3第三章-隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工詳解

第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

主講內(nèi)容：①施工流程②施工技術(shù)要求③施工要點(diǎn)第一節(jié)隧道掘進(jìn)機(jī)法基本概念一、TBM發(fā)展歷史簡(jiǎn)介隧道掘進(jìn)機(jī)(TunnelBoringMachine)是一種用機(jī)械裂開(kāi)巖石、出碴與支護(hù)實(shí)行連續(xù)作業(yè)的綜合設(shè)備，它是由盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。1818年英國(guó)布魯諾(Brunel)受蛀蟲(chóng)鉆孔啟示，最早提出盾構(gòu)雛形與施工方法。1846年意大利人Maus獨(dú)創(chuàng)隧道掘進(jìn)機(jī)(盾構(gòu))。1851年美國(guó)人查理士·威爾遜研制出TBM試用于花崗巖掘進(jìn)未獲成功。1881年波蒙特開(kāi)發(fā)出壓縮空氣式TBM，成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1m的勘探導(dǎo)坑。美國(guó)羅賓斯(Robbins)公司1952年研制出第一臺(tái)軟巖TBM，1956年又成功研制中硬巖TBM。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

二、國(guó)外主要制造商德國(guó)威爾特(Wirth)公司德國(guó)德馬克(Dcmag)公司美國(guó)羅賓斯(Robbins)公司美國(guó)賈瓦(Jarva)公司德國(guó)海瑞克(Herrenknecht)公司加拿大拉瓦特(Lovat)公司日本三菱重工(Mitsubishi

Heavy

Industries)第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

三、TBM分類(lèi)開(kāi)敞式TBM：配置鋼拱架安裝器與噴錨等幫助設(shè)備。常用于硬巖，實(shí)行有效支護(hù)手段后也可應(yīng)用于軟巖隧道。雙護(hù)盾TBM：適用于各種地質(zhì)，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。單護(hù)盾TBM：常用于劣質(zhì)地層。單護(hù)盾TBM推動(dòng)時(shí)利用管片作支撐，其原理類(lèi)似于盾構(gòu)。與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片不能同時(shí)進(jìn)行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0m第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

SingleShieldTBM①護(hù)盾；②液壓推動(dòng)油缸；③管片；④刀盤(pán)；⑤裝渣斗；⑥皮帶輸送機(jī)第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

其次章山嶺隧道施工技術(shù)DoubleShieldTBM①可伸縮護(hù)盾；②刀盤(pán)；③活動(dòng)支撐鞋；④幫助推動(dòng)油缸；⑤管片GripperTBM①支撐鞋；②鋼支架舉升器；③錨桿安裝機(jī)構(gòu)；④鋼筋網(wǎng)舉升器第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

四、TBM破巖方式與原理 TBM破巖方式主要有：擠壓式與切削式擠壓式 主要是通過(guò)水平推動(dòng)油缸使刀盤(pán)上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體，并在刀回旋轉(zhuǎn)推動(dòng)過(guò)程中聯(lián)合擠壓與剪切作用裂開(kāi)巖體。 滾刀類(lèi)型：圓盤(pán)型、楔齒形、球齒型切削式 主要利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低(僅為抗壓強(qiáng)度的5~10%)的特點(diǎn)，靠銑削(即剪切)與彎斷裂開(kāi)巖體。 在兩種破巖方式總的破巖體積中，大部分并不是由刀具干脆切割下來(lái)的，而是由后進(jìn)刀具剪切裂開(kāi)的，先形成裂開(kāi)溝或切削槽是先決條件第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

四、TBM破巖方式與原理(續(xù))圓盤(pán)型滾刀破巖原理 圓盤(pán)型滾刀(圖a)工作壓力50~200kN，巖體表面在刀圈刀尖強(qiáng)集中力作用下裂開(kāi)而被切人，并形成切入坑(見(jiàn)圖b)。隨著滾刀滾動(dòng)，在巖面上形成一條條的裂開(kāi)溝，裂開(kāi)溝之間巖石AO1O2B受滾刀側(cè)刃擠壓力的作用而剪切裂開(kāi)。當(dāng)切入深度h較大時(shí)，剪裂面為O1O2(圖c)。

