7　掘進機法隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

本章導(dǎo)讀:

●內(nèi)容　隧道掘進機的類型、構(gòu)造和工作原理、應(yīng)用范圍;TBM法與盾構(gòu)法的區(qū)別, TBM法與鉆爆法相比的優(yōu)勢和局限性;TBM法隧道的支護設(shè)計。

●基本要求 熟悉隧道掘進機的類型、構(gòu)造和工作原理、應(yīng)用范圍;了解TBM法與盾構(gòu)法的區(qū)別,TBM法與鉆爆法相比的優(yōu)勢和局限性;掌握TBM法隧道的支護結(jié)構(gòu)類型選擇與設(shè)計。

●重點　TBM法隧道的支護設(shè)計。

●難點　TBM法隧道的支護設(shè)計。

7.1　概 述

隧道掘進機(Tunneling Boring Machine,簡稱TBM)是一種集掘進、出渣、支護和通風、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機械。掘進機法是利用巖石隧道掘進機在巖石地層挖掘隧道的一種施工方法。

隨著我國大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展,鐵路、公路、調(diào)水工程、水電工程、城市地鐵、市政供水供電和排污等重大工程越來越多,需要修建的長、大隧道也越來越多。由于工程規(guī)模大,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程施工速度、環(huán)保、質(zhì)量和效益要求高,傳統(tǒng)鉆爆破法施工技術(shù)已經(jīng)難以應(yīng)對這一艱巨挑戰(zhàn)。因此,全斷面隧道掘進機技術(shù)必將在我國得到長足發(fā)展。

掘進機問世于1952年,由美國Robbins公司生產(chǎn),發(fā)展至今,技術(shù)上已經(jīng)很成熟。根據(jù)工程對象的變化,其類型也呈現(xiàn)出系列化和多樣化的特點。實踐證明:當隧道長度與直徑之比大于600時,采用掘進機進行隧道施工比較經(jīng)濟。國外3 m以上的隧道,使用掘進機開挖已相當普遍。掘進機直徑隨工程對象的需要而變化,一般來說,水工隧洞直徑為3～10 m;鐵路隧道直徑為6～10 m;公路隧道,一般斷面較大,采用的施工方法有兩種:一種是采用直徑8～12 m的掘進機一次成洞;另一種是采用小直徑的掘進機進行導(dǎo)洞施工,然后進行鉆爆法擴挖成形。截至21世紀初,國外采用掘進機施工的隧道長度達4 000 km以上,掘進機施工技術(shù)已逐漸成為一種成熟并具高競爭力的隧道施工技術(shù)。

掘進機與盾構(gòu)的區(qū)別主要有:全斷面隧道掘進機主要是通過盤形滾刀破碎巖石,是以巖石地層為掘進對象,不具備泥水壓、土壓等維護掌子面穩(wěn)定的功能,一般用在山嶺隧道或大型引水工程,掘進機主要采用皮帶機出渣;盾構(gòu)主要用于軟土層的挖掘,一般用在城市地鐵及小型管道工程。盾構(gòu)由穩(wěn)定開挖面、掘進及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素組成,其中開挖面的穩(wěn)定方法是其工作原理的主要方面,這也是盾構(gòu)區(qū)別于TBM及比TBM復(fù)雜的主要方面。盾構(gòu)在刀盤上除切刀外還布置一定數(shù)量的滾刀,以適應(yīng)遇到的短距離巖石段。盾構(gòu)采用螺旋輸送機或泥漿管路出渣。

7.2　掘進機法及其應(yīng)用

7.2.1　掘進機法簡介

1)TBM法與鉆爆法比較

在隧道施工方法上,TBM法和鉆爆法都是隧道施工的成熟工法。鉆爆法較TBM法工序多、施工組織復(fù)雜、工期較長、超欠挖量大、安全性差,但地質(zhì)適應(yīng)能力較好。TBM法與鉆爆法相比的優(yōu)勢在于工序簡單、施工速度快、安全性好。從技術(shù)上比較,TBM法適用于工期要求緊、且以硬質(zhì)巖為主的圓形長隧道,而鉆爆法則適用于短隧道、地質(zhì)條件較復(fù)雜的且不適合TBM法快速施工的工程。

2)TBM施工的優(yōu)點

掘進機是山嶺隧道高度機械化的開挖設(shè)備。與鉆爆法相比,掘進機法雖然投資多,但具有施工快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、環(huán)保等突出優(yōu)點。

(1)快速

掘進機掘進效率高,其掘進速度為常規(guī)鉆爆法的3～5倍。掘進機開挖時,可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè),從而可保證破巖、出渣、支護流水化作業(yè)。而鉆爆法施工,鉆眼、爆破、通風、出渣等作業(yè)是間斷性的,因而開挖速度慢、效率低。

(2)優(yōu)質(zhì)

掘進機開挖施工質(zhì)量好。采用掘進機開挖的隧道內(nèi)壁光滑,從而可以減少支護工程量,降低工程費用。而鉆爆法開挖的隧道內(nèi)壁粗糙、凹凸不平,且超欠挖量大,襯砌時處理困難,支護費用高。掘進機開挖隧道的洞壁粗糙率一般為0.019,比鉆爆法光面爆破的粗糙率還小17%。掘進機開挖洞徑尺寸精確、誤差小,可控制在±2 cm范圍內(nèi)。

(3)安全

TBM法對巖石的擾動小,影響范圍一般小于50 cm,可大大改善開挖面的施工條件,且周圍巖層穩(wěn)定性較好,從而得到安全的邊界環(huán)境。掘進機自身帶有局部護盾或整體護盾,有利于施工人員的安全。同時,機器上配置一系列的支護設(shè)備,在不良地質(zhì)處可及時支護,確保施工安全。且由于掘進機自動化程度高,并配置電視監(jiān)控和通信系統(tǒng),作業(yè)人員少,便于安全管理。

(4)環(huán)保

開挖時采用機械進行破巖,無鉆爆法用的炸藥等化學(xué)物質(zhì)爆炸及污染,人員勞動強度低、數(shù)量少,作業(yè)環(huán)境好,有利于作業(yè)人員的健康。另外,掘進機采用了計算機控制、傳感器、激光導(dǎo)向、測量、超前地質(zhì)探測、通信技術(shù),是集機、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備,具有自動化程度高的優(yōu)點。掘進機具有施工數(shù)據(jù)采集功能、姿態(tài)管理功能、施工數(shù)據(jù)管理功能、施工數(shù)據(jù)實時遠傳功能,實現(xiàn)了信息化施工。

3)TBM施工的局限性

掘進機施工法與鉆爆法相比,具有以下局限性:

①掘進機的經(jīng)濟性問題。由于掘進機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對零部件的耐久性要求較高,因此制造的價格較高,前期一次性投資成本費用較高,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掘進機針對性強,對多變的地質(zhì)條件(如斷層、破碎帶、溶洞、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等)的適應(yīng)性較差。不同地質(zhì)條件需要不同種類的掘進機及相應(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,每臺掘進機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。

⑥運輸困難,對施工場地有特殊要求。

7.2.2　掘進機法的應(yīng)用

1)TBM的應(yīng)用范圍

掘進機和輔助施工技術(shù)的日臻完善,以及現(xiàn)代高科技成果的應(yīng)用(液壓新技術(shù)、電子技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)等),大大提高了巖石掘進機對各種復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。如果簡單地從開挖可能性上看掘進機的適用范圍是不全面的,必須根據(jù)巖石的抗壓強度,裂隙、節(jié)理發(fā)育狀態(tài),涌水狀態(tài)等地層巖性條件的實際狀況、機械構(gòu)造,以及隧道的斷面、長度、埋深、選址條件等進行判斷,綜合考慮。

(1)對地質(zhì)條件的要求

掘進機適用于隧道長度6～7 km以上,圍巖的單軸抗壓強度為50～200 MPa。從地層巖性條件來看,掘進機一般只適用于圓形斷面隧道,隧道開挖直徑為3.0～12 m,一次性連續(xù)開挖隧道長度不宜短于6 km,通常6～15 km比較經(jīng)濟。若隧道施工太短,則掘進機的折舊費用和待機準備時間占工程的總費用和時間的比例必然增加。但如果一次性連續(xù)開挖施工的隧道太長,掘進機維修及輔助工序時間長,自然要增加費用和延長施工時間。

掘進機適用于中硬巖層,需注意的是,巖層的地質(zhì)情況對掘進機進尺影響很大。在良好巖層中,掘進機月進尺可達500～600m,而在破碎巖層中,月進尺只有100 m左右,在塌陷、涌水、暗河、溶洞地段甚至要通過安全停機處理故障后才能掘進。鑒于掘進機對不良地質(zhì)條件十分敏感,選用掘進機開挖施工隧道時應(yīng)盡量避免復(fù)雜地層,或增加較多的輔助設(shè)備,才能處理不良地質(zhì)段(但增加輔助設(shè)備會增加設(shè)備的成本)。

以下地質(zhì)條件一般不適宜掘進機的施工:塑性地壓大的軟弱圍巖;類砂性土構(gòu)成的軟弱圍巖和具有中等以下膨脹性的圍巖;斷層破碎帶,巖溶發(fā)育帶,嚴重涌水地段,巖石單軸抗壓強度超過250 MPa的極硬巖,且節(jié)理不發(fā)育、高硬度或高拉伸強度及高磨蝕性巖石。

(2)對工期的要求

掘進機的工期應(yīng)包括掘進機的前期準備、掘進襯砌、拆卸轉(zhuǎn)場全過程的工期。掘進機的工期應(yīng)滿足工程施工要求:

