不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)TBM選型全

不同地質(zhì)條件下“盾構(gòu)”TBM選型隧道施工行業(yè)中我們把隧道掘進(jìn)機(jī)統(tǒng)稱為盾構(gòu)或盾構(gòu)機(jī)，而國(guó)外則稱之為TBM，TBM是英語(yǔ)名稱的縮寫（T—Tunnel；B——Boring；M——Machine）。盾構(gòu)或TBM是泛指，當(dāng)然細(xì)分可分為土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)和泥水氣平衡盾構(gòu)等等。今天就與大家共同探討一下隧道盾構(gòu)選型問(wèn)題。1.盾構(gòu)的“類型”盾構(gòu)的“類型”是指與特定的盾構(gòu)施工環(huán)境，特別是與特定的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征相匹配的盾構(gòu)的種類。根據(jù)施工環(huán)境，隧道掘進(jìn)機(jī)的“類型”分為軟土盾構(gòu)、硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)、復(fù)合盾構(gòu)三類。因此，盾構(gòu)的“類型”分為軟土盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)兩類。⑴軟土盾構(gòu)軟土盾構(gòu)是指適用于未固結(jié)成巖的軟土、某些半固結(jié)成巖及全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化圍巖條件下的一類盾構(gòu)。軟土盾構(gòu)的主要特點(diǎn)是刀盤僅安裝切刀和刮刀，無(wú)需滾刀。⑵復(fù)合盾構(gòu)復(fù)合盾構(gòu)是指既適用于軟土、又適用于硬巖的一類盾構(gòu)，主要用于既有軟土又有硬巖的復(fù)雜地層施工。復(fù)合盾構(gòu)的主要特點(diǎn)是刀盤既安裝有切刀和刮刀，又安裝有滾刀。2.影響掘進(jìn)機(jī)選型的地質(zhì)因素⑴巖石的堅(jiān)硬程度(單軸抗壓強(qiáng)度Rc）巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越低，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度越高，掘進(jìn)越快，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越高，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度越低，掘進(jìn)越慢。但是，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度太低，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)后圍巖的自穩(wěn)時(shí)間極短甚至不能自穩(wěn)。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值在一定范圍內(nèi)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)既能保持一定的速度，又能使隧道圍巖在一定時(shí)間內(nèi)保持自穩(wěn)，這就是當(dāng)前大多數(shù)掘進(jìn)機(jī)適用于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）值在30至150MPa之間的中等堅(jiān)硬巖石和堅(jiān)硬巖石的主要原因。不同類型、型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)有其各自適用的最佳巖石單軸抗壓強(qiáng)度范圍值。在硬巖中的掘進(jìn)機(jī)施工，遇到的主要問(wèn)題是刀具、刀圈及軸承的嚴(yán)重磨損以及上述部件的頻繁更換，費(fèi)時(shí)且耗資較大。⑵巖石結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度一般情況下節(jié)理較發(fā)育和發(fā)育的，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率較高，因?yàn)楣?jié)理不發(fā)育，巖體完整，掘進(jìn)機(jī)破巖困難；節(jié)理很發(fā)育，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，掘進(jìn)機(jī)支護(hù)工作量增大，同時(shí)巖體給掘進(jìn)機(jī)撐靴提供的反力低，造成掘進(jìn)推力不足，因而也不利于掘進(jìn)機(jī)效率的提高。巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越小，完整性系數(shù)越小，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度有越高的趨勢(shì)。必須指出的是，當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育，結(jié)構(gòu)面密度極大，也即結(jié)構(gòu)面間距極小，巖體完整性系數(shù)很小時(shí)，巖體已呈碎裂狀或松散狀，巖體強(qiáng)度極低，作為隧道工程巖體已不具自穩(wěn)能力，在此類圍巖中進(jìn)行掘進(jìn)施工，其掘進(jìn)速度非但不會(huì)提高，反會(huì)因?qū)Σ环€(wěn)定圍巖進(jìn)行的大量加固處理而大大降低。⑶巖石的耐磨性巖石的耐磨性對(duì)刀具的磨損起著決定作用。巖石堅(jiān)硬度和耐磨性越高，刀具、刀盤的磨損就越大。掘進(jìn)機(jī)換刀量和換刀時(shí)間的增大，勢(shì)必影響到掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益和掘進(jìn)效率。刀具、刀圈及軸承的磨損，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的使用成本起很大的影響，而僅僅根據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度來(lái)判斷不同單軸抗壓強(qiáng)度的巖石對(duì)掘進(jìn)機(jī)刀具、刀圈及軸承的磨損是不夠的。巖石的硬度、巖石中礦物顆粒特別是高硬度礦物顆粒如石英等的大小及其含量的高低，決定了巖石的耐磨性指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，巖石的硬度越高，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的刀具等的磨損越大、掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率也越低。⑷巖體主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧道軸線間的組合關(guān)系、圍巖的初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖體的含水出水狀態(tài)等其它因素。當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面或稱優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的走向與隧道軸線間夾角小于45o,且結(jié)構(gòu)面傾角較緩（≤30o），隧道邊墻拱腳以上部分及拱部圍巖因結(jié)構(gòu)面與隧道開挖臨空面的不利組合而出現(xiàn)不穩(wěn)楔塊，常發(fā)生掉塊和坍塌，影響掘進(jìn)機(jī)的工作，降低掘進(jìn)機(jī)的工作效率，甚至危及掘進(jìn)機(jī)的安全。當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)下，且圍巖為堅(jiān)硬、脆性、較完整或完整巖體時(shí)，極有可能發(fā)生巖爆災(zāi)害，災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)，將危及掘進(jìn)機(jī)及施工人員的安全；若圍巖為軟巖，則圍巖將產(chǎn)生較大的變形。二者均將給掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)施工帶來(lái)極大的困難。巖體的含水出水狀態(tài)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作效率的影響視含水量和出水量的大小及含、出水圍巖的范圍，同時(shí)還要視含、出水圍巖是硬質(zhì)巖還是軟質(zhì)巖。一般地說(shuō)，富含水和涌漏水地段，圍巖的強(qiáng)度會(huì)有不同程度的降低，特別是軟質(zhì)巖的強(qiáng)度降低要大得多，致使圍巖的穩(wěn)定性降低，影響掘進(jìn)機(jī)法的工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，必將惡化掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境，降低掘進(jìn)機(jī)的工作效率。3.盾構(gòu)選型的依據(jù)盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧道的施工安全、施工質(zhì)量、施工工藝及施工成本，為保證工程的順利完成，對(duì)盾構(gòu)的選型工作應(yīng)非常慎重。