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四、TBM破巖方式與原理(續(xù))楔齒型與球齒型滾刀破巖原理 最初由楔齒尖端在滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)狀況下產(chǎn)生切向張力破壞巖石的表面，切人深度為λ。然后由齒尖的楔入力接著引起剪切破壞，楔入深度為h。由于各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，適用于硬巖掘進(jìn)。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

四、TBM破巖方式與原理(續(xù))削刀破巖原理 削刀在擠壓力Pv和切割力PH作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū)2，隨著刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成剪力裂開(kāi)區(qū)3。削刀接著回轉(zhuǎn)即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，兩槽之間的巖石在削刀側(cè)向擠壓力R的作用下而剪切破壞。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

五、單護(hù)盾TBM與盾構(gòu)的區(qū)分 前者接受皮帶機(jī)出碴而盾構(gòu)則接受螺旋輸送機(jī)或泥漿泵通過(guò)管道出碴；前者不具備平衡掌子面的功能，而盾構(gòu)則接受土壓力或泥水壓力平衡開(kāi)挖面水土壓力。六、TBM選用 ①整條隧道地質(zhì)狀況均差時(shí)接受單護(hù)盾TBM； ②良好地質(zhì)條件中則接受開(kāi)敞式TBM； ③雙護(hù)盾TBM常用于困難地層的長(zhǎng)隧道開(kāi)挖，一般適用于中厚埋深、中高強(qiáng)度、地質(zhì)穩(wěn)定性基本良好的隧道，對(duì)各種不良地質(zhì)與巖石強(qiáng)度變更有較好適應(yīng)性。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

七、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用概況 TBM施工法始于二十世紀(jì)三十年頭，限于機(jī)械技術(shù)水平，其應(yīng)用實(shí)例甚少。五六十年頭隨著機(jī)械工業(yè)與掘進(jìn)機(jī)技術(shù)水平的不斷提高發(fā)展較快。迄今為止，世界上接受TBM施工的隧道超過(guò)1000座，總長(zhǎng)度超過(guò)4000km，以逐步成為長(zhǎng)大隧道修建的主要施工方法之一。國(guó)外典型應(yīng)用——英吉利海峽隧道 由2條外徑8.6m單線鐵路隧道與1條外徑5.6m幫助隧道組成。全長(zhǎng)48.5km，海底段長(zhǎng)37.5km，隧道最深處在海平面下100m，全部接受TBM施工。英國(guó)側(cè)6臺(tái)，岸邊段3臺(tái)海底段3臺(tái)(單向推動(dòng)21.2km)。法國(guó)側(cè)5臺(tái)，岸邊段2臺(tái)海底段3臺(tái)。最深處需承受10atm水壓力，平均月進(jìn)尺1000m/月。 隧道建成標(biāo)記著TBM施工技術(shù)的最高水平，也是融合英、美、法、德等國(guó)TBM施工技術(shù)于一體的最高成就。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

國(guó)內(nèi)應(yīng)用 國(guó)內(nèi)TBM研發(fā)制造始于二十世紀(jì)六十年頭中期，共生產(chǎn)10余臺(tái)直徑2.5~5.8m的TBM，先后用于下列水電與煤礦井巷工程。國(guó)產(chǎn)機(jī)型月均進(jìn)尺20~300m，累計(jì)總掘進(jìn)長(zhǎng)度12km。云南西洱河水電站引水隧道引灤入津新王莊隧道陡河電站的引水隧道引大入秦總干渠38號(hào)隧道北京落坡嶺水電工程貴州貓?zhí)铀娬疽淼栏＝堥T(mén)灘引水隧道江西萍鄉(xiāng)、山西懷仁、山西古交、云南羊場(chǎng)煤礦

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國(guó)內(nèi)應(yīng)用(續(xù))甘肅引大入秦水磨溝輸水隧道[Φ5.54m；11649m；Robbins雙護(hù)盾TBM；最高月進(jìn)尺1300.8m/月]引黃入晉總干6、7、8號(hào)與南干4、5、6、7號(hào)隧道[Robbins雙護(hù)盾TBM，總長(zhǎng)122km，最高月進(jìn)尺1637m/月，日掘進(jìn)113m/日]遼寧大伙房引水工程[全長(zhǎng)85.32km，3臺(tái)Φ8.0m開(kāi)敞式]新疆大阪輸水隧道工程[全長(zhǎng)30.68km，德國(guó)海瑞克雙護(hù)盾TBM]青海引大濟(jì)湟總干渠工程[德國(guó)Wirth雙護(hù)盾TBM，Φ5.93m，全長(zhǎng)19.94km]西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道[掘進(jìn)5.621km，Φ8.8m開(kāi)敞式TBM]西安南京鐵路桃花鋪1號(hào)隧道[掘進(jìn)7.23km,機(jī)型同上]西安南京鐵路磨溝嶺隧道[掘進(jìn)6.11km,機(jī)型同上]南疆鐵路吐庫(kù)二線中天山隧道[機(jī)型同上]蘭渝鐵路西秦嶺隧道[Φ10.23mRobbins開(kāi)敞式TBM]重慶地鐵一號(hào)線[2臺(tái)Φ6.36m開(kāi)敞式TBM]