①掘進機前期工作:設(shè)計、制造、運輸、場地、安裝、調(diào)試、步進等應(yīng)滿足預(yù)定的隧道掘進工期要求。

②掘進機掘進工期滿足預(yù)定的隧道開挖所需的工期。

③對于隧道襯砌成洞總工期應(yīng)滿足預(yù)定工期要求。

④掘進機的拆卸轉(zhuǎn)場應(yīng)滿足預(yù)定的后續(xù)工期要求。

(3)對經(jīng)濟適應(yīng)性的要求

采用掘進機一次性連續(xù)開挖隧道長度不宜小于6～7 km,以8 km以上為最佳。隧道施工太短,掘進機的制造費用和待機準備時間占工程的總費用和時間的比例必然增加。如果一次性連續(xù)開挖施工的隧道太長,超出掘進機大修期限(一般8～10 km)則會增加費用和延長施工時間。

掘進機成洞總費用由系統(tǒng)運行費、襯砌止水費、掘進機等設(shè)備折舊費三部分組成。

就目前國內(nèi)掘進機使用測算情況看,掘進機施工的成洞費用一般高于鉆爆法成洞的總費用,主要由以下原因造成:

①掘進機系統(tǒng)的折舊費從理論上分析一般應(yīng)按20 km的掘進長度分攤,而實際操作時,隧道承包人會比較現(xiàn)實地將掘進機系統(tǒng)的折舊費分攤到現(xiàn)有的承包長度上,因為后續(xù)工程無法確定。這樣就造成每延米設(shè)備的折舊成本的提高,大大地增加了掘進機成洞的總費用。

②與鉆爆法相比,掘進機開挖對隧道圍巖的擾動較小,因此掘進機開挖隧洞時,其鋼筋混凝土襯砌厚度可較鉆爆法薄。根據(jù)新奧法原理,有的可以不襯砌。這樣可以大大降低襯砌費用,從而降低掘進機的成洞費用。但由于目前我國尚無掘進機成洞混凝土襯砌規(guī)范,所以隧道襯砌仍然沿用鉆爆法施工的襯砌,造成掘進機施工成洞成本的增加。

③掘進機系統(tǒng)運行費的組成為:掘進機系統(tǒng)運行費=電耗費+水氣費+刀具、備件費+人工費+管理費+利潤+稅金。由此可見,掘進機系統(tǒng)運行費與掘進成洞速度直接相關(guān)聯(lián),工程管理好、掘進速度快的工程,每延米掘進機運行費用就相應(yīng)降低。因此,掘進機施工需要高素質(zhì)的管理人員和熟練的技術(shù)工人,這樣可確保掘進機的完好率,提高掘進速度。

綜上所述,正確的選型、合理使用、優(yōu)化襯砌以及設(shè)備的合理攤銷,是降低掘進機成洞費用的主要措施。對于長度大于8 km以上的隧道使用掘進機,施工成洞總費用小于或等于鉆爆法總費用是完全可以做到的。

另外,采用掘進機開挖與鉆爆法相比,隧道總體設(shè)計時常用洞線裁彎取直的方法而大量節(jié)約工程費用;同時,掘進機施工比鉆爆法進尺速度快,可使工程提前完工產(chǎn)生可觀的社會、經(jīng)濟效益。

(4)對機械條件的要求

掘進機的適用性還受機械條件的限制,如使用刀盤旋轉(zhuǎn)掘削時有開挖直徑的問題。直徑加大,會產(chǎn)生因切削刀盤周邊的線速度加大而影響開挖,以及沒有能承受巨大推力的軸承等問題。挖掘機械是采用壓碎方式還是切削方式,對實際應(yīng)用的適用范圍也有差別。

(5)對作業(yè)場地和運輸方案的特殊要求

掘進機屬大型專用設(shè)備,全套設(shè)備重達幾千噸,最大部件的質(zhì)量達上百噸,拼裝長度最長達200多m。同時,洞外配套設(shè)施多,主要有混凝土攪拌系統(tǒng)、管片預(yù)制廠、修理車間、配件庫、材料庫、供水、供電、供風系統(tǒng)、裝卸調(diào)運系統(tǒng)、進場場區(qū)道路、掘進機組裝場地等。這些對隧道的施工場地和運輸方案等都提出了很高的要求,有些隧道雖然長度和地質(zhì)條件較適合掘進機施工,但運輸?shù)缆冯y以滿足要求,或者現(xiàn)場不具備布置掘進機施工場地的條件。

當掘進機開挖直徑過大時,會帶來運輸困難、造價昂貴、電能不足等一系列問題,因此可采用小直徑掘進機先行,后部鉆爆法擴大到設(shè)計斷面的混合套打法。由于掘進機開挖小直徑的洞室,形成臨空面,可使鉆爆法開挖速度提高2～3倍。

(6)對企業(yè)自身實際能力的要求

對企業(yè)自身能力的要求包括:制造維修能力,經(jīng)濟能力,施工隊伍的技術(shù)、管理水平以及傳統(tǒng)的施工習慣等。

2)國外著名TBM工程

1994年底開通運營的英吉利海峽鐵路隧道,共使用了11臺TBM,其中一臺由羅賓斯公司(Robbins)生產(chǎn)的直徑8.36 m的掘進機創(chuàng)造了當時月進尺1 719 m的世界紀錄。1995—1998年瑞士費爾艾那(Vereina)鐵路隧道使用了直徑為7.7 m的開敞式TBM,日進尺為13.6～22.9 m。2002—2005年西班牙瓜達拉馬(Guadarrama)高速鐵路隧道,使用了2臺直徑為9.45 m的雙護盾TBM,平均日進尺16 m,最高月進尺約1 000 m。2010年10月貫通的瑞士哥特哈得(Gotthard)鐵路隧道工程,于1996年開工興建,開挖直徑為9 m,共采用了4臺TBM進行施工。加拿大尼亞拉加大瀑布水電站工程的隧洞,開挖直徑達14.4 m,采用了美國羅賓斯公司設(shè)計制造的開敞式TBM,是目前世界上直徑最大的硬巖TBM項目。

3)國內(nèi)TBM重要工程

TBM的設(shè)計、制造是一個持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新過程。每條隧洞工程都具有自身的特點,各專業(yè)承包商都是結(jié)合自身的傳統(tǒng)和意見以及每條隧洞工程的特點等來設(shè)計TBM機,所制造的TBM都各不相同。通過合理的TBM選型、設(shè)計,近年來我國在利用TBM開挖隧洞中已經(jīng)取得了很大的成就,如表7.1所示。

表7.1　我國重要TBM工程

續(xù)表

7.3　掘進機的結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)造

7.3.1　全斷面隧道掘進機的類型

掘進機一般可分為開敞式TBM和護盾式TBM兩大類型,其中護盾式TBM又有雙護盾TBM和單護盾TBM之分。開敞式TBM目前主要有兩種結(jié)構(gòu)形式:一種為前后共有兩組“X”形支撐的雙支撐(凱氏)TBM(含有內(nèi)凱機架和外凱機架);另一種為單支撐主梁開敞式TBM。

開敞式和護盾式掘進機的區(qū)別在于:開敞式掘進機在開挖中依靠撐于巖壁上的水平支撐提供設(shè)備推力和扭矩的支撐反力,開挖后的圍巖暴露于機械四周;而護盾掘進機則可在掘進中利用尾部已安裝的襯砌管片作為推進的支撐,圍巖由于有護盾防護,在護盾長度的范圍內(nèi)不暴露。因此護盾掘進機更適用于軟巖,而巖石穩(wěn)定性好、軟弱圍巖較少的隧道一般選用開敞式。此外,還要根據(jù)工程設(shè)計、工期及工程造價進行綜合分析確定。

(1)開敞式掘進機

開敞式TBM設(shè)有較短的護盾,在其主機和后配套系統(tǒng)上安裝有支護設(shè)備。隨著TBM的向前掘進,一般可以同時進行安裝錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土等支護作業(yè)。開敞式TBM刀盤推力和扭矩通過機架或主梁傳遞到支撐系統(tǒng),支撐系統(tǒng)徑向作用于巖壁上承受推力和扭矩,如圖7.1所示。典型機型有美國Robbins公司生產(chǎn)的單排支撐靴結(jié)構(gòu)方式和德國Wirth公司生產(chǎn)的雙排支撐靴結(jié)構(gòu)方式兩種。

開敞式掘進機配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設(shè)備,適用于巖石不易坍塌和地層比較穩(wěn)定的軟硬巖隧道。在較為破碎的地層中掘進時,需要在刀盤護盾后及時進行噴網(wǎng)支護。由掘進機刀盤后的指形條格柵板支撐,在安裝有噴網(wǎng)格柵拱架的保護下進行,必要時貼近指形條格柵板支撐下部安裝鋼拱架,指形條格柵板支撐隨掘進機推進前移后,即進行噴射混凝土初期支護。

開敞式掘進機掘進隧道的最終支護方式是模筑混凝土或鋼纖維噴射混凝土。

圖7.1　開敞式掘進機

(2)單護盾式掘進機

與開敞式掘進機不同的是,單護盾式掘進機配置有完整的圓形護盾,推進則依靠推進缸支撐在安裝好的管片獲得支反力,如圖7.2所示。單護盾式掘進機由于掘進和安裝管片不能同時進行,進度較慢。

