠的易損部件，以保證各項(xiàng)作業(yè)的順利進(jìn)行；(3)加強(qiáng)各項(xiàng)輔助管理，如三管兩線(即高壓風(fēng)管、高壓水管、通風(fēng)管、電線及運(yùn)輸線路)要保持良好狀態(tài)，尤其加強(qiáng)施工通風(fēng)，保持工作面有新鮮風(fēng)流；(4)全斷面法開挖量很大，排碴常常成為控制施工進(jìn)度的主要因素，所以要特別注意排碴機(jī)械的選擇和排碴工作的組織；(5)加強(qiáng)對施工人員的技術(shù)培訓(xùn)。實(shí)踐證明：施工人員對工程基本原理的了解程度和技術(shù)熟練狀況，直接影響施工質(zhì)量，甚至關(guān)系到施工的成敗。54§2.3開挖方案及其選擇

二、臺階開挖法臺階法開挖是將隧道設(shè)計斷面分成兩次或三次開挖，臺階開挖法是隧道施工中采用最廣泛的方法。Ⅱ、Ⅲ級圍巖適用二臺階法開挖，也可采用全斷面開挖，究竟采用哪種開挖方法，不僅僅取決于圍巖的級別，還需要考慮開挖斷面的大小是否與施工設(shè)備匹配，圍巖的穩(wěn)定情況，施工進(jìn)度要求與施工習(xí)慣等因素。施工中究竟采用何種臺階法，要根據(jù)以下兩個條件來決定：(1)初次支護(hù)形成閉合斷面的時間要求，圍巖越差，要求的閉合時間越短；臺階的長度亦越短；(2)上斷面施工所用的開挖、支護(hù)、出碴等機(jī)械設(shè)備施工場地大小的要求。(3)在軟弱圍巖中應(yīng)以前一條件為主，兼顧后者，確保施工安全。55§2.3開挖方案及其選擇

1.長臺階法長臺階法是將開挖斷面分成上斷面和下斷面兩部分(拱部和側(cè)墻)進(jìn)行開挖，上、下斷面相距較遠(yuǎn)，一般上臺階超前50米以上或大于5倍洞跨。施工時上下兩斷面可配備同類機(jī)械進(jìn)行平行作業(yè)，當(dāng)機(jī)械不足時可用一套機(jī)械設(shè)備交替作業(yè)，即在上半斷面推進(jìn)一個進(jìn)尺，繼而再在下斷面推進(jìn)一個進(jìn)尺。如果隧道的長度較短，可將上下斷面分部開挖，即先將上半斷面全部挖通后，再進(jìn)行下半斷面施工，即為半斷面法。長臺階法的作業(yè)順序可歸納為：(1)上半斷面施工采用兩臂鑿巖臺車鉆眼，然后裝藥、連線、爆破，當(dāng)圍巖較軟時亦可采用挖掘機(jī)掘進(jìn)。按設(shè)錨桿和鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土，必要時架設(shè)鋼支撐。56§2.3開挖方案及其選擇

(2)下半斷面施工采用兩臂鑿巖臺車鉆眼，然后裝藥、連線、爆破；裝碴直接運(yùn)至洞外；安裝邊墻錨桿(必要時)和噴射混凝土；用反鏟挖掘機(jī)開挖水溝；噴底部混凝土。(3)待初次支護(hù)的變形穩(wěn)定后，或根據(jù)施工組織設(shè)計所規(guī)定的時間敷設(shè)防水層(必要時)和建造內(nèi)層襯砌。57§2.3開挖方案及其選擇

2.短臺階法短臺階法是將掘進(jìn)斷面分成上下兩部分進(jìn)行開挖，區(qū)別在于前者的兩個斷面相距較近。一般地，上臺階斷面超前下臺階斷面不大于5倍洞跨，但也不應(yīng)小于1~1.5倍洞跨。上下斷面也可實(shí)現(xiàn)部分平行作業(yè)。