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其次節(jié)掘進(jìn)機(jī)法施工流程TBM施工主要流程 施工準(zhǔn)備→全斷面開(kāi)挖與出渣→外層管片式襯砌或初期支護(hù)→TBM前推→管片外灌漿或二次襯砌Robbins開(kāi)敞式TBM循環(huán)作業(yè)流程STEP1:作業(yè)起先。主支撐前位撐緊洞壁，后支撐腿提起。刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)油缸伸出，TBM前部前移一個(gè)作業(yè)行程STEP2:準(zhǔn)備換步。刀盤(pán)停轉(zhuǎn)，后支撐腿抵住仰拱承重STEP3:主支撐回縮。推動(dòng)油缸回縮將自由態(tài)主支撐前拉回位STEP4:主支撐回位后伸出支撐鞋抵緊巖壁，后支撐提起，TBM定位找正，坡道上必要時(shí)先定坡度。STEP5:返回第一步，TBM準(zhǔn)備下一循環(huán)掘進(jìn)。

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TBM基本構(gòu)造 TBM由破巖機(jī)構(gòu)、推動(dòng)機(jī)構(gòu)、巖碴裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向調(diào)向機(jī)構(gòu)及吸塵、通風(fēng)裝置等幾部分組成。破巖機(jī)構(gòu) 滾刀或削刀在強(qiáng)大軸推力的作用下旋轉(zhuǎn)，切削與剪切裂開(kāi)巖石。推動(dòng)機(jī)構(gòu) 主支撐鞋頂撐洞壁以支承和推動(dòng)機(jī)身。副支撐鞋限制振動(dòng)與方向。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

TBM基本構(gòu)造(續(xù))出碴機(jī)構(gòu) 破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤(pán)上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉(zhuǎn)到頂部卸入集料斗，經(jīng)皮帶機(jī)裝車(chē)運(yùn)出洞外。導(dǎo)向及調(diào)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是用來(lái)指示和校核掘進(jìn)機(jī)推動(dòng)的方向，使其保證符合設(shè)計(jì)的軸線和坡度的要求。通風(fēng)及吸塵裝置 掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)將產(chǎn)生大量的熱量與粉塵。故對(duì)通風(fēng)、降塵要求較高。一般在刀盤(pán)頭部安裝有吸塵設(shè)備和噴水裝置，掘進(jìn)時(shí)連續(xù)噴水降塵。機(jī)房?jī)?nèi)專(zhuān)設(shè)通風(fēng)降溫設(shè)備。

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第三節(jié)掘進(jìn)機(jī)法施工技術(shù)要求基本原則 TBM掘進(jìn)斷面大可達(dá)10m以上，小僅為1.8m。由于TBM與幫助施工技術(shù)日臻完善以及現(xiàn)代高科技成果(液壓新技術(shù)、電子技術(shù)與材料科學(xué)技術(shù)等)的應(yīng)用大大提高了TBM對(duì)各種困難條件的適應(yīng)性，因此簡(jiǎn)潔從開(kāi)挖可能性來(lái)考慮TBM的適用范圍是不全面的。 判定依據(jù)隧道圍巖的抗壓強(qiáng)度、裂縫狀態(tài)、涌水狀態(tài)等巖性條件機(jī)械構(gòu)造、TBM直徑等機(jī)械條件；隧道斷面、長(zhǎng)度、位置狀況、地址條件等。TBM工法選用流程 (參見(jiàn)下頁(yè)流程圖)第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

初步調(diào)查地質(zhì)構(gòu)造分析地表調(diào)查彈性波速度阻抗試驗(yàn)鉆孔調(diào)查開(kāi)挖直徑刀具直徑與數(shù)量馬達(dá)刀具轉(zhuǎn)速后續(xù)設(shè)備等循環(huán)、支護(hù)幫助工法、臨時(shí)設(shè)計(jì)