單護盾式掘進機適用于中等長度隧道。與開敞式掘進機相比,單護盾掘進機最終襯砌方式為管片。

①—護盾;②—液壓推進油缸;③—管片;④—刀盤;⑤—裝渣斗;⑥—皮帶輸送機
圖7.2　單護盾式掘進機

(3)雙護盾式掘進機

雙護盾式掘進機配置有前后護盾,在前后護盾之間有伸縮護盾,后護盾配置有一套支撐靴,如圖7.3所示。在地質(zhì)條件良好時,雙護盾式掘進機掘進和安裝管片可同時進行,有較快的進度。在地質(zhì)條件較差時,雙護盾式掘進機采用單護盾模式推進。

雙護盾掘進機在軟巖及硬巖中都可以使用,當它在自穩(wěn)條件不良的地層中施工時,其優(yōu)越性更突出。它與單護盾掘進機的區(qū)別在于增加了一個護盾,其特點是主機在護盾的保護下進行掘進作業(yè),隨著TBM的向前掘進,雙護盾可同時進行管片安裝作業(yè),后配套系統(tǒng)則完全在已經(jīng)完成管片襯砌的隧道內(nèi)作業(yè),同時完成豆粒石噴射和灌漿作業(yè),因此雙護盾掘進機使開挖和安裝襯砌管片的停機換步時間大大縮短。當巖石太軟、無法實現(xiàn)徑向支撐而需要輔助推進液壓缸提供所需推進力時,推力作用于襯砌管片上,掘進作業(yè)與管片安裝作業(yè)此時不能同時進行,相當于“單護盾模式”的作業(yè)方式,相應(yīng)掘進效率較低。在我國甘肅“引大入秦”工程中的30A號水工隧道使用一臺直徑5.5 m雙護盾掘進機完成了11.6 km的開挖,最高月開挖突破了1 000 m。

與開敞式掘進機相比,雙護盾式掘進機必須采用管片,由于管片造價比模筑混凝土襯砌高導(dǎo)致工程造價增加。雙護盾盾體長度:直徑d≥1～3 m,調(diào)方向困難,常因不能及時支護而被卡

1—掘進刀盤;2—前護盾;3—驅(qū)動組件;4—推進油缸;5—鉸鏈油缸;6—撐靴護盾;7—尾護盾;8—出渣輸送機;9—拼裝好的管片;10—管片安裝機;11—輔助推進靴;12—水平撐靴; 13—伸縮護盾;14—主軸承大齒圈;15—刀盤支撐
圖7.3　雙護盾式掘進機

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用管片襯砌;機型造價高,管片襯砌費用又高于復(fù)合式襯砌2倍以上,壽命也不能保證百年。

(4)開敞式掘進機的優(yōu)點

開敞式掘進機與單護盾掘進機、雙護盾掘進機相比,具有如下優(yōu)點:

①由于山嶺隧道較長,地質(zhì)變化較大,采用開敞式掘進機施工,襯砌結(jié)構(gòu)可根據(jù)地層變化調(diào)整;單護盾、雙護盾掘進機由于采用管片襯砌,襯砌結(jié)構(gòu)不能調(diào)整;采用管片襯砌結(jié)構(gòu)較弱,不能滿足百年壽命。

②開敞式掘進機長徑比小于1,易于調(diào)整掘進機姿態(tài)。雙護盾掘進機長徑比大于1,因此靈敏性較差。

③開敞式掘進機可以進行及時支護,既適應(yīng)于硬巖,也適應(yīng)于軟巖,可隨地層變化及時調(diào)整支護方式,如磨溝嶺隧道在軟弱地層施工平均月進度達230 m。雙護盾掘進機對于軟弱圍巖和收斂較大的地層適應(yīng)性較差,護盾易于被卡死,發(fā)生塌方。

④雙護盾掘進機造價較開敞式掘進機高20%～30%。

7.3.2　掘進機的構(gòu)造及其工作原理

本節(jié)以秦嶺隧道使用的德國維爾特公司制造的直徑8.8 m的TB880E型掘進機為例,介紹開敞式掘進機的結(jié)構(gòu)。TB880E掘進機是在我國鐵路隧道施工中首次成功應(yīng)用的大型成套設(shè)備,該機主要適用于硬巖隧道掘進施工,對局部斷層地帶也具有一定的通過能力。該機主要由主機、后配套系統(tǒng)及輔助施工設(shè)備三大部分組成。TB880E掘進機具有以下特點:

①主機采用內(nèi)外凱氏機架,X形四角主支撐結(jié)構(gòu),刀盤主驅(qū)動位于前后兩排四角支撐的中間,機體重力前后均勻分配,工作穩(wěn)定性好。

②刀盤后方主軸承箱外圍設(shè)有分塊式護盾,有助于不良地質(zhì)條件下的施工安全,同時還能減小主機在硬巖掘進中的振動。

③采用大直徑背裝式刀具,刀座和部分刀體嵌入刀盤,有利于防止刀具意外受損和刀具更換。

④后配套采用滾動式平臺拖車和皮帶橋排渣轉(zhuǎn)運系統(tǒng),四軌雙線出渣及進料運輸軌道,運輸方式可靠,掘進作業(yè)的連續(xù)性有保障。

⑤配置了較為完善的支護機具,可使掘進、支護同時進行。

⑥刀盤雙向驅(qū)動,當遇到不良地質(zhì)條件而使刀盤旋轉(zhuǎn)受阻時,可反向旋轉(zhuǎn)脫困。

1)主機結(jié)構(gòu)

TB880E型掘進機的主機結(jié)構(gòu)如圖7.4所示。掘進機主機主要由刀盤、刀盤護盾、刀盤主軸承與刀盤驅(qū)動器、輔助液壓驅(qū)動、主軸承密封與潤滑、內(nèi)凱氏機架、外凱氏機架與支撐靴、推進油缸、后支撐、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、操作室、變壓器、行走裝置等組成。

1—刀盤;2—1號皮帶輸送機;3—石渣漏斗;4—主抽承;5—鋼架輸送機構(gòu);6—后支撐;7—支撐靴;8—推進油缸;9—主驅(qū)動;10—內(nèi)凱氏機架;11—外凱氏機架;12—錨桿鉆機;13—鋼拱架安裝器;14—刀盤護盾;15—刮渣板
圖7.4　TB880E型掘進機主機結(jié)構(gòu)

外凱氏機架上裝有X形支撐靴;內(nèi)凱氏機架前面安裝主軸承與刀盤驅(qū)動,后面安裝后支撐。刀盤與刀盤驅(qū)動由可浮動的下護盾、可伸縮的頂部護盾、側(cè)護盾包圍并支承。刀盤驅(qū)動安裝于前后支撐靴之間,以便在刀盤護盾的后面提供盡量大的空間,來安裝錨桿鉆機和鋼拱架安裝器。刀盤是中空的,其上裝有盤形滾刀、刮刀和鏟斗,將石渣送到置于內(nèi)凱氏機架中的皮帶輸送機上。

掘進及換步循環(huán)如下:

撐靴外伸,撐緊在洞壁上,后支撐油缸縮回,準備開挖→推進油缸推進,刀盤旋轉(zhuǎn)開挖[如圖7.5(a)和(b)所示]→推進油缸推進一個行程后,掘進停止→換步行程,后支撐伸出,支撐在洞底側(cè),撐靴縮回,外凱向前滑移一個行程長度[如圖7.5(c)和(d)所示]→前后外凱撐靴重新?lián)尉o在洞壁上,后支撐縮回,開始新的掘進循環(huán)[如圖7.5(e)所示]。

(1)刀盤

TB880E掘進機刀盤結(jié)構(gòu)如圖7.6所示,刀盤為焊接的鋼結(jié)構(gòu)件,由兩半圓通過鍵和液壓預(yù)緊螺栓連接成一體,以便于分成兩塊運輸,也便于在隧道內(nèi)吊運以及在工地組裝時進行焊接。其前端加強雙層壁,通過溜渣槽與后隔板相連,刀盤后隔板用液壓預(yù)緊螺栓與刀盤軸承的內(nèi)齒圈連接。

刀盤面板為平面式,這種結(jié)構(gòu)的刀盤安裝刀具方便,并且刀盤與掌子面的距離保持最小,能有效防止在斷層破碎地質(zhì)條件下刀盤被卡住。刀盤上有73把滾刀,其中中心刀6把,正滾刀62 把,邊滾刀3把,由液壓油缸控制的有2把擴孔刀,并用機械鎖固定在使用位置上。擴孔刀可將掘進直徑增大100 mm,用來補償?shù)毒吣p后更換刀具所需的空間。滾刀采用背裝式。

圖7.5　掘進循環(huán)

1—鏟斗;2—中心刀;3—擴孔邊;4—擴孔刮碴器;5—面刀;6—鏟齒;7—邊刀
圖7.6　刀盤結(jié)構(gòu)

刀盤配備有一套噴水設(shè)備,用于對掌子面除塵,也用于滾刀冷卻。水經(jīng)一個在切削頭中心的旋轉(zhuǎn)接頭供到噴嘴。

沿著刀盤圓周安裝的8個刮板和鏟斗將切削石渣從底部輸送到頂部,然后沿著渣槽、漏斗落到輸送機上。鏟斗口與刮板向刀盤中心延伸一定距離,使得大量的石渣在落到底部之前進入到鏟斗,減少了石渣的二次擠壓和鏟斗與刮板的額外磨損,刮板是用螺栓連接的可更換的耐磨鋼板。

刀盤支承在主軸承上,用液壓預(yù)緊螺栓與主軸承相連。刀盤支撐在剛性定位的內(nèi)凱氏機架與液壓預(yù)載的下護盾上,在巖層變化時,刀盤不會下落和擺動,從而保持刀盤的軸線位置不變,確保滾刀在各自的軌跡上,減少作業(yè)時的振動和滾刀的磨損。通過內(nèi)凱氏機架上的入孔可以進入刀盤的內(nèi)部,直至進入掌子面。