短臺階法的作業(yè)順序與長臺階法的作業(yè)順序相同。由于短臺階法可縮短支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合的時間，改善初次支護(hù)的受力條件，有利于控制隧道收斂速度和收斂量，所以適用范圍很廣泛，在Ⅱ~Ⅵ類圍巖中都能采用，尤其適用于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，是新奧法施工中主要采用的施工方法之一。58§2.2開挖方案及其選擇

3.超短臺階法超短臺階法也是將掘進(jìn)斷面分成上下兩部分進(jìn)行開挖，但上下兩斷面相距更近，一般上斷面僅超前下斷面3~5米，只能采用交替作業(yè)。超短臺階法施工作業(yè)順序?yàn)椋河靡慌_停在臺階下的長臂挖掘機(jī)或單臂掘進(jìn)機(jī)開挖上半斷面至一個進(jìn)尺；安設(shè)拱部錨桿、鋼筋網(wǎng)或鋼支撐；噴拱部混凝土；用同一臺機(jī)械開控下半斷面至一個進(jìn)尺；安設(shè)邊墻錨桿、鋼筋網(wǎng)或接長鋼支撐；噴邊墻混凝土(必要時加噴拱部混凝土)。開挖水溝、安設(shè)底部鋼支撐；噴底拱混凝土；灌注內(nèi)層襯砌。59§2.3開挖方案及其選擇

采用超短臺階法施工時應(yīng)注意以下問題：在軟弱圍巖中施工時，應(yīng)特別注意開挖工作面的穩(wěn)定性，必要時可采用輔助施工措施，如向圍巖中注漿或打入超前水平小鋼管，對開挖面進(jìn)行預(yù)加固。60§2.3開挖方案及其選擇

臺階法施工中，開挖下半斷面時要求做到以下幾點(diǎn):(1)下半斷面的開挖(又稱落底)和封閉應(yīng)在上半斷面初次支護(hù)基本穩(wěn)定后進(jìn)行，或采取其它有效措施確保初次支護(hù)體系的穩(wěn)定性，例如擴(kuò)大拱腳、打拱腳錨桿、加強(qiáng)縱向聯(lián)接等，使上部襯砌支護(hù)與圍巖形成完整體系；又如，采用單側(cè)落底或雙側(cè)交錯落底，避免上部初次支護(hù)兩側(cè)拱腳同時懸空；又如，視圍巖狀況嚴(yán)格控制落底長度，一般采用1~3m，并不得大于6m；(2)下部邊墻開挖后必須立即噴射混凝土，并按規(guī)定做初次支護(hù)；(3)量測工作必須及時，以觀察拱頂、拱腳和邊墻中部位移值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)速率增大，應(yīng)立即進(jìn)行底(仰)拱封閉。61§2.3開挖方案及其選擇

三、分部開挖法分部開法也是由全斷面法演化而來的。當(dāng)全斷面法開挖圍巖不能自穩(wěn)，或機(jī)械設(shè)備能力不能滿足施工要求時，將隧道斷面分部開挖逐步成型，且一般將某部超前開挖，故也可稱為導(dǎo)坑超前開挖法。分部開挖法主要分為三種變化形式，即：臺階分部開挖法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，除此之外還有中隔壁法（CD法）以及交叉中隔壁法（CRD）。62§2.3開挖方案及其選擇

1.臺階分部開挖法臺階分部開挖法也稱環(huán)形開挖留核心土法，一般將斷面分為環(huán)形拱部、上部核心土和下部臺階等三部分。根據(jù)斷面的大小，環(huán)形拱部又可分成幾塊交替開挖。環(huán)形開挖進(jìn)尺為0.5~1.0m，不宜過長。上部核心土和下臺階的距離，一般雙線隧道為1倍洞跨，單線隧道為2倍洞跨。臺階分部開挖法的施工作業(yè)順序?yàn)椋河萌斯せ騿伪劬蜻M(jìn)機(jī)開挖環(huán)形拱部。架立鋼支撐、噴混凝土。在拱部初次支護(hù)保護(hù)下，用挖掘機(jī)或單臂掘進(jìn)機(jī)開挖核心土和下臺階，隨時接長鋼支撐和噴混凝土、封底。根據(jù)初次支護(hù)變形情況或施工安排建造內(nèi)層襯砌。63§2.3開挖方案及其選擇

