TBM施工原理和施工技术ppt课件.ppt

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1、中国水利水电第三工程局有限公司,副总工程师 许金林 电话:18292670219,开敞式及护盾式TBM的结构原理、TBM设计与施工技术、特殊地质条件下的处理,目录,第一部分 开敞式TBM的结构组成第二部分 开敞式TBM的工作原理第三部分 双护盾TBM的结构组成第四部分 双护盾TBM的工作原理第五部分 TBM的施工技术第六部分 TBM的选型及不同地质的处理,全断面岩石掘进机（TBM）,敞开式掘进机,护盾式掘进机,X型支撑,T型支撑,单护盾,双护盾,三护盾,TBM分类网络图,第一部分,开敞式TBM的结构组成,开敞式TBM,OPEN ROCK MACHINE,后支撑,推进油缸,护盾,外机架及水平支撑

2、,喷浆机械手,刀盘刀具,指形护盾,开敞式TBM的定义,利用岩壁的反作用力，实现掘进功能所需的反推力和反扭矩，在常温常压下，实现隧道掘进一次成型、初期支护、出碴运输功能，集机、电、液、气为一体，实现隧道施工自动化、工厂化的大型综合性施工设备。,全断面开敞式硬岩掘进机机构组成,全断面开敞式硬岩掘进机主要由主机、连接桥、后配套组成：主机部分主要有刀盘、机头架、护盾、主驱动、主梁前段、主梁后段、撑靴系统、推进系统、后支撑等组成；后配套主要有拖车、供电、通讯、供水排水、通风除尘、供气、控制系统、激光导向系统、出碴运输设备系统组成。,TBM刀盘及刀具,刀具,掌子面,单刃刀的结构,TBM楔块卡装式刀具剖视,

3、单刃滚刀的安装图,单刃滚刀的安装,双刃刀的结构形式,主轴承的安装形式,转接座,刀盘支承架,主轴承,外密封,内密封,大齿圈,转接座,外密封,大齿圈安装位置,内密封,TBM主轴承,大齿圈,驱动座,转接座,撑靴的安装,鞍架,撑靴,推进系统,拱架、网片的安装作业,开敞式TBM开挖出的隧道表面,锚杆钻机钻孔作业,Ring beams and mesh. Fingers moving forward, over the ring beam,Karahnjukar, Iceland,超前喷浆作业,喷浆作业,主驱动电机,超前钻孔作业,TBM皮带机出渣运输,TBM的导向系统PPS终端,开敞式TBM矿车出渣,开敞

4、式TBM连续皮带机出渣,第二部分,开敞式TBM的工作原理,开敞式TBM的工作原理,在推进油缸的推力作用下，主驱动带动刀盘刀具对岩石进行滚压，岩石达到破裂极限，逐步开裂剥落成片装岩渣，掉落到刀盘下部，再由刀盘铲斗将岩渣铲起装入皮带机中，转运到碴车列车或连续皮带机运送到洞外；同时，TBM的支护系统完成隧道的初期支护工作，有后续模板台车完成隧道二衬工作。此工作步骤循环往复，连续不断，完成隧道的工厂化施工作业。,开敞式及双护盾TBM破岩,TBM刀具破岩机理,刀具,Chipping,锚杆作业,挂网作业,钢拱架安装,换步状态,换步结束开始下一循环推进,左转弯,右转弯,喷浆作业,第三部分,双护盾TBM的机构

5、组成,双护盾TBM,刀盘及刀具,前盾,支撑盾,伸缩盾,前护盾 前护盾包含并支承着驱动装置和刀盘。前护盾通过伸缩油缸与后护盾相连接。伸缩油缸分成上下左右四组，使前护盾带着刀盘可以朝任何想要的方向转向。前护盾相对于后护盾的位置，由4个线性传感器测出，并从司机室的数字显示装置读出。 在前护盾顶部1/4的地方有两个液压操纵的稳定器，在硬岩中掘进时用来稳定前护盾。WIRTH 掘进机的设计不需要额外的前支撑，其他公司设计的掘进机可能需要它用于换步时起支撑作用。 如同我们关于这种掘进机工作循环的解释中所叙述的，换步过程将借助尾盾的推进油缸推压管片，同时伸缩油缸向前拔拉支撑护盾。由于推进油缸推压着已衬砌的管片

6、环，因此支撑护盾将总是被推向前，而不会将前护盾向后拉。,伸缩护盾 伸缩护盾掘进机的伸缩部分连接着前护盾和后护盾。其功能是使掘进机的开挖与预制混凝土管片的安装能同时进行。 伸缩油缸连接着前、后盾，既传递推力又传递拉力。这一性能在遇到不稳定的地层条件，而覆盖层负荷又大时，可用以防止前护盾向下倾斜。 两个力矩装置将刀盘的扭矩从前护盾传给后护盾或称支撑护盾。前、后护盾间的滚动的调整，用力矩油缸实现，不需要伸缩油缸来纠正滚动。这种纠正滚动方式与独立的推进力的方式是双护盾设计的一个非常重要的特点。 伸缩部分两个壳体之间的间隙可以检查，可以清洁。为了检查和清洁的目的，提供了若干开口。,后护盾（支撑护盾） 后