①刀盤的結(jié)構(gòu)形式。刀盤結(jié)構(gòu)形式分為平面、球面和錐面三種形式,如圖7.7所示。平面刀盤應(yīng)用廣泛,它接觸破巖的面積小,受到的阻力小,減小了對圍巖的擾動,適合開挖圍巖不太穩(wěn)定的地層;球面刀盤可增加設(shè)備的定向性和穩(wěn)定性,對不良地質(zhì)條件適應(yīng)性差;錐形刀盤介于平面與球面之間。刀盤的直徑應(yīng)根據(jù)開挖洞徑來確定,要求其有一定的擴挖能力。掘進機直徑一般為2.5～12 m,目前有向大直徑和微型掘進機方向發(fā)展的趨勢。刀盤一般設(shè)計成背裝式換刀的刀盤,以保護作業(yè)人員的安全。刀盤設(shè)計的強度、剛度和耐磨性是需要重點考慮的性能指標。

圖7.7　掘進機刀盤結(jié)構(gòu)形式示意圖

掘進機刀盤的結(jié)構(gòu)形式及其特點如表7.2所示。

表7.2　 掘進機刀盤的結(jié)構(gòu)形式及特點

掘進機理論開挖直徑為:

在掘進過程中,掘進機刀盤轉(zhuǎn)速按式(7.2)計算:

②盤形滾刀。滾刀分為單刃、雙刃和三刃滾刀。單刃滾刀效果好、壽命長,對刀體破壞不大,不推薦雙刃、三刃滾刀。盤形滾刀的結(jié)構(gòu)主要由刀圈、刀體、軸承和心軸組成,刀圈是可拆卸

圖7.8　單刃滾刀結(jié)構(gòu)圖

的,磨損后可更換。單刃滾刀結(jié)構(gòu)如圖7.8所示,盤形滾刀的破巖機理如圖7.9所示。全斷面巖石掘進機的破巖刀具均采用滾刀(簡稱盤刀),盤刀在巖面上并非切割破巖,而是在推力的作用下,盤形滾刀將楔刃壓入巖面,隨著刀盤的旋轉(zhuǎn),盤形滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn),并繞自身軸線自轉(zhuǎn)。在強大的推力、扭矩作用下,滾刀在掌子面上滾動,當推力超過巖石的強度時,滾刀將巖石直接破碎,滾刀貫入巖石,掌子面被滾刀擠壓碎裂而形成同心圓溝槽,隨著溝槽深度的增加,巖體表面裂紋加深擴大,當超過巖石剪切和拉伸強度時,相鄰?fù)膱A溝槽間的巖石成片剝落,形成石渣。巖渣靠自重掉入底部,由刀盤上的鏟斗旋轉(zhuǎn)鏟起巖渣,卸入皮帶輸送機。

圖7.9　刀具破巖機理圖

③刀盤推力。推進系統(tǒng)主要由液壓推進缸等構(gòu)成。推進系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)巖石情況、開挖直徑、刀具直徑和刀具數(shù),提供足夠的推力,以在較硬巖石情況下獲得一定的切深。

④掘進速度。掘進機的掘進速度受到多種因素影響,包括掘進機性能、開挖直徑、地質(zhì)條件的自然情況,尤其是發(fā)生過擾動或高應(yīng)力地層,以及地下水的情況。掘進機理論最大掘進速度由推進油缸數(shù)量、缸徑、進油量等確定。

⑤切深。刀具切深是刀盤每轉(zhuǎn)一圈,刀圈切入掌子面巖石深度。

(2)刀盤護盾

刀盤護盾由液壓預(yù)載的下護盾和頂部護盾、兩塊側(cè)護盾組成。刀盤護盾從刮板至隔板遮蓋著刀盤,刀盤護盾保護刀盤,并在其后部作為鋼拱架安裝設(shè)備的護頂,防止在掘進過程中大塊巖渣卡住刀盤,并在一個掘進循環(huán)結(jié)束重新復(fù)位時支撐機器前端和穩(wěn)定刀盤旋轉(zhuǎn)。頂部護盾用螺栓安裝格柵式防護柵,在護盾托住頂部時可安裝錨桿,護盾通過油缸連接到隔板,護盾隨刀盤浮動。一般頂護盾、側(cè)護盾通過液壓缸與機頭架相連,實現(xiàn)護盾的伸縮和固定;底護盾支撐機頭架,機頭架內(nèi)裝有主軸承和主驅(qū)動大齒輪,底部護盾上的預(yù)載油缸承受刀盤及驅(qū)動裝置的重量,在掘進時與隧道仰拱相接觸,對底部石渣起到刮移集渣的作用。

(3)主軸承與刀盤驅(qū)動

主軸承一般采用兩軸向一徑向的三軸滾子軸承或圓錐滾子軸承,軸向預(yù)加荷載,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),主軸承的組成如圖7.10所示。主軸承座于機頭架的軸承座內(nèi)轉(zhuǎn)動環(huán)與刀盤由螺栓連接。刀盤軸承亦稱掘進機主軸承,主要發(fā)展方向是采用三軸式滾子軸承(兩排推力,一排徑向)替代圓錐滾子軸承,以提高其承載力和壽命,特別是對大直徑掘進機的設(shè)計更是如此。在目前的技術(shù)水平下,刀盤軸承設(shè)計壽命為(1.5～2)×104小時。由于刀盤軸承制造周期長、成本高,且施工中洞內(nèi)難以拆換,在選型時,其設(shè)計尺寸、制造質(zhì)量和使用壽命、潤滑和密封及其監(jiān)控均應(yīng)成為重要的考核因素。

1—刀盤;2—主軸承;3—聯(lián)軸器;4—驅(qū)動軸;5—齒輪箱;6—小齒輪
圖7.10　主軸承及密封示意圖

主軸承是在最大推進荷載下,并在曲線段(或糾偏),以及通過不穩(wěn)定圍巖或斷層帶時所產(chǎn)生的較大傾覆力矩的環(huán)境下工作。

刀盤驅(qū)動或稱主驅(qū)動,由機頭架內(nèi)含主軸承和驅(qū)動齒輪組成,用于支撐和驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。刀盤驅(qū)動方式對掘進機施工非常重要。目前,常見的刀盤驅(qū)動方式有變頻電驅(qū)動、液壓驅(qū)動、雙速電驅(qū)動。主驅(qū)動由多個主驅(qū)動電動機、行星齒輪減速器和外伸小齒輪組成,由小齒輪驅(qū)動位于機頭架內(nèi)與主軸承相連的大齒圈,從而驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。

(4)主軸承密封與潤滑

主驅(qū)動設(shè)有內(nèi)密封和外密封,用于保護機頭架內(nèi)的主軸承和驅(qū)動組件。內(nèi)外密封分別由三重或四重唇形密封組成,唇形密封外則由迷宮密封保護,迷宮式密封由自動潤滑脂系統(tǒng)進行清洗凈化。主軸承齒圈和驅(qū)動小齒輪為強制式機械潤滑,裝備有潤滑泵、濾清器、電子監(jiān)測系統(tǒng)。脂潤滑系統(tǒng)、機油潤滑系統(tǒng)與刀盤驅(qū)動系統(tǒng)相互聯(lián)鎖,當潤滑系統(tǒng)失效時,刀盤自動停止轉(zhuǎn)動。行星減速器注入部分潤滑油,為飛濺式潤滑。

(5)支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)的支撐缸應(yīng)能抵抗刀盤傳遞過來的推力和扭矩,支撐靴要有足夠強度和面積,還應(yīng)核算與洞壁的接觸比壓值大小。按照支撐的布置方式可分為水平支撐和X形支撐兩種方式。

①水平支撐式。水平支撐如羅賓斯、NFM、海瑞克公司生產(chǎn)的掘進機,在主梁的中部有一馬蹄形鞍架,鞍架的前端與推進缸相連,在鞍架的兩側(cè)各有滑塊,鞍架通過滑塊與大梁連接并通過滑塊沿著大梁滑動。刀盤的推力由推進缸提供,推進的反作用力被傳遞到水平撐靴板上,并由支撐油缸緊緊地撐到洞壁。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn),由此產(chǎn)生的反扭矩由水平撐靴板通過機頭架、大梁、鞍架和斜缸傳遞到洞壁。在推進行程結(jié)束時,水平支撐油缸縮進,開始一個新的推進行程。換步時,大梁固定,后支撐放下,收回水平支撐靴,水平支撐油缸和鞍架沿著滑塊向前滑動。水平支撐油缸與鞍架成浮動支撐設(shè)計,斜油缸和水平撐緊油缸可使TBM連續(xù)控制方向,保證直線度和坡度,如圖7.11所示。

圖7.11　支撐靴結(jié)構(gòu)示意圖

②X形支撐式。X形支撐示意圖如圖7.12所示。

以維爾特與佳伐機型為例,X形支撐式具有以下優(yōu)缺點。

1—內(nèi)凱式機架;2—前外凱式機架;3—后外凱式機架;4—后推進油缸; 5—前推進油缸;6—支撐;7—刀盤驅(qū)動軸
圖7.12　X形支撐示意圖

優(yōu)點:兩對X型支撐,回轉(zhuǎn)電機及傳動系中置或后置,整機重心在兩對X型支撐之間,定向性、穩(wěn)定性好,避免了側(cè)滾與機頭下沉現(xiàn)象;維爾特機型的兩對X型支撐,如TB880ETBM有8塊支撐板,每板4個油缸,共32油缸,針對巖石軟硬,支撐力的大小可以調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)支撐油缸的壓力和行程可以調(diào)正方向;回轉(zhuǎn)電機及傳動系中置或后置,留出刀盤后部空間,使前X型支撐前置,增加整機的定向性與穩(wěn)定性;使圈梁安裝機、錨桿鉆機、混凝土噴射機前置,能及時支護;安裝擴孔刀2～3把,便于隨機擴孔及預(yù)防意外卡緊時自身脫困;前后推進油缸分別支撐在外凱氏機架與導(dǎo)向殼體及內(nèi)凱氏機架突盤上,位置平等,無側(cè)向分力,推力集中;維爾特刀具潤滑油內(nèi)含1%的異味劑(Molyvon),一旦滾刀軸承損壞、密封失效,異味劑溢出,帶刺激性的奇臭,預(yù)警刀具損壞,可及時更換;維爾特機型隨機一套步進裝置,步進方便靈活。