⑴主要依據(jù)工程招標(biāo)文件、工程勘察報(bào)告、隧道設(shè)計(jì)、施工規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)盾構(gòu)類型、驅(qū)動(dòng)方式、功能要求、主要技術(shù)參數(shù)，輔助設(shè)備的配置等進(jìn)行研究。⑵從安全性、可靠性、適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，所選擇的機(jī)型應(yīng)能盡量減少輔助施工并能保持開挖面穩(wěn)定和適應(yīng)圍巖條件。⑶主要根據(jù)盾構(gòu)隧道的外徑、長(zhǎng)度、埋深、地質(zhì)條件、圍土巖性、土體的顆粒級(jí)配、地層硬稠度系數(shù)、土層滲透率及棄土容重等特征以及線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構(gòu)筑物等環(huán)境條件，以及周圍環(huán)境對(duì)地面變形的控制要求，結(jié)合掘進(jìn)和襯砌等諸因素。⑷參考國(guó)內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例及相關(guān)的盾構(gòu)技術(shù)規(guī)范，按照可靠性安全性適用性第一，技術(shù)先進(jìn)性第二，經(jīng)濟(jì)性第三的原則進(jìn)行，保證盾構(gòu)施工的安全、可靠，選擇最佳的盾構(gòu)施工方法和選擇最適宜的盾構(gòu)。4.掘進(jìn)機(jī)選型的一般規(guī)定⑴隧道施工前，應(yīng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行選型，做到配套合理，充分發(fā)揮施工機(jī)械綜合效率，提高機(jī)械化施工水平。⑵掘進(jìn)機(jī)設(shè)備選型應(yīng)遵循下列原則：①安全性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一；②滿足隧道外徑、長(zhǎng)度、埋深和地質(zhì)條件、沿線地形以及洞口條件等環(huán)境條件；③滿足安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)及環(huán)保要求；④后配套設(shè)備與主機(jī)配套，滿足生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配，工作狀態(tài)相適應(yīng)，且能耗小、效率高的原則，同時(shí)應(yīng)具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)。進(jìn)入隧道的機(jī)械，其動(dòng)力宜優(yōu)先選擇電力機(jī)械。⑶掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的選型應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：①根據(jù)地質(zhì)條件確定掘進(jìn)機(jī)的類型；②根據(jù)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)條件確定主機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)；③根據(jù)生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配的原則，確定后配套設(shè)備的技術(shù)參數(shù)與功能配置。5.掘進(jìn)機(jī)選型根據(jù)地質(zhì)條件、施工環(huán)境、工期要求等因素確定掘進(jìn)機(jī)的類型。⑴單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)常用于軟巖及中等長(zhǎng)度隧道施工，即使圍巖類別稍差時(shí)，它可發(fā)揮出較快的掘進(jìn)速度又比雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)減少投資。⑵開敞式掘進(jìn)機(jī)常用于硬巖；在開敞式掘進(jìn)機(jī)上，配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設(shè)備，以適應(yīng)地質(zhì)的變化；當(dāng)采取有效支護(hù)手段后，也可應(yīng)用于軟弱巖隧道。