7、护盾（支撑护盾）内设有推进油缸和支撑装置。支撑布置的形状使得支撑力作用到两侧和底部。这使得后护盾以左、右、底三点固定在隧道内。支撑护盾承受着全部掘进反力，在更换滚刀时也可将前护盾回拉。 支撑护盾尺寸宽大，以减小对围岩的压力。这一点在软弱围岩掘进时尤其重要。由支撑护盾产生的对围岩的接触压力是与施加到刀盘的推进力成正比的。 当在硬岩地层开挖时，刀盘必需有很大的推进力，支撑系统必须产生很大的夹持力以支持这个推进力。因此对围岩的接触压力将达到较高水平。当在软弱地层开挖时，刀盘只需要较小的推进力。夹持力将成正比减少，因此对围岩的接触压力将比较小。 这种系统的特点不是属于硬性的、不可改变的，即具有恒定不变

8、的高夹持力和相应的高的接触压力，而是能根据刀盘对推进力的需要来提供相应的接触压力。 推进油缸分成四组作用在四个压力区，以利于当在软弱围岩中掘进不能用支撑时掘进机进行转向。每组的推进油缸连到一个推力靴板上。推力靴板上覆盖的聚氨酯的靴面以保护衬砌块。 后护盾的总推力相当大，以便施加需要的力于刀盘，并用于克服全部护盾的摩擦阻力。(单护盾模式时)。推进油缸有一共用的液压动力装置。四组液压缸的每一组均有共同的供油量控制，由掘进机操纵手监控。在正常掘进模式时，即用支撑靴提供反力来推进前护盾与刀盘。推进液压缸可由一个共用的油流来操作。每一液压缸装有测量装置或者线性传感器，使操作者能监控其位置。,双护盾TBM

9、主机主要机构图,双护盾TBM连续皮带机出渣,双护盾掘进机,主机主要机构,双护盾TBM,双护盾TBM的刀盘及主驱动,双护盾TBM的主推进机构,支撑盾及撑靴机构,装碴及输送机构,辅助推进及管片安装机构,管片安装机,双护盾TBM整机全貌,管片生产,管片养护,双护盾TBM管片存放,第四部分,双护盾TBM的工作原理,双护盾TBM工作原理,工作原理在常温常压下，利用盾体或撑靴的支撑岩壁，克服开挖岩渣所需的推力和扭矩，主推进或辅助推进系统提供开挖岩渣所需的推力，同时主驱动带动刀盘刀具滚压破岩，连续皮带机或矿车列车将岩渣运出洞外，管片安装机与辅助推进系统实现衬砌与开挖同步，伸缩护盾和主、辅助推进系统实现换步和

10、连续隧道施工作业。（1）围岩破碎，采用单护盾模式掘进（类似于盾构）；（2）围岩自稳性好，采用双护盾模式掘进，开挖与衬砌同步。,双护盾工作模式图,双护盾模式工作循环结束状态,双护盾TBM换步状态图,双护盾TBM换步结束状态,单护盾模式管片安装状态,单护盾模式掘进状态,双护盾TBM的特点,特点（1）开挖与衬砌同步，采用管片支护，支护速度快，隧道一次成型；（2）硬岩掘进的适应性同敞开式，软弱围岩能采用单护盾模式掘进，比敞开式有更好的适应性。与敞开式TBM相比，对地质变化的适应能力更强。（3）设备与人员处于TBM壳体的保护下，安全性好。,新型双护盾,此种类型的双护盾运用于地质条件相对较好的地层，后面配

11、有锚杆钻机、网片安装机及喷混系统，在较好的地质条件下管片拼装机并没有装在设备上，所以正常掘进时不需要装管片。如遇到较差的地层，则取下锚杆钻机和网片安装机，装上管片安装机，管片安装机与锚杆钻机轴向轨道相同。,控制机头架旋转,网片安装机和锚杆钻机,在较差的地层掘进时取下锚杆钻机和网片按装机，更换成管片安装机进行管片的安装。,第五部分,TBM的施工技术,TBM的组装,组机,连接桥,后配套,主机的主装,弧形钢板定位-吊装前支撑-吊装机头架及主轴承总成-安装前主梁-安装中间主梁及鞍架-安装后支撑及门架-安装主机拖动系统-吊装侧支撑-安装主驱动-安装刀盘中心块-安装刀盘边块并焊接-安装顶侧护盾-安装顶护盾

12、-安装连接桥部件等,主机的安装,刀盘的安装,安装后支承,TBM的步进,步进原理,西秦岭隧道长大距离空载步进采用油缸推进、弧形滑道步进方案。 该方案步进原理是：弧形钢板和弧形滑道的摩擦力大于TBM刀盘及总成与弧形钢板间的摩擦力，且弧形钢板与混凝土弧形滑道的接触面积大于弧形钢板与刀盘及总成的接触面积。,TBM的生产管理,调度协调管理优化轨道布置，提高运输效率有轨运输的信息化管理架子队管理全员培训例行强制保养,调度协调管理,为实现工区之间、隧道工作面与洞外、掘进施工与材料运输等区域之间的全方位、信息化的协同调度管理，在隧道洞口设置调度控制中心，通过程控电话、远程视频监控、无线通信相结合的调度体统，由

13、调度人员整体把握整个施工系统的协同运行，提高施工效率。,有轨运输,优化轨道布置，提高运输效率 通过对洞外场地进行有效的规划，形成运输车辆编组、重车始发轨道、空车等待轨道。行车有规律的车辆运行策略，利用洞外车场视频监控和对讲机的实时调度，提高行车密度，减少堵车时间，最大限度的保证TBM施工所需的物资供应。洞内有轨运输坚持“重车左道进洞、轻车右道出洞”的原则，每1000m设置一处渡线道岔。,调度室视频监控系统,有轨运输,有轨运输的信息化管理视频监控系统 在TBM重点施工部位和场地外重要部位安装了摄像头，摄像头视频信号通过光缆汇总到调度室，调度室根据视频了解洞外场地内和TBM施工状况，并根据施工需要

