.,隧道施工方法,.,幾種施工方法,一新奧法二盾構法三TBM四淺埋暗挖法,.,.,新奧法,.,.,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NATM，新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲（L.V.RABCEWICZ）教授于50年代提出的，它是以隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起，作為主要支護手段的一種施工方法。,.,原理：,新奧法是應用巖體力學理論，以維護和利用圍巖的自承能力為基點，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時的進行支護，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，并通過對圍巖和支護的量測、監控來指導隧道施工和地下工程設計施工的方法和原則。,.,.,新奧法隧道模型,錨桿,二次襯砌,.,施工過程,.,基本原則,.,（1）充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動。（2）充分發揮圍巖的自承能力。（3）盡快使支護結構閉合。（4）加強監測，根據監測數據指導施工。,.,測量,.,.,斷面大小及位置,臺階法環形開挖預留核心土法中洞法交叉中隔壁法中隔壁法雙側壁導坑法,.,盾構法,.,.,盾構機（軟土層掘進機）于1847年發明，它是一種帶有護罩的專用設備。利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點向前推進，用刀盤切割土體，同時排土和拼裝后面的預制混凝土襯砌塊。盾構機掘進的出碴方式有機械式和水力式，以水力式居多。水力盾構在工作面處有一個注滿膨潤土液的密封室。澎潤土液既用于平衡土壓力和地下水壓力，又用作輸送排出土體的介質。軟土層掘進機,.,原理,盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌。同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。,.,盾構機既是一種施工機具，也是一種強有力的臨時支撐結構。盾構機外形上看是一個大的鋼管機，較隧道部分略大，它是設計用來抵擋外向水壓和地層壓力的。它包括三部分：前部的切口環、中部的支撐環以及后部的盾尾。大多數盾構的形狀為圓形，也有橢圓形、半圓形、馬蹄形及箱形等其他形式。,.,.,土壓平衡盾構工作原理,盾構推進時，其前端刀盤旋轉掘削地層土體，切削下來的土體進入土艙。當土體充滿土艙時，其被動土壓與掘削面上的土壓、水壓基本平衡，使得掘削面與盾構面處于平衡狀態(即穩定狀態)。示意圖如圖所示。由圖可知，這類盾構靠螺旋輸送機將碴土(即掘削棄土)排送至土箱，運至地表。由裝在螺旋輸送機排土口處的滑動閘門或旋轉漏斗控制出土量，確保掘削面穩定。,.,土壓平衡盾構機結構圖,.,刀盤,.,.,盾尾,.,施工,1.在盾構法隧道的起始端和終結端各建一個豎井，城市地鐵一般利用車站的端頭作為始發或到達的豎井；2.盾構在始發豎井內安裝就位；3.依靠盾構千斤頂推力（作用在豎井后壁或新拼裝好的襯砌上）將盾構從始發工作井的墻壁開孔處推出；4.盾構在地層中沿著設計軸線推進，在推進的同時不斷出土（泥）和安裝襯砌管片；5.及時向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動和固定襯砌環位置；6.盾構進入到達豎井并被拆除，如施工需要，也可穿越豎井再向前推進。,.,工作示意圖,.,豎井施工,豎井施工,.,盾構機安裝,.,安裝就位,.,.,推進,.,沙土搬運和管片運輸,.,沙土搬運,.,襯砌,襯砌指的是為防止圍巖變形或坍塌，沿隧道洞身周邊用鋼筋混凝土等材料修建的永久性支護結構。襯砌技術通常是應用于隧道工程、水利渠道中。