TBM施工的支护结构形式及方法-隧道施工

TBM施工流程为：开机前检查→掘进与出渣→支护→衬砌→辅助工艺。

辅助工艺包括：通风与除尘、施工供水、施工供电、洞线测量、劳动组合。

（一）开机前检查

TBM开机前应做如下检查：（1）主机的液压油、润滑油是否足够及清洁；（2）电压表是否正常，电流表指针是否在零位；（3）各个位移开关置于“断开”位置；（4）风、水、电系统是否正常，风筒、水管、电缆及轨道长度是否够推进行程；（5）主机及后配套没有影响施工的部件正在进行检修；（6）激光量测系统正常，TBM位置修正；（7）出渣矿车已到位；（8）确认开机前所有工作全部正常；（9）操作警报开关，通知所有人员主机将要启动。

（二）掘进与出渣

TBM掘进时是边掘进边出渣，掘进1或2个行程，其岩渣量恰好能装满一列出渣矿车。出渣矿车一般由内燃机车牵引，出渣矿车开出，刀盘停止旋转，TBM换步，然后开始一个新行程的掘进。内燃机车每列矿车拉出岩渣，运至弃渣场，由翻渣机将矿车内岩渣倒出，弃渣场配有装载机向自卸汽车装渣，将岩渣二次倒运。TBM掘进1或2个行程的破岩量与出渣矿车容量、数量、运距，翻渣机的生产率，弃渣场转运岩渣的装载机斗容量和自卸汽车吨位等都要经过计算匹配，并要考虑备用系数。内燃机车列车进洞要运进预制仰拱块或预制管片豆砾石车、风筒、水管、电缆、轨道、盘形滚刀、水泥等材料和设备，每列内燃机车都有载人车1节～2节，供上下班职工或随时进出洞人员使用。

（三）支护

1.TBM施工的支护结构形式

TBM施工中针对复杂多变的地质、水文条件，采用不同的支护结构形式和构筑方法，是TBM快速掘进的重要一环。它不仅要求使围岩稳定，而且具有能使TBM顺利掘进的功能。因此，TBM的支护与单纯以确保围岩稳定为目的的通常的新奥法支护有许多不同之处。

另外，由于掌子面受TBM机体充塞，支护结构选择受到一定的限制，在前方掌子面特别破碎或坍塌地区，要采用辅助的加固方式。

在敞开式TBM施工中，大部分隧道采用喷混凝土、锚杆、钢支撑、仰拱块或几种组合的初期支护结构方式。如我国西康线秦岭隧道，工线TBM施工其初期支护采用底部预制仰拱块加钢拱或再加喷、锚的支护方式。

在实际施工中，到底采用何种支护方式，受地质条件、隧道用途、开挖直径和TBM结构形式的影响，由现场土木工程师根据现场具体情况研究决定。

2.TBM机上的支护设施

为了适应TBM掘进中支护上的要求，在机上不同部位安装相应的工作机构设施。如锚杆钻机、钢拱架安装器、喷射混凝土机和仰拱块安装吊机等。由于隧道内空间有限，TBM机上预留尺寸小，要求这些机构结构紧凑，重量轻，易于操作，便于检修。下面以铁道部最近引进的用于秦岭隧道的8.8m敞开式TBM为例，简要说明这些支护设施。

（1）混凝土喷射机

TBM机后配套前端设置2台湿式混凝土喷射机，喷射量为2×20m3/h。为了减轻劳动强度，实施机楲遥控操作，喷射机喷头除进行前后移动作业外，还可在弧形轨道上作左右摆动。如地质条件恶劣，要求掘进后在机头围岩部位立即喷射混凝土，则可将喷头软管接长，由人工进行操作。

（2）锚杆钻机

TBM上设置4台锚杆钻机，分布在机头和机尾，左右各1台。锚杆机钻径38mm，钻深最长3.5m。钴机设置在TBM外机架上（掘进时外机架不动，内机架动），可实现TBM边掘进，钻机边钻孔作业。另外，在外机架上设置轨道，钻机可前后移动2m进行钻孔作业。