與鉆爆法比較

線路確定地質(zhì)調(diào)查當(dāng)?shù)貤l件TBM規(guī)格確定施工支配經(jīng)濟(jì)分析實(shí)施支配變更線路其他方法NoYesTBM工法探討流程框圖第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

工程地質(zhì)條件 主要調(diào)查影響TBM運(yùn)用的地質(zhì)條件。影響TBM選用的地質(zhì)因素隧道地壓。是否存在塑性地壓？ 指標(biāo)：圍巖強(qiáng)度比(軟巖)；圍巖抗剪強(qiáng)度比(似砂土軟巖) 圍巖強(qiáng)度比斷層裂開(kāi)帶、懦弱泥巖以及蛇紋巖等膨脹性巖層掘進(jìn)困難涌水狀態(tài)。涌水范圍、大小與壓力會(huì)造成工作面倒塌與承載力低下，應(yīng)慎用。α＜2擠出性——膨脹性圍巖2＜α＜4輕微擠出性——地壓大的圍巖4＜α＜10地壓大——有地壓的圍巖α＞10幾乎無(wú)地壓的圍巖

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工程地質(zhì)條件(續(xù))影響TBM效率的地質(zhì)因素巖石強(qiáng)度。開(kāi)挖難易一般用抗壓強(qiáng)度來(lái)判定。刀具消耗應(yīng)考慮巖石中石英粒范圍、大小與抗拉強(qiáng)度等推斷。巖層裂隙。巖層節(jié)理、層理、片理對(duì)開(kāi)挖效率影響極大。裂隙適度發(fā)育的巖層，即使抗壓強(qiáng)度大也能進(jìn)行較為有效的開(kāi)挖。巖石硬度。一般地，對(duì)于q＜100MPa的巖層，其石英含量較多、粒徑較大，刀具磨耗很大。裂開(kāi)帶等惡劣條件。在裂開(kāi)帶、風(fēng)化帶等難于自穩(wěn)的困難條件下進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖，均需實(shí)行幫助施工方法協(xié)作施工。特殊是在有涌水的條件下更為困難，拱頂?shù)顾?、機(jī)體下沉、支承反力降低等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

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工程地質(zhì)條件(續(xù))TBM適用范圍一般只適用于圓形斷面隧道，只有銑削滾筒式掘進(jìn)機(jī)可在軟巖中掘進(jìn)非圓形斷面隧道。開(kāi)挖隧道直徑1.8~12m之間，以直徑3~6m最為成熟。一次性連續(xù)開(kāi)挖長(zhǎng)度不宜短于1km，也不宜長(zhǎng)于10km，以3~8km最佳。適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于20~250MPa，尤以50~100MPa最佳。地質(zhì)條件對(duì)TBM掘進(jìn)效率影響很大。在良好巖層中月進(jìn)尺可達(dá)500~600m，而在裂開(kāi)巖層中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停機(jī)處理。選用TBM開(kāi)挖隧道應(yīng)盡量避開(kāi)困難不良巖層。

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機(jī)械條件TBM不僅受地質(zhì)條件約束，還受到開(kāi)挖直徑、開(kāi)挖機(jī)構(gòu)的約束。在硬巖中開(kāi)挖大直徑隧道很是困難。日本實(shí)例的最大直徑僅為5m左右。目前TBM多數(shù)是單軸回轉(zhuǎn)式。若開(kāi)挖直徑越大，刀頭內(nèi)周與外周的周差速越大，將對(duì)刀頭產(chǎn)生種種不良影響。隨著開(kāi)挖直徑的增大，須要增大推力，支撐靴也要增大，將導(dǎo)致運(yùn)輸困難與承載力問(wèn)題。第三章隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工

開(kāi)挖長(zhǎng)度TBM進(jìn)場(chǎng)需閱歷運(yùn)輸、組裝等過(guò)程。依據(jù)其直徑與型式、運(yùn)輸途徑、組裝基地狀況等不同，需準(zhǔn)備1~2個(gè)月。TBM后續(xù)設(shè)備長(zhǎng)100~200m，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)也需先筑一段長(zhǎng)200m左右的隧道。隧道長(zhǎng)度小于1000m時(shí)，其運(yùn)行成本急劇增大。達(dá)3000m左右時(shí)的成本大致是確定的。國(guó)外在斷面10~30m2、長(zhǎng)1000km以上的隧道開(kāi)挖，優(yōu)先考慮接受TBM施工。最佳開(kāi)挖長(zhǎng)度為3000km以上，短隧道慎用。