襯砌簡單說來就是內襯，常見的就是用砌塊襯砌，可以是預應力高壓灌漿素混凝土襯砌。,.,二次襯砌,二次襯砌是隧道工程施工在初期支護內側施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護共同組成復合式襯砌。,.,模筑襯砌,模筑襯砌指立拱架或模板后修筑的隧道襯砌。在全斷面開挖隧道灌筑整體混凝土襯砌時，可實行綜合機械,.,預制裝配式襯砌,預制裝配式襯砌是將若干在工廠或現場預制的構件運入坑道內，用機械拼裝而成，一經裝配，即可承受圍巖壓力。一經裝配成環，不需養生時間，即可承受圍巖壓力；一經裝配成環，不需養生時間，即可承受圍巖壓力；大量構件可以在工廠成批生產，在洞內進行機械化拼裝，從而改善了勞動條件，節省了勞動力；拼裝時，不需要臨時支護如拱架、模板等，從而節省了大量的支撐材料及勞動力；拼裝速度因采用了機械化而提高，縮短了工期，還可能降低造價。缺點，在坑道內需要足夠的拼裝空間，制備構件的尺寸要求有一定的精度，接縫多，防水較困難等，由于以上原因，在我國鐵路上未能推廣使用。,.,擠壓混凝土襯砌,擠壓混凝土襯砌可以是素混凝土，也可以是鋼筋混凝土，但應用的最多的是鋼纖維混凝土。擠壓混凝土的襯砌一次成型，內表面光滑，襯砌背后無空隙，故無需注漿，且對控制地層移動特別有效。但因擠壓混凝土襯砌需要較多的施工設備，其中包括混凝土成型用的框模，拼拆框模的系統，混凝土配制車、泵、閥、管等組成的混凝土配送系統。而且，混凝土制備、配送、鋼筋架立等工藝較為復雜，在滲漏性較大的土層中要達到要求尚有困難。故擠壓混凝土襯砌的應用尚不廣泛。,.,管片,.,管片運輸,.,管片運輸,.,管片運輸,.,管片拼裝,.,管片拼裝,.,.,盾構到達豎井,.,TBM,.,.,.,TBM發展歷史簡介,隧道掘進機(TunnelBoringMachine)是一種用機械破碎巖石、出碴與支護實行連續作業的綜合設備，它是由盾構技術發展而來的。1818年英國布魯諾(Brunel)受蛀蟲鉆孔啟示，最早提出盾構雛形與施工方法。1846年意大利人Maus發明隧道掘進機(盾構)。1851年美國人查理士威爾遜研制出TBM試用于花崗巖掘進未獲成功。1881年波蒙特開發出壓縮空氣式TBM，成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1m的勘探導坑。美國羅賓斯(Robbins)公司1952年研制出第一臺軟巖TBM，1956年又成功研制中硬巖TBM。,2020/4/27,53,.,2020/4/27,54,TBM法的概述與應用,掘進機（TunnelBoringMachine），簡稱TBM，是一種修建巖質隧道的工廠化施工技術。在機械施工中很長一段時期，把在土質隧道中采用的機械稱為盾構，而把在巖質隧道中施工的機械稱為掘進機，或巖石掘進機。由于機械制造技術的快速發展，這種區分越來越不明顯，因此目前多把掘進機和盾構并稱為盾構掘進機。,.,2020/4/27,55,TBM主要制造商,美國羅賓斯德國海瑞克公司德國威爾特公司加拿大拉法特日本三菱公司,Robbins,.,2020/4/27,56,TBM刀盤結構示意圖,.,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油缸使刀盤上的滾刀強行壓入巖體，并在刀盤旋轉推進過程中聯合擠壓與剪切作用破碎巖體。滾刀類型：圓盤型、楔齒形、球齒型2.切削式主要利用巖石抗彎、抗剪強度低(僅為抗壓強度的510%)的特點靠銑削(即剪切)與彎斷破碎巖體。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破巖方式與原理,.,2020/4/27,58,TBM的優缺點,優點：快速-約為鉆爆法的46倍；優質-洞壁光滑，超挖量少；高效-節約襯砌，節約人工勞動；安全-安全性加大，作業環境安全；環保-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。