TBM导坑超前工法的研究.docx

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TBM导坑超前工法的研究

TBM导坑超前工法的研究

——大断面隧道施工方法之一

TBM导坑衬砌施工方法是在超大断面隧道的施工方法中，利用TBM快速施工的特征而形成的一种施工方法。

这是一种在开挖主洞之前，先用TBM快速掘进一个超前导坑，进行地质调查、排水、对超大断面隧道围岩改良等作业，而后用爆破法进行扩挖的一种施工方法。

1、TBM导坑的目的

超大断面隧道TBM导坑的主要目的是：

·确认前方围岩的地质状况；

·对前方围岩进行改良；

·高速掘进。

2、适用的地质条件

从目前的技术状况看，适用于比较良好的围岩，对不良地质要考虑具有一定的风险。

按日本的围岩分级，Ⅰ～Ⅳa级围岩可以采用，而Ⅳb、Ⅳc级也勉强可以应用，但需辅以相应的辅助工法，因为在这种情况下，围岩崩塌、土砂流出、涌水等，会使掘进成为不可能，软弱的围岩也会造成机体下沉等，因此，需要辅以一定的辅助工法。

Ⅴ、Ⅵ则应另行研究。

3、TBM的施工长度、掘进速度

TBM施工长度，从出碴等施工性考虑，最好在1.5km以上，如考虑经济性最好在5km以上。

超大断面隧道采用TBM导坑超前工法时，如果另外考虑TBM到机械费用，大概在2km以上是比较适宜的施工长度。

从最近的实绩看，TBM的月掘进速度约在100～350m左右，但遭遇不良地质时，速度会大幅度降低。

4、TBM的形式

TBM的形式有开敞式、复合地质式、全地质式等，最近采用的，有50％以上属于全地质式，越来越多地采用全地质式掘进机是一个趋势。

5、TBM开挖直径

TBM的开挖直径应根据其目的、力学稳定性、施工性、工期及经济性等综合考虑决定。

在地质条件和掌子面稳定性条件的容许范围内，尽可能地采用较大开挖直径的TBM为宜。

日本的经验认为，在超大断面隧道中，为了能够确保主洞围岩改良和补强的空间，最好采用直径5.9m的掘进机。

6、TBM导坑的设置位置

基本上有四个位置可以考虑。

·上半断面的顶部（顶设方式）

·下半断面的底部（底设方式）

·两侧壁部（侧壁方式）

·其它位置

下面加以简要说明。

6．1顶设方式

国外、特别是欧洲，TBM导坑设置在顶部的事例比较多。

日本秋田2号公路隧道也是设在顶部。

其优缺点是：

·能够确认隧道上半断面的地质状况，可取得主洞掘进时的掌子面稳定与否定最有用的资料；

·为了从上半断面进行围岩改良，这是改良拱部围岩最优点位置；

·主洞开挖一开始就可以利用导坑作为通风坑道，同时主洞石碴对导坑的影响比底设方式、侧壁方式都小；

·排除地下水，上半断面也是有效的，但开挖下半断面时，效果不好，要另外采取排水对策；

·TBM导坑的施工步骤，顶设方式与主洞同时并进是困难的。

因为同时进行上半断面开挖好出碴非常困难。

因此，最好在导坑贯通后，进行主洞的扩挖。

在顶设方式中，因上半断面的扩挖高度约8m左右，因此导坑的配置有设在上半断面上部和下部2个位置。

表8对其进行比较，认为配置在上半断面下部比较有利。

表8TBM导坑配置位置比较

项目

上半断面上部

上半断面下部

略图

地质确认

能够直接确认隧道大板的地质状况，扩挖时能够正确评价拱顶的稳定性

对隧道顶部队地质确认稍微不利

事前围岩改良

围岩补强的锚杆打设角度条件差，注浆及向下打锚杆的情况多，效率差

锚杆布置比较理想，支护效果好。

向下打锚杆的情况少，效率高

通风坑道的利用

能够有效地排除有害气体

有害气体可能滞留在上部空间

涌水排除

地下水位仅能降低到上部断面

能够让地下水位降低到上半断面附近

扩挖时的施工性

爆破也好，机械扩挖也好效率差，因导坑开挖拱顶有松弛的危险、

因是横向扩挖，效率好，导坑与上半断面底在同一水平，施工安全性高

图1是顶设方式的施工模式图

图1顶设方式的TBM导坑超前工法例

【施工事例】隧道名称：

意大利铁路隧道（PonteCardena），隧道长13200m。

采用顶设方式。

主要地质条件为凝灰岩、片岩等，抗压强度120～160MPa，部分为10～80MPa。

导坑掘进采用3.5m直径的掘进机。

图2为导坑配置及隧道断面图。

图2开挖断面图

施工实绩：

－平均月进：

39.8m，最大日进78m，最大月进1525m。

