1.4 TBM隧洞施工技术特点

1.4.1 TBM破岩机理

1.4.1.1 盘形滚刀

（1）盘形滚刀结构。目前的岩石全断面TBM所用破岩刀具均为盘形滚刀（disc cut ter）。盘形滚刀的刀圈为整体结构，刀圈形状为圆形。盘形滚刀可分为单刃、双刃和多刃三种，如图1.2所示。单刃滚刀一般作为正刀和边刀使用，双刃和三刃滚刀一般作为中心刀使用。盘形滚刀的结构主要由刀圈、刀体、轴承和心轴等组成，如图1.3所示。刀圈是可拆卸的，磨损或损坏后可更换。

（2）盘形滚刀刀圈。刀圈断面如图1.4所示，刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等多种［26］。掘进硬岩时一般用较大的刀刃角，掘进较软的岩石时用的刀刃角则较小，对于特别软的岩石，刀刃角太小容易嵌入岩层中，破岩效果不好。增大刀刃角甚至做成平刃可改善掘进效果。楔形刀刃和岩石表面的接触宽度随着磨损的增加而逐渐加大，接触面积也随之增大，要达到和磨损前一样的贯入度需要更大推力，或在相同推力作用下贯入度将减小，从而影响TBM的掘进速度及刀轴的寿命。而平刃刀圈与岩石表面的接触面积在磨损前后变化很小，因而近来平刃刀圈的使用逐渐增多。

刀圈一般由高强度合金钢 （如H13钢）经过淬火、回火等工艺制成，其成分除了Fe之外，还含有一定的C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo、Cu等元素。刀圈的工作环境要求其表面硬度高且耐磨，内部韧性好，否则在高推力或冲击荷载作用下极易崩刃，因此刀圈材质和热处理工艺非常关键。TBM掘进过程中，在岩石的摩擦作用下，刀圈会发生磨损，对磨损到更换标准的刀圈要及时进行更换。如果刀圈更换量过大，会造成两个方面的后果：一方面是更换刀圈占用掘进时间，降低了TBM的施工速度；另一方面是会显著增加施工成本。刀圈的磨损受岩石的强度、摩擦性、刀圈的材质、性能等因素的影响，研发适合高摩擦性、完整硬岩的刀圈仍然是刀圈研究的一个重要方向。

（3）盘形滚刀直径。盘形滚刀直径和可承受的推力见表1.3。增大滚刀直径可以增大每把刀的额定推力。推力的增加在一定的岩石条件下刀盘转动一圈滚刀的贯入度也随之增加，从而提高掘进速度。此外，刀具直径增大，允许磨损体积也增大，因而寿命延长，现在直径12in[2]以下盘形滚刀已被淘汰。但刀具直径增大使重量大增而引起换刀困难，增加了换刀停工时间，允许磨损量的增加也使新刀刀刃超前容易引起滚刀过载而损坏。目前常用的滚刀直径是17in、19in、20in三种，在硬岩大洞径隧洞采用大直径盘形滚刀是滚刀发展的趋势。

（4）滚刀间距。盘形滚刀间距是影响TBM掘进速度的一个重要影响因素。试验表明，在给定地质条件下，当减少刀间距时，获得一定掘进速度所需推力将下降。这意味着在坚硬的岩石情况下，维持每把刀推力不变，通过减少刀间距，可以增加掘进速度，但是相应要求增加机器总推力，并产生更小的碎石屑。而碎石屑越小，切削岩石要求的比能越大，开挖过程的经济性就越低。如果刀间距过大，则相邻滚刀间的裂纹不容易贯通，岩片无法剥落，需要滚刀切入更深的岩石才能贯通，TBM掘进效率降低。比较不同刀间距开挖岩石所消耗的能量表明，每种岩石均有一个最佳刀间距，这个最佳的刀间距是围岩强度、节理裂隙发育程度的函数。在硬岩情况下，最优刀间距大约是10～20倍的贯入度，在65～90mm之间，软岩大约是100mm，不同工程的TBM的刀间距统计见表1.4。刀盘一旦制造完成，TBM在使用过程中，刀间距基本无法改变，因此为了提高TBM的适应性，刀间距应尽可能取小，以便适应整个隧洞遇到最硬岩石的情况。

1.4.1.2 盘形滚刀破岩机理

TBM工作时，盘形滚刀在推进油缸推力作用下贯入岩石，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴自转，滚刀在隧洞掌子面岩石上留下一系列同心圆轨迹，如图1.5所示。盘形滚刀刀圈切入岩体产生破碎的机理直接影响刀盘受力数学模型的建立。盘形滚刀受力又是TBM刀盘设计的重要参数，因此对盘形滚刀破岩机理的研究且有现实意义。

盘形滚刀破岩目前有三种不同理论，至今仍存在争论：①由楔块作用引起剪切破坏；②岩体在盘形滚刀楔块作用下产生径向裂纹，裂纹扩展到岩体表面而破坏，或相邻裂纹的交错而引起岩石破碎；③盘形滚刀贯入并滚压岩石时，岩石破坏属于几种机理的结合，有裂纹扩展张拉破坏、剪切破坏及挤压破坏，一种为主，其他为辅。单用一种理论很难圆满地加以解释，如图1.6所示。以上三种盘形滚刀破岩理论均假定岩体是均质且各向同性的，实际上自然的岩体是复杂的，岩体中的各种微裂纹、节理、层理、地下水及残余应力等因素的存在也对盘形滚刀的破岩起着重要作用。

