2016一级市政_隧道工程机械化施工

第六章隧道工程机械化施工1 第六章隧道工程机械化施工2 2、隧道的结构隧道结构分主体建筑物和附属建筑物。主体建筑物由洞身衬砌和洞门两部分组成；附属建筑物包括排水、通风、供电、通信、信号、照明、监控、防灾、报警等设施所需的建筑物以及避车洞和人行道等。修建隧道是为了在地下占据一定的空间，以保证车辆安全运行。坑道必须稳定或者用足够强度的支护结构来保证隧道的稳定。在通常情况下，开挖后除坚硬、整体、耐风化的围岩能自身维持坑道的稳定外，对大部分围岩都需要修筑永久性支护坑道的结构–衬砌。隧道衬砌的结构有以下几种类型：(l）整体式衬砌（模注混凝土衬砌）。(2）复合式衬砌，主要应用于新奥法施工的隧道。(3）锚喷衬砌这是一种采用锚喷支护作永久衬砌的结构形式。(4）拼装式衬砌，目前在山岭隧道中极少使用。第六章隧道工程机械化施工3 第六章隧道工程机械化施工4 开挖隧道时，先开挖一段路堑，达到一定深度才开始挖坑道。路堑与坑道的交界叫洞口。保护洞口的建筑叫洞门。洞门的结构形式有：(1）端墙式洞门适应于岩体稳定的4类及以上围岩和地形开阔地区。(2）翼墙式洞门适应于岩体较稳定的3类及3类以下的围岩，以及需要开挖路堑的地方。(3）柱式洞门适应于地形较陡、围岩稳定性较差而设置翼墙洞门又受地形地质条件限制的地方。(4）环框式洞门适合于围岩整体性好、坚硬不宜风化的地区。(5）遮光棚是式洞门适应于洞口需要遮光的情况，其入口通常外伸很远。第六章隧道工程机械化施工5 第六章隧道工程机械化施工6 第六章隧道工程机械化施工7 围岩：是隧道开挖所影响的而且对隧道稳定性有影响的那一部分岩（土）体。围岩分类：是针对隧道开挖、支护、编制定额等的需要，而把与之相适应的地质条件进行分级，来评价工程岩体的稳定程度，是隧道工程设计施工的基础条件之一。正确的围岩分级是隧道工程首要的技术课题。隧道长度：指单洞进出口洞门端墙面之间距，标注为：xx米／左（右）洞。如隧道为双洞时，则此隧道长度应标为L=L左＋L右。隧道计量单位：一般称“座”。隧道宽度：指单洞的建筑限界净宽，如山岭区高速公路隧道单洞双车道宽度为7.5m。隧道建筑限界：包括行车道、两侧路缘带、余宽、检修道的总宽度。第六章隧道工程机械化施工8 第六章隧道工程机械化施工9 隧道的施工过程可以分成两大步骤。一是开挖，就是把坑道挖出来并把土石运出去；二是衬砌，就是把衬砌的材料运进来并把衬砌修筑好，使需要的空间能够保持下来。目前隧道及地下工程施工方法可归类为4种，即明挖施工法、暗挖施工法、浅埋暗挖法和沉埋管段施工法。1、明挖法先把隧道及其上方的地层全部挖开，然后修筑衬砌，再进行回填把隧道掩埋起来，如：修筑明洞、浅埋地铁或地铁车站等工程。其最大缺点是严重干扰交通，破坏环境；大面积拆迁已不可能或承受不起，目前应用极少。2、暗挖法全部工程作业都在地下进行，主要施工方法有：钻爆法（喷锚构筑法）、盾构法和掘进机法、液压冲击锤开挖法。3、沉埋管段法隧道穿越江河海峡时，采用沉埋管段建筑的施工方法。要求装备大型水上吊装设备和水下挖沟装置。第六章隧道工程机械化施工10 第六章隧道工程机械化施工11 第六章隧道工程机械化施工12 第六章隧道工程机械化施工13 4、浅埋暗挖法是一种在离地表很近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法和盾构法不适应的情况下，显示了巨大的优越性。浅埋暗挖法施工步骤：1）先将钢管打入地层，然后注入水泥或化学浆液，使地层加固。2）地层加固后，进行短进尺开挖，一般每循环在0.5–1.0米，随后即作初期支护。3）施作防水层。4）完成二次支护，一般情况下，可注入混凝土，特殊情况下要进行钢筋设计。北京长安街下的地铁修建工程采用的就是浅埋暗挖法。第六章隧道工程机械化施工14 第六章隧道工程机械化施工15 §6一2钻爆法钻爆法（钻眼爆破作业法、DBM、喷锚构筑法）是在十九世纪六十年代随着第一台风动凿岩机的出现和黄色炸药的发明而出现的施工方法，经过100多年的发展，有了喷锚支护、控制爆破、新奥法、门架台车、全液压凿岩台车等技术和设备，向着全断面、大断面、机械化、高效、快速方向发展。目前，公路和铁路隧道开挖主要还是用这种方法。钻爆法施工一个开挖循环的程序是：测量放线～布孔～钻孔～钻孔合格检查～装药联网～孔网检查合格～起爆～通风排烟～松动围岩或掉块处理～出碴～挂网（视情况而定）～安装钢肋（视情况而定）～喷混凝土～安装锚杆（视情况而定）。往复循环，不断掘进。每个循环的开挖进尺取决于钻孔深度。一般情况下，孔深为3.5m，进尺可达到3.3m。第六章隧道工程机械化施工16 第六章隧道工程机械化施工17 一、开挖方法开挖方法的选择主要根据隧道断面大小、围岩的稳定情况，采用全断面一次开挖或分部开挖。全断面开挖法主要作业过程是：开挖工作利用凿岩台车钻出整个面的全部炮眼，一次爆破成洞；通风排烟后用大型装渣机出渣；出渣完毕后就开始下一钻爆循环。分部开挖法：当隧洞断面较高时，常分台阶自上而下开挖。上部断面的布孔（钻水平孔）与全断法相同相同，但下部台阶的开挖则采用梯段爆破法钻垂直炮孔，用药量少，爆破效果好。