臺階分部開挖法的主特點(diǎn)：(1)與超短臺階法相比，臺階長度可以加長，減少上下臺階施工干擾；(2)與下述的側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，施工機(jī)械化程度較高，施工速度可加快；(3)留核心土支頂工作面，穩(wěn)定性優(yōu)于超短臺階法；(4)能迅速及時地建造拱部初次支護(hù)，開挖工作面穩(wěn)定性好。核心土和下部開挖都是在拱部初次支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行的，施工安全性好。64§2.3開挖方案及其選擇

采用臺階分部開挖時應(yīng)注意問題：雖然核心土增強(qiáng)了開挖面的穩(wěn)定，但開挖中圍巖要經(jīng)受多次擾動，而且斷面分塊多，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成全斷面封閉的時間長，這些都有可能使圍巖變形增大。因此，它常要結(jié)合輔助施工措施對開挖工作面及其前方巖體進(jìn)行預(yù)支護(hù)或預(yù)加固。65§2.3開挖方案及其選擇

2.單側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)坑是先行開挖并能為后續(xù)開挖提供施工便利的坑道，其作用有：為后續(xù)工作面創(chuàng)造臨空面。提高爆破效果；查明前方地質(zhì)情況；排除地下水；鋪設(shè)“三管兩線”；改善施工通風(fēng)條件。單側(cè)壁導(dǎo)坑法一般是將斷面分成三塊：側(cè)壁導(dǎo)坑、上臺階、下臺階。側(cè)壁導(dǎo)坑尺寸應(yīng)本著充分利用臺階的支撐作用并考慮機(jī)械設(shè)備和施工條件而定。66§2.3開挖方案及其選擇

單側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工作業(yè)順序?yàn)椋?1)開挖側(cè)壁導(dǎo)坑，并進(jìn)行初次支護(hù)(錨桿加鋼筋、或錨桿加鋼支撐、或鋼支撐，噴射混凝土)，應(yīng)盡快使導(dǎo)坑的初次支護(hù)閉合；(2)開挖上臺階，進(jìn)行拱部初次支護(hù)，使其一側(cè)支承在導(dǎo)坑的初次支護(hù)，另一側(cè)支承在下臺階上；(3)開挖下臺階，進(jìn)行另一側(cè)邊墻的初次支護(hù)，并盡快建造底部初次支護(hù)，使全斷面閉合；(4)拆除導(dǎo)坑臨空部分的初次支護(hù)；(5)建造內(nèi)層襯砌。67§2.3開挖方案及其選擇

單側(cè)壁導(dǎo)坑法適用范圍：單側(cè)壁導(dǎo)坑法是將斷面橫向分成3塊或4塊，每步開挖的寬度較小，而且封閉型的導(dǎo)坑初次支護(hù)承載能力大，所以單側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于斷面跨度大，地表沉陷難于控制的軟弱松散圍巖中。68§2.3開挖方案及其選擇

3.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法也稱眼鏡工法。當(dāng)隧道跨度很大，地表沉降要求嚴(yán)格，圍巖條件特別差，單側(cè)壁導(dǎo)坑法難以控制圍巖變形時，可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法?，F(xiàn)場實(shí)測表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法所引起的地表沉陷僅為短臺階法的1/2。這種方法一般是將斷面分成四塊；左、右壁導(dǎo)坑、上部核心土、下臺階、導(dǎo)坑尺寸擬定的原則同前，但寬度不宜超過斷面最大跨度的1/3。左、右導(dǎo)坑錯開的距離，應(yīng)根據(jù)開挖一側(cè)導(dǎo)坑所引起的圍巖應(yīng)力重分布的影響不致波及另一側(cè)已成導(dǎo)坑的原則確定。69§2.3開挖方案及其選擇

