盾构机组装与调试.docx

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1.1盾构机组装与调试

1.1.1组装场地的布置及吊装设备

盾构机的组装场地按业主提供的场地分成三个区：

后配套拖车存放区、主机及后配套存放区、吊机存放区。

吊装设备为：

250T履带吊一台，90T汽车吊一台，50T液压千斤顶两台以及相应的吊具。

盾构组装调试流程如图8-4所示。

图8-4盾构组装、调试程序图

1.1.2组装顺序及方法

在组装井内精确放置始发台托架并定位固定（见图8-6，然后铺设轨道，再进行盾构的下井组装。

各节拖车下井顺序为：

五号拖车→四号拖车→三号拖车→二号拖车→一号拖车→连接桥。

拖车下井后由电瓶机车牵引至指定的区域，拖车间由连接杆连接在一起。

主机下井顺序为：

螺旋输送机→前体→中体→刀盘→管片安装机→盾尾。

中体、前体、刀盘、盾尾、螺旋输送机用250t吊机和90t汽车吊机配合下井。

反力架与负环管片的下井、安装、定位。

主机后移与前移的后配套连接，然后连接液压和电气管路。

盾构组装顺序示意见图8-5～8-16。

图8-5组装始发台、托架

图8-6组装始发台、托架

图8-7组装后配套拖车

图8-8组装设备桥

图8-9吊装螺旋输送机

图8-10吊装前体

图8-11组装前体与中体

图8-12组装刀盘

图8-13组装管片安装机、盾尾

图8-14组装螺旋输送机

图8-15设备连接、安装反力架

图8-16完成组装、准备始发

1.1.3组装技术及安全措施

盾构组装主要技术措施及安全措施为：

（1）盾构组装前制定详细的组装方案与计划，同时组织有经验的组装班组，并在组装施工前对组装人员进行技术和安全培训。

（2）盾构机的运输由专业的大件运输公司运输进场。

（3）盾构机吊装由具有资历的专业队伍负责起吊。

（4）根据250t履带吊机对地基承载力的要求，对其工作区域进行处理，如浇筑钢筋混凝土路面、铺设钢板等，防止地层不均匀沉陷。

（5）盾构主机吊装之前对始发台进行准确的定位。

（6）大件组装时应对盾构始发井端头墙进行严密的观测，掌握其变形与受力状态，保证始发井结构安全。

大件吊装时以90t吊车辅助翻转。

（7）每班作业前按起重作业安全操作规程进行技术交底，严格按有关规定执行。

（8）由专人负责大件运输和现场吊装、组装的秩序维护，确保组装安全。

1.1.4盾构机调试

1.1.4.1空载调试

盾构机组装完毕后，即可进行空载调试。

空载调试的目的主要是检查设备是否能正常运转。

主要调试内容为：

配电系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、控制系统、注浆系统以及各种仪表的校正。

1.1.4.2负载调试

空载调试证明盾构机具有工作能力后，即可进行盾构机的负载调试。

负载调试的主要目的是检查各种管线及密封设备的负载能力，对空载调试不能完成的调试工作进一步完善，以使盾构机的各个工作系统及其辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。

1.2盾构始发及试掘进

1.2.1始发流程

盾构始发流程见图8-17。

盾构机推进

端头加固

安装始发基座

盾构机组装、空载调试

安装反力架

安装负环

盾构负载调试

盾尾通过洞口密封

注浆回填

盾构掘进和管片安装

图8-17盾构始发流程框图

1.2.2始发阶段运输方案

根据业主提供的施工场地和工作井条件以及盾构机自身结构的特点，制定盾构始发掘进阶段的出碴、运输方案。

1.2.3始发方案的确定

根据业主提供的始发场地，综合考虑各方因素，现拟定采用全地下始发方案，即先将5～1号台车依次吊入轨排井中，再将盾构机主机吊入盾构始发井中进行组装，并安装反力架，连接各管路，进行调试、始发。