分部开挖以导洞先行，有利于尽快贯穿洞身，或与竖井连接，能简化通风系统；也可第六章隧道工程机械化施工18 作为主洞的探洞，事先摸清地质情况。此外，开挖大断面平洞，尚有中心导洞辐射钻孔法，在断面中央用小型机械开挖中导洞，在导洞中用履带钻或拖式车钻向四周钻辐射孔，以扩大开挖成洞。二、炮孔布置岩石隧道的钻爆开挖，为提高爆破效率必须首先增加爆破自由面数目。因此，在断而中部先爆破出一个缺口，然后再引爆其余炮孔。这一缺口的形成称为掏槽。断面上的钻孔可分为掏槽孔和崩落孔，而崩落孔又可分为辅助孔和周边孔。每一隧道断面的炮孔数日和布置型式应根据断面大小、岩石性质和循环进尺等因素设计确定，并使钻孔方便。根据掏槽型式，隧洞断面的钻孔布置可分为楔形掏槽和平行直孔掏槽两种。楔形掏槽由数对对称的相向倾斜的炮孔组成．对钻孔质量要求稍低。为使隧洞周边整齐不超挖药的空孔，周边孔的间距、药量应按光面爆破要求设计。平行直孔掏槽的中间两孔是不填药的空孔。这种布置型式的优点是易于实现钻孔自动化，便于达到要求的循环进尺，增大爆破深度。其缺点是增加了钻孔数量，且对炮孔要求的质量高。第六章隧道工程机械化施工19 第六章隧道工程机械化施工20 第六章隧道工程机械化施工21 三、钻孔机械常用的有：1、液压凿岩台车；2、门架台车；3、汽车式简易凿岩台车第六章隧道工程机械化施工22 第六章隧道工程机械化施工23 第六章隧道工程机械化施工24 四、新奥法（NATM)即奥地利隧道工程建设新方法的简称。该法1948年提出后，世界各地普遍运用，已成为现代隧道工程新技术标志之一。A、新奥法施工要点：1、开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破、大断面开挖，减少扰动。2、根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛。具体作法：第一次喷混凝土3-5cm厚，安锚杆，铺钢筋网，立钢拱架，喷二次混凝土到设计厚度。3、通过施工中对围岩和支护的动态观察测量，合理安排施工顺序，进行设计变更及日常的施工管理。光面爆破：也叫修边爆破，是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术，是通过一系列措施对隧道周边部位实行正确的钻孔和爆破，并使周边眼最后起爆的爆破方法。爆破后，设计轮廓线内的岩石适度破碎，而围岩稳定性得以保持，适用范围广泛，在软岩中级岩浅孔爆破中效益明显。第六章隧道工程机械化施工25 第六章隧道工程机械化施工26 预裂爆破：是在开挖轮廓上钻互相平行的比较密集的炮眼，装药后使之比其他爆破眼先起爆，使爆破后各爆眼间形成相互贯通的裂隙，与原岩体分割开来，然后再起爆其他炮眼。因轮廓线上裂缝已形成，当其他炮眼起爆时，不会引起原岩体的破坏，而形成光滑的平整壁面。预裂爆破可起较大的隔振作用，一般适用于硬岩深孔爆破。在软弱围岩中也可得到较好的爆破效果。隧道围岩变形量测：在隧道开挖过程中，对围岩一支护系统的变形过程所作的量测，叫作隧道围岩变形量测。它是新奥法现场量测的首要内容。喷锚支护是隧洞施工的重要环节，以确保施工安全和施工进度，也是“新奥法”的一项主要手段。所谓喷是指用喷射方法将混凝土喷到围岩表面及裂缝中，使其快速凝固后起到支护作用。所谓锚是指在隧洞围岩上钻孔安设杆件，使它锚固在岩体内以加固围岩。第六章隧道工程机械化施工27 第六章隧道工程机械化施工28 第六章隧道工程机械化施工29 B、锚杆施工锚固在岩体内的杆件称为锚杆。常用的金属锚杆有楔缝式、胀壳式、爆固式、开缝式和水泥砂浆或树脂式等多种。在隧洞综合机械化施工中，钻凿锚杆孔的钻机可以利用钻车的支臂钻机朝洞壁钻径向孔，而更多的是利用架设在钻车平台上的专门钻锚杆孔的支臂钻机。也有用专门设计的锚杆台车钻孔和安插锚杆的。第六章隧道工程机械化施工30 C、喷混凝土喷混凝土施工是将砂、石、水泥和速凝剂等材料用高速气流输送和喷射到隧洞围岩表面和裂缝中，使其快速凝固起到支护作用。除采用压缩空气作为喷射动力外，也有利用机械抛射原理的喷射机。喷射混凝上所用材料中，一般采用500号以上的普通硅酸盐水泥。平均粒径为0.35一0.5mm的粗砂，粒径不大于20（碎石）mm与25（卵石）mm的粗骨料·以及掺量为水泥用量的2％一8％的速凝剂，按照一定的配比掺合应用。为了提高喷混凝土的强度，一种在混凝土中掺入1％一2％钢丝的钢纤维喷混凝土方法逐渐得到推广应用。一般使用直径0.4mm、长度不短于12.5mm的短钢丝，它由专用的钢纤维机制作，而且一还制成螺旋状或其他钩状。喷混凝土施工工艺可分为干式和湿式两种。干式喷射是将粗、细骨料和水泥干拌后，经喷射机由压缩空气输送到喷嘴处再加水喷射，如需加入速凝剂应在喷射前加入。湿式喷射是将水、水泥、粗细骨料一次拌和好，用喷射机输送到喷嘴加入速凝剂后喷射。第六章隧道工程机械化施工31 干式喷射的主要优点是：输送距离长，设备简单，耐用。但施工粉尘较大，回弹率达15-50%。干喷作业产生的粉尘危害健康。湿式喷射的优点是：1）粉尘小；2）生产率高，10m³/h。3）回弹率低，10%以下。4）质量高。但设备较复杂，操作及维修不及干喷机方便，需用的液体速凝剂售价高，尚不能实现国产。