不足:兩對X支撐,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一旦遇故障,維護較困難;轉(zhuǎn)彎半徑較大,轉(zhuǎn)向欠靈活;多軸驅(qū)動,占空間大,φ4 m以下TBM更顯突出;掘進中不能調(diào)向,只能換步時調(diào)向;上述優(yōu)點中存在X型支撐液壓缸活塞桿受彎矩的不利影響;佳伐機型回轉(zhuǎn)電機及傳動系后置,單根粗長傳動軸機械加工困難。

(6)皮帶橋

皮帶橋直接鉸接于掘進機主機的后面,支設(shè)在平臺拖車上。它向上搭橋,加大下面的作業(yè)空間,以便安裝仰拱塊和鋪設(shè)鋼軌。皮帶橋內(nèi)裝有皮帶機系統(tǒng)和通風系統(tǒng)、仰拱塊吊機、材料提升系統(tǒng)等。

2)TBM后配套系統(tǒng)

后配套設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、功能、形式在很大程度上影響著主機能力的發(fā)揮。在掘進機施工中與其他設(shè)備的匹配組合,是為了充分發(fā)揮掘進機的優(yōu)勢,保證工程順利完成,應(yīng)適當擴大配套設(shè)備的生產(chǎn)能力,核算其設(shè)備數(shù)量,以滿足正常施工進度和可能擴大的施工進度需要,要考慮留有適當余地,即允許有一定的不均衡狀況。設(shè)備選型時應(yīng)盡量統(tǒng)一同類設(shè)備型號,特定工序所用設(shè)備應(yīng)選用專用設(shè)備,為發(fā)揮出群機效應(yīng),應(yīng)選用質(zhì)優(yōu)的匹配設(shè)備。

(1)后配套設(shè)備分類

掘進機后配套設(shè)備按出渣方式的不同,可分為以下三類:

①軌行門架型。該形式后配套設(shè)備由一系列的軌行門架串接組成,根據(jù)門架臺車上安裝設(shè)備的布置以及出渣、材料列車的長度,確定后配套列車長度。

②連續(xù)皮帶型。該形式為出渣運物與掘進平行作業(yè),輸送機與掘進機同步前進,是實現(xiàn)最佳匹配的一種出渣方式。

③無軌輪胎型。該形式的出渣方式采用自卸車出渣,易于管理。但自卸車排放污染,導(dǎo)致通風成本增加,同時設(shè)備占用空間大,后配套設(shè)備上需要增加大型渣倉。自卸車出渣方式只能在較大斷面的隧道且有特殊要求的場合中使用。

(2)后配套系統(tǒng)選擇原則

選擇掘進機后配套系統(tǒng)應(yīng)遵循以下原則:

①滿足掘進機連續(xù)出渣要求。

②結(jié)構(gòu)簡單,體積小,布置合理。

③運行安全可靠。

④易于維修保養(yǎng),造價相對較低。

⑤根據(jù)地質(zhì)條件,為保證掘進機安全施工,應(yīng)配置必要的支護設(shè)備,如錨桿鉆機、超前鉆機、噴射機及機械手、注漿機、巖芯鉆機等輔助施工設(shè)備。

(3)出渣方式的選擇

根據(jù)工程和設(shè)備特點,可采用軌行式配套平臺車和連續(xù)皮帶輸送機兩種方式。

①軌行式后配套平臺車。軌行式平臺車可分為門架式和臺車式兩種形式,其中臺車式又分為雙線和單線布置形式。

單線布置技術(shù)上的復(fù)雜程度,比雙線布置低。因此,就這點來說,單線布置的可靠性要高。根據(jù)經(jīng)驗,技術(shù)復(fù)雜、技術(shù)級別高并不意味著最好,技術(shù)級別與項目的最佳匹配才是最好的。另外,對于有時間和工期要求的項目,可靠性是至關(guān)重要的因素。單線布置最不利的是列車的調(diào)度必須利用TBM換步的時間進行,但即使每次調(diào)車時間都長于換步時間(最多不會超過2～3 min),由于系統(tǒng)可靠,仍然可以按照施工計劃實現(xiàn)目標。

②連續(xù)皮帶輸送機。連續(xù)皮帶輸送機由于結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高、便于管理,以及可以減少洞內(nèi)空氣污染、減少在洞內(nèi)的占用空間,在隧道施工中應(yīng)用較多。采用連續(xù)皮帶機可縮短掘進機后配套的長度,減少洞內(nèi)運輸車輛和空氣污染,有利于組織施工,形成快速連續(xù)出渣系統(tǒng)。掘進機使用連續(xù)皮帶輸送機的優(yōu)點是:皮帶輸送可隨掘進機每次步進得到延長,具有儲存足夠長膠帶的能力,以發(fā)揮掘進機快速掘進的優(yōu)勢。

(4)TB880E掘進機后配套系統(tǒng)

后配套系統(tǒng)由17個平臺拖車和一個連接皮帶橋組成,皮帶橋用來連接平臺拖車與主機,平臺拖車擺放在仰拱的軌道上。前進時皮帶橋被掘進機后端拉著,在掘進過程中后配套平臺拖車是固定的,在掘進結(jié)束時被兩個液壓油缸牽引。在后配套系統(tǒng)上,裝有掘進機液壓動力系統(tǒng)、配電盤、變壓器、總斷電開關(guān)、電纜卷筒、除塵器、通風系統(tǒng)、操作室、皮帶輸送系統(tǒng)、混凝土噴射系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等。

7.4　掘進機法隧道的支護設(shè)計

7.4.1　管片式襯砌

使用護盾掘進機時,一般采用圖形所示全周管片式襯砌。其優(yōu)點是:適合軟弱圍巖,特別是當圍巖允許承載力很低、撐靴不能支撐巖面時,可利用尾部推力千斤頂,頂推已安裝的管片獲得推進反力;當撐靴可以支撐巖面時,雙護盾掘進機可以使掘進和換步同時進行,提高了循環(huán)速度;利用管片安裝機安裝管片速度快、支護效果好,安全性強,但是它的造價高。為了防水的需要,每塊之間要安裝止水條,并需在管片外圈和洞壁間隙壓入豆石和注漿。

為了預(yù)制管片,需要在工地建設(shè)混凝土制品工廠,如圖7.13所示。

圖7.13　管片式襯砌示意圖

7.4.2　復(fù)合式襯砌

使用開敞式掘進機,可以先施作初期支護,然后澆灌二次模筑混凝土永久性襯砌,即復(fù)合襯砌,圖7.14所示。由于掘進機的掘進速度很快,不可能使二次模筑混凝土襯砌作業(yè)與開挖作業(yè)保持一樣的進度,當襯砌作業(yè)落后較多時,就依靠初期支護來穩(wěn)定圍巖。初期支護以錨桿、掛網(wǎng)和噴混凝土支護為主,地質(zhì)條件較差時還可設(shè)置鋼拱架。掘進機上可設(shè)置前后兩排共4臺錨桿鉆機,以滿足對圍巖進行錨桿支護作業(yè)的需要。拱部的錨桿作業(yè)是非常必要的,錨桿作業(yè)應(yīng)能與掘進開挖同時進行。

根據(jù)地質(zhì)條件也有用噴射混凝土作為二次混凝土襯砌的,就是采用二次噴射混凝土作為永久襯砌。在噴射混凝土中安裝了鋼筋網(wǎng),還加入了鋼纖維。但普遍的做法是采用模筑混凝土襯砌作為二次襯砌,使用模板臺車進行混凝土灌注。

下面以秦嶺I線隧道為例說明復(fù)合襯砌相關(guān)設(shè)計技術(shù)和參數(shù)。

圖7.14　復(fù)合式襯砌

1)噴射混凝土施工

①混凝土噴射:秦嶺I線隧道的噴射混凝土施工由位于TBM2號平臺車上的濕噴系統(tǒng)完成。噴射系統(tǒng)由2臺混凝土輸送泵、2臺液體速凝劑泵、2臺遠控噴射機械手及一個手動噴頭組成。輸送泵的輸送能力為8～13 m3/h。噴射機械手可以完成縱向水平移動5 m、機械手臂桿可以水平伸縮2 m,完成拱頂300°范圍內(nèi)的混凝土噴射。

②原材料的選擇:水泥:采用52.5散裝水泥;砂:選用細度模數(shù)為2.5～3.0的中砂,并要求潔凈質(zhì)硬,含水率5%～70%;碎石:采用5～10 mm的碎石;外加劑:采用穩(wěn)定劑、稠度劑、速凝劑等控制整體稠度。

③配合比的選擇:根據(jù)試噴階段的施工經(jīng)驗和TBM噴射系統(tǒng)要求,濕噴混凝土的坍落度為13～15 cm,施工配合比為水泥∶砂∶石∶水= 1∶2.58∶1.4∶0.50,外加劑摻量為速凝劑5%、稠度劑1%、穩(wěn)定劑0.2%。