1.2.4盾构始发的出碴、运输布置

始发阶段的出碴采用渣斗车，垂直运输使用45t龙门吊，井下水平运输采用电瓶车。

1.2.5步骤及技术措施

盾构始发步骤及相应的主要技术措施如下：

1.2.6始发台安装

始发台结构见图8-18。

图8-18始发台结构示意图

在洞门凿除完成之后，依据隧道设计轴线定出盾构始发姿态的空间位置，然后反算出始发台的空间位置，始发台的安装高程可根据端头地质情况适当进行抬高。

由于始发台在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发之前，必须对始发台两侧进行必要的加固。

1.2.7反力架安装

反力架结构见图8-19。

图8-19反力架结构示意图

在盾构主机与后配套连接之前，进行反力架的安装。

由于反力架为盾构始发时提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发台轴线垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。

安装时反力架与始发井结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

1.2.8洞门凿除

始发井与接收井围护结构为800mm地下连续墙，洞门凿除分两步进行：

第一步，以手持风镐方式由上至下分块凿除连续墙外层混凝土，保留最内层钢筋；第二步，当盾构组装调试完成，并推进至距离洞门约1.0m左右时，再由上至下分层、间隔地割除预留的最内层钢筋。

1.2.9洞门防水装置安装

洞门防水装置由帘布橡胶板、圆环板、固定板、压板、垫板和螺栓等组成。

在洞门凿除第一步工作完成后，将前述构件按顺序安装在始发井施工时预埋的洞门圈钢环上。

为防止盾构推进洞门圈时刀盘损坏帘布橡胶板，可在帘布橡胶板外侧涂抹一定量的油脂。

随盾构向前推进需根据情况对洞门密封压板进行调整，以保证密封效果。

见图8-20。

图8-20始发洞口密封示意图

1.2.10负环管片安装

当前述及盾构组装调试等工作完成后，组织相关人员对盾构设备、反力提供系统、始发台等进行全面检查与验收。

验收合格后，开始将盾构向前推进，并安装负环管片。

（1）分别调试推进系统和管片安装系统，确保这两个系统能稳定工作；

（2）割除洞门内的最后一层钢筋网，为盾构推进做好准备。

钢筋网必须在盾构推进之前割除完成；

（3）在盾尾壳体内安装管片支撑垫块，为管片在盾尾内的定位做好准备，见图8-21。

图8-21负环管片安装示意图

（4）从下至上一次安装第一环管片，要注意的管片的转动角度一定要符合设计。

偏差宜控制为：

高程和平面±50mm，每环相邻管片高差5mm，纵向相邻管片高差6mm；

（5）安装拱部的管片时，由于管片支撑不足，一定要及时加固；

（6）第一环负环管片拼装完成后，用推进油缸把管片推出盾尾，并施加一定的推力把管片压紧在反力架上，即可开始下一环管片的安装；

（7）管片在被推出盾尾时，要及时的支撑加固，防止管片下沉或失圆。

同时也要考虑到盾构推进时可能产生的偏心力，因此支撑应尽可能的稳固；

（8）当刀盘抵拢掌子面时，推进油缸已经可以产生足够的推力稳定管片后，再把管片定位块取掉。

1.2.11盾构始发掘进技术要点

（1）在进行始发台、反力架和首环负环管片的定位时，要严格控制始发台、反力架和负环的安装精度，确保盾构始发姿态与隧道设计线形符合。

（2）负环管片安装前，在盾尾内侧标出负6环管片的位置和封顶块的偏转角度，管片安装顺序与正常掘进时相同。

第一环负环管片定位时，管片的后端面应与线路中线垂直，负环管片采用错缝拼装方式。

负6环管片拼装完成后，用推进油缸把管片推出盾尾，并施加一定的推力把管片压紧在反力架上，即可开始下一环管片的安装。

（3）始发前基座定位时，盾构机轴线与隧道设计轴线保持平行，盾构中线可比设计轴线适当抬高。

（4）在盾尾壳体内安装管片支撑垫块，为管片在盾尾内的定位做好准备。

安装拱部的管片时，由于管片支撑不足，要及时垫方木进行加固。

管片在被推出盾尾时，要及时进行支撑加固，防止管片下沉或失圆。

同时也要考虑到盾构推进时可能产生的偏心力，因此支撑应尽可能的稳固。

（5）在始发阶段由于推力较小，地层较软要特别注意防止盾构低头。

（6）盾构在始发台上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发台向前推进。

（7）始发初始掘进时，盾构机处于始发台上，因此需在始发台及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩。