国际上发达国家推行湿式喷射，我国主要采用干式喷射。第六章隧道工程机械化施工32 五、机械化出碴根据隧道断面的大小不同，出碴方式分为有轨（轨道式）和无轨式两种。类别钻孔台车装岩设备运输设备有轨运输轨道式钻车（门架台车）1、立爪式装载机2、反铲挖装机1、矿车2、梭车无轨运输1、液压凿岩台车；2、汽车式简易凿岩台车1、轮式装载机2、履带式装载机3、短臂挖掘机1、后卸、整体（铰接）车架自卸车2、单轴牵引运输车第六章隧道工程机械化施工33 德国SchaeffITC312H型挖装机第六章隧道工程机械化施工34 1、有轨运输形式有轨运输适用于单线铁路长隧道出碴运输，运输设备的选定应结合隧道端面、围岩等级，施工工期、钻孔设备能力等因素确定。有轨运输大多采用电瓶车或内燃机车牵引，采用矿车或梭式矿车运石渣，是一种适应性较强也较为经济的运输方式。有轨运输采用四轨三线制，即在隧道内辅设四根钢轨形成两条运输线（轻车线、重车线）的同时，使两线的相邻两条钢轨满足构成第三运输线（中线）的条件，其核心是使用一组特制的双开对称道岔。门架式台车行走在外侧两根钢轨上，出碴时运输车辆穿过门架式台车在中线（第三线）位置装碴，并经特制对称道岔分别轻、重车线进出。三线均采用900mm轨距模式，门架式台车的轨距为2840mm，均为43kg/m钢轨。第六章隧道工程机械化施工35 配合进行装渣作业挖装机与梭式矿车配合进行装渣作业第六章隧道工程机械化施工36 第六章隧道工程机械化施工37 第六章隧道工程机械化施工38 2、无轨运输方式无轨运输主要指采用轮胎式运输车辆运输出碴。无轨运输多数采用轮胎式装载机或履带式装载机向车辆装渣。在隧洞施工工作面窄、高度有限、地面岩石尖锐和泥水横流的恶劣条件下，选用的轮胎式装载机应配有耐磨防滑的链条轮胎和废气净化装置，铲斗除前卸外尚能侧卸。只有在工作面宽度大于12m时，才可使用前卸铲斗向车厢装载。履带式装载机一般也是铲斗前卸式的。如果两履带能分别驱动，可实现原地转向时，其操纵灵活性并不亚于铰接转向的轮胎式装载机，使用起来仍很方便，况且在不平的岩面上工作，履带底盘的稳定性和耐磨性也比轮胎式的优越在大断面地下洞室施工中，尚可采用短臂正铲挖掘机向车辆装渣，但生产率较低。此外，履带式的和轮胎式的蟹立爪装岩机亦可用来向轮胎车辆装渣，包括自卸汽车和轮胎式梭车等。在隧洞施工中，从避炮和转移工作面的要求考虑时，轮胎式装渣机械要比履带式的机动。第六章隧道工程机械化施工39 适于隧洞运输出渣的车辆包括短轴距、后卸或侧卸的重型自卸汽车、后卸的铰接转向的自卸汽车、还有单轴牵引车拖带的后卸式半拖车等。这些车辆中应选用低污染或带有废气净化装置的。地下工程使用的装载机斗容一般为1.5-5m³，与之配套汽车的载重量为10-32t，以维持其斗容关系为1:3一1:5。选用单向行驶自卸汽车时，需在洞中设置调向转盘，因此，最好选用能双向行驶的自卸汽车。双向行驶的汽车备有两套转向装置．欲倒向行驶只需将坐倚转180即可，使驾驶员驾车进出隧洞都可面朝前方，无需在洞内调车。选用短轴距的和铰接转向的自卸汽车是因其转弯半径小。选用后卸式半拖车出渣是比较理想的，因为车厢坚实耐冲击，且排出大块岩渣比底卸的车辆顺畅。铰接转向的车身转弯容易，而且两轴轴距还可采用弓起车厢方法缩短，从而进一步减小转弯半径，．出入隧洞更为方便。在采用无轨运输的长隧洞施工中，如弃渣地点很远，则车辆运输循环时间就很长。为加速处理工作面上的堆渣，也可将岩渣光堆放洞内某处·再作第二次搬运。第六章隧道工程机械化施工40 第六章隧道工程机械化施工41 3、出渣运输方式的选择主要根据开挖断面大小、隧洞长度和隧洞衬砌方法进行选择。有轨运输的优点是：适于各种断面的开挖；对通风的要求比无轨运输低得多，更适于长隧洞施工；采用门架式轨道钻车，既允许出渣列车穿过其下，而且钻车本身的多层平台能为装药、打设锚杆、喷混凝土、安装钢丝网、钢筋和通风管等工作提供方便；全部采用轨道式设备时，对选择衬砌程序比较方便；而且还有多种轨道式混凝土衬砌设备可供选用。有轨运输的缺点是：设备调动和转移不便，常固定在一个工作面上使用；出洞卸渣仅限于洞口附近，不及自卸汽车远送方便；设备在完工后转让价值有限。无轨运输的优点是：轮胎式设备具有良好的机动性，一套设备能为两三个工作面服务；出渣地点运距不受限制，能送到道路所及的渣场而无需中转；设备的通用性好，能用于其他工程。第六章隧道工程机械化施工42 无轨运输的缺点是：设备用量和尺寸一般均较大，工作宽度也大，要求有较大的通过空间和较宽的路基，为此因设置避车和停放洞室所引起的附加工程量也是较大的；设备中柴油机车辆数量增多，要求的通风量增加，通风管道和动力费用加大；对设备的维修管理比轨道式的要求高；给以后隧洞衬砌工作带来一些困难和问题。六、风水电供应1、施工通风分为自然通风和机械通风。自然通风是依靠洞内外温差是空气对流而起通风作用。长度在200m以内的短隧道或长隧道在洞门以内不足100m的地段可采用。机械通风常用的有风管式和巷道式。a、风管式：采用通风机和与之相连的风管。根据通风机的工作方式可分为压入式、吸出式和混合式。