岩石的单轴抗压强度、岩体的节理裂隙发育情况是影响盘形滚刀破岩效率同时也是影响TBM掘进速度的重要因素。如果岩石较硬，加上贯入度较低，那么就会造成滚刀磨损加快、滚刀更换频繁，这样除增加因更换刀具而占用的时间外，还会增加施工成本。

为了保持足够的贯入度，常常采用增加刀盘推力的方法。但如果TBM长时间在高推力的作用下工作，将会加快刀盘、盘形滚刀、主轴承、油缸、动力传动系统、撑靴结构等的疲劳与损坏，从而增加施工成本、降低TBM的使用寿命。因此对于大部分洞段均是高强度完整硬岩的隧洞，应慎用TBM法。

1.4.2 TBM掘进参数

在TBM隧洞施工中，针对不同的地质条件，选择合适的掘进参数是保证TBM快速、安全、经济掘进的重要因素。

在TBM掘进过程中，能代表TBM掘进性能的参数主要有5个,即:刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、刀盘贯入度和掘进速度，实际上这5个掘进参数并不是相互独立的，能独立控制的参数只有刀盘转速和刀盘推力，其他的3个参数都是刀盘转速和刀盘推力的共同作用结果，是随动的。对于不同的地质条件，在相同的刀盘转速和刀盘推力作用下，刀盘扭矩、刀盘贯入度和掘进速度是不同的。掘进参数主要根据围岩的条件进行选择。一般在完整硬岩条件下，盘形滚刀的贯入度较低，为获得相对较高的掘进速度，采用高推力、高转速掘进，此时由于刀盘贯入度低，因此刀盘扭矩也较低；在软弱破碎围岩条件下，较低的推力即可获得较高的贯入度，刀盘扭矩高，掘进速度高，但软弱破碎围岩稳定性差，过高的掘进速度会引起掌子面和顶拱的围岩塌方，造成初期支护量增加、TBM设备利用率降低、整体掘进进尺降低等后果，严重时还会引起卡机事故，因此应控制推力和转速，以减小对围岩的扰动、维持围岩的稳定。

1.4.2.1 掘进推力

以开敞式TBM为例，TBM掘进时所需要的总推力为刀盘推力及TBM与洞壁、内、外大梁之间摩擦力等之和，即

式中 F刀——掘进时刀盘各刀具作用在掌子面上沿洞轴线方向的分力之和；

F1——掘进时刀盘下部浮动支撑与洞壁之间的滑动摩擦力；

F2——顶护盾与洞壁之间滑动摩擦力；

F3——刀盘侧支撑与洞壁之间滑动摩擦力；

F4——大梁水平导轨间滑动摩擦力；

F5——掘进时随刀盘向前移动部分的后配套对机器的拖动阻力。

TBM的设计总推力为需要的总推力乘以一个大于1的安全储备系数。在以上的各项力中，对破岩起作用的仅有刀盘推力，即各刀具作用在掌子面上沿洞轴线方向的分力之和。盘形滚刀破岩时，主要靠推力贯入岩石表面，将滚刀下的岩石压裂，合理的推力与刀间距匹配，能使滚刀之间裂纹贯通，形成较完整的岩片，产生破岩作用。因此掘进时应根据岩石的软硬程度及节理裂隙发育程度，在机械负荷范围内合理地控制刀盘推力，使刀盘的每转贯入度满足最优刀间距的要求，从而能提高掘进效能，但要防止推力过高而损坏滚刀及TBM的其他设备。

1.4.2.2 刀盘扭矩

刀盘回转破岩时，需要克服的总力矩为：

式中 M刀——刀具破岩的总阻力矩；

M1——铲斗装渣阻力矩；

M2——铲斗与洞壁之间的摩擦力矩。

TBM的设计总扭矩为需要的总力矩乘以一个大于1的安全储备系数。刀盘扭矩必须在一定的刀盘推力作用下方可发生挥其作用。因为当推力较小时，贯入度较浅，产生碎片的尺寸较小，数量也少，刀盘旋转破岩作用不明显。而且，此时未达到最优刀间距所要求的贯入度，需要反复多次切割方能剥落岩片，增加了刀具的运行距离，增加刀具的磨损，降低了破岩效率。在较软的地层下，容易产生较大的贯入度，刀盘需要较大的扭矩，而在较硬地层上，需要扭矩相对较小。