14、对机车和材料供应及机车行走轨线进行合理调配，确保隧道内所需施工物资的及时供应。,安装的监控摄像头,有轨运输,有轨运输的信息化管理对讲机系统 为使调车员的指令能迅速反馈给机车司机，每台机车的司机和调车员都配备有一对对讲机，每台机车对讲机单独使用对应机车号的通话频率（如4号机车，机车通话采用4频道）。 为使调度室与每号机车之间、机车与机车之间联系方便，机车使用的对讲机频道可调，调度室可直接将联系到每辆车。 此外，所有调车员配置强光电筒、口哨各1支，以备急需。,有轨运输,有轨运输的信息化管理车载系统 利用车载系统在不影响对讲机通话的情况下调度室可以同时向所有运行的、停止的机车发布指令，各号机车也可通

15、过利用车载系统向其他机车和调度室传递消息，避免干扰对讲机造成调车员与机车司机指令不畅通。,有轨运输,有轨运输的信息化管理移动通信系统 在隧道内安装移动通信发射器，使整条隧道都有移动通信信号，隧道内外作业人员与调度室、调度室与机车、作业人员与机车之间可以通过移动手机进行联系，保证了施工顺利进展。,洞口的移动通信信号基站和发射器 TBM上的移动通信信号发射器,有轨运输,有轨运输的信息化管理有线电话系统 若隧道内停电，隧道内外的通信将中断。为保证隧道内外通讯畅通，在调度室、TBM重要的施工部位、衬砌工区台车处、拌合站等处安装了有线电话，保障了隧道施工的正常进行。,架子队管理,实行架子队管理，提高施工

16、人员的积极性。 掘进队实行架子队管理,实行人员定员、责任到人的内部承包管理模式。施工人员的收入与施工进度、工序质量、现场安全和文明施工直接挂钩,全员培训,提高全员“质量保安全、安全促生产、设备保进度”意识。 提高全员质量意识，每班安排专职值班工程师全过程参与工序质量控制,严控支护质量，使掘进施工顺利开展。通过提高工序质量，有效的控制了围岩变形、塌方掉块等安全隐患的发生，并对施工人员进行“TBM掘进施工三级技术交底”，“TBM掘进塌方防止技术交底”的培训。,强制保养,每班例行保养 1）查看液压（润滑）油箱的油量和油温。 2）检查泵、马达和阀是否有噪音，否则停机，找出原因并修复 3）检查液压系统油

17、温达到操作温度后有无泄漏，禁止徒手检查。 4）检查液压油过滤器，确保过滤器指示在绿色范围。 5）检查润滑油过滤器，确保过滤器指示在绿色范围。在TBM运行初期，每500h更换过滤器，并检查油温是否正常。 6）查看各类仪表是否指示正常。 7）查看液压油箱、润滑油箱和减速器油箱的呼吸器是否干净和正常。每500h更换一次。 8）刀具检查：查看刀圈、刀体、刀座的磨损和损坏情况；检查刀具安装螺栓紧固扭矩；刀具拆卸后，观察螺纹孔是否损坏，改进锁定状况。 9）操作期间检查润滑系统的流量和压力是否正常。 10）齿轮减速器：通过油量指示器检查油量。 11）护盾机构：观察运行是否无阻碍，清除堆积的岩屑。 12）密封

18、润滑系统：检查系统运行是否正常，确保系统有足够的油供应内外密封，否则调整流量阀。,新技术革新,弧形步进滑道滑模施工技术连续皮带机出碴技术连续皮带机出碴下的同步衬砌技术连续分碴器自动分流装车技术连续皮带无损快速收放技术仰拱预制块生产预埋道钉技术仰拱预制块空中翻转技术蒸汽养护数字传感式温度控制技术油水检测技术,弧形步进滑道滑模施工技术,工艺综述 弧形滑道步进方法作为TBM施工的一种新型、快捷的步进方法，在西秦岭隧道施工中成功应用，此方法关键是弧形滑道的施工，作为TBM步进的重要工序，其施工质量、施工周期直接影响到整个步进的工期。 根据施工组织设计划分，第1段出口钻爆段长度为2113m，第2段罗家理

19、斜井钻爆段长度为4715m，TBM的步进长度达到6828m，即弧形滑道施工需6828米。,弧形步进滑道滑模施工技术,弧形滑道施工关键点要保证弧形滑道较快的施工速度和较高的施工精度，应注意以下几个关键点: 1)实现混凝土的连续灌注，同时能保证在有限的空间内实现模板的快速周转和安装。 2)混凝土为两边厚中间薄的纵向结构，要保证混凝土能顺利入模，且振捣密实，弧面无空洞、蜂窝和麻面。 3)弧面的弧度应严格符合设计要求，在纵向无错台。模板的安装精度和抗浮能力要求很高。,弧形步进滑道滑模施工技术,弧形滑道施工方案根据弧形滑道的结构特点，采用滑模施工，以形同人工抹面的方式来施工弧形滑道。在边基上铺设轨道，轨