对于隧道施工，要求通风机风量大，尺寸小，重量轻，调整方便，便于装卸和运输等，因此多采用轴流式风机。第六章隧道工程机械化施工43 第六章隧道工程机械化施工44 b、巷道式通风利用巷道作为循环风流通道的一种通风方式。整个通风系统是由一个主风流循环系统和一个或一个以上的局部风流循环系统组成。第六章隧道工程机械化施工45 ２、压缩空气供应在隧道施工中，以压缩空气为动力的风动机具主要有：风钻台车、喷射混凝土机具、锻钎机、压浆机等。要保证这些风动机具的正常工作，需有足够的压缩空气供应，即要有足够的风量和风压供应给各个风动机具，同时还应尽量减少压缩空气在管路输送过程中的风压和风量损失，以达到即能保证风动机具进行正常工作，又能达到降低消耗、节约能源、降低成本及保证施工质量的目的。空压机站供风能力计算压缩空气由空气压缩机生产供应。空气压缩机有内燃及电动等类型，空压机通常集中安设在洞口附近，称为空压机站。空压机站的供风能力Q值，取决于由储气筒到风动机具设备沿途的损失、各风动机具的耗风量、以及风动机具的同时工作系数和备用系数，即：空压机站的生产能力（或供风能力）Q可用式计算：第六章隧道工程机械化施工46 Q=（1+K备）（∑qK+q漏）km式中：K——同时工作系数K备——空压机的备用系数，一般采用75﹪～90﹪∑q——风动机具所需风量，m³/min,q漏——管路及附件的漏耗损失，其值为：q漏=d×∑L,m3/min;d—每公里漏风量，平均为1.5m³/min～2.0m³/min，L——管路总长（㏎）。km——空压机所处海拔高度对空压机生产能力的影响系数压风管道的选择，应不小于0.5Mpa的要求，空气压缩机产生的压缩空气的压力一般为0.7～0.8Mpa左右。为保证风动机具的风压，要求钢风管终端的风压不得小于0.6Mpa，这样通过胶皮管输送至风动机具的工作风压才不小于0.5Mpa。第六章隧道工程机械化施工47 ３、隧道施工供水隧道施工期间的生产用水和生活用水主要用途包括：凿岩机用水、喷雾洒水防尘用水、衬砌施工用水、混凝土养护施工用水、压机冷却用水、浴池用水、施工人员的生活用水等，因此需要设置相应的供水设施和排水沟。隧道施工供水基本要求：水质要求、用水量大小、水压及供水设施等应能满足工程和生活用水的要求。４、隧道施工供电隧道施工供电，包括生产用电及生活用电等。随着隧道施工机械化程度的提高，相应机械化施工耗电量越来越大，为了保证施工质量和施工安全，对隧道施工供电的可靠性要求也越来越高，因此隧道施工供电显得非常重要。隧道供电首先要确定总用电量，以便选用合适的发电机、变压器、各类配电开关设备和线路导线，以做到安全、可靠地供电、节约用电、减少投资等。一般施工现场总用电量，常采用估算式进行计算确定。第六章隧道工程机械化施工48 供电线路电压等级隧道施工供电电压，一般采用三相四线400/230（V）。长大隧道施工，可用6kv～10kv，动力机械的电压标准是380v；成洞地段的照明可采用220v。工作地段照明和手持电动工具，应按规定选用安全电压供电。隧道施工作业地段照明，必须使用安全变压器配电，其容量：输入电压为220V，输出电压宜用36V，32V，24V，12VL四个等级，便于根据作业工作面安全要求选用照明电压（成洞段和不作业地段可用220V，瓦斯地段不得超过110V，一般作业地段不宜大于36V，手提作业灯为12~24V）；隧道施工中的“三管两线”：高压风管、低压风管、高压水管、电线（高压、低压）、运输线。第六章隧道工程机械化施工49 第六章隧道工程机械化施工50 七、辅助坑道利用辅助坑道增辟新的工作面开解决工期问题。辅助坑道按其与隧道位置的相互关系和运输方式的特点，可分为横洞、平行导坑、斜井和竖井四种类型。1、横洞在隧道的傍侧、与正洞基本上处于同一水平面并与正洞相连的一种辅助坑道。根据当地的具体条件，横洞可以修成与正洞正交或斜交（交角不小于40°）。第六章隧道工程机械化施工51 对傍山沿河或侧面覆盖层较薄的隧道，设置横洞来增加新的工作面或作为运输通道是很有利的。有时，遇到在隧道洞口处桥隧相连，或洞口的地质条件不好、地形不利或路堑开挖量很大，一时不能进洞时，也可用开辟横洞的办法抢先进洞，使正洞施工和洞口路堑工程同时进行，互不干扰。横洞的运输采用单道还是双道，一般按正洞的来定，其断面尺寸一般也与导坑的单、双道断面尺寸相同。横洞的纵坡，一端与正洞相接，向外有不小于3°的下坡，以利于排水和运输。除了长隧道的横洞以外，横洞的长度一般不超过100米。横洞的开挖和支撑，与一般隧道导坑相同。不作为永久通风或排水用的横洞，一般不衬砌，隧道完工后，在其两端用浆砌片石封闭掉。第六章隧道工程机械化施工52 2．平行导坑（平导）在隧道一侧（或两侧）相隔一定距离与正洞相平行的一种辅助坑道。有时由于地形限制，其洞口端与正洞不能保持平行。在平行导坑与正·洞之间用横通道相连。第六章隧道工程机械化施工53 越岭的长隧道，由于受地形条件时，可以采用平行导坑来增辟工作面动力设备和运输道路等限制，难于采用其他辅助坑道时，可以采用平行导坑来增辟工作面，其方法是使平行导坑超前于正洞，在适当地点开挖横通道进入正洞，开辟新的工作面。