（8）在始发阶段由于设备处于磨合阶段，要注意推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。

掘进总推力应控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。

（9）盾构始发前要根据地层情况，设定一个掘进参数。

开始掘进后要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态地调整盾构掘进参数。

（10）盾构组装前在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力；始发前在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置。

（11）始发掘进时采用45t龙门吊进行出碴，洞内水平运输采用小碴斗出碴。

1.2.12盾构试掘进

两台盾构掘进的前100m作为试掘进段，通过试掘进段拟达到以下目的：

（1）用最短的时间对新盾构机进行调试、熟悉机械性能。

（2）了解和认识本工程的地质条件，掌握各地质条件下复合式盾构的操作方法。

（3）收集、整理、分析及归纳总结各地层的掘进参数，制定正常掘进各地层操作规程，为实现快速、连续、高效的正常掘进打好基础。

（4）熟悉管片拼装的操作工序，提高拼装质量，加快施工进度。

（5）通过本段施工，加强对地面变形情况的监测分析，反映盾构机进洞时以及推进时对周围环境的影响，掌握盾构推进参数及同步注浆量。

（6）通过盾构试掘进施工，摸索出盾构在本标段地层中掘进姿态控制措施和方法。

试验段施工中详细记录不同时段、不同地层所采取的不同掘进参数的进尺情况；相同的掘进参数对于不同地层其进尺和刀盘的磨损情况；以及相同的地层采取不同的掘进参数，记录其进尺及刀盘磨损的情况。

同时，详细记录注浆压力与地层的关系。

数据收集后，及时进行分析、整理，总结出本工程隧道掘进过程中不同的地层应该采取的掘进参数，为工程的顺利进行提供技术依据。

1.3盾构正常掘进

1.3.1正常掘进作业班次安排

正常掘进阶段，采用连续生产的原则组织施工，每周七个工作日。

左右线两台盾构作业循环均采用“2+1”班制，即每天2个班掘进，1个班维修保养。

每个掘进班每天工作10小时，保养班每天强制保养6小时（与两个掘进班的工作时间各重合一小时），其余时间跟机保养。

1.3.2正常掘进工作内容

盾构机在完成前100m的试掘进后，将对掘进参数进行必要的调整，为后续的正常掘进提供条件。

主要内容包括：

（1）根据地质条件和试掘进过程中的监测结果进一步优化掘进参数。

（2）正常推进阶段采用100m试掘进阶段掌握的最佳施工参数。

通过加强施工监测，不断地完善施工工艺，控制地面沉降。

施工进度应采用均衡生产法。

（3）推进过程中，严格控制好推进里程，将施工测量结果不断地与计算的三维坐标相校核，及时调整。

将里程偏差控制在：

缓和曲线、圆曲线段：

X（隧道设计纵轴方向即沿里程方向）、Y（垂直隧道沿设计轴线方向）＜50mm。

（4）盾构应根据当班指令设定的参数推进，推进出土与衬砌背后注浆同步进行。

不断完善施工工艺，控制施工后地表最大变形量在+10，-30mm之内。

（5）盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。

（6）盾构掘进施工全过程须严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。

（7）盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动。

（8）做好施工记录，记录内容有：

①隧道掘进的施工进度；

——油缸行程；

——掘进速度；

——盾构推力；

——土压力；

——刀盘转速；

——螺旋机转速；

——盾构内壁与管片外侧环形空隙（上、下、左、右）。

②同步注浆：

——注浆压力；

——数量；

——注浆材料配比；

——注浆试块强度；

——稠度。

③测量：

——盾构倾斜度；

——隧道椭圆度；

——推进总距离；

——隧道每环衬砌环轴心的确切位置（X、Y、Z）。

1.3.3正常掘进作业工序流程和操作控制程序

操作控制工序见图8-22。

1.3.4盾构掘进模式的选择及操作控制

1.3.4.1不同掘进模式的特点和适用条件

本标段选用的盾构机为复合式盾构机，具有敞开式（OPEN）、半敞开式（SEMI-OPEN）和土压平衡式（EPB）三种掘进模式，每一种掘进模式具有不同的特点和适用条件。