開敞式掘進(jìn)機(jī)雖然適用于巖石整體較完整，有較好的自穩(wěn)性的硬巖但當(dāng)遇有局部不穩(wěn)定的圍巖時(shí)，由掘進(jìn)機(jī)所附帶的輔助設(shè)備通過(guò)打錨桿、加鋼絲網(wǎng)、噴混凝土、架圈梁等方法加固，以保持洞壁穩(wěn)定；當(dāng)遇到局部地段軟弱圍巖及破碎帶，則掘進(jìn)機(jī)可由所附帶的超前鉆及灌漿設(shè)備，預(yù)先固結(jié)隧道前方上部周邊圍巖，待圍巖達(dá)到能自穩(wěn)后，然后再進(jìn)行安全掘進(jìn)；開敞式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程可直接觀測(cè)到洞壁巖性變化，便于地質(zhì)圖描繪。故當(dāng)所掌握的水文、地質(zhì)資料不很充分時(shí)，選用開敞式掘進(jìn)機(jī)，可充分發(fā)揮出它能運(yùn)用新奧法理論及時(shí)進(jìn)行支護(hù)的優(yōu)勢(shì)；此外小直徑開敞式掘進(jìn)機(jī)可配合鉆爆法進(jìn)行雙線（大斷面）隧道的先行掘進(jìn)。永久性的襯砌一般待全線貫通后集中進(jìn)行。⑶雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)常用于復(fù)雜地層的長(zhǎng)隧道開挖，一般適應(yīng)于中厚埋深、中高強(qiáng)度、穩(wěn)定性基本良好地質(zhì)的隧道，對(duì)各種不良地質(zhì)和巖石強(qiáng)度變化有較好適應(yīng)性。當(dāng)遇軟巖時(shí)，軟巖不能承受支撐靴的壓應(yīng)力，由盾尾輔助推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌管片上以推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)；遇硬巖時(shí)，則靠支撐靴撐緊洞壁，由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)。6.盾構(gòu)選型⑴盾構(gòu)的機(jī)型與滲透系數(shù)的關(guān)系根據(jù)地層滲透系數(shù)與盾構(gòu)的機(jī)型的關(guān)系，若地層以各種級(jí)配富水的砂層、砂礫層為主時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)；其他地層宜選用土壓平衡盾構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)巖土中的粉粒和粘粒的總量達(dá)到40%以上時(shí),通常會(huì)選用土壓平衡盾構(gòu),相反的情況選擇泥水盾構(gòu)比較合適。粉粒的絕對(duì)大小通常以0.075mm為界。⑵根據(jù)地層的顆粒級(jí)配進(jìn)行選型一般來(lái)說(shuō)，細(xì)顆粒含量多，碴土易形成不透水的流塑體，容易充滿土倉(cāng)的每個(gè)部位，在土倉(cāng)中可以建立壓力，平衡開挖面的土體。盾構(gòu)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系詳見下圖，圖中右邊藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎惩?、淤泥質(zhì)土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍，左邊的黃色區(qū)域?yàn)榈[石粗砂區(qū)，為泥水盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍。綠色區(qū)域?yàn)榇稚啊⒓?xì)砂區(qū)，即可使用泥水盾構(gòu)，也可經(jīng)土質(zhì)改良后使用土壓平衡盾構(gòu)，⑶根據(jù)水壓進(jìn)行選型當(dāng)水壓大于0.3MPa時(shí)，適宜采用泥水盾構(gòu)。如果采用土壓平衡盾構(gòu)，螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生碴土噴涌現(xiàn)象，引起土倉(cāng)中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌。當(dāng)水壓大于0.3MPa時(shí)，如因地質(zhì)原因需采用土壓平衡盾構(gòu)，則需增大螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度，或采用二級(jí)螺旋輸送機(jī)。7.制約TBM施工性能的典型因素用TBM進(jìn)行隧道施工是一個(gè)幾乎完全工業(yè)化的過(guò)程。與傳統(tǒng)的硬巖鉆爆法和軟弱圍巖分步、部分?jǐn)嗝骈_挖法相比，TBM法隧道施工具有許多優(yōu)點(diǎn)。但是，TBM法并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)。