1.4.2.3 刀盘转速

从理论上讲，当以一定的贯入度掘进时，刀盘转速越高，掘进速度就越高。但是，在岩石地层条件下，当转速较高时，不能对刀盘施加超过盘形滚刀承载力的推力。另外，刀盘直径越大，所能使用的刀盘转速就越低，主要原因有：①刀盘转速较高时，会加剧滚刀的磨损和损坏，导致换刀频繁，高转速大推力时还会产生较大的振动冲击，直接影响并降低滚刀轴承的寿命；②高转速时，刀盘扭矩、刀盘推力及刀具的作用力变异系数较大，即刀盘、刀具作用力峰谷变化幅度大，这将加剧刀具及液压系统的疲劳损坏；③从盘形滚刀破岩机理上分析，当盘形滚刀在压力作用下，有90%的能量用于岩石产生粉核和裂纹，有10%的能量消耗于岩石裂纹的扩展，使两刀之间裂纹连通而形成岩渣。若刀盘线速度超过一定值时，很难使相邻滚刀间裂纹连通，降低了破岩效率。根据国外试验分析，在掘进过程中，TBM滚刀的线速度控制在不大于150m/min为宜。即：

n≤150/(π·D)

式中 n——刀盘转速；

D——刀盘直径；

π——3.14。

由此可以推算刀盘容许最大转速，如刀盘直径为8.00m时，刀盘转速应低于6.0r/min，刀盘直径越大，容许最大转速越低。从中可以得到一个定性结论，即在相同地质条件下大直径TBM掘进速度低于小直径的TBM。

1.4.2.4 贯入度

贯入度，即常说的切深，其定义为刀盘每旋转一周滚刀侵入岩体中的深度，是研究TBM推力与掘进速度之间关系的重要参数。在相同推力下，TBM在不同硬度岩体中掘进的贯入度不同，当岩石硬度较低时，贯入度大；当硬岩较高时，贯入度小。贯入度不仅与岩石类别、岩石的单轴抗压强度有关，同时也与岩石裂隙程度有关，裂隙发育程度高的围岩不需要很大的贯入度即能形成岩渣剥落，因此在硬岩中掘进时围岩裂隙也是影响贯入度指标的重要因素。

1.4.2.5 掘进速度

掘进速度是指TBM正常掘进时的单位时间的掘进距离，通常用mm/min或m/h来表示。与刀盘扭矩和刀盘贯入度类似，掘进速度并不是可以独立控制的参数，掘进速度=刀盘转速×贯入度，可以看出掘进速度受刀盘转速和贯入度的影响。刀盘转速是可以独立控制的参数，而贯入度在相同的围岩条件下随着刀盘推力的增加而增加，因此通过提高刀盘转速和刀盘推力可以提高掘进速度，但受边刀线速度的限制，刀盘转速不能无限制提高，其有一个最高限速。而刀盘推力同样受盘形滚刀最大承载力的限制，也有其上限。在实际掘进中，考虑到盘形滚刀的损耗、设备的磨损及对围岩的扰动等的影响，一般不会同时采用刀盘的最高转速和最高推力，而是选择既经济又可接受掘进速度的刀盘转速和推力。国内外目前制造的TBM的最大掘进速度一般不大于120mm/min，但实际上根据围岩条件、TBM设备性能的不同，TBM的掘进速度多在20～80mm/min。如果一条隧洞在大部分洞段的掘进速度都低于20mm/min，则这条隧洞采用TBM施工从工期上和经济上都是不合理的。

1.4.2.6 场贯入度指数

场贯入度指数(field penetration index，FPI)，是用单把滚刀推力(kN)和贯入度(mm/r)的比值表示。因此场贯入度指数也是一个间接的参数，在使用时需要根据推力和贯入度进行换算。场贯入度指数可以用来衡量围岩的可掘进性，场贯入度指数越高，表明一定推力条件下，贯入度越低，此时掘进速度低。场贯入度指数越低，表明在较小的推力下即可获得较大的贯入度，此时可以获得较高的净掘进速度。场贯入度指数与围岩条件密切相关，其中岩石的强度和完整性对其影响最为明显。岩石的强度越高、完整性越好，场贯入度指数越高。当场贯入度指数较低时，虽然能获得较高的净掘进速度，但软弱破碎的围岩稳定性较差，支护量大，会导致TBM停机时间过长从而降低TBM的利用率，使平均进度明显下降。

1.4.2.7 刀盘推力与贯入度的关系

刀盘推力是产生每转贯入度和保持一定掘进速度的主要因素之一，宋克志等［27，28］以重庆越江隧道的TBM施工为背景，研究了泥岩和砂岩地质条件下刀盘推力与每转贯入度的关系，如图1.7所示，结果表明：刀盘每转贯入度随刀盘推力的提高而逐渐增大，经回归分析，二者呈幂函数关系，且每转贯入度的增大率高于刀盘推力的提高率；刀盘转速4r/min时的每转贯入度明显低于2r/min。

TBM的掘进速度等于刀盘转速与刀盘贯入度的乘积，即在刀盘转速一定的条件下，掘进速度与每转贯入度成正比，因此，掘进速度与岩石强度及刀盘推力的关系与每转贯入度是相同的。

1.4.2.8 扭矩与贯入度的关系

刀盘扭矩是在刀盘施加推力后产生的，刚开始主要是摩擦产生的扭矩，随着贯入度的增大，盘形滚刀对岩石产生切割压碎作用，扭矩逐渐增大。根据宋克志等在重庆越江隧道的试验结果，刀盘扭矩与每转贯入度的关系如图1.8所示，可以看出：刀盘扭矩与每转贯入度呈线性增长关系；强度低的岩石贯入度大，掘进时的刀盘扭矩高于强度高的岩石［27,28］。