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工程所在地的道路設(shè)施TBM的運(yùn)輸與組裝要求留意工程所在地的基礎(chǔ)設(shè)施條件。搬運(yùn)支配應(yīng)考慮道路寬度、高度與重量等限制，依據(jù)組裝條件充分調(diào)查運(yùn)輸時(shí)的分割方法(即最小分割尺寸與重量)。TBM一般在工廠試組裝、試運(yùn)輸后分割。分割重量約為35t，斷面3.5×3.5m左右。TBM施工電耗較高，約為同規(guī)模其他工法施工的雙車(chē)道隧道的1.5倍，規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮。TBM選用應(yīng)考慮的條件工程規(guī)模：隧道形態(tài)、長(zhǎng)度、直徑、埋深、走向；地質(zhì)狀況：巖石類(lèi)型與強(qiáng)度、節(jié)理分布與發(fā)育程度、斷層、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、河流等基礎(chǔ)設(shè)施：交通運(yùn)輸實(shí)力、水電來(lái)源、進(jìn)出洞口場(chǎng)地施工進(jìn)度與企業(yè)實(shí)力(制造修理、經(jīng)濟(jì)、施工管理與習(xí)慣)

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第四節(jié)掘進(jìn)機(jī)法施工要點(diǎn)TBM施工管理措施 TBM工廠化施工是一項(xiàng)管理系統(tǒng)工程。施工與設(shè)備管理水平的提高是其高效率與高效益的保證。在一般地質(zhì)條件下，國(guó)外掘進(jìn)機(jī)凈掘進(jìn)時(shí)間在40～50％左右。提高設(shè)備完好率，強(qiáng)調(diào)預(yù)防性修理。選擇合理掘進(jìn)系數(shù)，定時(shí)檢查、更換與調(diào)換刀具配件儲(chǔ)備與供應(yīng)定崗定責(zé)，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)限制測(cè)量與施工測(cè)量精度電力專(zhuān)供洞口平縱面條件、作業(yè)場(chǎng)地、大型臨時(shí)工程等施工準(zhǔn)備

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襯砌施工技術(shù)要點(diǎn) 襯砌結(jié)構(gòu)一般是由臨時(shí)或初期支護(hù)以及二次襯砌組成。在隧道設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)確定基本支護(hù)形式。引水隧道大都接受護(hù)盾式TBM進(jìn)行管片襯砌的結(jié)構(gòu)形式；公、鐵隧道除進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)外，一般視地質(zhì)狀況接受二次噴射混凝土或二次模注混凝土作為永久襯砌。管片式襯砌 護(hù)盾式TBM一般接受圓形全周管片式襯砌。該類(lèi)襯砌適合于懦弱圍巖。管片間應(yīng)安裝止水條，并在管片外圓與洞壁間隙間壓入豆石與注漿。二次模筑混凝土襯砌[Fig.3-12] 開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)一般隨開(kāi)挖先施作臨時(shí)支護(hù)，再進(jìn)行二次模注混凝土襯砌。亦可接受二次噴射混凝土作為永久襯砌，加鋼筋網(wǎng)或鋼纖維。

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不良地質(zhì)地段施工 掘進(jìn)機(jī)必需具備通過(guò)不良地質(zhì)地段的實(shí)力，一般安裝有幫助施工設(shè)備進(jìn)行特殊功能作業(yè)。地質(zhì)超前鉆機(jī) 安裝在主機(jī)頂部、大刀盤(pán)后部的平臺(tái)上，停機(jī)時(shí)超前鉆探30m。兼具注漿與安裝管棚功能。

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不良地質(zhì)地段施工(續(xù))鋼拱環(huán)安裝器 緊靠刀盤(pán)后部安裝，鋼拱環(huán)間距應(yīng)與掘進(jìn)機(jī)的行程距離一樣或成倍數(shù)關(guān)系，在預(yù)制仰拱塊上要留有安放拱環(huán)的溝槽。錨桿鉆機(jī) 前后兩排共四臺(tái)?？膳cTBM開(kāi)挖平行作業(yè)。