為了保證TBM法施工技術(shù)的成功實(shí)施，僅從合格的TBM制造廠家引進(jìn)TBM是不夠的；相反在工程的所有階段，從早期的地質(zhì)工程勘察和可行性研究到最終的設(shè)計(jì)與施工，在業(yè)主、監(jiān)理工程師、設(shè)計(jì)單位、TBM制造廠家和施工單位之間建立連續(xù)的協(xié)作關(guān)系極為重要。TBM法是一種投資大、作業(yè)方式不靈活、但潛在施工速度很快的隧道開挖、支護(hù)方法。如果在沒有預(yù)警的情況下遇到不良地質(zhì)情況，那么對(duì)TBM法隧道的工期和其他方面的實(shí)際效益要比鉆爆法隧道大得多。不良地質(zhì)情況可以是造成隧道不穩(wěn)定的質(zhì)量很差的巖體，也可以是造成貫入率低下的質(zhì)量很好的巖體（如強(qiáng)度很高的整塊巖體）。然而，巖體質(zhì)量對(duì)TBM性能的影響并沒有一個(gè)絕對(duì)值；事實(shí)上巖體質(zhì)量對(duì)TBM性能的影響與所采用的TBM及隧道直徑有關(guān)。由于隧道開挖期間可能遇到的巖體、土體及環(huán)境條件實(shí)際上變化無(wú)窮，因此，TBM的類型和特點(diǎn)具有很大差異。TBM用于在巖層中開挖隧道，通常適應(yīng)于在穩(wěn)定性良好、中～厚埋深、中～高強(qiáng)度的巖層中掘進(jìn)長(zhǎng)大隧道，所面臨的基本問(wèn)題是如何破巖。在任何地質(zhì)條件下都能夠進(jìn)行隧道掘進(jìn)的TBM是不存在的，因此一項(xiàng)隧道工程成敗與否取決于以下兩項(xiàng)因素：①所采用TBM的類型；②所選用TBM的設(shè)計(jì)及其特殊施工性能。僅從合格的TBM制造廠家訂購(gòu)一臺(tái)特定類型的TBM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；重要在于TBM設(shè)計(jì)、制造、施工等所有相關(guān)各方之間的持續(xù)合作。因?yàn)橹两裆袥]有任何類型TBM設(shè)計(jì)與施工的“認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)”，且TBM的設(shè)計(jì)、制造是一個(gè)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程。每項(xiàng)隧道工程都具有自身的特點(diǎn)以及每家專業(yè)施工單位都有自身的核心技術(shù)等因素，制造的每臺(tái)TBM都可認(rèn)為是與其他TBM不同的樣機(jī)。總體來(lái)講，最可靠的TBM是最簡(jiǎn)單的TBM，這是因?yàn)楹?jiǎn)單的TBM可能出現(xiàn)故障的部件最少。在良好地層條件下TBM的施工性能良好，但在許多情況下TBM的實(shí)際進(jìn)度低于預(yù)期進(jìn)度，當(dāng)然也低于TBM制造廠家所聲稱的進(jìn)度。原因是除了未預(yù)見事件（如TBM部件出現(xiàn)故障）外，通常是低估或忽視了工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及巖石力學(xué)等方面的問(wèn)題。一方面，在設(shè)計(jì)階段存在許多不可避免的不確定因素，如地質(zhì)、巖土以及水文地質(zhì)方面的不確定因素、TBM的不同類型以及不同的施工工藝等。因此，有必要根據(jù)對(duì)某一隧道工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況與巖土情況的理解以及對(duì)這些情況預(yù)報(bào)的精確程度決定是否需要對(duì)施工方法的選擇和TBM選型進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，由于存在大量相關(guān)的地質(zhì)、技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及金融方面的不確定因素，對(duì)隧道施工進(jìn)行全方位優(yōu)化是相當(dāng)復(fù)雜的。隧道施工的根本問(wèn)題通常是由隧道開挖通過(guò)地層的物理與巖土性質(zhì)的不均勻性決定的；對(duì)于全斷面、機(jī)械化開挖，由于這種開挖方式很不靈活，所以開挖物料強(qiáng)度的不均勻性更為重要。以適當(dāng)方式事先掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和巖土條件對(duì)地下工程的施工是極為重要的。到目前為止，總的來(lái)講用在前期勘察上的資金太少。事實(shí)上已經(jīng)證明用在前期勘察上的資金會(huì)因施工費(fèi)用降低與工期縮短得到很大補(bǔ)償。從TBM法導(dǎo)洞或主洞實(shí)施的超前勘探并不能代替充分的前期勘察。