20、道上设置行走支架，在支架上设置一个纵向长12m，宽60cm左右的钢模板， 整个滑模在轨道上行走，对轨道进行定位后，滑动模板摆动的范围为弧形滑道弧面，在弧形滑道内沿隧道的法线方向左右摆动，抹光混凝土弧形滑道的弧面。 混凝土布料和弧面成形可以同时进行，实现了弧形滑道的连续作业，由于模板面积小、混凝土塌落度小，模板无需抗浮要求。,弧形步进滑道滑模施工技术,弧形步进滑道滑模施工技术,施工效果西秦岭隧道出口钻爆段自2010年1月20日开始进行弧形槽施工，至2月16日完成整个2113m的施工任务，耗时26d，比原计划提前4天完成，期间包括滑模调试和边基施工。换算成月进度2438m，施工期间最高日进度为16

21、0m，有力地保证了TBM组装和步进的开展。,连续皮带机出碴技术,总体方案 第一掘进阶段，连续皮带机承载碴体后穿越1#、2#同步衬砌台车直接输送至隧道出口，通过转载皮带机横跨整个洞外作业场地转运至分碴器位置，利用连续分碴器自动分流装车后由转运工程车运输至弃碴场。 第二掘进阶段时，4#连续皮带机承载碴体后穿越1#、2#、3#同步衬砌台车将碴体输送至斜井“三岔口”位置，通过5#斜井转载皮带机穿越罗家理斜井输送至洞外，经6#洞外翻山皮带机直接翻越山体，并经7#延伸皮带机被输送至弃碴场。 6#翻山皮带机横跨河流、施工便道，最大爬升坡度21，翻越山顶后以7%下坡，总长度约284m。 6#翻山皮带机和7#延

22、伸皮带机为项目自行选线和设计，实现与TBM、正洞连续皮带和斜井皮带联网远程连锁控制，运行情况良好。,连续皮带机出碴技术,连续皮带机出碴技术,连续皮带机出碴技术,六大亮点亮点1：连续皮带洞内掘进出碴实现与同步衬砌体系、材料有轨运输体系互不干扰亮点2：碴体输送至洞外后利用连续分碴器实现与转运工程车无缝衔接从而减少了二次装碴作业亮点3：第一掘进段结束后皮带机整体转场期间利用皮带收放装置实现连续皮带快速无损伤收放亮点4： 整体转场阶段实现皮带机主驱动、皮带仓等超大件有轨运输进洞及洞内组装亮点5：实现连续皮带机在长距离、大坡度斜井内合理布置并成功实现正洞连接斜井出碴亮点6： 第二掘进阶段实现连续出碴皮带

23、翻山跨河直接输送至弃碴场内部,连续皮带机出碴下的同步衬砌技术,同步衬砌体系根据衬砌净空设计，同步衬砌台车及作业台架通过尺寸优化采用不占用仰拱预制块上运输轨道，在边墙基础单独设行走轨道的进行设计，与运输线路互不干扰。衬砌台车及作业台架下部净空满足双线机车通行要求；风管设在衬砌台车及作业台架中上部的2.2m风管滑行托盘中，满足随时通风的需要。 为满足TBM通过时对隧道净空的要求，出口钻爆段及罗家理斜井钻爆段在隧道开挖结束后只施作初期支护，待TBM步进通过后才可以进行二次衬砌作业，因此，在第二阶段TBM正常掘进期间不仅要紧跟TBM进行软弱围岩衬砌支护、还要进行TBM预备洞的衬砌施工。根据生产及工期需

24、要，共投入衬砌台车6部，其具体配置情况详见续表。,连续皮带机出碴下的同步衬砌技术,衬砌施工与皮带机出碴的矛盾在第二掘进段TBM连续出碴皮带机必须穿过1#、2#、3#同步衬砌台车及配套作业台架，因此，同步衬砌台车及台架、穿越台车的风、水、管、线路要设计合理，不影响防水材料铺设、衬砌混凝土浇筑及皮带修补与出碴互不干扰解决方案同步衬砌台车、台架行走时需拆除位于其前方的皮带机支架，台车、台架设计时，在二者之间设置具有纵向自由度的拉门式伸缩台架，并在伸缩台架上设置托架轴承滑道，作为台车行走时皮带机支架，台车前行时拉伸拉门式台架，行至下一衬砌段并和作业台架完成施工任务后，收缩拉门式台架，当最后一组台架前行

25、至与其尾部的第一组皮带机支架距离达到4.5m时，安装一组皮带机支架。这样，无论衬砌台车和作业台架是在行走状态还是作业期间，均不会影响正常的皮带机出碴，达到真正的同步。,连续皮带机出碴下的同步衬砌技术,连续皮带机出碴下的同步衬砌技术,洞内皮带位置,电缆与皮带穿过模板台车,连续分碴器自动分流装车技术,方法对比,（a）连续分碴器自动切换装车技术,（b）传统挖掘机、装载机配合装车技术,VS,连续分碴器自动分流装车技术,1连续给料装置(出碴口)2主分碴器受料接口3主分碴器切换液压油缸4主分碴器切换板5切换轴端密封6结构钢架7主分碴器梭槽8子分碴器受料口9子分碴器切换液压油缸10子分碴器切换板11限位板