1.4.2.9 推力和扭矩的关系

提高刀盘推力会使盘形滚刀的每转贯入增大，从而刀盘扭矩随之增大，二者呈明显的线性关系，如图1.9所示［27,28］。

1.4.2.10 刀间距和刀盘推力与贯入度的关系

文献［29］记载了刀间距和刀盘推力与贯入度的关系，如图1.10所示。可以看出，在硬石英岩的条件下，要达到相同的贯入度，刀间距小所需要的刀盘推力大，换言之，在刀盘推力一定的条件下，贯入度随着刀间距的减小而减小，在其他岩石条件与此情况类似。

1.4.3 TBM隧洞支护、衬砌

地下工程支护理论的发展，已有百余年的历史，其与岩土力学的发展有着密切的联系。地下工程支护理论的一个重要问题是如何确定作用在支护结构上的荷载。因此，支护结构理论的发展离不开地压理论或围岩压力理论的发展。

20世纪20年代以前，是基于一些简单假设的古典压力理论阶段；20世纪20—60年代是松散体理论阶段，以太沙基、普鲁特加柯诺夫为代表，认为作用在支护结构上的荷载是围岩塌落拱内的松动岩体的重量。现代支护理论的出现，一方面是由于锚喷支护等现代支护形式的出现，力求围岩不发生坍塌；另一方面是由于岩体力学的发展，由此形成了以岩体力学为理论基础、以锚喷支护为代表，考虑支护与围岩共同作用的现代支护理论。现代支护理论的基本要点可归纳为以下7点［30］：

（1）洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使其成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低。总之，使围岩常处于三向应力约束状态最为理想。

（2）预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候施作，过早或过晚均不利。其刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。这种支护和传统的支护不同，不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。

（3）衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧洞全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。

（4）为正确掌握和评价围岩与支护相互作用的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变形，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。量测监控是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变形量测结果决定的。

（5）隧洞支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构，且两者存在共同作用。圆筒只有在闭合后才能在力学上起圆筒作用，所以除在坚硬岩层之外，敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时，就相应地推迟了它的闭合时间，在隧洞纵方向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。另外，为防止引起围岩破坏的应力集中，断面应做到无尖锐角度，最好采用圆形断面。

（6）围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定作用。考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来维持稳定。从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的，分部开挖会使应力反复重分布而造成围岩破坏。

（7）岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。

现代支护理论至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的经验，提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程地质性质以及隧洞的跨度和围岩自稳时间等主要因素，需在各种设计与施工规程的实施过程中，依据量测数据加以修正。现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。

上述现代支护理论，虽然是针对采用传统钻爆法施工的地下工程的，但TBM施工的隧洞，其作用机理在许多方面与现代支护理念和新奥法有类似之处。

1.4.3.1 开敞式TBM隧洞支护、衬砌

1.支护方式［26］

初期支护的目的是解决隧洞施工期间的稳定性和安全的工程措施，是永久衬砌的一部分。当前从理论到实践上，基本上认同在初期支护中支护的刚度要求可相对降低，确立柔性支护结构体系。初期支护实施喷射混凝土、安装锚杆、钢拱架及挂网等。对于稳定性很好的Ⅰ类、Ⅱ类围岩，也可将初期支护作为永久支护。

TBM施工对隧洞扰动远小于钻爆法，且开挖断面为圆形，受力条件好，因而最大限度地保持了围岩自身原有的完整状态和承载能力。但TBM设备庞大，占据了隧洞的大部分空间，所以在处理掌子面、洞壁的危岩和塌方体时没有钻爆法灵活。

（1）喷混凝土。隧洞围岩的变形破坏一般是渐近式的，即与时间有直接关系，及时喷混凝土可封闭开挖面，阻止洞内空气和水对围岩的侵蚀，减少膨胀岩体的软化和膨胀，而且可以抵抗岩块之间沿节理的剪切和张裂，使得围岩变形不能发展，有效地阻止围岩的松动。

喷射混凝土的作用与效果如下：

1）支承围岩作用。喷射混凝土与围岩黏结，使围岩表面形成新的张力，从而使围岩处于三向受力的有利状态。

2）补强围岩作用。直接喷入围岩裂隙的混凝土，起到黏结作用，提高了围岩的强度（提高了围岩的黏聚力和内摩擦角），防止围岩的松动，覆盖围岩表面的混凝土，形成了防止风化和止水的保护层。

3）形成围岩新的支护结构。喷射混凝土的柔性有效控制了围岩的变形量，缓解围岩可能产生大的应力。

喷射混凝土与锚杆、钢筋网、钢拱架结合起来，使支护结构均匀受力。

开敞式TBM由支撑靴承担掘进时产生的推力和扭矩，要求支撑靴处岩壁坚硬光滑无剥落，如果支撑靴处围岩软弱、破碎、坍塌或凹凸不平，则无法提供掘进中支撑反力或在掘进中撑靴打滑。因此，在相应地质条件下应加强对刀盘后洞壁两侧的混凝土喷射，特别是支撑靴位置应尽可能提前喷密实、硬化并平整。