限制TBM性能的相對(duì)較為重要或較常見的不良地質(zhì)情況包括可鉆掘性極限、開挖面的穩(wěn)定性、斷層和擠壓/膨脹地層。同時(shí)，由于存在粘性土、造成TBM下沉的軟弱地層、地下水和瓦斯大量涌入、巖爆、高溫巖層、高溫水和溶洞等，TBM開挖還可能遇到其他不良地質(zhì)情況。7.1可鉆掘性極限如果TBM不能以充足的貫入度貫入巖層掌子面或開挖刀具的磨損超過(guò)可接受的極限，那么則認(rèn)為這種巖層是不可鉆掘的。不應(yīng)以絕對(duì)方式來(lái)確定巖層的可鉆掘性，而應(yīng)從工程造價(jià)、工期等方面對(duì)TBM法和鉆爆法進(jìn)行對(duì)比，從而以相對(duì)方式確定巖層的可鉆掘性。表示TBM開挖巖層能力的主要指標(biāo)是該TBM在最大推力作用下的貫入度。貫入度也稱切深，是刀盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周刀具切入巖石的深度。貫入度指標(biāo)與巖石特性有關(guān)。如：巖石類別、單軸抗壓強(qiáng)度、裂隙發(fā)育、耐磨度、孔隙率等。確定貫入度極限（如果貫入率在此極限以下，則認(rèn)為巖層是不可鉆掘的）是不可能的。貫入度極限還受開挖巖層的耐磨性、隧道直徑及巖層厚度的影響。如果巖石的耐磨性較高，再加上貫入度較低，那么就會(huì)造成刀具更換頻繁，這樣除增加因更換刀具而占用的時(shí)間外，還會(huì)增加每開挖一立方巖石的成本。如果貫入度小于2～2.5mm/r，那么就可認(rèn)為在巖石的可鉆掘性方面存在問(wèn)題；如果貫入度大于3～4mm/r，那么TBM的開挖效率就會(huì)較高。施工中常常發(fā)生這樣的事情：為了保持足夠的貫入度，而最大限度地向前推進(jìn)刀盤，如果TBM任何一部分的設(shè)計(jì)與制造不能在這種最大推力作用下工作，那么TBM將異常振動(dòng)，刀盤和撐靴結(jié)構(gòu)將逐漸出現(xiàn)裂縫，主軸承也容易損壞。由于在隧道內(nèi)修理、更換刀盤或主軸承并不容易，因此這些事故對(duì)TBM施工造成的損失是很嚴(yán)重的。同樣，向前推進(jìn)刀盤的推力如果過(guò)大，主軸承和向TBM刀盤傳送動(dòng)力的齒輪箱有可能受損，這樣造成的后果將更為嚴(yán)重。7.2開挖面不穩(wěn)定如果擬開挖巖體破碎或風(fēng)化嚴(yán)重，導(dǎo)致開挖面發(fā)生重大不穩(wěn)定現(xiàn)象，大的巖塊和粉碎石塊從開挖面塌落，且這種不穩(wěn)定現(xiàn)象一直持續(xù)不停，直至達(dá)到新的平衡，造成大的超挖，那么這種情況可能會(huì)影響TBM的正常工作，即使是護(hù)盾式TBM，在這種情況下，TBM掘進(jìn)可能由于以下兩項(xiàng)基本原因而受阻：①由于塌落、積聚的石塊作用于刀盤或卡住了刀盤，造成刀盤不能旋轉(zhuǎn)；②因開挖面不穩(wěn)定造成超挖嚴(yán)重，在TBM前方形成空洞，需要在空洞擴(kuò)大、最終發(fā)展到不可控制之前停止TBM掘進(jìn)，進(jìn)行空洞處理。施工中，對(duì)形成的空洞常用樹脂和泡沫進(jìn)行注漿回填，以形成一種人造固體，鉆孔和注漿通常通過(guò)設(shè)在刀盤上的專用孔進(jìn)行。也通過(guò)開挖一條旁通隧道(最好在隧道頂部)，以便把被石塊卡住的刀盤解脫出來(lái)，對(duì)開挖面進(jìn)行穩(wěn)定加固，還可以采用傳統(tǒng)開挖方法開挖一段隧道，或采用注漿或管棚超前支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行加固。根據(jù)最近的施工經(jīng)驗(yàn)，為了預(yù)防類似上述事故的發(fā)生，TBM的設(shè)計(jì)有必要使刀盤突出盾殼的長(zhǎng)度盡可能短，從而使盾殼本身對(duì)隧道的支撐盡可能接近開挖面。另外，在這些影響TBM掘進(jìn)的不利條件下，如果在TBM起動(dòng)和開挖過(guò)程中能夠產(chǎn)生較高等級(jí)的刀盤扭矩及能夠調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速，都必將對(duì)TBM的正常掘進(jìn)大有幫助。根據(jù)最近的施工經(jīng)驗(yàn)，為了預(yù)防類似上述事故的發(fā)生，TBM的設(shè)計(jì)有必要使刀盤突出盾殼的長(zhǎng)度盡可能短，從而使盾殼本身對(duì)隧道的支撐盡可能接近開挖面。另外，在這些影響TBM掘進(jìn)的不利條件下，如果在TBM起動(dòng)和開挖過(guò)程中能夠產(chǎn)生較高等級(jí)的刀盤扭矩及能夠調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速，都必將對(duì)TBM的正常掘進(jìn)大有幫助。開挖洞壁不穩(wěn)定是影響開敞式硬巖TBM正常掘進(jìn)的因素之一。