26、12子分碴卸料口13外覆电加热板14应急卸料口15混凝土防撞护墩16转运工程车,连续皮带无损快速收放技术,总体方案西秦岭隧道第二阶段施工所需皮带必须通过第一阶段皮带拆除后重复利用，提高连续皮带收方效率是提高施工进度的途径，经过设计由2部相同的皮带收放机组成，每台皮带收放机都具有独立的驱动控制系统实现，代替以往传统的机车拖动支架收方皮带。,连续皮带无损快速收放技术,连续皮带无损快速收放技术,连续皮带无损快速收放技术,仰拱预制块生产预埋道钉技术,工艺流程模具在设计制造时，取消承轨槽位置预留道钉孔用的立柱模型，在原设计位置设置螺旋道钉孔及用于螺旋道钉卡紧用橡胶垫圈的预留槽。施工时，在预留槽内安入橡胶

27、垫圈，将螺旋道钉螺丝端向下卡入橡胶垫圈中心孔内，道钉预埋工作完成。待脱模翻转后取下橡胶垫圈，以便重复使用。,仰拱预制块生产预埋道钉技术,模具预留及橡胶垫圈预埋槽；橡胶垫圈、成品道钉及橡胶垫圈安入预留槽的情景；道钉螺丝端向下卡入橡胶垫圈的情景；脱模后的情景；去掉橡胶垫圈后的情景；吊杆预埋脱模后的情景预埋道钉技术实施过程图,仰拱预制块空中翻转技术,综述 为解决长久以来真空吸吊翻转机不适用于仰拱预制块脱模及翻转、地面翻滚仰拱预制块技术落后且弊端明显等问题，适应TBM快速高效的施工节奏，西秦岭隧道首次引入仰拱预制块液压起吊翻转机。 仰拱块翻转机结构设计简捷轻便、造价低廉、输送能力强、机械化程度高、操作

28、简便，只需1人辅助天车司机作业便可实现预制块脱模、翻转同步完成，极大地减轻了人员劳动强度、减少了转运次数及对行吊的占用时间、真正实现结构“零损伤”。,仰拱预制块空中翻转技术,液压起吊翻转机在预制块翻转中的优势1）结构设计简捷轻便，造价低廉，输送能力可达25t，有充足的安全富余量； 2）翻转油缸伸缩一次可带动夹紧头旋转180，脱模平移后即可进行翻转作业，操作简便； 3）充分发挥仰拱预制块结构尺寸相一致、中心位置厚度较大的特点，在预制块上前后两侧各预留两个夹紧用翻转孔来抵抗预制块脱模、翻转期间的剪力，有效防止预制块松脱； 4）以仰拱预制块1.8m长度方向为中心轴进行翻转作业，作业空间小。,仰拱预制

29、块空中翻转技术,液压吸吊翻转机脱模、翻转工艺,蒸汽养护数字传感式温度控制技术,采用蒸汽养护的仰拱预制块，如果混凝土蒸汽养护过程中升、降温速度控制不严格，极易造成混凝土表面急骤过热或降温，产生温度应力，导致结构表面或沟槽出现温度裂缝。 为更加准确掌握混凝土结构内部的温度变化情况，我部仰拱预制块生产温度控制采用数字传感式温度计，混凝土浇筑完成静养至注浆棒拔出后，将传感探头放入注浆孔内、将传感线接出至养生篷布外，通过手持式数字温度计掌控蒸汽养护升降温变化情况。该方法与传统的煤油温度计、指针温度计、红外温度计测温法相比，由于测点位于混凝土结构内部，测量结果更准确、更具施工指导意义，同时该方法减轻了试验

30、人员的劳动强度，缩短了测量周期，便于温控调节。,油水检测技术,西秦岭油水检测室设备配置,油液监测,设备运行参数记录,压力、流量、电压、电流等,油水检测技术,油水检测室设备配置,铁谱显微镜,铁谱测量读数器,铁谱分析仪,油水检测技术,油水检测室设备配置,污染度测试仪,粘度测试仪,第六部分,TBM的选型及不同地质的处理,一、西秦岭项目掌子面坍塌段地质情况,本段围岩为变砂岩，设计为三类围岩，岩层夹杂较多石英岩脉，节理较发育。采集岩石样本进行抗压强度实验为110MPa。掘进时掌子面坍塌严重，纵向坍塌最深达2米多，大石块较多，掘进效率偏低，平均掘进速度为50cm/h，拉急停捡石块占掘进时间的70%左右。刀

31、圈常常被大石块砸断或砸裂，挡渣块也时常被大石块砸掉甚至砸断。大石块对皮带的损伤也非常严重，经常划破皮带。,掌子面情况,加焊挡碴板1,加焊挡碴板2,经过皮带的石块,对刀牙进行改造,刀牙的改造计划采用新制做的刀牙更换原有刀盘上部分刀牙，增加刀牙强度。新制做的采用和原刀牙一样的16Mn材料，不同的是新做的刀牙将若干刀牙做为一整体，如下图所示：,二、 某项目TBM脱困情况处理,TMB掘进进入F5断层范围，在断层内掘进约20m后，围岩在高应力情况下发生收敛，将盾壳抱住，TBM被困。 F5断层情况：根据地质勘测设计图纸描述，F5断层长度约300m，最大埋深694m，母岩为加里东期侵入的石英闪长岩，受构造影

32、响石英闪长岩总体较破碎，局部为碎裂岩并有轻微蚀变。局部有地下水发育。通过这几次TBM脱困揭露的围岩情况来看，基本与图纸描述一致。,TBM脱困情况介绍,第一次脱困施工,经历时间：26天地质情况：侵入石英闪长岩，石英含量高，围体完整性差，无水。被困原因：该段围岩微节理裂隙发育，在高地应情况下，盾体部位围岩发生收敛，且收敛速度快，幅度大，收敛围岩将整个盾壳抱死，掌子面及刀盘顶部围岩发生坍塌，塌腔最高处达3m，以上两方面因素导致TBM无法前进，TBM被困。 脱困方案及过程：将盾壳大跨以上周边岩体清除，并采用钢筋网片木板方木工字钢临时支护形成一个高1.2米的空间，以释放盾壳压力，帮助TBM脱困。,围岩发

