1、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 6一1 概述 隧道一般指作为地下通道的工程建筑物，在国民经济的许多领域、 行业都有比较广泛的应用等。 隧道是铁道和公路线路的重要组成部分，有降低线路纵坡、增大曲 线半径、缩短线路长度、改善运营条件和保证行车安全的特点，一般在 线路上遇到障碍（如高山、水域等），修建地上线有困难或不合理的情 况下采用。 1、隧道的分类 ( l ）岩石隧道和软土隧道。 ( 2 ）按地理位置可分为山岭隧道、水底隧道、城市交通隧道、地下 铁道和航运隧道、引水隧道。 ( 3 ）按隧道长度可分为特长隧道、长隧道、中隧道和短隧道。 按隧道断面形状可分为单孔隧道、双孔隧
2、道和多孔隧道。 第六章 隧道工程机械化施工2 第六章 隧道工程机械化施工3 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 ）
3、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4 第六章 隧道工程机械化施工5 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、。 ( 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6 第六章 隧道工程机械化施工7 第六章 隧道工程机械化施工8 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
5、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9 第六章 隧道工程机械化施工10 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
6、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 第六章 隧道工程机械化施工14 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
7、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15 第六章 隧道工程机械化施工16 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
8、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17 第六章 隧道工程机械化施工18 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
9、。 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19 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
10、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
11、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20 第六章 隧道工程机械化施工21 第六章 隧道工程机械化施工22 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23 第六章 隧道工程机械化施工24 第六章 隧道工程机械化施工25 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
12、，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
13、工26 第六章 隧道工程机械化施工27 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
14、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28 第六章 隧道工程机械化施工29 第六章 隧道工程机械化施工30 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31 C、喷混凝土
15、 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
16、 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32 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，10m/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
17、，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33 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34 德国德国 Schaeff ITC312H型挖装机型挖装机 第六章 隧道工程机械
18、化施工35 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
19、的轨距为2840mm，均为 43kg/m钢轨。 第六章 隧道工程机械化施工36 配合进行装渣作业配合进行装渣作业 挖装机与梭式矿车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37 第六章 隧道工程机械化施工38 第六章 隧道工程机械化施工39 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
20、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40 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
21、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 . 5-5m ，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，
22、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41 第六章 隧道工程机械化施工42 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
23、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43 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
24、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44 第六章 隧道工程机械化施工45 b、巷道式通风 利用巷道作为循环风
25、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46 、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
26、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47 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7590 q风动机具所需风量，m/min, q漏管路及附件的漏耗损失，其值为： q漏=dL,m3/min;d每公里漏风量，平均为 1.5 m/min 2.0 m/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0.5M
27、pa的要求，空气压缩机产生的压 缩空气的压力一般为0.70.8Mpa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48 、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。 、隧道施工供电 隧道施工供电，包括生产用电及生活用电等
28、。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49 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6kv10kv，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
29、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 1224V）； 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50 第六章 隧道工程机械化施工51 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
30、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52 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
31、 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53 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54 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
32、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55 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
33、，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（30 0米左右）设 一会车道。 第六章 隧道工程机械化施工56 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57 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（）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
34、 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58 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59 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
35、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60 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61 第六章 隧道工程机械化施工62 工程实例： 西合线东秦岭隧道（12.268km)
36、：单洞双线，铁一、十八局施工。施 工断面91-101m 。采用贯通式平导 (4.8x6.15+4x4.5m；平均28m ) 实际贯通工期： 2000.3.11-2002.7.28 主要施工设备： 造价：开挖170 元/m ； 衬砌800元/m 。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 3.4 m 590 万元/台 小松常林WA470-3装载机 (3 m, 214KW) 176 万元/台 德国ITC312H4挖装机 (电动
37、75KW，柴油63KW）580万元/台 运碴：青岛STARE 20T 自卸车 40.2 万元/台 ( 7台) 瑞典VOLVO A25C 25T 铰接自卸车 191.6万元/台 ( 8台) 第六章 隧道工程机械化施工63 6一3 TBM法 全断面岩石掘进机，简称TBM ( Tunnel Boring Machine ）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
38、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 第六章 隧道工程机械化施工67 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68 2、 TBM 法施工的
39、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 . 5 m /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
40、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69 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
41、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70 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（ 5 . 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
42、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71 缺点： 1）一次性投资大，重量大，运输安装费时费力。
43、秦岭隧道引进 的TB880E型掘进机（8 . 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
44、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72 第六章 隧道工程机械化施工73 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
45、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74 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
46、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75 第六章 隧道工程机械化施工76 我国从90年代以来，已成功地研制了直径3.86.34m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
47、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1.23m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 3.8m3.8m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600800mm的中心螺 杆出土顶管机、夯管顶管机和水平定向钻机
48、等设备。 第六章 隧道工程机械化施工77 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
49、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78 第六章 隧道工程机械化施工79 ( 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
50、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80 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