如果開挖洞壁不穩(wěn)定發(fā)生在緊靠刀盤支撐之后的位置，那么就會(huì)造成安設(shè)支護(hù)及撐靴定位困難。開挖洞壁不穩(wěn)定對(duì)施工進(jìn)度及對(duì)克服這種不穩(wěn)定所采用方法的影響差異很大，它取決于以下因素：①開挖洞壁不穩(wěn)定現(xiàn)象的規(guī)模及類型；②所用TBM的類型（單撐靴或雙撐靴）；③TBM的設(shè)計(jì)、施工特征；④隧道直徑；⑤TBM具有的安設(shè)隧道支護(hù)的裝置及所采用支護(hù)的類型。7.3開挖洞壁不穩(wěn)定對(duì)于開挖洞壁不穩(wěn)定現(xiàn)象，護(hù)盾式TBM，無(wú)論是單護(hù)盾式，還是雙護(hù)盾式，不象開敞式TBM那么敏感，這是因?yàn)樽o(hù)盾式TBM可以在護(hù)盾的保護(hù)下安裝預(yù)制混凝土管片，通過(guò)向管片施加推力，護(hù)盾式TBM可以向前掘進(jìn)，無(wú)論開挖洞壁是否穩(wěn)定。開挖洞壁不穩(wěn)定時(shí)，開敞式TBM的日進(jìn)度可降至1～2m，甚至無(wú)進(jìn)度。開敞式TBM在開挖洞壁不穩(wěn)定時(shí)，可采取以下措施：①對(duì)開挖洞壁采取穩(wěn)定加固施工措施，在緊接刀盤支撐位置之后安設(shè)鋼拱架、木撐板和噴混凝土；②在TBM前方用傳統(tǒng)方法開挖，通常采用頂部導(dǎo)坑法；③采取鉆孔、注漿或在TBM上方安設(shè)傘形拱架等措施，對(duì)開挖面前方的地層進(jìn)行預(yù)處理。7.4斷層帶TBM掘進(jìn)中穿越大的斷層帶時(shí)，如果刀盤被卡住，一般情況下常會(huì)影響TBM的正常掘進(jìn)，這樣即使不會(huì)對(duì)工期造成大的拖延，但也常常會(huì)導(dǎo)致TBM掘進(jìn)速度下降。盡管斷層帶沿隧道長(zhǎng)度呈局部分布，但由于在開挖期間預(yù)報(bào)不足，或事先對(duì)困難估計(jì)不足或了解不夠，仍可能造成意外事故。在斷層帶，如果地層完全風(fēng)化且存在高壓地下水，那么開挖掌子面有可能象流體一樣活動(dòng)，且有可能象河水一樣淹沒隧道。如果開敞式TBM遇到超前鉆探未發(fā)現(xiàn)的上述斷層帶，那么TBM將會(huì)因地層滑塌而嚴(yán)重受阻，甚至被滑塌石塊埋起來(lái)，造成后退困難的災(zāi)難性局面。另外，遇到斷層帶時(shí)，對(duì)地層進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的注漿處理，注入的水泥漿液也有可能會(huì)造成TBM刀盤被卡。如果護(hù)盾式TBM，無(wú)論是單護(hù)盾還是雙護(hù)盾TBM，遇到這種斷層帶，盡管TBM不可能再繼續(xù)開挖，但其結(jié)果不會(huì)象開敞式TBM那樣嚴(yán)重。由于護(hù)盾式TBM掘進(jìn)的隧道已施作了管片襯砌，從而形成盾殼的自然延伸體，這樣至少可以從盾殼內(nèi)對(duì)斷層帶進(jìn)行處理，同時(shí)還可以防止隧道完全被水淹沒。7.5擠壓地層無(wú)論何時(shí)，如果在4～8小時(shí)之內(nèi)，在距開挖面較短距離（幾米距離）處發(fā)生嚴(yán)重的隧道收斂現(xiàn)象，無(wú)論其原因如何，TBM必將陷入困境。對(duì)設(shè)計(jì)和施工人員來(lái)說(shuō)，擠壓地層是一個(gè)十分關(guān)注的影響TBM正常掘進(jìn)的因素之一。目前，還沒有由于隧道收斂問(wèn)題造成TBM長(zhǎng)時(shí)間受困的例子。護(hù)盾式TBM對(duì)隧道快速收斂十分敏感，有可能被收斂的地層卡住。對(duì)于開敞式TBM，任何時(shí)候在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的隧道收斂，如果收斂與隧道穩(wěn)定相關(guān)，那么施作的隧道支護(hù)和TBM撐靴的支撐可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，從而影響隧道的掘進(jìn)速度。為了克服上述問(wèn)題，對(duì)大多數(shù)TBM來(lái)說(shuō)可以適當(dāng)超挖，把盾殼與開挖輪廊面之間的間隙從通常的6～8cm調(diào)整到14～20cm。然而，開敞式TBM在收斂嚴(yán)重的不穩(wěn)定地層中掘進(jìn)的主要問(wèn)題在于施作鋼支撐、鋼筋網(wǎng)和噴混凝土等支護(hù)困難重重，且剛施作的支護(hù)不能立即有效抵制地層變形與擠壓的趨勢(shì)。對(duì)于護(hù)盾式TBM，可以提高其縱向千斤頂?shù)淖畲笸屏?，直至TBM在較高地層壓力(2～5MPa)作用下可以向前推進(jìn)，但是隧道的管片襯砌要足夠堅(jiān)固，可以給TBM推進(jìn)千斤頂提供必要的反作用力，否則隧道襯砌本身將垮塌。