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工作業(yè)順序?yàn)椋洪_挖一側(cè)導(dǎo)坑，并及時地將其初次支護(hù)閉合。相隔適當(dāng)距離后開挖另一側(cè)導(dǎo)坑，并建造初次支護(hù)。開挖上部核心土，建造拱部初次支護(hù)，拱腳支承在兩側(cè)壁導(dǎo)坑的初次支護(hù)上。開挖下臺階，建造底部的初次支護(hù)，使初次支護(hù)全斷面閉合。拆除導(dǎo)坑臨空部分的初次支護(hù)。建造內(nèi)層襯砌。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法特點(diǎn)：現(xiàn)場實(shí)測表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法所引起的地表沉陷僅為短臺階法的1/2。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護(hù)全斷面閉合的時間長，但每個分塊都是在開挖后立即各自閉合的，所以在施工中間變形幾乎不發(fā)展。70§2.3開挖方案及其選擇

4.中隔壁法（CD法）中隔壁法適用于Ⅳ-Ⅵ級圍巖的淺埋雙線隧道。施工時應(yīng)沿一側(cè)自上而下分為二或三部進(jìn)行，每開挖一部均應(yīng)及時施作錨噴支護(hù)、安設(shè)鋼架、施做中隔壁，底部應(yīng)設(shè)臨時仰拱，中隔壁墻依次分步聯(lián)結(jié)而成，之后再開挖中隔墻的另一側(cè)。中隔壁洞法施工要求：各部開挖時，周邊輪廓盡量圓順，減小應(yīng)力集中；各部的底部高程應(yīng)與鋼架接頭處一致；每一部的開挖高度為3.5m；后一側(cè)開挖應(yīng)全斷面及時封閉；左右兩側(cè)縱向間距一般為30m-50m；中隔壁設(shè)置為弧形或圓弧形。71§2.3開挖方案及其選擇

5.交叉中隔壁法（CRD法）在軟弱圍巖大跨隧道中，先開挖隧道一側(cè)的一或二部分，施作部分中隔壁和橫隔板，再開挖隧道另一側(cè)的一或二部分，完成橫隔板施工；然后再開挖最先施工一側(cè)的最后部分，并延長中隔壁，最后開挖剩余部分的施工方法。交叉中隔壁法施工要求：采用交叉中隔壁法施工，除應(yīng)滿足中隔壁法的施工要求外，還應(yīng)滿足一下要求：設(shè)置臨時仰拱，步步成環(huán)；自上而下，交叉進(jìn)行；中隔壁及交叉臨時支護(hù)，在灌注二次襯砌時，應(yīng)逐段拆除。72§2.4新奧法理論與實(shí)踐

一、新奧法隧道設(shè)計施工的兩大理論1.松弛荷載理論穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載；不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的巖體重力。2.巖承理論：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。73§2.4新奧法理論與實(shí)踐

二、新奧法新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是NewAustrianTunnellingMethod,簡稱為NATM。新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)50年代提出的。它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動態(tài)觀測設(shè)計施工法的基本原則一致。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。74§2.4新奧法理論與實(shí)踐

新奧法的基本要點(diǎn)：

1.巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。2.為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時筑砌又能隨時加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護(hù)等。這樣，就能通過調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和它參加工作的時間（包括閉合時間）來控制巖體的變形。75§2.4新奧法理論與實(shí)踐

3.為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。4.通過施工中對圍巖和支護(hù)的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計變更及日常的施工管理。5.為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。6.二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。76§2.4新奧法理論與實(shí)踐

三、新奧法原理分析1.隧道結(jié)構(gòu)的主要承載是圍巖。在隧道圍巖支護(hù)過程中，一方面允許圍巖有一定位置移動，進(jìn)而產(chǎn)生受力區(qū);另一方面，為避免圍巖變形過大而產(chǎn)生嚴(yán)重松弛卸載，必須限制圍巖位移的程度。