平行导坑还可以起到以下几种作用：(1）平行导坑超前于正洞，可以起到地质勘探的作用，为正洞施工进一步提供更为详尽的地质资料；提前打通了平行导坑，有利于控制正洞的贯通误差；(2）平行导坑可以作为排水、通风和运输的通道，有利于解决正洞的排水、通风和运输干扰；(3）作为施工人员的安全通路；(4）作为分期修建双线隧道的导坑。第六章隧道工程机械化施工54 实践证明，长隧道设置平行导坑后，可以使正洞的施工效率提高50-60%，但由于要多开挖一个导坑，隧道的造价会增加20-30%，因此一般认为，只有长度在3000米以上，且不宜采用其他辅助坑道的隧道，或者有时每隔3、4个横通道设置一个反向横通道。平行导坑一般采用单车道断面，每隔适当距离（300米左右）设一会车道。第六章隧道工程机械化施工55 3、斜井相当于一个有明显坡度的横洞，长度大于2000米、埋置不深的或深埋而地表旁侧适宜位置有低洼地形，且地质条件较好的隧道，可以采用斜井作为辅助坑道。第六章隧道工程机械化施工56 斜井的平面位置，可以与正洞斜交或正交，斜交时与隧道中线的水平交角（β）不小于40度。井底与隧道的接头处，有时需要用一段平道连接，平道的长度一般为15-25米。斜井的断面尺寸取决于运输轨道数、斗车尺寸、设备布置、人行道宽度（不小于0.7米）等，斜井的高度（h）通常为2.6米，其宽度（b）有双轨单道2.6米、三轨双道3·4米。第六章隧道工程机械化施工57 4、竖井是在隧道的旁侧或洞顶开挖的一种竖直井筒。埋置较深的长大隧道，如果没有设置横洞或斜井的条件时，可在洞顶覆盖较薄、地质条件较好的适当位置，采用竖井作为辅助坑道。第六章隧道工程机械化施工58 隧道竖井的深度一般不超过150米。当地形地质条件许可时，可结合运输和通风的需要，尽量采用简易竖井，简易竖井的深度一般不超过40米。如果没有技术上的依据，竖井的位置宜设在隧道的一侧，其中线与隧道中线的距离为15-20米。竖井的结构主要包括：锁口圈、井壁、壁座、联接段和井下集水坑等部分。竖井通常采用圆形断面，圆形断面受力条件较好，开挖及支撑较简单，通风阻力也较在稳定的、压力不大的围岩里，可以采用矩形断面。矩形断面有利于施工设备的布置，施工也比较方便，不过支撑和衬砌的受力条件较差。第六章隧道工程机械化施工59 辅助坑道的设置原则:1、先斜井，后平导、横洞，最后再考虑竖井；2、减少辅助坑道的数量，增大设备的投入是今后隧道的发展方向。第六章隧道工程机械化施工60 第六章隧道工程机械化施工61 工程实例：西合线东秦岭隧道（12.268km)：单洞双线，铁一、十八局施工。施工断面91-101m²。采用贯通式平导(4.8x6.15+4x4.5m；平均28m²)实际贯通工期：2000.3.11-2002.7.28主要施工设备：造价：开挖170元/m³；衬砌800元/m³。正洞3.2-3.3万元/米钻眼：瑞典ATLAS353E三臂凿岩台车(3x45KW)800万元/台挪威AMV三臂凿岩台车（3x55KW）1038万元/台装碴：BROYT（博依特）EP600T履带式铲装机3.4m³590万元/台小松常林WA470-3装载机(3m³,214KW)176万元/台德国ITC312H4挖装机(电动75KW，柴油63KW）580万元/台运碴：青岛STARE20T自卸车40.2万元/台(7台)瑞典VOLVOA25C25T铰接自卸车191.6万元/台(8台)第六章隧道工程机械化施工62 §6一3TBM法全断面岩石掘进机，简称TBM(TunnelBoringMachine）是二十世纪五十年代在美国发展起来的地下工程施工机械，现在已经成为一种具有高科技水平的隧道（洞）施工机械。它由主机和后配套两部分组成：主机主要有刀盘、驱动系统、支撑推进系统、皮带输送机等，用于破碎岩石、集碴转载；后配套主要有管片安装机械手、豆粒石灌注机、运碴机车与车厢、翻碴机、弓型管片运输车等，用于出碴和支护。第六章隧道工程机械化施工63 第六章隧道工程机械化施工64 第六章隧道工程机械化施工65 第六章隧道工程机械化施工66 1、TBM法施工的掘进过程是：支撑系统把主机架牢固地锁定在已开挖的隧道洞壁上，推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给主机架和刀盘，而刀盘上装有滚刀并由电机驱动旋转，在强大的推力和扭矩的作用下，滚刀剪切挤碎岩石而一次性形成圆型断面。崩落在隧底的岩碴被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集在皮带机上，通过皮带机运送到运碴车卸碴，然后运到洞外出碴。第六章隧道工程机械化施工67 2、TBM法施工的一个掘进循环是：超前地质预报～实施超前加固（视情况而定）～掘进、卸碴出碴（包括底部清碴）、初期支护、仰拱块铺设、轨道延伸～换步、调向～进入下一个掘进循环。推进油缸推进一个行程，掘进机就掘进一个循环。如TB880E的每一个循环行程是1.8m。TBM是超大型的综合系统，设备的特点决定了TBM施工与钻爆法施工不同：(l）超大型综合设备(2）隧道工厂化施工，要求较安全的运输通道和组装场地及配套设备；(3）施工速度快，l-3.5m/h，要求材料、配件的供给储存必须满足需要；(4）设备复杂，要求配套设施齐全，且布局合理；对地质较敏感，灵活性小，对前期配套工程的依赖性强；(5）施工环节多，相互协调要求高；(6）用水量、用电量、刀具消耗量大。