采取這些方法、措施之后，再加上超挖，護(hù)盾式TBM幾乎可以在任何條件(包括所謂的特殊條件)下進(jìn)行隧道掘進(jìn)。但是，如果由于機(jī)械故障等原因，TBM被迫在擠壓地層區(qū)段停滯了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，那么TBM被困住的可能性相當(dāng)大。雙護(hù)盾式TBM的脫困作業(yè)相對(duì)較為容易，可以在距開挖面4～5m處通過(guò)TBM伸縮區(qū)的開口進(jìn)行。然而，單護(hù)盾式TBM的脫困作業(yè)必須從TBM的盾尾處開始，需在距開挖面8～9m處拆去一環(huán)或兩環(huán)管片。8.盾構(gòu)選型時(shí)必須考慮的特殊因素盾構(gòu)選型時(shí)，在實(shí)際實(shí)施時(shí)，還需解決理論的合理性與實(shí)際的可能性之間的矛盾。必須考慮環(huán)保、地質(zhì)和安全因素。(1)環(huán)保因素對(duì)泥水盾構(gòu)而言，雖然經(jīng)過(guò)過(guò)篩、旋流、沉淀等程序，可以將棄土漿液中的一些粗顆粒分離出來(lái)，并通過(guò)汽車、船等工具運(yùn)輸棄碴，但泥漿中的懸浮或半懸浮狀態(tài)的細(xì)土顆粒仍不能完全分離出來(lái)，而這些物質(zhì)又不能隨意處理，就形成了使用泥水盾構(gòu)的一大困難。降低污染保護(hù)環(huán)境是選擇泥水盾構(gòu)面臨的十分重要的課題，需要解決的是如何防止將這些泥漿棄置江河湖海等水體中造成范圍更大、更嚴(yán)重的污染。要將棄土泥漿徹底處理可以作為固體物料運(yùn)輸?shù)某潭纫彩强梢宰龅降?，?guó)內(nèi)外都有許多成功的事例，但做到這點(diǎn)并不容易，因?yàn)?①處理設(shè)備貴，增加了工程投資②用來(lái)安裝這些處理設(shè)備需要的場(chǎng)地較大③處理時(shí)間較長(zhǎng)(2)工程地質(zhì)因素盾構(gòu)施工段工程地質(zhì)的復(fù)雜性主要反映在基礎(chǔ)地質(zhì)(主要是圍巖巖性)和工程地質(zhì)特性的多變方面。在一個(gè)盾構(gòu)施工段或一個(gè)盾構(gòu)合同標(biāo)段中，某些部分的施工環(huán)境適合選用土壓平衡盾構(gòu)，但某些部分又很適合選用泥水盾構(gòu)。盾構(gòu)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮并對(duì)不同選擇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析后擇其優(yōu)者。(3)安全因素從保持工作面的穩(wěn)定、控制地面沉降的角度來(lái)看，使用泥水盾構(gòu)要比使用土壓平衡盾構(gòu)的效果好一些，特別是在河湖等水體下、在密集的建筑物或構(gòu)筑物下及上軟下硬的地層中施工時(shí)。在這些特殊的施工環(huán)境中，施工過(guò)程的安全性將是盾構(gòu)選型時(shí)的一項(xiàng)極其重要的選擇，如北京鐵路地下直徑線最終選擇了泥水盾構(gòu)。9.出碴運(yùn)輸與進(jìn)料設(shè)備的選擇TBM施工中，掘進(jìn)效率的高低、在很大程度上取決于出碴運(yùn)輸和運(yùn)料是否及時(shí)到位。運(yùn)出對(duì)象主要是TBM開挖所產(chǎn)生的大量石碴，運(yùn)進(jìn)對(duì)象為隧道支護(hù)、隧道延伸所需的材料和刀具等維修器材。出碴運(yùn)輸與進(jìn)料設(shè)備的選型，首先要考慮與TBM的掘進(jìn)速度相匹配，其次須從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，選用技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的方案。設(shè)備的具體規(guī)格、數(shù)量由開挖洞徑、掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺、隧道長(zhǎng)度和坡度等因素決定。出碴運(yùn)輸與進(jìn)料設(shè)備主要分為有軌出碴及進(jìn)料與連續(xù)皮帶機(jī)出碴和輕軌進(jìn)料兩種類型。9.1有軌出碴及進(jìn)料根據(jù)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度，開挖斷面，隧道坡度，每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺，巖石的松散系數(shù)，計(jì)算每列出碴車的礦車斗容和輛數(shù)。機(jī)車選型要滿足不僅可以牽行1列重載礦車，還可帶動(dòng)所需輛數(shù)的材料車和載人車，同時(shí)考慮坡度，最終確定機(jī)車臺(tái)數(shù)和規(guī)格。根據(jù)掘進(jìn)長(zhǎng)度