【施工事例】日本富士川隧道，长4.5km，在突破断层破碎带时采用TBM导坑掘进。

导坑配置采用顶设方式，如图所示。

图TBM导坑配置图

为了查明地质状况，首先沿隧道全长用3.5m直径的TBM掘进一条长4754m的辅助坑道。

从辅助坑道掘进中，不仅确认得不良地质地段，也验证了TBM掘进的问题。

因此在主洞扩挖中，采用了直径5.0m的TBM。

进行掘进。

导坑设在隧道顶部。

【施工事例】日本铃鹿公路隧道，成3938m，开挖断面积190m，其中3694m采用直径5.0m导坑掘进机掘进（图）。

图标准断面及导坑配置图

主要地质条件是砂岩、砾岩及泥岩。

抗压强度增20～10MPa之间。

隧道穿越大小30余条断层。

全体平均月进359m，最大月进769m。

6－2底设方式

TBM导坑配置在底部的优缺点如下。

·作为超前导坑确认地质状况：

由于确认隧道下部的地质状况，在上下断面地质条件各异的围岩中，要特别注意，对上半断面地质的判定；

·因导坑配置在下部，进行拱顶部分围岩改良时，改良范围和施工区域都必顶设方式大；

·导坑可以有效地利用作为主洞扩挖时的通风坑道，但配置在底部的场合，上半断面的通风状态毕顶设方式差；

·排除地下水，效果比较好；

·导坑的施工步骤有可能与主洞同时并进，特别是在工期受到限制的场合。

图2是底设方式的施工模式图

图2底设方式施工模式图

【施工事例】

隧道名称：

意大利Camporosso隧道。

长7027m，用TBM导坑掘进6500m。

导坑TBM直径3.9m，设在隧道底部。

其主要地质条件是泥灰石灰岩、石灰质

页岩。

隧道断面及导坑配置图见图1。

图1隧道断面及导坑配置图

6－3侧壁方式

作为自隧道两侧配置导坑的方式，在日本、捷克等国家都有实例。

此方式的特征如下。

·可以在主洞扩挖前确认地质状况，这与工期的侧壁导坑法是一样的。

·导坑位于隧道断面下部，特别是设两个导坑，排水效果好；

·扩挖上半断面时，可以从两个导坑同时进行上半断面的围岩改良作业；

·因是超大断面，上半断面的支撑有可能产生下沉，侧壁方式可以防止脚部下沉；

·TBM导坑的施工步骤有可能与主洞同时并进，特别是在工期有限制的场合。

侧壁方式的施工模式图示于图3。

图3侧壁方式施工模式图

【施工事例】

隧道名称：

舞子公路隧道，隧道长度：

600m，主要地质条件：

花岗岩，抗压强度500～2000khf/cm，埋深20～60m。

舞子隧道采用侧壁TBM导坑方式，其布置示于图3。

图3TBM导坑配置图

施工实绩：

平均日进：

7.6m；平均月进：

183m；最大日进：

13.8m；最大月进：

216.3m。

7、结束语

目前，在大断面隧道施工中，日本推荐的施工方法如下图所示。

台阶法TBM导坑超前法

导坑超前法上半断面中壁法侧壁导坑超前法

图代表性施工方法

主流施工方法是台阶法。

为了适应地质条件的变化，台阶法可有多种变化方案，如导坑超前法、中壁法等，但都是在台阶法的基础上变化的。

在推荐的方法中导坑超前法占据重要地位。

为了适应隧道机械化施工的发展，导坑超前法中，TBM导坑超前法有了进一步的发展。

这是一种趋势应该引起我们的关注。

对上述方法的比较研究结果如下。

工法

优点

缺点

适用围岩

上半断面超前台阶法

·能够利用大型施工机械、施工性好

·与CD法并用，即使遇到不良地质疑难适应

·在超大断面的场合，掌子面稳定性没有其它方法好。

比较适合良好的围岩

C1~C2

上半断面中壁法

·与CD法比，掌子面稳定性高，在不良地质条件下，辅助工法规模也小

·超前的掌子面也可以与导坑一样确认地质状况

·在适用区间连续条件下，比CD法的开挖速度毫不逊色

·综合速度较慢

·后进侧拱顶附近的锚杆不能成直角打设

·中壁要废除

·通风方法要研究

C2~D

采用辅助工法的短台阶法

·能够有效利用大型机械，施工性好

·视围岩条件变化，可变为台阶法

·辅助工法规模大

·需要掌子面前方探查，以决定辅助工法

C2~D

导坑超前法

·比CD法，掌子面稳定性高，辅助工法规模也小

·有涌水的场合，导坑可以作为排水坑道

·可从导坑进行围岩补强

·导坑和扩挖交互掘进。

掘进速度低

·导坑需要通风

·导坑支护要废除

C2~D