（2）钢拱架安装。如果围岩自稳能力差、自稳时间短，则可安装钢拱架防止围岩失稳或坍塌，特别是在浅埋、偏压隧洞，为应对早期围岩压力的快速增长，及时安装钢拱架可提高初期支护强度。钢拱架支撑的作用主要是在喷射混凝土尚未达到必要强度以前，承担地层压力及约束地层变形。钢拱架支撑既是临时支撑也是永久支护的一部分。

钢拱架支撑按照材料可分为两大类：第一类是型钢拱架支撑，包括钢管支撑、H型钢支撑、U型钢支撑等。型钢拱架支撑的截面大、刚度大，能承受比较大的荷载，但是型钢与混凝土的热膨胀系数不同，温度变化时，经常沿钢拱架产生纵向收缩裂缝，而且，钢拱架背后的喷射混凝土很难充填密实，这将影响支护效果和钢拱架寿命。型钢拱架重量大，制作安装比较困难。第二类是格栅拱架，又称为格构钢拱架，由3～4根φ18～22mm的热轧钢筋焊接而成。本身重量轻，便于制作、运输和安装。钢筋组成的格栅钢拱架具有足够的支撑刚度和强度，而且与混凝土接触面大、结合好，能够共同变形、共同受力，不会出现型钢拱架那样的收缩裂缝。格栅拱架中间空隙大，不会出现背后混凝土不密实的现象，再有一个优点就是造价低。

开敞式TBM一般利用刀盘后的环形安装器及油缸支顶装置来完成钢拱架的组装和安装。安装前，应先将仰拱处的虚渣清除，安装过程中，必须保证钢拱架紧贴岩面。

（3）锚杆安装。锚杆支护是在地下洞室施工中采用的一种加固支护方式。它是用金属、聚合物或其他材料制成杆件打入洞室围岩预先钻好的孔中，利用其端部、杆体的特殊构造和尾部托板（亦可不用），或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。锚杆支护具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。

锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩、防止围岩风化，不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。

开敞式TBM在刀盘后配备有锚杆钻机，可以根据需要在开挖后进行锚杆的安装，锚杆的类型、长度、间距由隧洞的跨度、围岩的条件来确定。

（4）挂网。挂网是在隧洞顶拱和洞壁上横向和纵向布置钢筋编织的网格，并固定在围岩上。挂网的目的是为防止混凝土因收缩而开裂，并提高喷射混凝土的整体性和受力均匀性，提高抗震、抗冲击破坏的能力，防止围岩局部掉块。钢筋网应按被支护围岩面的实际起伏铺设，用锚杆或锚钉连接并焊牢固定。钢筋网一般横向筋直径为12mm左右，纵向筋为6～10mm，网格为150mm×150mm～300mm×300mm。

钢筋网一般在洞外预制好，然后存放在TBM刀盘后的网片仓内，在需要的时候由TBM专用设备进行安装。钢拱架、喷混凝土、锚杆和挂网单独支护的效果并不好，应根据围岩情况选择不同的支护组合。

（5）钢筋排支护。初期的开敞式TBM为了施工安全加装了指形护盾，指形护盾是安装在顶护盾上长3.0～3.5m的长条形钢板，为悬壁梁结构，塌落体出顶护盾后直接掉落在指形护盾上，造成指形护盾向下弯曲，导致钢拱架和钢筋网只能在出了指形护盾才能安装，造成钢拱架和钢筋网安装困难。顶拱塌方如果不及时控制的话，塌方易向岩体深部发展，形成较大塌腔，不仅威胁到人员、设备的安全，还会增加初期支护工作量，降低TBM的施工速度。针对此问题，加拿大的麦克劳林发明了适用于开敞式TBM施工的McNally岩石支护系统［31-34］，即钢筋排支护系统。

McNally岩石支护系统是在护盾顶部120°～140°范围内安装钢筋排存储仓，用于存储钢筋排或钢筋等支护材料。使用McNally岩石支护系统的流程如下［31］：①存储仓预存钢筋，在围岩良好洞段，提前将钢筋焊接好人工插入到存储仓中，每个仓中可以存放3根钢筋，钢筋直径可由围岩的破碎程度来确定，一般为12～22mm；②钢筋固定，将预先存储的钢筋拉出一小段，放在已完成拼装但未撑开的钢拱架上并焊接，然后移动钢拱架至合适的安装位置撑开，直到钢筋与钢拱架贴紧洞壁；③钢筋抽出固定后，在TBM掘进过程中，随着掘进距离增大，由于钢筋端部与钢拱架的焊接以及钢筋与围岩洞壁的摩擦力，存储仓内的钢筋自动被拉出，形成钢筋排并支护破碎围岩；④钢筋二次固定，当到达下一榀钢拱架安装位置时，拼装钢拱架并将钢筋与其焊接相连，然后在合适的安装位置拱架完成第二次固定。

McNally岩石支护系统基于新奥法的理念和特点，又有别于新奥法适时进行初期支护的做法。新奥法的钻爆法施工过程中，允许顶拱部位围岩疏松的岩石掉落下来，但McNally岩石支护系统则强调开挖面在护盾后部出露后，及时进行疏松围岩面的初期支护，保持隧洞断面为TBM开挖完成的圆形断面，以保证洞形状更加稳定，施工速度更快。McNally岩石支护系统已在国内的吉林省中部城市引松供水工程中得到了应用，取了良好的效果。钢筋排支护系统及支护效果如图1.11所示。