④施工工藝流程:混凝土在拌和站拌和后,灌入6 m3的混凝土罐車,然后編組進TBM運輸列車,由內(nèi)燃機車牽引至洞內(nèi),再由TBM上的濕噴系統(tǒng)完成噴射作業(yè)。

⑤混凝土噴射工藝:混凝土噴射前,首先指派專人對受噴工作面用高壓水全面沖洗巖面,對出水點先埋設(shè)導(dǎo)水盲溝,同時埋設(shè)噴層厚度檢查標志;水泥漿潤滑混凝土輸送泵及送料管;噴射時從最底處開始,分片按由下而上順序進行,噴嘴與巖面保持1～2 m距離并垂直巖面噴射,初噴層相對薄一些(一般3 cm厚),過15～20 min后再噴至設(shè)計厚度。

2)描桿和掛網(wǎng)施工

①錨桿施工。TB880E型掘進機在刀盤后和主機尾部各有2臺錨桿鉆機,分別完成頂部兩邊75°和仰拱塊兩側(cè)以上75°范圍內(nèi)的鉆孔。

②掛網(wǎng)施工。鋼筋網(wǎng)采用φ8mm鋼筋焊成20 cm×20 cm的網(wǎng)格。在洞外加工成形后,隨材料車運入洞內(nèi),由人工隨巖面的起伏鋪設(shè),并與錨桿連接牢固。網(wǎng)片一般與巖面保持3 cm的間隙。

3)閉合鋼架施工

①鋼拱架安裝設(shè)備。TB880E型TBM上的鋼拱架安裝設(shè)備由材料吊機、頂層吊機和轉(zhuǎn)運鏈軌車、拼裝輪等組成。

②鋼拱架的制作。鋼拱架選用Ⅰ16型工字鋼制成,加工前除去油污和銹斑。鋼拱架要求彎制平順,并使其在設(shè)計半徑的圓弧上,每節(jié)的兩端焊接螺栓連接板。

③鋼拱架的運輸。鋼拱架加工完成后,由運輸列車運至掘進機后配套系統(tǒng)的相應(yīng)位置,由材料升降平臺和材料吊機將拱節(jié)轉(zhuǎn)運到運輸小車上。

④鋼拱架的安裝。閉合鋼架由5節(jié)組成。通過舉升系統(tǒng)將運輸小車上的第1節(jié)轉(zhuǎn)到拼裝輪上,操作舉升裝置,取下第2節(jié)并放入拼裝輪,使用M24螺栓將第2節(jié)與第1節(jié)的自由端連接,掛上保持鉤。重復(fù)上述步驟,安裝第3節(jié)和第4節(jié)。借助舉升裝置,把第5節(jié)送入拼裝輪上的托架,使之與第4節(jié)和第1節(jié)連接閉合,并用G型夾板夾持。轉(zhuǎn)動拼裝輪180°,并用鋼拱架移動裝置,把鋼拱架水平移出拼裝輪到預(yù)定位置。

兩榀鋼拱架間,除支撐靴位置外,施焊φ22 mm縱向連接筋,最后噴混凝土至設(shè)計厚度,鋼拱架處加厚噴層以包裹鋼拱架,確保鋼架穩(wěn)定。

4)圍巖坍塌、掉塊的地質(zhì)不良地段支護

(1)TBM施工不良地質(zhì)地段的特點

作為TBM施工,切削巖石對圍巖的擾動相對鉆爆法較小,其圍巖穩(wěn)定的前提條件相對優(yōu)越,但由于TBM上支護設(shè)備位置限制,其初期支護一般不能像鉆爆法施工那樣及時、靈活。針對秦嶺隧道采用的TB880E型掘進機而言,按1.80 m/h速度掘進,拱部及邊墻錨桿分別需在開挖后3～13 h才能施作;按15 m/d速度掘進,在正常情況下,噴射混凝土需在開挖后5 d才能施作。對于巖石特別破碎地段,利用人工手持式噴頭(對機器污染特別嚴重),在開挖后3h方可施作。因此,在系統(tǒng)初期支護完成以前,圍巖要暴露5 d以上,暴露長度73 m,出現(xiàn)圍巖松弛變形、落石的概率極大,對圍巖受力和TBM設(shè)備的安全非常不利。由此可見,TBM施工不良地質(zhì)地段有其自身特點:

①TBM施工初期支護不如鉆爆法施工及時。TBM初期支護的各個工序在開挖后的不同位置平行作業(yè),互不干擾,不像鉆爆法施工能很快形成系統(tǒng)支護。

②TBM施工初期支護設(shè)備位置固定,其支護必須一次成功,自身無法進行補強,遠沒有鉆爆法施工時機動靈活。

③TBM施工初期支護的目的除為圍巖提供支護抗力外,還要確保在初期支護全部完成前(噴混凝土前),圍巖不塌陷、掉塊損壞機器。

④危石處理困難。由于TBM設(shè)備龐大,占據(jù)隧道大部分空間,初期支護前巖石暴露時間較長,極易出現(xiàn)危石損壞設(shè)備,這就需要根據(jù)設(shè)備分布位置,選擇合適時機,進行找頂、取石,遠不如鉆爆法方便。

(2)圍巖坍塌、掉塊的特點

①斷層破碎帶引起的坍塌。如秦嶺Ⅰ線隧道進口段區(qū)域性斷層和一般斷層累計有28條之多,這是造成圍巖產(chǎn)生塌方的主要原因。如果斷層面方向與隧道軸線方向夾角較小,而且傾角又較小,就會使斷層帶出露范圍較大,當開挖通過以后,圍巖平衡狀態(tài)被破壞,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,圍巖承載力降低,斷層破碎帶受力不平衡,但在圍巖出露刀盤護盾前,尚很難進行必要的支護(只有超前處理),會產(chǎn)生圍巖不同程度的塌方。

②節(jié)理密集帶及擠壓軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的坍塌、掉塊。節(jié)理較密集地帶、節(jié)理間距較小,巖石的抗壓強度受到節(jié)理面的影響。節(jié)理面的填充物質(zhì)抗壓強度較低,隧道開挖后,原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,應(yīng)力二次重分布,圍巖承載力降低,易造成塌方,而且節(jié)理發(fā)育,節(jié)理多在2～3組, 或3組以上,呈X形或米字形交叉布置,更易造成受力不平衡,引起坍塌、掉塊。

擠壓軟弱結(jié)構(gòu)面在斷層附近較發(fā)育,一般厚為5～100 cm,主要由碎裂巖、構(gòu)造擠壓巖或糜棱巖組成,巖面有滴水或股狀、線狀出水,這類巖石開挖后立即產(chǎn)生很大坍塌,但由于水的破壞作用及時間推移,圍巖變形將逐漸增大,易產(chǎn)生坍塌、掉塊。

③巖爆造成坍塌、掉塊。巖爆是隧道開挖后,圍巖應(yīng)力超過其強度,圍巖失穩(wěn)、爆落。在埋深較大、陡坡地段,石質(zhì)堅硬,巖體完整性較好的情況下,受高地應(yīng)力及斜坡應(yīng)力的影響,經(jīng)常出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象,持續(xù)時間平均4天左右。巖爆部位大部分出現(xiàn)在隧道右側(cè)1/4圓范圍內(nèi)(與地形有關(guān))。如秦嶺隧道埋深較大,最深達1600 m,Ⅰ、Ⅱ級圍巖較多,巖爆發(fā)生非常頻繁。

④水造成坍塌。水是造成隧道工程“病害”的重要因素,水將對構(gòu)造角礫石、碎裂巖、糜棱巖、斷層泥及各種充填物起破壞作用,降低其強度,使其承載能力顯著降低,遇到斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱結(jié)構(gòu)面帶,有水的出現(xiàn)等,都會加劇塌方的發(fā)展,對二次襯砌的混凝土侵蝕和破壞作用,也將是永久的隱患,所以治塌必先治水。

⑤撐靴影響。掘進需要的推力由撐靴來提供,當撐靴處巖石破碎,不能滿足撐靴壓力時,即造成坍塌。特別當?shù)侗P處在堅硬巖石中,當掘進通過斷層而撐靴處在破碎帶位置時,掘進所需推力較大,此時更易出現(xiàn)由于撐靴影響而引發(fā)坍塌事故。

(3)支護措施

TB880E開敞式硬巖掘進機比較適合硬巖的開挖掘進,對于不良地質(zhì)段適應(yīng)性較差,但有必要根據(jù)機器的性能及現(xiàn)場實際情況來制定可行的辦法,使TBM安全、快速通過不良地質(zhì)地段。

①通過斷層破碎帶。掘進機通過斷層破碎帶時,因石質(zhì)較軟,掘進速度快,每循環(huán)1.8 m掘進時間不多于1 h。在掘進過程中,拱部不斷有石塊滑落,為確保施工人員安全,底部虛渣按常規(guī)只有等停機找頂安全后方可清除,才能開始Ⅰ16全圓拱架立設(shè),立設(shè)一榀拱架一般需要1 h,兩榀需2 h,未考慮底部清渣影響,因此掘進每一循環(huán)1.8m,至少需3 h,其中至少2 h耽誤在支護上。另外,滑落的大石塊會砸壞前部錨桿鉆機及操作平臺,將影響正常的掘進。要確保TBM安全、快速通過斷層破碎帶,可以從以下兩個方面采取措施:一是防止石渣大量掉落,減少清渣量;二是采取其他支護措施,不立Ⅰ16全圓拱架或少立Ⅰ16拱架。