33、生收敛，紧贴盾壳,人工风镐开挖，木板钢筋网片方木临时支护,第二次脱困施工,经历时间：56天地质情况：侵入石英闪长岩，石英含量高，围体完整性差，开始无水，处理过程拱部有淋雨状出水。被困原因：TBM盾壳周边收敛岩体清除后，TBM往前掘进，掘进时掌子面发生较大坍塌，刀盘及前盾被卡。掘进时由于盾壳移动，第一次脱困施作的临时支护垮塌，盾壳处围岩亦发生坍塌。,脱困方案及过程,通过约一周刀盘及伸缩盾开孔处往外掏碴，没有收到成效；便从已安装倒数第二环管片顶部开孔，进入尾盾，从后向前采用人工风镐开挖钢支撑超前小导管锚喷网支护进行开挖，开挖过程拱部出现淋雨状出水，地下水将拱部塌体浸泡成泥质流体，本段采用密插小导管

34、通过。开挖支护至刀盘前1.1米（刀盘中心部位），将刀盘周边岩体掏空，并便刀盘试转动，并对掌子面进行刷坡，开挖支护施工完成后，进行TBM掘进。,TBM掘进后，施作的临时支撑已全部破坏，围岩发生坍塌,钢支撑超前超前小导管锚喷网支护,开挖过程中拱部出现了淋雨状出水，采用密插小导管渡过该段,第三次脱困施工,经历时间：60天地质情况：侵入石英闪长岩，石英含量高，围岩微解理裂隙发育，稳定性差，易发生坍塌，无水。被困原因：TBM脱困掘进时，因围岩破碎，稳定性极性，在刀盘扰动下，支护拱架直脚处围岩失稳坍塌，并从支护背后流出，导致刀盘前支护结构失稳坍塌，将刀盘卡住，TBM被卡。处理方案及过程：将未发生破坏的支护

35、结构加固；刀盘部及前方塌方段进行全断面开挖，开挖长度为进入未塌方部份35m，底部施作喷射砼仰拱，TBM步进通过该段，开挖掌子面周边打设5m超前管棚支护，以保障TBM重新进洞时掌子面的稳定。,塌方将原拱架结构破坏,钢支撑超前超前小导管锚喷网支护,第四次脱困施工,经历时间：60天地质情况：侵入石英闪长岩，石英含量高，围岩微解理裂隙发育，稳定性差，无水。被困原因：TBM第三次脱困后，在步进进程中，进行往右下调向，并由于底部仰拱经水浸泡后已丧失承载力及姿态发生偏差后PPS导向系统无法正常工作，TBM步进及掘进后，姿态发生严重失控，成洞轴线与设计轴线发生较大偏差导致管片无法安装，TBM在停机时间过长的情

36、况下，因围岩收敛，造成TBM被困。,处理方案及过程：采用人工风镐开挖钢支撑超前小导管锚喷网支护进行开挖，帮助TBM脱困，开挖掌子面超前刀盘面约2.5m，TBM脱困后在掌子面施作砼反力墙，采用方木加工反力架，TBM在双护盾模式下实现整体后退约9m，后退后在刀盘与掌子面之前施作砼钢轨导向台，以进行TBM调向。掌子面施作砼封闭环，以保障TBM始发掘进时掌子面围岩的稳定。,喷射砼封闭环,第五次脱困施工,时间：30天地质情况：侵入石英闪长岩，石英含量高，围岩微解理裂隙发育，稳定性差，易发生坍塌，暂时无水。被困原因：TBM调向掘进后，姿态处于可控状态，但由于地质破碎，拱顶发生较大规模坍塌（塌腔最高处约10

37、m），周边围岩收敛变形，将盾壳抱死，TBM被困。处理方案及过程：从倒数第五环管片C片钢管片开口进入盾壳处，并从后向前自大跨下50cm以上部份开挖收敛围岩及塌体，并进行钢支撑超前小导管锚喷网支护，如塌体过高，用从塌体上方通过的方式。计划开挖至掌子面前1.5m，将掌子面加固后进行TBM掘进。本次脱困施期间，塌腔仍不时有掉块，塌腔有继续扩大的可能。,掌子面围岩及刀盘处塌腔,伸缩盾部位塌腔,尾盾处塌腔,尾盾支护施工且塌腔在进一步扩大,三、某项目TBM的脱困处理,某项目自发生大卡机以来，共历时551个日历天，施工进度完成1456.6m，平均日进度2.6m。施工过程中遇到的主要问题是地质问题，因地质原因导

38、致TBM频繁卡机，影响工程推进。TBM掘进以来各年度完成情况如下表所示,2卡机情况 （1）卡机现象 TBM在施工过程中，发生的卡机现象主要有以下几种情况： 卡刀盘 掌子面围岩破碎不能自稳引起坍塌，大量破碎的石块、石碴夹泥水涌入刀盘，皮带机出碴量剧增，刀盘扭矩和电机电流急剧上升，最终导致刀盘无法转动及皮带机无法运转。进入2011年后，围岩变化的范围更短、更频繁，有时掘进2m围岩即发生变化，因掌子面坍塌发生TBM刀盘被卡的情况最多，如下图所示。 卡前盾 由于围岩大变形，围岩破碎应力作用在盾壳上产生的,卡机情况,刀盘被破碎围岩卡死,刀盘内涌入大量石渣,摩擦力大于主推进油缸的最大推力（系统压力上升至最