,.,2020/4/27,59,缺點：1、設備購置及使用成本大；2、施工途中不能改變開挖半徑；3、地質適應性較差;4、斷面適應性較差;5、運輸困難。,.,TBM施工法始于二十世紀三十年代，限于機械技術水平，其應用實例甚少。五六十年代隨著機械工業與掘進機技術水平的不斷提高發展較快。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，以逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。國外典型應用英吉利海峽隧道由2條外徑8.6m單線鐵路隧道與1條外徑5.6m輔助隧道組成。全長48.5km，海底段長37.5km，隧道最深處在海平面下100m，全部采用TBM施工。英國側6臺，岸邊段3臺海底段3臺(單向推進21.2km)。法國側5臺，岸邊段2臺海底段3臺。最深處需承受10atm水壓力，平均月進尺1000m/月。隧道建成標志著TBM施工技術的最高水平，也是融合英、美、法、德等國TBM施工技術于一體的最高成就。,國內外應用概況,.,國內應用國內TBM研發制造始于二十世紀六十年代中期，共生產10余臺直徑2.55.8m的TBM，先后用于下列水電與煤礦井巷工程。國產機型月均進尺20300m，累計總掘進長度12km。云南西洱河水電站引水隧道引灤入津新王莊隧道陡河電站的引水隧道引大入秦總干渠38號隧道北京落坡嶺水電工程貴州貓跳河水電站引水隧道福建龍門灘引水隧道江西萍鄉、山西懷仁、山西古交、云南羊場煤礦,.,楔齒型與球齒型滾刀破巖原理最初由楔齒尖端在滾刀轉動情況下產生切向張力破壞巖石的表面，切人深度為。然后由齒尖的楔入力繼續引起剪切破壞，楔入深度為h。由于各齒環的齒節是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，適用于硬巖掘進。,.,2020/4/27,63,TBM的結構類型，構造和工作原理,一、全斷面TBM,.,TBM基本構造TBM由破巖機構、推進機構、巖碴裝運機構、導向調向機構及吸塵、通風裝置等幾部分組成。破巖機構滾刀或削刀在強大軸推力的作用下旋轉，切削與剪切破碎巖石。推進機構主支撐鞋頂撐洞壁以支承和推進機身。副支撐鞋控制振動與方向。,.,出碴機構破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉到頂部卸入集料斗，經皮帶機裝車運出洞外。導向及調向機構導向機構是用來指示和校核掘進機推進的方向，使其保證符合設計的軸線和坡度的要求。通風及吸塵裝置掘進機工作時將產生大量的熱量與粉塵。故對通風、降塵要求較高。一般在刀盤頭部安裝有吸塵設備和噴水裝置，掘進時連續噴水降塵。機房內專設通風降溫設備。,.,全斷面TBM分類開敞式TBM：配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設備。常用于硬巖，采取有效支護手段后也可應用于軟巖隧道。雙護盾TBM：適用于各種地質，既能適應軟巖，也能適應硬巖或軟硬巖交互地層。單護盾TBM：常用于劣質地層。單護盾TBM推進時利用管片作支撐，其原理類似于盾構。與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片不能同時進行。微型TBM：0.253.00m中型TBM：3.08.0m巨型TBM：大于8.0m,.,SingleShieldTBM護盾；液壓推進油缸；管片；刀盤；裝渣斗；皮帶輸送機,.,DoubleShieldTBM可伸縮護盾；刀盤；活動支撐鞋；輔助推進油缸；管片,.,GripperTBM支撐鞋；鋼支架舉升器；錨桿安裝機構；鋼筋網舉升器,.,2020/4/27,70,自由斷面TBM,.,2020/4/27,71,自由斷面TBM的優缺點,優點：開挖斷面形狀自由；易于適應地質條件的變化；開挖速度快；圍巖松弛少；噪聲、振動少；輕量、小型、機動性好；人員少，安全性高；機械購置費用低。