②通過節(jié)理密集帶及軟弱結(jié)構(gòu)面帶。秦嶺Ⅰ線隧道進口段工Ⅱ、Ⅲ類圍巖約1 206 m,節(jié)理密集及軟弱結(jié)構(gòu)面地段較多,如果僅考慮如何快速掘進,不重視初期支護質(zhì)量,將是隧道施工安全的一大隱患。對于節(jié)理密集帶及軟弱結(jié)構(gòu)面帶采取以下措施:

a.按設(shè)計采取系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴漿,另外采用槽鋼拱架或格柵拱架加固。

b.根據(jù)量測結(jié)果,對于變形速度超過要求的,人工架立Ⅰ16全圓拱架,加強剛性支護。

c.嚴格按初噴、復(fù)噴要求噴漿,確保噴漿混凝土厚度10 cm以上。

③通過巖爆地段。巖爆按其規(guī)模分輕微巖爆、中等巖爆、強裂巖爆三種。其具體表現(xiàn)如下:

a.輕微巖爆。巖爆坑成片連續(xù)分布,規(guī)模小,坑徑幾十厘米,且較淺,爆落數(shù)量小,這對正常施工影響較小。處理辦法為鉆淺孔、噴水、釋放應(yīng)力、掛網(wǎng)、噴漿封閉;

b.中等巖爆。巖爆坑成片連續(xù)分布,巖爆坑明顯,規(guī)模較大,坑徑可達數(shù)米,坑深小于2 m,爆落巖片尺寸較大,數(shù)量多,直接威脅施工人員與設(shè)備的安全。處理辦法:鉆淺孔、噴水釋放應(yīng)力;及時“錨、網(wǎng)、噴”,格柵拱架、槽鋼拱架支護,控制落石;現(xiàn)場確定立設(shè)Ⅰ16全圓鋼拱架;

c.強烈?guī)r爆。巖爆坑連續(xù)分布,坑深可達2 m以上,爆落巖片尺寸大、數(shù)量多,且造成圍巖大面積開裂失穩(wěn),嚴重威脅施工人員及設(shè)備安全,處理辦法為架設(shè)Ⅰ16全圓鋼拱架,再輔以格柵、槽鋼拱架,及時模筑混凝土支護。另外,巖爆有時并不是開挖后立即發(fā)生,而是在開挖后“潛伏”一段時間后發(fā)生,因此,有必要組織專門人員進行安全常規(guī)檢查,確保過往車輛及人員的安全。

④TBM通過有水地段。對于圍巖滲水地段,有必要采取加強支護措施,確保初期支護的質(zhì)量。有水地段須加密環(huán)向透水管,同時須用草繩等引流排水,防止巖面被大面積淋濕,造成噴漿困難。

5)二次襯砌

秦嶺隧道二次襯砌采用穿行式模板臺車,其特點是施工速度快。如圖7.15所示,內(nèi)側(cè)模板為穿行狀態(tài)模板位置,外側(cè)模板為灌注狀態(tài)模板位置,在穿行架上配置的各油缸動作,完成模板收縮、整體下降等功能。達到穿行條件時,由穿行架背載著該組處于收模狀態(tài)的模板從另一組處于立模的模板下穿行通過,從而實現(xiàn)穿行目的。

圖7.15　穿行式模板臺車穿行原理示意圖

根據(jù)模板總成的結(jié)構(gòu)條件,在穿行架與模板分離后能夠自穩(wěn)的條件為混凝土已達到初凝狀態(tài)。當此組模板的混凝土達到初凝時,上一組模板已達到脫模強度。此時穿行架與此組模板分離,后退至上組模板處與之連接、脫模,然后收模,穿行至下一循環(huán)處進行連續(xù)襯砌施工。這樣大大節(jié)省了混凝土脫模等待時間,提高了襯砌速度。

每一套穿行式模板臺車,前面配一組防水板鋪設(shè)工作架,而在穿行式模板臺車的后面配一組修整工作架,中間核心部分是穿行式模板臺車。穿行式模板臺車由2～3組模板總成、一臺穿行架組成,每組模板長16.5 m,它是集“機、電、液”于一體的大型設(shè)備。

7.5　掘進機隧道實施案例

1)工程簡介

北宜高速公路穿越崎嶇山區(qū),共5座隧道,隧道總長度達20.1 km,其中最長的坪林(原坪林)隧道長約12.9 km,是完成北宜高速公路建設(shè)計劃的關(guān)鍵工程,雪山隧道示意圖如圖7.16所示。該條隧道由東行線和西行線兩條主隧道和一條“導(dǎo)坑”隧道組成,中間有三對通風用的豎井,最深的超過500m;兩條主隧道之間,有28座人行聯(lián)絡(luò)隧道和8座車行聯(lián)絡(luò)隧道。發(fā)生緊急情況時,人員可從聯(lián)絡(luò)隧道向?qū)Э铀淼莱冯x,這也是當時世界上獨一無二的設(shè)計。

沿線通過的地層由東而西大致為枋腳層、媽岡層、大桶山層、粗窟層、干溝層及四棱砂巖層。本隧道西半段路段,巖性主要為砂巖、頁巖、硬頁巖及砂頁巖互層,巖性較佳;東半段路段主要為硬頁巖及四凌砂巖,巖質(zhì)較為破碎,只有四凌砂巖的單軸抗壓強度達148～167 MPa。

隧道最大埋深720 m,通過石槽、石牌、大金面、巴凌、上新與金盈等6條主要斷層(其中最大斷層帶預(yù)計寬達50 m以上)及鶯子瀨與倒吊子兩處向斜構(gòu)造,地下水豐富。

圖7.16　雪山隧道示意圖

為縮短工期、減少環(huán)境污染、降低勞工需求壓力,主隧道采用2臺當時技術(shù)裝備最先進的雙護盾掘進機施工。TBM的開挖斷面直徑約為11.74 m,開挖后巖壁支撐以混凝土管片為主,隧道洞口段先行以鉆炸法施工。導(dǎo)洞采用直徑4.8 m雙護盾掘進機施工。

2)隧道開挖

對于這座長12.9 km的坪林隧道,原來設(shè)想會以較快速度掘進。因為現(xiàn)代化的掘進機技術(shù)具備掘進速度快這一優(yōu)點,同時還具備對勞動力要求少的特點。

該隧道計劃用3臺護盾式硬巖TBM施工:1臺直徑為4.8 m的羅賓斯TBM用于平導(dǎo)掘進, TBM總長(含后配套系統(tǒng))約188 m,采用電驅(qū)動;2臺直徑為11.74 m的維爾特TBM用于主洞掘進,TBM總長(含后配套系統(tǒng))約237 m,由液壓驅(qū)動,它是當時世界最大尺寸,也是功能最齊全的雙護盾掘進機。3臺TBM均由宜蘭往坪林方向(1.255%上坡)施工。

對于主洞,預(yù)計一臺TBM平均掘進進度達360 m/月,而采用鉆爆法平均進度為50 m/(月·工作面)。長12.9 km的坪林隧道,采用TBM法工期為4.5 a,比采用鉆爆法15 a的工期短得多。

由于當時只掌握有很少的地質(zhì)資料(圖7.17),風化巖層和茂密的植被使得探測鉆孔和勘測工作開展非常困難。沿12.9km長的隧道定線施作的10個巖芯鉆孔(計2 271 m)的大部分和其他輔助調(diào)查都是在東線洞口段范圍內(nèi)進行的,而且只有很少的巖芯鉆孔穿過了大于750 m的覆蓋層,到達隧道高程。

圖7.17　雪山隧道地質(zhì)剖面圖

施工前,對2臺主洞雙護盾掘進機進行了多方面的改進:

①安裝了擴孔刀,以便可在有壓地層中擴大掘進直徑。

②刀盤可以相對于護盾抬升,以擴大護盾上方的間隙。

③刀盤可順時針和逆時針兩個方向轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速可變化,以獲得最大啟動力矩。

④在刀盤上安裝盤式滾刀和掏槽滾刀。

⑤刀盤上進渣孔口可部分關(guān)閉,以控制巖渣進入。

⑥關(guān)閉刀盤圓周上的進渣孔口和輔助液壓控制的閘板,關(guān)閉運渣槽,以阻止水和稀泥進入盾殼內(nèi)。

⑦在盾尾后面安裝超前鉆機,以方便進行支護。

⑧設(shè)置鏈式輸送機取代皮帶輸送機,以便將一同輸送的水排入設(shè)置在盾殼底部的抽水坑內(nèi)。

在坪林隧道開挖中遇到的主要問題與隧道東口最初2～3 km極為復(fù)雜的地質(zhì)狀況有關(guān)。然而,在設(shè)計階段沒有對這一極為復(fù)雜的地質(zhì)狀況進行充分評估。

巖體由極硬的砂巖(石英含量達98%)組成,為有薄黏土夾層的層狀構(gòu)造體。由于存在黏土夾層,該巖體有時為松散巖層,有時為擠壓地層。巖體中的孤立帶、斷層帶和破碎帶(地下水庫)有大量地下水突然涌入。

小直徑TBM是專門用來在良好巖體中開挖平導(dǎo)的,并且預(yù)計施工進度很快,但這臺TBM在不良地質(zhì)條件下遇到了嚴重問題——在1 km余的隧道掘進中,掌子面坍損多達10次,造成TBM受阻。由于巖體的強度和耐磨性很高,在平導(dǎo)掘進中鉆勘探孔和防排水孔很困難,且耗時費錢;同樣,為了改善巖體性質(zhì),以便以后大直徑TBM進行正洞開挖,需沿平導(dǎo)斷面圓周鉆注漿孔也很困難,且耗時費錢。