（3）钢拱架安装机。

在TBM头部设置钢拱架安装机，以便在遇到软弱破碎地层时，在洞壁一定间距内安装钢拱架。钢拱架由16号工字钢弯制几节组成。拼装时由安装机先后一节节拼成，最后由液压涨紧器把它撑紧在洞壁上。根据围岩软弱破碎程度的不同，钢拱架在洞壁上的间距可以调整以满足施工的要求。

（4）仰拱块安装器

有时在机上还要根据隧道地质状况和出渣运输轨道铺设的需要，TBM掘进后，在机尾隧道底部立即安装仰拱预制块。预制块上预埋轨道螺钉，以便掘进后在块上铺设双线运输轨道预制块质量约13t，在TBM主机和后配套底部装有仰拱预制块吊机前后移动的轨道，吊机吊重15t。预制块平台车由洞外牵引到洞内卸货点，再由预制块吊机提升，沿运输轨道运送到安装部位。考虑安装时的精度要求，吊机具有6个自由度的运动性能，可灵活地进行微调，在激光的指引下准确就位。

（四）衬砌

衬砌是隧道施工的重要环节，涉及隧道能否安全运行的大问题。衬砌的结构类型和厚度，主要由水文地质条件和隧道用途所决定。

1.TBM施工中衬砌作业主要采用两种模式

TBM施工中衬砌作业主要采用两种模式，一种是常规的模板衬砌台车；另一种是预制管片衬砌。选用何种方法主要由TBM的结构类型决定。采用敞开式机型，通常选用模板式衬砌台车。也就是说，TBM掘进支护后，离开一定距离或整座隧道掘通后再进行模板台车材砌。说明整座隧道的地质条件还是比较好的。但是如果遇到岩层比较破碎，大小断层不断，围岩不稳的情况下，TBM就得选用护盾式机型。即在护盾保护下，一边掘进，一边进行衬砌，以防止掘后坍塌。因此，采用常规的衬砌台车不能适应TBM的快速掘进，只能采用预制好的管片在洞内拼装。管片与洞壁之间的间隙，用豆砾石和水泥砂浆进行灌注，形成一条牢固结实的环形带。预制管片有钢制和钢筋混凝土管片。在大断面隧道和水工隧洞中较多采用钢筋混凝土制的。在这种情况下，预制钢筋混凝土管片材砌都是作为永久衬砌。混凝土管片一般都是在洞外混凝土预制厂就地生产的，预制厂要交通方便并有足够养护、存放混凝土管片的场地。

2.TBM采用全周管片的特征

（1）对大的地层压力和大量涌水进行相应处理。

（2）在软弱破碎严重区段，TBM支撑靴不起作用时，预制管片可作为护盾千斤顶的反作用支撑点，TBM照样可以掘进。

（3）可在护盾内安装预制管片，既快速又安全。(www.xing528.com)

（4）对剥落和崩塌等事故的适应性好。

（5）可即时获得支护效果，通常抑盾机尾部设有预制管片安装机，它有灵活的移动和转角机构，实施快速准确的管片安装。须要指出，护盾机中的单护盾和双护盾，在管片安装与掘进同时性上是有差别的。单护盾TBM大多用于软岩和围岩破碎地段，它不能采用像敞开式TBM那样的支撑靴，机器上的千斤顶只能靠撑在盾尾上的预制管片才能前进。因此，用单护盾TBM施工，村砌和掘进是不能同时作业的。而双护盾TBM综合了散开机和单护盾机的特点，除有护盾结构外，还带有支撑靴，可适应不同的地质条件，工作起来有两种不同的作业方式。