39、大推进压力345bar），掘进机无法前进，前盾被卡，最严重时将前盾与外伸缩盾的连接螺栓拉断一次，如下图所示。,前盾被破碎围岩卡死（下图,前盾被围岩抱死（上图）, 卡支撑盾 围岩变形量大，挤压支撑盾，掘进机换步时辅推油缸压力持续增大，达到最大极限值700bar时仍不能克服围岩作用在支撑盾上的压力，支撑盾不能前移、无法实现换步。具体如下图所示。,支撑盾被破碎围岩压死,支撑盾被围岩抱死, 卡尾盾 围岩在地应力作用下持续收敛变形，挤压尾盾向内收缩，尾盾与管片之间没有间隙，甚至管片楔形块都不能安装到位。在围岩收敛速度比较快时，围岩和管片的共同挤压作用将尾盾死死地夹住，造成支撑盾换步时辅推油缸压力达到极限

40、仍无法前移，严重时将尾盾与支撑盾的连接螺栓拉断，尾盾与支撑盾脱开。围岩的挤压也导致尾盾变形，侵占管片安装净空，导致管片安装成型质量极差，局部地段被迫采取型钢支护后再浇混凝土衬砌的方式进行施工支护，勉强确保TBM后配套顺利通过。 （2）卡机统计 TBM 掘进以来，共发生大小卡机22次，TBM一直处于卡机脱困缓慢掘进几环再卡机脱困施工之中。全年卡机时间299天，占全年施工时间的82%。TBM掘进以来发生的卡机情况如下表所示。,（3）卡机原因 卡刀盘 由于本工程洞线穿越地层地质构造复杂，硬质岩中夹软质岩，岩性变化频率非常快，TBM进入断裂破碎及影响带，其岩体被多次构造运动切割揉皱后极为破碎，也是基岩

41、裂隙水的赋存区。掘进开挖后，围岩初始应力场在开挖界面失去平衡，应力重分布后，破碎的岩体强度和变形能力都远远低于围岩二次应力场，在开挖后很短时间内隧洞掌子面丧失稳定，出现坍塌现象，加之断裂带丰富的地下水起“催化剂”作用，坍腔发展越来越大、坍塌碴体在刀盘上方越积越多，最后导致出碴不及，刀盘无法有效转动。 卡前盾 本工程区域经多次的地质构造影响，构造应力大，且最大主应力方向与隧洞走向几近垂直。隧洞开挖应力重分布后，其二次位移量大于隧洞开挖轮廓与盾壳的间隙，盾,壳相当于一个支护结构约束了这种变形。围岩二次应力分布的残余应力作用在盾壳上，增加了掘进阻力。残余应力小，TBM主推力可以克服时，掘进时表现为推

42、进力大，但尚可缓慢掘进；残余应力大至主推进力无法有效克服时，则表现为卡机。 卡支撑盾 围岩的变形随时间增长，通常情况下，在开挖后三天内这种增长近似于线性关系。支撑盾距刀盘约6m（支撑盾长3.5m，支撑盾尾距刀盘9.5m）， 在不良地质段，受坍塌清碴影响，进度缓慢。支撑盾处的围岩开挖后在无支护状态下暴露了较长时间，支撑盾已作为一种支护，约束了围岩变形，与围岩形成了一个共同受力的结构体系，此时已是一种平衡的三次应力状态。此时，若岩体分配在盾壳上的力较小，TBM在换步时加大推力则可实现支撑盾向前滑动；若岩体分配在盾壳上的力大，辅助推力达到设备,限值亦无法换步时，则需要在支撑盾外沿稍加扩挖后换步或是停

43、机全面扩挖脱困处理。 卡尾盾 尾盾是距离刀盘最远的部分（尾部距刀盘13m，尾盾全长3.45m），与其对应的围岩开挖后暴露的时间更长，围岩对尾盾的作用机理跟支撑盾一样，其分配给尾盾的力较支撑盾处更大；另一方面，本台TBM所设计的理论盾尾间隙为6mm，在不良地质段，由于围岩对尾盾的作用导致尾盾产生变形，还未脱离尾盾的管片则作为约束阻止这种变形，相当于又施加到尾盾上一个反力。这种里外挤压，导致TBM换步时尾盾难以抽出，被卡后被迫采取措施脱困。,3.采取的施工措施 （1）超高压换步 TBM配备了一套高达700bar的超高压泵站，增加辅推油缸压力，以克服盾壳压力，顺利换步防止受困。 （2）超前化学灌浆加

44、固 在围岩破碎、自稳能力差的洞段采用超前灌浆提前加固改良地层。主要做法是利用改装后的YT28风钻，在刀盘内通过刮板孔、刀孔、人孔钻孔注浆，钻孔采取自进式玻璃钢钻杆、自进式锚杆、六方钻孔套钻（1.5m、2.5m、3.5m、4m、4.5m、5m）成孔，钻孔角度受刀盘空间影响，仰角及外插角在4560之间，一次加固时在刀盘周边及掌子面前方共计钻孔1012个注浆加固。注浆材料选用方面，项目部曾对CS双液浆、,瑞夫斯固化剂、化学浆液三种灌浆材料的应用效果进行验证，最终选定化学浆液。 CS双液浆及固化剂在现场实施过程中主要问题在于漏浆，由于畅通的围岩裂隙的存在，加之水泥基材料浆液的凝结时间和强度增长时间受地

