5.2.3全断面岩石隧道掘进机的选型（CK1#P17-23）
（一）整体选择原则
第1步：首先决定是否使用掘进机开挖
第2步：然后确定隧道的总体开挖方案
第3步：再进行掘进机设备选型：
1）根据地质条件→掘进机类型（敞开式or护盾式）；
2）根据隧道设计参数及地质条件→主机主要技术参数
3）根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则→后配套设备技术参数与功能配置。
（二）隧道施工方案的选择
•隧道设计有单、双洞之分与断面大小之别。
•根据掘进工作面的设置和推进方向，掘进方式有单头单向掘进、双向对头掘进、多向多头掘进等方案，对于矿山巷道，一般都是单巷单头掘进。
•根据断面的大小，掘进方式有全断面掘进机一次掘进、分次扩孔掘进、机掘与钻爆混合掘进等方案。
（三）掘进机主机的选择
隧道长度和弯曲度
在3km以上长度的隧道中使用才具有较好的技术经济效果；隧道长度大于6km时应尽量使用，长度大于10km且工程地质、水文地质条件较适宜时应优先考虑采用。
全断面掘进机一般要求曲线半径在200m以上。
隧道断面形状与大小
适用于圆形断面的隧（巷）道。
断面大小决定掘进机机型大小；
每种机型都有一定的使用范围，选用时应考虑其最佳掘进断面面积。
岩石性质
掘进机对隧道地层最为敏感，掘进机的具体类型要根据地质条件、施工环境、工期要求等因素确定。
不同类型、型号的掘进机有其适用的最佳岩石单轴抗压强度范围值。
通常而言：
围岩中硬以上且整体性较好，宜选用敞开式掘进机；
围岩地质情况相对较差宜选择护盾式TBM；
且双护盾式掘进机常用于复杂地的长隧道开挖。
（四）掘进机主要技术参数的选择
刀盘转速：由围岩类别、刀盘直径决定。
刀盘扭矩：取决于围岩条件、掘进机类型、掘进机直径等。
刀盘驱动功率：由刀盘扭矩、转速及传动效率确定。
掘进行程：宜选用长行程，必须考虑管片环宽。
贯入度：即刀盘每转动一周刀具切入岩石的深度，与岩石特性有关。
掘进速度=刀盘转速×贯入度，在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高时的贯入度低，刀盘扭矩小，而此时推进力相对也较小。
5.2.4全断面岩石隧道掘进机的施工
（一）破岩机理
（1）机理
在掘进时切削刀盘上的滚刀沿岩石开挖面滚动，形成对岩面的滚动挤压；切削刀盘每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在滚刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石碴，从而实现破岩。
（2）影响因素
◆贯入深度坚硬和裂隙很少的岩石，一般为2.5-3.5mm/转；中等坚硬和裂隙较多的岩石，一般为5-9mm/转。
◆滚刀间距滚刀间距太大，滚刀产生压力达不到与相邻滚刀的影响范围相接，从而使开挖效率降低。
反之，如果刀间距太小，则会浪费设备的功率。
◆岩体的裂隙掘进机施工不仅要注意岩石抗压强度，还应注意岩石磨蚀性和岩体裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距越大时，切割也就会越困难。
（二）掘进作业
开敞式掘进机作业循环图示讲解
（三）施工管理
掘进机开挖隧道的高效率源于隧道施工的工厂化，但要发挥最佳效益，就必须加强管理。
（1）保证有效作业时间
将整个有效的作业时间作为净掘进时间是不可能的，因为：……。
在一般地质条件下，掘进机净掘进时间在50%左右是较为理想的。
例如，某掘进机工点作业时间分配为：重新支撑3.2%、刀具更换13.8%、检修5.5%、后配套检修6.6%、支护1.7%、工地延误3.8%、其它11.1%、掘进54.3%。
（2）提高设备完好率
（3）合理选用刀具参数
（4）保证配件供应
（5）管理人员对掘进方向的地质情况应有足够的了解
（6）提高隧道控制测量和施工测量的精度
（7）应建立专门的供电机构，确保供电质量
（8）精心设计，统筹安排，严格施工