雖然以預(yù)測的不良地質(zhì)情況為基礎(chǔ),2臺大直徑TBM是以當時最先進的技術(shù)制造的,但是,這兩臺TBM卻是在極為不利的巖層中掘進,且這種極為不利的巖層不能像當初預(yù)計的那樣從平導(dǎo)內(nèi)進行注漿改良。

考慮到上述因素,可能會出現(xiàn)以下問題:

①由于巖石的耐磨性極高,對整個刀盤的磨損很快,因此,不能給刀盤施加足夠的推力,從而造成掌子面不穩(wěn)定,且難以控制。

②隧道拱頂和邊墻不穩(wěn)定,從而造成對混凝土襯砌和隧道開挖斷面之間的環(huán)形間隙進行的日常注漿難以實施。

③由于盾殼與圍巖之間可能的相互作用(如巖塊對盾殼造成的摩擦),盾殼可能會被卡住,且由于不能對較薄的混凝土襯砌施加足夠高的軸向推力,因此盾殼脫困困難。

主洞(東線)于1993年7月23日開工(計劃于1999年完工),先在洞口以鉆爆法開挖732 m,1996年5月采用TBM施工,東線TBM共掘進3 925 m,處理和故障停機5次,計374天。1997年7月10日TBM在掘進中,掌子面發(fā)生頂拱及側(cè)壁巖體連續(xù)坍塌80 m,深度達3.5 m以上,且涌水量增加,TBM無法掘進(圖7.18),于是決定暫停TBM全斷面開挖,改以在頂部進行導(dǎo)坑鉆爆方式先行支撐補強及前方地質(zhì)處理工作,而后用TBM來挖掘下臺階并安裝管片襯砌。采用這種“混合”方法完成了近1 935 m長度隧道后,才恢復(fù)TBM全斷面開挖。

總結(jié)TBM在東線的施工中,下述問題嚴重影響了TBM的正常掘進:

①由于盾殼周圍圍巖的變形,盾殼常被卡住,當加大油缸推力使護盾前移時,管片的強度又不能提供足夠的反力。

圖7.18　掌子面塌方

②刀盤沒有足夠的推力頂住掌子面,造成掌子面的坍塌而無法控制。

③拱頂和邊墻的變形使管片和隧道開挖間隙的注漿充填無法進行。

④超前支護也受干擾。

主洞(西線)于1993年7月23日開工(計劃于1999年完工),先在洞口以鉆爆法開挖881 m,1996年8月改以TBM施工,西線TBM施工期間共掘進456 m,處理和故障停機總計10次,計961天。

TBM于1997年12月在開挖456 m時,通過上新斷層帶的剪裂帶交錯區(qū)時,位于隧道截面左上方,未被探測到的地下蓄水突然爆出,沖毀無螺栓連接的管片襯砌,此時TBM刀盤后方約30 m處也出現(xiàn)750 L/s、水壓達1.8 MPa的涌水,涌水及巖渣造成已安裝的管片斷裂,其上方有約7000 m3巖塊掩埋了TBM主機和它后面90 m長的后配套系統(tǒng)。

經(jīng)廠家確認,修復(fù)西線受損的TBM的代價比買一臺新TBM還要貴,因此這臺TBM被放棄,并于1999年底完成拆除作業(yè)。主洞(西)全線改鉆爆法施作至2003年4月貫通。

導(dǎo)洞位于主隧道兩個行車孔洞之間的較低位置。開挖導(dǎo)洞的目的不僅僅是為了探測基巖的結(jié)構(gòu)狀況,也是為了超前排出山體涌水以降低山體地下水位和水壓,除此之外,也可在必要的時候由探洞處理兩臺主洞掘進機前方的巖層。導(dǎo)洞工程完成之后即可作為避難洞和排水洞使用。1991年11月,訂購了一臺直徑為4.8m的羅賓斯掘進機,施工計劃是長12.9 km的導(dǎo)洞工程應(yīng)于1995年3月結(jié)束。

導(dǎo)洞自1991年7月開工,先以鉆爆法開挖525 m,導(dǎo)洞TBM于1992年12月22日開始掘進,到2003年10月20日全線貫通時,共掘進5 169 m,TBM受困停機的總天數(shù)達1 228天。其中,前8次受困,平均耗時1～3個月進行處理,第9次用了10個月、第10次用了7.5個月、第10次用了4.3個月、第12次用了2.5個月、第13次用了2.4個月時間處理。此外,更換大齒圈用了2.8個月。

在掘進過程中,由于掌子面崩塌而卡住切削頭的狀況已經(jīng)發(fā)生有10次之多。每次崩塌發(fā)生后,都需要人工開挖繞行洞繞過掘進機盾殼,以清出被卡住的刀頭。最初施工人員認為掘進機的功率及扭矩過小而不足以使切削頭切削鉆進,并且在切削頭被巖塊卡住時不能使切削頭轉(zhuǎn)動。

以導(dǎo)洞TBM第10次受困為例:1996年2月5日開挖面上方發(fā)生坍塌后,地下水隨即涌出,最大出水量達143 L/s。地質(zhì)狀況是:堅硬而破碎石英砂巖,并夾有厚度十至數(shù)十厘米的薄層頁巖及碳質(zhì)頁巖,層面走向大致和隧道縱軸方向一致,還有兩組斷層通過導(dǎo)洞,斷層破碎含泥帶的寬度達10m,形成不透水的阻水帶,擋住了前方的高壓含水層,當TBM開挖靠近時,巨大的水壓將斷層破碎帶沖破、大量涌出,后續(xù)長期觀測涌水量仍維持在100 L/s,地下水涌入TBM內(nèi)、機頭前方崩坍,此時被迫停機221天,對TBM進行搶救。

導(dǎo)洞TBM受困停機之后,需要從機尾處另行挖掘迂回導(dǎo)洞,繞行至TBM機頭處,挖掘的同時還需要灌漿止水,然后將機頭位置坍塌的渣料挖除,檢查修復(fù)TBM受損的部分。

導(dǎo)洞TBM受困的主要原因是頁巖受地質(zhì)構(gòu)造作用后,剪裂帶多呈破碎且部分含“剪磨泥”, TBM一旦開挖至此地質(zhì)軟弱帶時,開挖面圍巖容易崩塌。大量土石渣料擠入刀盤及盾體內(nèi),造成TBM刀盤受阻,且渣料輸送系統(tǒng)來不及處理而受困。遭遇涌水的地點,屬于頁巖中的較透水的破碎帶,其匯集的水量較大,當開挖此軟弱帶時,開挖面先發(fā)生坍塌,水也隨即由松動的破碎帶中涌出。

經(jīng)過組織者長時間的論證,為減少工期壓力,決定增加6個工作面,采用爆破法從北洞口及豎洞進行,即通過直徑7m,深250m的2號工作井來實施。隧道挖掘總量的1/3以上是從北洞口用爆破法完工的。從2號豎井挖掘隧道長度總數(shù)達5 454 m。因此,為了克服沿隧道方向的不良地質(zhì)條件帶來的不利影響,擬采用向掌子面前方進行系統(tǒng)、持續(xù)的預(yù)處理方案,但由于該方案預(yù)計費用較高、需用時間較長而排除在外。最后決定采用鉆爆法穿過這一石英巖層區(qū),然后回過頭來在地質(zhì)情況良好的地段再使用兩臺大直徑TBM進行機械化開挖。

本章小結(jié)

(1)隧道掘進機是一種集掘進、出渣、支護和通風、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機械,簡稱TBM。掘進機法是利用巖石隧道掘進機在巖石地層挖掘隧道的一種施工方法,與鉆爆法相比,掘進機法雖然投資大,但具有施工快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、環(huán)保等突出優(yōu)點。

(2)TBM一般可分為開敞式TBM和護盾式TBM兩大類型,其中護盾式TBM又有雙護盾TBM和單護盾TBM之分。開敞式和護盾式掘進機的區(qū)別在于:開敞式掘進機在開挖中依靠撐于巖壁上的水平支撐提供設(shè)備推力和扭矩的支撐反力,開挖后的圍巖暴露于機械四周;而護盾掘進機則可在掘進中利用尾部已安裝的襯砌管片作為推進的支撐,圍巖由于有護盾防護,在護盾長度的范圍內(nèi)不暴露。

(3)TB880E開敞式掘進機是在我國鐵路隧道施工中首次成功應(yīng)用的大型成套設(shè)備,它主要適用于硬巖隧道掘進施工,對局部斷層地帶也具有一定的通過能力。該機主要由主機、后配套系統(tǒng)及輔助施工設(shè)備三大部分組成。主機主要由刀盤、刀盤護盾、刀盤主軸承與刀盤驅(qū)動器、輔助液壓驅(qū)動、主軸承密封與潤滑、內(nèi)部凱氏機架、外部凱氏機架與支撐靴、推進油缸、后支撐、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、操作室、變壓器、行走裝置等組成。

(4)TBM法隧道支護類型主要有管片式襯砌和復(fù)合式襯砌,復(fù)合式襯砌的實施主要包括:噴射混凝土施工、錨桿和掛網(wǎng)施工、閉合鋼架施工、圍巖坍塌、掉塊的地質(zhì)不良地段支護和二次襯砌。

思考題

7.1　簡述TBM法與鉆爆法相比的優(yōu)點和局限性。

7.2　簡述TBM的類型及其適用范圍。

7.3　簡述TBM的構(gòu)造及其工作原理。

7.4　簡述TBM法隧道的復(fù)合式襯砌是如何實施的。

7.5　臺灣雪山隧道的TBM法的工程實踐有哪些經(jīng)驗和教訓(xùn)。