第六章隧道工程机械化施工68 3、TBM前期配套工程由于TBM的施工特点，决定了前期工程必须满足施工需要，否则将影响施工效率和工程效益。一般来说，前期工程应有：(l）运输通道；在新线工程设计时，考虑TBM施工的先决条件，必须能够顺利将TBM运输到施工现场，而且运输路程较短（指工程便道）、造价低。(2）组装场地、临时存放场地、预备洞室、起步洞室；起步洞室的长短、大小取决于TBM的刀盘直径及刀盘前面到TBM前外凯的距离。大于该距离也能满足施工要求，但易造成施工浪费。(3）仰拱块预制工厂、混凝土拌合站、仰拱块存放场地；(4）刀具、机车、材料车、碴车维修存放、仓储场地；(5）运输轨线及翻车机安装工程；(6）供电、供水设施场地；(7）机械加工、维修场地；(8）材料、配件仓储场地；(9）员工生活区工程。第六章隧道工程机械化施工69 4、TBM法的优缺点优点：1）快速：掘进机可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护（衬砌）等作业，流水线作业一次成洞，速度快，效率高。在引大入秦38号隧洞（Ф5.53m）施工中，平均月成洞1100m，最高月成洞1400m，最高日成洞75.2m。TBM掘进速度是钻爆法的5-20倍。2）优质：TBM开挖是机械破岩，避免了隧洞围岩因爆破而受到破坏，开挖洞壁完整光滑。3）经济：TBM施工长隧洞减少了钻爆法长洞短挖所需的支洞及临建设施的投资。TBM超挖量小，可节省支护衬砌量33-67%。在人员数量上，一般比钻爆法少30-40%。4）安全。对围岩扰动小，围岩出露后能及时进行初期支护，使围岩失稳和发生塌方的几率减少到最小。5）施工环境好。开挖灰尘量大大降低，本身配有强大的除尘、降温、通风和空气监控系统，使施工环境大大改善；又因机械化程度高，是工人的劳动强度不高。第六章隧道工程机械化施工70 缺点：1）一次性投资大，重量大，运输安装费时费力。秦岭隧道引进的TB880E型掘进机（Ф8.80m)，光主机就是3500万美元/台，950吨重。组装、调试至少要三个月时间。2）能源消耗大，比钻爆法多30％以上。3）对围岩地质条件要求比较高，对地质条件变化的适应性差。而深埋长大隧道必然要穿过不同地质岩层，这就使TBM的使用受到限制。TBM对中硬岩或软岩最适宜，对硬岩可以使用，但由于刀具磨损太快，工效要受到影响。对于断层破碎带严重的地层，岩溶发育地区、地下水丰沛地段，不宜使用TBM。作好地质条件超前预报，对于TBM施工是十分重要的。4）由于结构特点所决定，开挖成形的隧道截面只能是圆形，所以犯M适用于设计为圆截面的隧洞。5）开挖直径可调范围不大，只能按工程设计专门定作TBM。这就造成了使用的专用性和制造时的单台或小批量生产。使制造成本和售价居高不下。在施工结束后，专门制造的TBM的后续使用就可能成为问题。有可能闲置不用，造成浪费。第六章隧道工程机械化施工71 第六章隧道工程机械化施工72 §6一4盾构法（shield）一、概述盾构是一种集开挖、支护和衬砌等多种作业于一体的大型隧道施工机械，是用钢板作成圆筒形的结构物，在开挖隧道时，作为临时支护，并在筒形结构内安装开挖、运渣、拼装隧道衬砌的机械手及动力站等装置，以便能安全地作业。它主要用于软弱、复杂等地层的铁路隧道、公路隧道、城市地下铁道、上下水道等的隧道施工。使用盾构机械来建筑隧道的方法称为盾构施工法。施工程序是：建造竖井或基坑，将盾构掘进机吊入井内并安装就位；在盾构前部盾壳下挖土（机械挖土或人工挖土），一面挖土，一面用千斤顶向前顶进盾体，顶至一定长度后（一般为一片衬砌圈的宽度），再在盾尾拼装预制好的衬砌块，并以此作为下次顶进的基础，继续挖土顶进。在挖土的同时，将土屑运出盾构，如此不断循环直至修完隧道为止。第六章隧道工程机械化施工73 盾构法于1825年在英国伦敦泰晤士河下首次使用，经过170多年的技术开发，已能适应在各种复杂地层条件和施工环境中使用。由于城市的发展，地下铁道及其他城市基础设施建设急剧增加，以及城市环境保护和城市人口过度密集等条件的制约，明挖法所遇到的限制越来越多。随着土压式盾构、泥水加压式盾构的出现，对于不良地质地段和防止地面下沉的措施日益完善，盾构法已从特殊施工方法成为一般施工方法，并将逐步取代明挖法。盾构法是现阶段世界上修建隧道最先进的施工方法之一。当前已完工或正在施工的三大海底隧道工程：英法海峡隧道、丹麦海峡隧道、东京湾海底隧道。第六章隧道工程机械化施工74 第六章隧道工程机械化施工75 我国从90年代以来，已成功地研制了直径3.8～6.34m的土压平衡盾构掘进机10余台，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程，技术水平已接近国际先进，在隧道导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距，在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。