2.不同类型围岩支护［26］

（1）软弱围岩支护。软弱围岩容易产生较大的塑性变形，钢拱架可在一定程度上约束围岩的收敛，防止顶拱部位岩石的坍塌。为减少变形，钢拱架在安装前可施加预应力。因此在软弱围岩洞段的支护措施是及时安装钢拱架、加密锚杆、全断面喷混凝土。

在软弱地层中，支护的原则是不使围岩变形发展到形成剪切破坏面。因此，中等强度支护比柔性支护更为可靠。

（2）剥落围岩支护。发生岩石剥落的围岩多为硬岩，岩体较为完整，剥落现象一般发生在围岩节理、层理处的应力松动区。由于TBM设备占据了开挖隧洞的绝大部分空间，如果剥落的岩块尺寸大，会对人员和设备造成损害。对于发生剥落的围岩应进行锚杆和钢拱架支护，具体支护强度视现场需要确定。

（3）节理裂隙发育围岩支护。节理裂隙发育围岩一般岩体破碎，呈碎裂-镶嵌结构。掘进过程中，在刀盘的扰动下，掌子面、顶拱和洞壁围岩容易塌方，如不及时采取支护措施，在塌落自然拱形成之前，塌方不会停止。如果塌方量较大，则塌方的岩石会进入TBM设备内部，对人员和设备的安全构成较大的威胁。

对于破碎围岩应及时安装钢拱架，间距视岩体破碎程度和塌方情况而定，钢拱架纵向采用钢筋加密连接，钢筋网向护盾前方移放，形成支护体系。利用手持式喷混凝土设备向坍塌处喷射混凝土及时封闭围岩，减少围岩暴露时间，对坍腔内松散岩体及时回填灌浆。对支撑靴坍塌较严重部位，为防止坍塌继续向深处发展，采取在钢拱架背后立模浇筑混凝土回填，将坍塌处围岩封闭形成受力整体。如果前期的地质资料表明节理裂隙发育围岩分布较多，应尽量在TBM制造阶段配置McNally岩石支护系统，可在施工中对顶拱进行快速支护，以实现TBM的快速掘进。

3.二次衬砌

开敞式TBM施工隧洞采用喷锚支护作为初期支护，但在某些情况下，如承受高的内、外水压力的隧洞,对过流表面粗糙率要求高的隧洞，以及对抗震要求高的隧洞，需要在喷锚支护的基础上进行二次模筑混凝土衬砌。在以前的施工中，二次衬砌与TBM掘进存在严重的施工干扰，TBM掘进和二次衬砌往往不能同时进行，在不增加施工支洞的条件下二次衬砌通常在隧洞贯通后方可进行，掘进和二次衬砌两者相加所需要时间较长，二次衬砌在很大程度上延长了工期。随着工程技术的发展，技术人员研制了全环内通式衬砌台车，实现了隧洞全环整体一次性浇筑，台车总体方案实现了隧洞全环衬砌与开敞式TBM掘进的联合作业模式，解决了TBM掘进系统中通风、供排水、高压电缆、连续皮带机穿越衬砌台车等技术难题。全环内通式台车运行良好，混凝土衬砌质量优良，对TBM利用率影响小，提高了开敞式TBM施工的综合施工速度，有效缩短了隧洞施工工期［35-39］。开敞式TBM隧洞施工的同步衬砌技术已经在辽宁大伙房输水隧洞、中天山铁路隧道、兰渝铁路西秦岭隧道中得到应用，取得了很好的效果，对扩大开敞式TBM的应用范围起到了巨大的推动作用。

1.4.3.2 护盾式TBM隧洞支护、衬砌

目前使用的护盾式TBM主要有单护盾和双护盾两种类型，其采用的支护形式基本相同，即在掘进时采用预制钢筋混凝土管片、豆砾石回填灌浆的支护型式，初期支护和永久支护融为一体，一般不再进行二次衬砌。护盾式TBM的管片支护、衬砌在很多方面与现代支护理念和新奥法有类似之处［30］：TBM施工对隧洞围岩的扰动性远远小于钻爆法，因而最大限度地保持了围岩自身原有的完整性和承载力；及时安装的管片环和紧跟的豆砾石回填，某种程度上起到了柔性支护的作用，能够适应围岩的部分变形，又可限制变形的过度发展；随后进行的水泥灌浆，在形成对围岩最终支护的同时，还对围岩浅部的节理、裂隙等构造缺陷进行了弥补，在时序上，也接近于新奥法的适时支护原则。

管片衬砌的作用归纳起来主要有以下四点［40-42］：①及时拼装到位的环状管片结构能有效减缓围岩变形的速率，改善围岩二次应力分布状态；②为隧洞内作业人员的生命安全及后配套设备的运行安全提供保护；③在高地应力、高温、裂缝发育、地下涌水较大的不良地质条件下，保证所有作业人员及TBM设备的安全；④在破碎围岩洞段双护盾TBM支撑靴无法正常使用的情况下，依靠安装到位的管片结构能给TBM提供前进时所需要的推进力及扭矩。

