地下结构设计7：掘进机法隧道支护结构设计

中，月进尺只有100m左右。在塌陷、涌水、暗河 、溶洞地段甚至要通过安全停机补理故障后才能 掘进，

鉴于掘进机对不良地质条件十分敏感，选用掘进
机开挖施工隧道时应尽量避免复杂地层，或增加
较多的辅助设备，才能处理不良地质段，但增加 辅助设备会增加设备的成本。

不适宜掘进机的施工： 塑性地压大的软弱围岩； 类沙性土构成的软弱围岩和具有中等以下膨胀 性的围岩；



掘进机与盾构的区别： 全断面隧道掘进机主要是通过盘形滚刀破碎岩石，是 以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护 掌子面稳定的功能，一般用在山岭隧道或大型引水工 程。掘进机主要采用皮带机出渣。 盾构主要用于软土层的挖掘，一般用在城市地铁，及 小型管道工程。盾构由稳定开挖面、掘进及排土、管 片衬砌及壁后注浆三大要素组成，其中开挖面的稳定 方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM 及比TBM复杂的主要方面。 盾构在刀盘上除切刀外还布置一定数量的滚刀，以适 应遇到的短距离岩石段。盾构采用螺旋输送机或泥浆 管路出渣。
国外3m以上的隧道，使用掘进机开挖已相当普遍。 掘进机直径随工程对象的需要而变化，一般来说，水 工隧洞直径为3～10m；铁路隧道直径为6～10m； 公路隧道，一般断面较大，采用的施工方法有两种， 一种是采用直径8～12m的掘进机一次成洞，另一种 是采用小直径的掘进机进行导洞施工，然后进行钻爆 法扩挖成形。 截至21世纪初，国外采用掘进机施工的隧道长度达 4000km以上，掘进机施工技术已逐渐成为一种成熟 并具高竞争力的隧道施工技术。


掘进机具有施工数据采集功能、姿态管理功能、 施工数据管理功能、施工数据实时远传功能，实 现了信息化施工。




3）TBM施工的局限性 （1）掘进机制造的价格较高，前期一次性投资成本 费用较高，工程建设投资高。 （2）设计制造周期长。根据目前市场情况，采购周 期一般需要12～15个月。 （3）掘进机针对性强，对多变的地质条件的适应性 较差。不同地质条件需要不同种类的掘进机及相应 的配置，因此其适应性没有钻爆法灵活。 （4）开挖断面只限于圆形，每台掘进机只能用于一 种开挖断面。 （5）要求施工人员的技术水平和管理水平高，施工 短隧道时不能发挥其优越性。 （6）运输困难，对施工场地有特殊要求。
●重 ●难
点 TBM法隧道的支护设计。 点 TBM法隧道的支护设计。
7 掘进机法隧道支护结构设计
7.1 概述
7.2 掘进机法及其应用
7.3 掘进机的结构类型及构造
7.4 掘进机法隧道的支护设计
7.5 掘进机隧道实施案例
7.1 概述

隧道掘进机（Tunneling Boring Machine，
简称TBM）是一种集掘进、出渣、支护和通
7.2.2 TBM法的应用

1）TBM的应用范围 掘进机的适用范围，必须根据岩石的抗压强度 ，裂隙、节理发育状态，涌水状态等地层岩性 条件的实际状况，机械构造，以及隧道的断面
、长度、埋深、选址条件等进行判断，综合考
虑。

掘进机适用于中硬岩层。 岩层的地质情况对掘进机进尺影响很大。在良好
岩层中，月进尺可达500～600m，而在破碎岩层
2）TBM施工的优点

（1）快速 掘进机掘进效率高，其掘进速度为常规钻爆法 的3～5倍。掘进机开挖时，可实现连续作业 ，从而可保证破岩、出碴、支护流水化作业。 而钻爆法施工，钻眼、爆破、通风、出渣等作 业是间断性的，因而开挖速度慢、效率低。


（2）优质 掘进机开挖施工质量好。采用掘进机开挖的隧 道内壁光滑，从而可以减少支护工程量，降低 工程费用。而钻爆法开挖的隧道内壁粗糙、凹 凸不平，且超欠挖量大，衬砌时处理困难，支 护费用高。 掘进机开挖隧道的洞壁粗糙率一般为0.019，比 钻爆法光面爆破的粗糙率还小17％。 掘进机开挖洞径尺寸精确、误差小，可控制在 ±2cm范围内。
7 掘进机法隧道支护结构设计
●内 容 隧道掘进机的类型、构造和工作原理、应用
范围；TBM法与盾构法的区别，TBM法与钻爆法相比 的优势和局限性；TBM法隧道的支护设计。
●基本要求熟悉隧道掘进机的类型、构造和工作原理、
应用范围；了解TBM法与盾构法的区别，TBM法与钻 爆法相比的优势和局限性；掌握TBM法隧道的支护结 构类型选择与设计。



（3）安全 对岩石的扰动小。影响范围一般小于50cm，可大 大改善开挖面的施工条件，且周围岩层稳定性较 好，从而得到安全的边界环境。 掘进机自身带有局部护盾或整体护盾，有利于施 工人员的安全。同时，机器上配置一系列的支护 设备，在不良地质处可及时支护，确保施工安全 。 自动化程度高，并配置电视监控和通信系统，作 业人员少，便于安全管理。
风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械 。掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层 挖掘隧道的一种施工方法。

掘进机问世于1952年，由美国Robbins公司 生产，发展至今，技术上已经很成熟。根据工 程对象的变化，其类型也呈现出系列化和多样 化的特点。

当隧道长度与直径之比大于600时，采用掘进机进行 隧道施工比较经济。

断层破碎带，岩溶发育带，严重涌水地段，岩 石单轴抗压强度超过250MPa的极硬岩，且节 理不发育、高硬度或高拉伸强度及高磨蚀性岩 石。

（4）环保
开挖时采用机械进行破岩，无钻爆法用的炸药等 化学物质爆炸及污染，人员劳动强度低、数量少 ，作业环境好，有利于作业人员的健康。 掘进机采用了计算机控制、传感器、激光导向、 测量、超前地质探测、通信技术，是集机、光、 电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工 成套设备，具有自动化程度高的优点。


7.2 掘进机法及其应用

1）TBM法与钻爆法比较 在隧道施工方法上，TBM法和钻爆法都是隧道施工 的成熟工法。 钻爆法较TBM法工序多，施工组织复杂，工期较长 ，超欠挖量大、安全性差，但地质、施工速 度快、安全性好。



从技术上比较，TBM法适用于工期要求紧、且以硬 质岩为主的圆形长隧道，而钻爆法则适用于短隧道 、地质条件较复杂的且不适合TBM法快速施工的工 程。