45、下水影响非常大，在地下水作用下，浆液随裂隙回流，灌浆效果难以保证。具体试验情况如下图所示：,刀盘内钻孔,刀盘固化剂漏浆,选用的化学浆液主要为马丽散系列材料及瑞米加固堵水1号，根据现场试验应用效果来看，主要有粘度低可灌性好、凝结时间可控、膨胀倍数可调节、固定进料配比操作简单等优点。现场实践表明，化学浆液在岩石单体强度较高、围岩节理裂隙间刀盘固化剂漏浆 无夹泥现象、地下水较丰富情况下灌浆效果较好，灌浆施工时扩散半径约1.01.5m，平均延米灌浆量约0.20.5t；若裂隙间夹泥现象突出、炭质片岩条件及围岩遇水泥化情况下灌浆效果差，可灌性略差，其扩散半径约为0.20.6m，平均延米灌浆量在0.020.

46、1t。具体情况如下图所示：,化学灌浆强度试验,掌子面化学灌浆固结效果,（3）人工扩挖 以伸缩盾3个观察窗和尾盾顶部临时割开的方孔为通道，采用风镐和撬棍向支撑盾、前盾和尾盾方向将围岩挤压的区域人工扩挖，用方木、木板和扒钉搭建临时支撑，扩挖尺寸6080cm，将盾壳半圆以上部位全部掏空，如图所示。,盾壳扩挖后支撑情况（上图）,人工扩挖施工（下图）,（4）边刀外垫，增大开挖直径 将刀盘的2125号刀具依次用垫块垫高5mm、10mm、15mm、20mm、25mm，使25号边刀外伸25mm，刀盘开挖直径加大50mm。 （5）前盾打孔注黄油 在外伸缩盾盾壳拱部钻注脂孔，连接1套气动油脂 泵和分配阀系统，向盾

47、壳和围岩之间注入廉价黄油，减小摩擦力。 （6）支撑盾前小扩挖 辅助推进油缸换步压力升高到400bar以上后，将内伸缩盾缩回到外伸缩盾内，用风镐将支撑盾前方围岩扩挖510cm，边扩挖边换步。,四、硬岩恶劣地质的类别和处理原则,恶劣的地质包括：、非常硬的地质、很硬且易破碎的岩石、无法自支撑的岩石、挤压性岩石、掌子面/洞顶塌方、膨胀地层、大量涌水、特大涌水洪水、其他突发地质,非常硬的地质,特点,大块硬度很高且耐磨的岩石 300兆帕以上,超过50%的二氧化硅含量,处理原则, 大块硬度很高且耐磨的岩石 300 兆帕，加上 50%的二氧化硅含,量, 尽可能采用最大的高质量重载滚刀 （ 19吋或20吋） 具

48、备高技能的换刀工人, 做好充分换刀记录，从边缘滚刀到中心刀,很硬且易破碎的岩石,处理原则, 岩层预处理, 岩层支护尽量靠近刀盘处, 最好的支护方法是预制钢排、木栅、钢瓦片、钢筋网等,无法自支撑的岩石处理原则,钢筋网支撑刀盘后面，立即喷射混凝土必要时，其他办法联合使用,挤压性岩石处理原则,通常情况下，会出现部分的超挖，在超挖区域内，应采用可伸缩型结构 设计，包括：可伸缩钢拱架、伸缩油缸、带可伸缩锚杆的混凝土注射结构，或者综合使用上述支持方法,掌子面/洞顶塌方处理原则,带锚杆的钢筋网，可伸缩锚杆，钢拱, 环形梁，或综合使用上述方法钻孔，环形梁或注浆装置稳定住岩层的运动，最大程度地限制岩石层的扰动影

49、响，是施工的关键,膨胀地层处理原则,在刀盘后面立即喷射混凝土极恶劣条件下，需要超挖使用注浆，岩石钻孔，环形梁装置,大量涌水处理原则,通过超前钻，探测到水喷涌的可能性到达含水层之前 ，进行 注浆检查注浆孔情况，确定注浆效果,其他突发地质,上层滞水或裂缝或其它通往水源的通道敞开式TBM或护盾式机器遭遇洪水,挤压/膨胀地层可以卡住 任何 机器 ， 抬升底拱 /破坏隧道轨迹断层带任何事情都可能发生,TBM选型原则,TBM 类型及其使用特点,影响硬岩TBM性能的因素,力,贯入度耐磨性渣土组成贯入度支护所需的时间耐磨性渣土分级,岩石岩石类型矿物质构成岩石强度(压力、张力 、分裂抗拉强度和剪应力)不均匀性 岩体开挖轴线上的岩层和裂隙节理孔隙水,TBM,直径推力和扭矩滚刀类型刀具间隙刮刀支护安装设备,贯入度隧道开挖面的稳定性岩石片尺寸支护所需的时间,选型依据,TBM 选择的一般条件,1.长距离掘进,2.开挖断面大,3.掘进速度要求高,4.软弱地层快速掘进及支护,5.深埋隧洞的潜在挤压变形,6.掘进机的组装和拆卸,选型依据,掘进机选择的地质因素,1.岩石类别,2.岩石完整稳定性,3.岩石可支撑性,4.掘进性能,5.支护速度,6.不良地质及地质灾害,谢 谢 各 位 !,