1.管片类型

护盾式TBM施工隧洞所使用的管片从形状上来看主要有两种类型：六边形管片和四边形管片，一般每环管片可分为4～7块。具体采用何种类型的管片，通常在管片衬砌设计时都已经确定，施工过程中不再改变。

管片的分块和尺寸没有统一要求，一般根据洞径、衬砌设计要求、地质条件和TBM的性能确定。如山西万家寨引黄工程总干线6号、7号和8号洞，内径5.46m，管片厚度25cm，环宽160cm，管片预制采用C30级混凝土。按不同的围岩类别，又分为A、B、C三种型号，混凝土的钢筋含量分别为51.25kg/m3、71.18kg/m3及120.66kg/m3；连接段7号洞内径4.14m，管片厚25cm，环宽120cm，混凝土强度等级为C45，按不同围岩条件，分为A、B、C三种型号，混凝土的钢筋含量分别为90.86kg/m3、158.11kg/m3及306.49kg/m3［43］。

2.管片生产

管片生产通常是在专用的管片预制厂进行，预制厂是一个综合流水作业的系统工程，有拌和厂、钢筋加工厂、供热系统、传输系统、混凝土浇筑平台、混凝土振动台、蒸养室、材料及管片吊运设备、管片室内和室外养护场、试验室等［44-47］。钢筋混凝土管片生产一般按图1.12的流程进行。管片生产车间如图1.13所示，管片室外堆放如图1.14所示。

管片生产工艺按其流水特点，一般可分为固定台座法、机组流水法及流水传送法三种方式，作为专业生产管片的工厂或车间的总体规划平面布置，应结合管片生产的工艺特点进行，方案选择时应考虑产量、市场特点、投资规模、地区特色及现在设施的充分利用等因素，慎重选用合适的生产工艺。在保证满足生产工艺合理紧凑、生产及储存场地面积、场内道路通畅及人流物流组织有序的总体布局要求基础上，要合理规划混凝土配料区、钢筋加工区、管片成型区、养护区及存放区的平面位置和场地大小，充分考虑各工序之间的搭接和流水，保证最大限度地满足提高管片的生产效率和产品质量，达到降低生产成本的目的［48］。固定台座法、机组流水法及流水传送法三种工艺的技术特点和对比见表1.5。

3.管片安装

护盾式TBM在掘进时，每环掘进完成后即需要安装管片。对于单护盾TBM，由于推进油缸是支撑在已安装好的管片上，所以每掘进一环，需要停止掘进在尾盾进行管片安装。对于双护盾TBM，其有单护盾模式和双护盾模式两种掘进模式，当为软弱围岩且围岩不能为支撑靴提供足够的接地比压时采用单护盾模式掘进，此时，整个双护盾TBM就基本相当于一台单护盾TBM，管片安装与掘进不能同时进行；当围岩条件较好时，采用双护盾模式，此时管片安装和掘进可以同时进行。

护盾式TBM在盾尾配备有管片安装机，管片安装机有机械抓举式和真空吸盘式两种型式，目前对于体型较大的管片采用的是真空吸盘式。当需要安装管片时，管片由洞外运输至盾尾，通过管片安装机进行安装，对于不同类型的管片，一环管片的安装时间为20～30min。管片运输与管片洞内安装如图1.15和图1.16所示。管片安装完成后的隧洞如图1.17所示。

4.豆砾石回填灌浆［26］

管片是在护盾式TBM的盾尾部分安装的，已开挖的洞径不仅大于管片直径，也大于尾盾的外径，它们之间的间隙由不同型式的TBM、采用不同的尾盾密封、要求管片背注浆程序不同、盾壳厚度以及滚刀磨损量等因素决定。一般管片洞壁之间空隙多为5～15cm。

为了防止隧洞可能的变形，也为了使管片衬砌与被开挖围岩形成整体结构，以共同受力，减少管片在自重及内部荷载下的变形，需要给开挖过的隧洞和管片外径之间的环形空间填充豆砾石及注入水泥浆，而这种环状间隙的封闭也可为管片衬砌起到防水作用。

管片的回填工艺取决于被开挖围岩的状态。当围岩状态很差，尾盾部分一出现间隙即可能发生坍塌时，则需要在尾盾处及时回填；如果围岩状态良好，则回填可通过管片注浆孔进行。

密封型尾盾是通过尾壳同步注浆的。直接通过尾壳注浆对减少沉陷有利，密封式尾盾在仰拱处与仰拱注浆回填管同为一体，在尾盾端部结束。可更换的尾封与尾壳的后端连接。尾壳密封通过管片将掘进机与开挖间隙隔绝，保护掘进机尾部，防止地下水、围岩和浆液侵入。密封由几排丝刷组成，这若干排丝刷分段焊接到尾盾壳上，在护盾前行时，丝刷用油脂润滑，若干条油脂管线与尾盾壳连接在一起。如需要，尾盾密封可以更换。该工艺要求配置合适的尾盾密封，如果尾盾密封损坏较快，会产生漏浆。