3.存在的问题

采用预制混凝土管片衬砌，目前存在的问题有：

（1）管片间拼装接缝太多，接缝处的强度、密封尚是薄弱环节。

（2）开挖后的围岩局部产生松动塌落，豆砾石充填及灌浆困难或不密实。

（3）管片在尾盾内拼装，开挖的围岩被隔绝，无法系统地进行施工地质描述和编录工作，也难进行收敛变形测量。

（五）辅助工艺

TBM施工的辅助工艺主要包括：隧道施工中的通风与除尘，施工供水、供电，洞线测量等。

1.通风与除尘

地下施工中的通风与除尘是重要工序，影响到施工全过程的环境保护。一般采用洞外压入式通风方式，在洞口外附近（约25m左右）装有串联的轴流式风机。通风采用软风筒，风筒悬挂在洞顶，一般每节长100m，风筒两端都有钢圈接口，新鲜空气由风机通过风筒直送至洞内TBM的机尾。机尾另装有风机、真空泵各1台，风机将洞外输送来的新鲜空气再次吹送到TBM各部位，真空泵有2个吸气筒，分别在刀盘后部和TBM机尾，真空泵吸气筒装有除尘装置。这样一套通风与除尘设备的运行，能保证TBM施工处于良好的空气环境中甘肃“引大入秦”工程TBM施工时，洞外装有4台串联的轴流式风机，每台功率35k W，风筒直径1.4m，1.5km长洞，独头通风状况良好；陕西“秦岭隧道”工程TBM施工，掘进2.5km时，装有2台串联风机，每台功率45k W，风筒2.20m，通风状况良好。

2.施工供水

TBM施工洞内用水量不大，主要供TBM冷却、刀盘防尘、灌浆及喷混凝土等用水。一般可在洞口附近建一蓄水池和泵房，通过钢管供水入洞内，与在TBM尾部或后配套列车上装有输水胶管卷筒相连接，胶管的另一头接在1TBM输水管路上，当TBM前进时胶管从卷筒上放开延伸。

3.施工供电

TBM用电由10k V高压电缆进洞，通过后配套列车上变压器变为工作电压，高压电缆每盘长约250m，电缆悬挂在洞壁一侧，电缆间由电缆接头箱连接，后配套列车上装电缆卷筒，随TBM掘进不断延伸。后配套列车上还安装柴油机驱动的应急发电机，当切断高压电源延长电缆时或临时停电时供洞内照明用电。

4.洞线测量

隧道的施工测量是由测量仪器将洞外平面控制和高程控制网引入洞内。开始洞口侧壁上安装一台激光导向仪，激光束与施工测量导线平行，激光导向仪随TBM进尺而不断沿洞侧壁前移。激光导向仪与TBM有效间距不超过300m，激光束在TBM操纵室外荧光屏十字坐标上显示亮点，显示TBM前进位置的误差，使操作人员不断控制和调整掘进方向。“引大入秦”采用的罗宾斯（Robbins）双护盾TBM和“秦岭隧道”采用的维尔特（Wirth）开敞式TBM都使用英国ZED激光导向系统，这是以计算机控制的激光束和侧斜仪，相对隧道的设计中心轴线精确度达到毫米。

5.劳动组合

在一般正常情况下，TBM施工实行24h三班制，两个大班（每班9h～10h）连续施工掘进，一个小班（4h～6h）进行停机保养维修。“引大入秦”“引黄入晋”“秦岭隧道”等工程TBM施工都采用了上述三班制工作制。劳动组合采取了专一的多工种制，根据作业要求，可分20多个工种，如TBM操作工、支护与衬砌工、刀盘清理及更换刀具工、保养维修工、轨道及管路工、内燃机车司机、出渣矿车工、扳道叉工、灌浆工、渣场倒渣工、装载机司机、自卸汽车司机、混凝土工、钢筋工、壮工等。“引大入秦”TBM施工承包商是意大利CMC公司，采用中5.5m双护盾式TBM，每班作业工人数约69人，另有土建、机械、电器等技术人员12人，机械保养班人数27人。

【思考与练习】

1.盾构机的组成及分类。

2.管片拼装方法。

3.盾构机施工掘进控制测量项目包括哪些？

4.TBM法施工什么情况下才会停止掘进并及时处理？

5.TBM法施工有哪些优缺点？

6.TBM法施工与盾构机施工有何异同点？

7.TBM法施工适用于哪种情况？

8.TBM法施工时可以采用哪种衬砌结构？

9.TBM法的施工工艺。