在直径1.2～3m的顶管掘进机方面，我国已经先后研制了先进的反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水加压顶管机，国内已完全有能力制造国产机械，替代进口设备。最近，上海已研制了国内第一台3.8m×3.8m组合刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成了2条62m长的地下人行通道，使我国在异形盾构的开发研究方面挤入世界先进行列。在微型隧道掘进机方面，我国也已研制了直径600～800mm的中心螺杆出土顶管机、夯管顶管机和水平定向钻机等设备。第六章隧道工程机械化施工76 二、盾构的分类和特点1、盾构的分类按盾构断面形状的不同，可将盾构分为圆形、拱形、矩形和马蹄形4种；按开挖方式的不同，可分为手工挖掘式、半机械挖掘式、机械化挖掘式3种；按盾构前部构造的不同，可分为全部开口形、部分开口形、密闭形3种。按平衡地层土压方式可分为：气压式、局部气压式、水压式、泥水加压式和土压平衡式等。2．机械化盾构的特点l）机械化盾构施工的优点(l）提高工效，缩短工期一般日挖进能力在砂质土壤为人工的两倍，砂和亚粘土为人工盾构的3一5倍，粘性土为人工的5一8倍；(2）减少塌方，生产安全无论哪一种盾构都具有防止工作面塌方，平衡地下水压及减少塌方的优点。而且施工人员无需直接在掌子面操作，安全性高；第六章隧道工程机械化施工77 第六章隧道工程机械化施工78 (3）由于工期能缩短，节省劳力，因而可降低施工成本，经济性高；(4）施工环境好，施工人员无需在气压下工作，改善了恶劣的施工条件；(5）随着土层地质的变化，能变化挖进方法。2）机械化盾构施工的缺点(l）机械造价高，质量大，较普通盾构质量大1.5一2.0倍，适用于长距离施工。由于质量大，因此，在特软地层施工时容易发生沉陷；(2）任何一部分机械出故障，都必须全部停工检修。机械检修和准备作业时间长，机械利用率低；(3）设计加工制造时间长；(4）掌子面局部塌方（顶部），如发现不及时而继续掘进，会引起沉陷、局部超挖和加固操作困难；(5）更换磨损刀具困难。第六章隧道工程机械化施工79 三、盾构的原理和结构简介盾构种类较多，其施工方法也各不同，现介绍如下：（一）手工挖掘式盾构手工挖掘式盾构是盾构的最基本形式，其他形式的盾构都是由此而发展起来的。手工挖掘式盾构虽然在性能上有许多缺点，使用范围也受到一定程度的限制，但由于它所具有的优点，却仍受到重视而在继续使用。1．手工挖掘式盾构构造手工挖掘式盾构主要由盾壳、支护结构、推进机构、拼装机构、附属装置等5部分组成。1）盾壳盾壳是由钢板焊制而成的圆形壳体结构。它的主要作用是承受地层压力，起临时支护作用，保护设备及操作人员的安全；承受千斤顶的水平推力，使盾构在土层中顶进。同时，也是其他机构的骨架和基础。盾壳主要由切口环、支承环、盾尾等组成。第六章隧道工程机械化施工80 第六章隧道工程机械化施工81 第六章隧道工程机械化施工82 (l）切口环切口环为一圆环，前端带有刃口，长出的部分称为前檐，其内焊有锲形的纵向加强肋，数块斜板与切口环刃口组成内锥形的切口。(2）支承环支承环在盾构的中部，连接切口环与盾尾，使盾构构成整体。它由外壳、环状加强肋和纵向加强肋组成。(3）盾尾及密封装置：①盾尾盾尾在盾壳的尾部，由环状外壳与安装在内侧的密封装置构成。其作用是支承坑道周边，防止地下水与注浆材料被挤入盾构内，同时也是进行衬砌组装的地方。②密封装置为防止泥水和水泥砂浆从盾构外流入盾构内和盾构内压气向地层中漏泄，在盾尾内壁与衬砌之间设有密封装置。(4）钢板束与盖板钢板束用两层板铆接而成，依盾构直径大小分块包在支承环与切口环外面，在钢板束各块间的接缝处包有盖板。(5）立柱、横梁及工作平台在支承环内附两根垂直立柱，水平方向上有两条水平横梁并与立柱垂直相交。其作用是支承盾构体的结构，提高盾构壳体的承压能力。在支承环内，立柱、横梁将盾构断面分成上下、左右各3部分，构成两层水平工作台。这样便于工作人员进行开挖、运土等作业。第六章隧道工程机械化施工83 2）支护结构支护结构一般由活动前檐、活动工作平台和支护挡土板等构成。3）推进机构推进机构主要由千斤顶、千斤顶支座及液压动力站等组成。千斤顶的推力与台数是根据盾构外径、总推力大小、衬砌构件构造、隧道平面形状等条件来决定。一般为小断面采用20-30台，大断面用31一38台。千斤顶的支座是用铰接形式与千斤顶端部相连接的。这样可使千斤顶的推力能均匀地分布在衬砌的端面上，尤其是在曲线段施工时，铰接支座更有必要。4）拼装机构(1）拼装机构的作用随着盾构向前顶进，隧道的永久支护需要同时进行拼装。拼装机构的作用就是将运输到盾尾内的管片，逐片地进行拼装以构成隧道的永久性支护结构。管片通常在地面预制好，运输到盾构尾部。因此，拼装机构需要具备以下3个动作：即衬砌管片的提升、绕盾构轴线的回转和沿盾构轴向方向的平移。相应的拼装机构应设置起升装置、平移装置和回转装置。第六章隧道工程机械化施工84 (2）环形拼装机构环形拼装机构由转盘、支承滚轮、径向伸缩臂、纵向伸缩臂、举重臂、爪钩和平衡重等组成。