,.,2020/4/27,72,缺點：地質條件的適用范圍小；發生粉塵；有涌水時易于泥化；,.,TBM法隧道的施工流程、技術要點和輔助工法,TBM施工主要流程施工準備全斷面開挖與出渣外層管片式襯砌或初期支護TBM前推管片外灌漿或二次襯砌Robbins開敞式TBM循環作業流程STEP1:作業開始。主支撐前位撐緊洞壁，后支撐腿提起。刀盤轉動，推進油缸伸出，TBM前部前移一個作業行程STEP2:準備換步。刀盤停轉，后支撐腿抵住仰拱承重STEP3:主支撐回縮。推進油缸回縮將自由態主支撐前拉回位STEP4:主支撐回位后伸出支撐鞋抵緊巖壁，后支撐提起，TBM定位找正，坡道上必要時先定坡度。STEP5:返回第一步，TBM準備下一循環掘進。,.,掘進機法施工技術要求,基本原則TBM掘進斷面大可達10m以上，小僅為1.8m。由于TBM與輔助施工技術日臻完善以及現代高科技成果(液壓新技術、電子技術與材料科學技術等)的應用大大提高了TBM對各種困難條件的適應性，因此簡單從開挖可能性來考慮TBM的適用范圍是不全面的。判定依據隧道圍巖的抗壓強度、裂縫狀態、涌水狀態等巖性條件機械構造、TBM直徑等機械條件；隧道斷面、長度、位置狀況、地址條件等。TBM工法選用流程(參見下頁流程圖),.,初步調查,地質構造分析地表調查彈性波速度阻抗試驗鉆孔調查,開挖直徑刀具直徑與數量馬達刀具轉速后續設備等,循環、支護輔助工法、臨時設計,與鉆爆法比較,線路決定,地質調查,當地條件,TBM規格決定,施工計劃,經濟分析,實施計劃,變更線路,其他方法,No,Yes,TBM工法研究流程框圖,.,二、工程地質條件主要調查影響TBM使用的地質條件。影響TBM選用的地質因素隧道地壓。是否存在塑性地壓？指標：圍巖強度比(軟巖)；圍巖抗剪強度比(似砂土軟巖)圍巖強度比斷層破碎帶、軟弱泥巖以及蛇紋巖等膨脹性巖層掘進困難涌水狀態。涌水范圍、大小與壓力會造成工作面崩塌與承載力低下，應慎用。,.,機械條件TBM不僅受地質條件約束，還受到開挖直徑、開挖機構的約束。在硬巖中開挖大直徑隧道很是困難。日本實例的最大直徑僅為5m左右。目前TBM多數是單軸回轉式。若開挖直徑越大，刀頭內周與外周的周差速越大，將對刀頭產生種種不良影響。隨著開挖直徑的增大，需要增大推力，支撐靴也要增大，將導致運輸困難與承載力問題。,.,開挖長度TBM進場需經歷運輸、組裝等過程。根據其直徑與型式、運輸途徑、組裝基地狀況等不同，需準備12個月。TBM后續設備長100200m，為正規地進行掘進也需先筑一段長200m左右的隧道。隧道長度小于1000m時，其運行成本急劇增大。達3000m左右時的成本大致是一定的。國外在斷面1030m2、長1000km以上的隧道開挖，優先考慮采用TBM施工。最佳開挖長度為3000km以上，短隧道慎用。,.,五.工程所在地的道路設施TBM的運輸與組裝要求注意工程所在地的基礎設施條件。搬運計劃應考慮道路寬度、高度與重量等限制，根據組裝條件充分調查運輸時的分割方法(即最小分割尺寸與重量)。TBM一般在工廠試組裝、試運輸后分割。分割重量約為35t，斷面3.53.5m左右。TBM施工電耗較高，約為同規模其他工法施工的雙車道隧道的1.5倍，規劃時應充分考慮。TBM選用應考慮的條件工程規模：隧道形狀、長度、直徑、埋深、走向；地質情況：巖石類型與強度、節理分布與發育程度、斷層、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、河流等基礎設施：交通運輸能力、水電來源、進出洞口場地施工進度與企業能力(制造維修、經濟、施工管理與習慣),.,掘進機法施工要點,TBM施工管理措施TBM工廠化施工是一項管理系統工程。施工與設備管理水平的提高是其高效率與高效益的保證。在一般地質條件下，國外掘進機凈掘進時間在4050左右。提高設備完好率，強調預防性維修。選擇合理掘進系數，定時檢查、更換與調換刀具配件儲備與供應定崗定責，標準化作業地質超前預報控制測量與施工測量精度電力專供洞口平縱面條件、作業場地、大型臨時工程等施工準備,.,襯砌施工技術要點襯砌結構一般是由臨時或初期支護以及二次襯砌組成。在隧道設計時，就應確定基本支護形式。