敞开式尾盾采用砂浆注入仰拱，以豆砾石回填其余部分。用尾盾壳形成的防护来安装预制混凝土管片，尾盾壳在仰拱处设一个开口，用于把底部管片直接放置在隧洞仰拱上。当管片环安好后，立即灌注仰拱下的砂浆垫层，用于垫层的砂浆通过管片注入，管片设有开口用以装配喷嘴，通过这些喷嘴进行注浆。豆砾石是从护盾后面一段距离的管片上注入，管片设有开口装配喷嘴，通过喷嘴将豆砾石注入管片空隙。采用先压注豆砾石后注浆的工艺，从第二环开始，通过高压风从管片上预留压浆孔向管片与隧洞间隙压入粒径5～10mm的豆砾石，充盈率达到70%以上，从距盾尾10环的距离进行水泥砂浆的注入，使之充填到豆砾石的孔隙中，达到固结作用。如果出现由于注浆压力、浆液配比、封堵等原因致使环状空间未注满的现象，则需要进行二次注浆。

当隧洞个别洞段围岩地质条件较差，发生管片变形，渗漏水严重或通过探测表明环状间隙存在较大空洞时，应该采用固结注浆处理。进行固结注浆的目的是加固围岩，防止管片发生变形和损坏，解决渗水问题，保证施工质量。在固结注浆施工中，固结长度、注浆孔环距、钻深以及注浆参数根据围岩地质条件和已发生质量状况等确定。固结注浆孔可利用管片原注浆孔位置或加密，钻孔应深入隧洞围岩一定深度。

豆砾石回填灌浆的质量有一定的技术要求，如《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378—2007）［49］中规定，豆砾石回填灌浆28d结石强度等级应大于15MPa，渗透系数应小于1.0×10-5cm/s。

5.管片防渗

由于预制钢筋混凝土管片为工厂化生产，过程易于控制，质量波动小，因此管片本身的防渗作用一般没有问题。采用管片衬砌的隧洞接缝数量多，在地质条件较差的情况下接缝宽度不均匀，甚至可能产生很大的偏差，如果处理得不好，将成为渗漏通道［30］。近年来，管片衬砌的改进包含了接缝接触面的改进和连接件（导向杆和定位销）的采用，通过这些改进，既限制了安装误差，又提高了接缝的配合精度。

管片接缝处设计有橡胶止水条，如图1.18所示。橡胶止水条一般由遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶复合制成，具有易压缩性。橡胶止水条的位置，应设在隧洞内管片接缝靠近迎水面的一侧。过去认为，为了抵抗外水内渗，应将止水条设在外侧，这并不正确，止水条设在外侧，首先阻碍了灌浆液进入管片接缝内部，从而降低了管片接头处的抗弯刚度，传递轴向压力的接触面积也大大减少。同时，由于管片接缝内未充填水泥结石层，还削弱了防渗能力。当管片接缝在外荷载作用下向闭合方向变形时，还会造成接触面混凝土开裂等损伤。因此止水条应设在管片内侧[30]。

6.管片安装质量控制

不同的隧洞根据其功能不同均会对管片的安装质量提出要求。管片安装过程中应尽量减少安装误差，预防错台、错缝、管片损坏的发生。但实际上管片安装过程中，尽管采取了各种保障措施，仍难避免出现质量问题，主要原因如下［26，50-53］：①由于TBM掘进速度高，就必然要求管片的安装以较快的速度相匹配，当安装人员的熟练程度和经验不够时会造成管片安装质量差；②管片安装过程发生碰撞、挤压会造成管片裂缝、掉角等；③辅助推进油缸操作不当造成管片的损坏；④掘进过程中轴线出现偏差或调向不是连续曲线，会造成管片的错台；⑤通过软弱围岩、破碎洞段、塌方段、断层带时，会有岩渣堆积并挤压安装的管片；⑥管片表面平整度差，受力不均匀导致管片的裂纹、裂缝；⑦不均匀沉降使管片发生错动，从而形成裂缝、漏水；⑧止水条质量问题和安装不合格，导致渗水、漏水；⑨回填豆砾石和灌浆达不到技术要求，在管片与岩面之间填充不实有空穴、松散、蜂窝等，造成管片变形以及不形成止水层等。

针对以上安装中的质量问题，在安装工艺中要采取以下措施［26］：①管片环向接缝控制在要求范围内，并尽可能减小纵向接缝的宽度;一环管片完成后，要立即进行接缝的砂浆勾缝，并将勾缝表面抹平、扫净；②在每一环底拱管片安装前，使用水泵配合人工清除底拱处的岩粉和水；③在洞外拼装管片环，初次生产的管片及每安装100环后应对管片制造精度进行检查，检查工作在洞外进行，检查管片制造和安装精度，拼装的管片不装橡胶止水条，拼装高度为三环，检查内容有边长是否相等、接缝宽度是否均匀，对于生产的管片出现精度不够的情况，应及时修复管片模具；④管片的起始环安装应准确定位；⑤管片所有接缝均应采用粘贴在管片预留槽内的止水条，止水条应符合有关规范规定的标准；⑥对管片安装人员进行培训，提高安装人员的熟练程度和安装水平；⑦严格控制TBM掘进姿态，预防出现轴线偏差，如果出现偏差，应缓慢调向，避免调向过猛；⑧对于不良地质段，管片安装后应及时进行豆砾石回填灌浆。