5）附属装置主要为液压动力台车、变电控制设备台车、排水注浆设备台车以及真圆保持器等。2．工作过程及应用特点手工挖掘式盾构进行开挖作业时，首先开起全部或大部分千斤顶，将端顶伸出到衬砌环上，盾构在千斤顶的推动下向前推进，切口环切入土层中。如开挖面自稳性好，即可在切口环的保护下进行开挖作业；若开挖面自稳性较差，可开起活动前檐千斤顶使前檐贯入土层中，或同时开起支护千斤顶与活动平台一起顶住开挖面，保证开挖作业的正常进行。千斤顶的不断伸出，切口环不断切入土层，直到伸出全部行程为止。这时，盾构向前推进了一个衬砌环的宽度。然后，用拼装机进行管片衬砌作业和其他辅助作业，完成一个工作循环。手工挖掘式盾构主要用于开挖面基本上能自稳的土层中，支护挡板可根据开挖面情况，进行支护使用。第六章隧道工程机械化施工85 （二）土压平衡盾构日本IHI土压平衡盾构机为例：l）盾构系统组成第六章隧道工程机械化施工86 2）主要组成和功能(l）主要组成部分：①刀盘切削系统；②推进系统；③加泥与注浆系统；④螺旋输送机系统；⑤管片拼装系统；⑥盾尾密封系统；⑦皮带运输机系统；⑧数据采集与监控系统；⑨后续台车系统；⑩管片吊运系统。(2）主要系统的功能：①盾壳由切口环、支承环与盾尾3个部分组成，其作用是保护人和设备在地下正常掘进，主要承受土体压力和掘进过程中千斤顶的推进力。②切削刀盘系统刀盘采用中心支撑方式，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑系统组成。掘进时，十字辐条式刀盘直接与开挖面接触并旋转切削土体，切削下来的土体在密封舱内与外加泥或水充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大降沉。仿形刀主要为转弯或纠偏而设，其作用是创造转弯空间和减少转弯阻力。第六章隧道工程机械化施工87 ③推进系统推进千斤顶共有12个，考虑到小封顶轴向插人，而且管片能够实现错缝拼装，设4只行程为1800mm的千斤顶和8只行程为1180mm的千斤顶。千斤顶推进时，可进行编组和分区控制。④管片拼装系统该设备可实现绕轴向回转、径向提升和轴向平移等3个自由度的移动，由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳以及千斤顶等组成。⑤螺旋输送机螺旋输送机采用液压驱动，可根据密封舱内土压力伺服控制，是控制密封舱保持一定土压并与开挖面土压和水压平衡的关键。螺旋输送机还设有断电紧急关闭出土口装置，以保证隧道的施工安全。⑥注浆系统注浆分为衬背同步注浆与管片二次注浆两种，其中衬背同步注浆效果直接影响到地面沉降。衬背同步注浆系统可根据地层与地面构筑物状况，进行双液或单液注浆。第六章隧道工程机械化施工88 2．工作过程及特点(l）工作过程盾构作业时，首先起动液压马达，驱动转鼓与切削刀盘旋转，同时开启千斤顶，将盾构向前推进。土碴被切下并顺着刀槽进人到泥土仓中。随着千斤顶的不断推进，切削刀盘不断地旋转切削，经刀槽进人泥土仓的土碴不断增多。这时起动螺旋输送机，调整闸门开度，使土碴充满螺旋输送机。当泥土仓与螺旋输送机中的土碴量积累到一定数量时，开挖面被切下的土碴经刀槽进人泥土仓内的阻力加大，当这个阻力足以抵抗土层的土压与地下水压时，开挖面就能保持相对的稳定而不致坍塌。这时，只要保持用螺旋输送机从泥土仓中输送出去的土碴量与切削下来流入泥土仓中的土碴量相平衡，则开挖工作就能顺利进行。其他各工序与其他类型盾构相同。第六章隧道工程机械化施工89 (2）施工技术特点土压平衡盾构能适应较大的土质范围与地质条件，能用于粘结性和非粘结性、甚至含有石块、砂砾石层及有水与无水等多种复杂的土层中。但是它对砂土、砂砾土地层等透水性大的土层，在螺旋输送机内仍不大可能形成有效的防水壁，这种情况下，可在螺旋输送机卸料口处加装一个具有分离砾石的卸土调整槽，并向槽内注入压力水以平衡地层水压，这就形成了土压平衡型“加水式盾构”，进一步扩大了对地层的适应范围。同时，两种方法可根据地质情况交替使用，因此土压平衡式盾构的适用范围较广。土压平衡盾构无泥水处理设备，施工速度较高，比泥水盾构价格低廉，能获得较小的沉降量，也可实现自动控制与远距离遥控操作。土压平衡盾构由于有隔板将开挖面封闭，不能直接观察到开挖面变化情况，开挖面的处理和故障排除较为困难；切削刀头、刀盘盘面磨损较大，刀头寿命比泥水盾构要短，要求刀头的耐磨性比较高。第六章隧道工程机械化施工90 第六章隧道工程机械化施工91 思考题：1、钻爆法施工的开挖循环由哪些工序组成？2、新奥法施工要点是什么？3、钻爆法施工出碴的方式有哪些？各有什么优缺点？4、试对钻爆法和TBM施工进行比较，为什么铁路隧道大多数采用钻爆法？5、名词解释：光面爆破、预裂爆破、围岩、三管两线、四轨三线、喷锚支护6、隧道施工通风常用方式有哪些？7、辅助坑道的作用是什么？常用的辅助坑道有哪些？其设置原则是什么？8、隧道施工有什么特点？第六章隧道工程机械化施工92 服务理念中的“点点”◆理解多一点真情浓一点◆学习勤一点品质高一点◆理由少一点效率高一点◆处理问题灵活点工作过程用心点◆对待同事宽容点互相协作快乐点