引水隧道大都采用護盾式TBM進行管片襯砌的結構形式；公、鐵隧道除進行臨時支護外，一般視地質情況采用二次噴射混凝土或二次模注混凝土作為永久襯砌。管片式襯砌護盾式TBM一般采用圓形全周管片式襯砌。該類襯砌適合于軟弱圍巖。管片間應安裝止水條，并在管片外圓與洞壁間隙間壓入豆石與注漿。二次模筑混凝土襯砌開敞式掘進機一般隨開挖先施作臨時支護，再進行二次模注混凝土襯砌。亦可采用二次噴射混凝土作為永久襯砌，加鋼筋網或鋼纖維。,.,國產首臺自主知識產權敞開式TBM長沙下線直徑8米達到世界先進水平一個多世紀以來，其核心技術長期被國外壟斷，甚至直到今年10月前，國內的TBM還全部依賴進口。,.,國產首臺敞開式TBM下線現場,.,國產首臺敞開式TBM下線現場,.,淺埋暗挖法,.,定義,淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法。在城鎮軟弱圍巖地層中，在淺埋條件下修建地下工程，以改造地質條件為前提，以控制地表沉降為重點，以格柵（或其他鋼結構）和噴錨作為初期支護手段，按照十八字原則進行施工，稱之為淺埋暗挖法。,.,淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法。繼1984年王夢恕院士在軍都山隧道黃土段試驗成功的基礎上，又于1986年在具有開拓性、風險性、復雜性的北京復興門地鐵折返線工程中應用，在拆遷少、不擾民、不破壞環境下獲得成功。同時，結合中國特點及水文地質系統，創造了小導管超前支護技術、8字型網構鋼拱架設計、制造技術、正臺階環形開挖留核心土施工技術和變位進行反分析計算的方法，提出了“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”18字方針，突出時空效應對防塌的重要作用，提出在軟弱地層快速施工的理念。由此形成了淺埋暗挖法，創立了適用于軟弱地層的地下工程設計、施工方法。,.,.,基本原理,淺埋暗挖法沿用新奧法(NewAustrianTunnelingMethod)基本原理，初次支護按承擔全部基本荷載設計，二次模筑襯砌作為安全儲備；初次支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載。應用淺埋暗挖法設計、施工時，同時采用多種輔助工法，超前支護，改善加固圍巖，調動部分圍巖的自承能力；并采用不同的開挖方法及時支護、封閉成環，使其與圍巖共同作用形成聯合支護體系；在施工過程中應用監控量測、信息反饋和優化設計，實現不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多種綜合配套技術,.,優點,由于造價低、拆遷少、靈活多變、無須太多專用設備及不干擾地面交通和周圍環境等特點，淺埋暗挖法在全國類似地層和各種地下工程中得到廣泛應用。,.,施工原則,管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測,.,管超前,.,嚴注漿,.,短開挖,.,強支護,.,快封閉,.,勤測量,.,施工步驟,.,施工方法,.,全斷面,全斷面開挖法施工操作比較簡單，全斷面一次鉆孔，并進行裝藥連線，再起一次爆破成型，同時施作初期支護，鋪設防水隔離層，進行二次筑模襯砌。這種開挖的優點是全斷面開挖法有較大的作業空間，有利于采用大型配套機械化作業，提高施工速度，且工序少，便于施工組織的管理。缺點是由于開挖面較大，圍巖穩定性降低，且每個循環工作量較大;另外深孔爆破引起的震動較大，因此要求進行精心的鉆爆設計，并嚴格控制爆破作業。,.,.,臺階法,臺階法施工就是將結構斷面分成兩個或幾個部分，分步開挖。根據地層條件和機械配套情況，臺階法又可分為正臺階法、多臺階法等。臺階法開挖優點很多，能較早地使支護閉合，有利于控制其結構變形及由此引起的地面沉降。臺階法開挖的優點是靈活多變，適用性強，具有足夠的作業空間和較快的施工速度。缺點是上下部作業互相干擾，應注意下部作業時對上部穩定性的影響，還應注意臺階開挖會增加圍巖