（四）全断面岩石掘进机施工总体评述
（1）优点
•施工速度快：核心优点！一般为钻爆法的3～5倍；可减少辅助斜井和竖井，大大缩短工期，修建长大隧道应优先采用。
•施工质量好：刀具挤压和切割，洞壁光滑美观。
洞径尺寸精确、误差小，可控制在±2cm范围内。
•安全性高：对洞壁外围岩扰动少；人员在护盾下工作有利于安全；无炸药等爆炸物和污染物。
•经济效果优：成洞的综合成本要比钻爆法优越。
(2)不足
•一次性投入成本较高：一台φ10m主机+后配套价格要上亿。
•设计制造周期长：从确定选用到实际使用约需1年。
•掘进机直径尺寸可调范围不大。
只能圆形断面掘进。
•对地质条件适应性较差：不同地质条件需不同种类掘进机和相应配套。
岩石太硬，刀具磨损严重。
•操作维修水平要求高：刀具更换和拆卸较为困难；作业能消大
5.2.5与掘进机（岩石）施工配套的支护型式
衬砌结构的组成：
一般仍是由初期支护+二次衬砌组成。
初期支护：喷射混凝土
二次衬砌：喷射混凝土
模筑混凝土
管片衬砌
不管是哪种类型的衬砌，为了安放轨道运碴，都必须设置预制仰拱块，它也是最终衬砌的一部分。
（一）管片衬砌
（1）构成
使用护盾掘进机时，一般采用预制圆形管片衬砌，分为5～7块，在洞内拼装而成。
（2）特点
优点：
适合软弱围岩；
撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反力；
当撑靴可以支撑岩面时，双护盾掘进机可以使掘进和换步同时进行，提高了循环速度；
利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好，安全性强。
缺点：
造价高。
块与块之间必须安装止水带，并外壁压入豆石和注浆。
需要建管片工厂，最好设在现场，以方便运输，如秦岭铁路隧道。
（二）复合式衬砌
使用开敞式掘进机，可以先施作初期支护，然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌，即复合式衬砌其底部为预制仰拱块。
如秦岭Ⅰ线铁路隧道。
（三）在软弱破碎地层中的辅助支护措施
一般而言，掘进机宜用于地质条件较好的隧道，但任何一座总体地质条件好的隧道，都有可能
出现局部地质较差地段，这就需要掘进机对于这样的地质情况具有一定的处理能力。
为了实现这一目的，可以在掘进机上安装一些辅助设备进行特殊功能的作业。
（1）安装地质超前钻机
安装在切削刀盘后部的主机顶部平台上，在主机停机时进行掌子面前方约30m的超前钻孔探测，以预报前方的地质情况，为掘进提供可靠消息。
超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，使其具备加固前方地层的能力
（2）设钢拱环安装器
紧靠刀盘的后部设有钢拱环安装器，利用工字钢拱环形成钢拱架支护。
该方法安装速度快、支护效果及时。
（3）先开挖小导洞
先用小直径(3.5～5.0m)掘进机开挖导洞，再用钻爆法扩挖成隧道。
充分利用小直径掘进机技术成熟、造价低、速度快、运输方便、风险小等优点，能事先探明地质和为扩挖创造通风条件。
5.3盾构机施工
5.3.1基本工作原理
（一）盾构法的基本含义
（二）常见盾构机工作原理
当前，常用盾构机类型有：土压平衡和泥水平衡盾构机，除出土（渣）的方式不同外，其基本工作原理一致。
土压平衡盾构机出土（渣）的工作原理：刀盘旋转开挖工作面土体，挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，土料由螺旋输送机旋转运出；泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。
泥水平衡盾构机出土（渣）的工作原理：利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。
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