三种掘进模式下的掘进原理见图8-23。

1）敞开式

该模式下，盾构机切削下来的碴土进入土仓内即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有极少量的碴土，约占土仓的30～60%，掘进中刀盘和螺旋输送机所受反推力较小。

由于土仓内压力为大气压，故不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入。

该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。

图8-22掘进工序操作控制程序框图

图8-23掘进模式原理示意图

2）半敞开式

该模式又称为局部气压模式。

掘进中土仓内的碴土未充满土仓，尚有一定的空间，通过向土仓内输入压缩空气与碴土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。

该掘进模式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层，其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。

3）土压平衡模式

土压平衡模式就是将刀盘切削下来的碴土充满土仓，并通过推进操作产生与土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定开挖面地层和防止地下水的渗入。

该掘进模式主要通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量来产生压力，并通过测量土仓内的土压力来随时调整、控制盾构推进速度和螺旋输送机的转速。

在该掘进模式下，刀盘和螺旋输送机所受的反推力较大。

该掘进模式适用于不能稳定的软土和富水地层。

1.3.4.2本区间不同地层条件下选用不同的掘进模式

在<2-2>、<3-2>和<4N-2>地层以内采用土压平衡式掘进，在<5H-2>、<6H>号地层以上根据实际情况采用半敞开式。

1.3.5各掘进模式的主要掘进参数及技术措施

1.3.5.1参数选取

根据本标段地质情况，主要掘进参数见表8-2《盾构主要工作参数表》，并应在施工中不断优化调整。

表8-2盾构主要工作参数表

掘进模式

推力（t）

扭矩（t·m）

刀盘转速（rpm）

土仓压力（bar）

螺旋机转速（rpm）

备注

土压平衡式

1200～2100

300～420

1～2

1.5～2.4

6～12

半敞开式

1000～1800

210～380

1.5～2.5

1～1.5

6～12

敞开式

800～1500

110～380

2～3.5

无

4～12

1.3.5.2技术措施

（1）敞开式掘进的技术措施：

①采用滚刀破岩为主，采用高转速、低扭矩和适宜的螺旋输送机转速推进。

②采用敞开模式掘进时，易产生掘进中的盾构机滚动和较大震动现象，施工中如不慎引起盾构机滚动，可使刀盘反转来纠正。

③同步注浆时浆液可能渗流到盾壳与周围岩体间的空隙甚至刀盘处，为避免此现象发生可采取适当增大浆液粘度、缩短浆液凝结时间、适当降低注浆压力等方法来解决。

④在硬岩敞开式掘进时，刀具磨损较大，温度高，岩碴不具软塑性，因此，应注意观察、检查，及时换刀，注入泡沫和膨润土冷却、润滑，以降磨、降温。

（2）半敞开式掘进技术措施

①半敞开式掘进模式介于土压平衡和敞开模式之间，采用滚刀、齿刀混合破岩切削。

②为既能稳定开挖面和防止地下水渗入，又能避免出碴时螺旋输送机发生喷涌，压缩空气压力应控制在1～1.5bar以内。

③在该模式下掘进时，应注入泡沫对碴土进行改良。

遇地层变换、涌水较大时，及时转换模式掘进。

（3）土压平衡模式掘进的技术措施：

①采用以齿刀、刮刀为主切削土层，以低转速、大扭矩推进。

②土仓内土压力值P应略大于静水压力和地层土压力之和P0，即P=K·P0（K介于1.0～1.3），并在掘进中不断调整优化。

③土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度两种方法建立，并应维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定平衡。

④盾构机的掘进速度主要通过调整盾构推进力、转速（扭矩）来控制，排土量则主要通过调整螺旋输送机的转速来调节。

在实际掘进施工中，应根据地质条件、排出的碴土状态，以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化，此模式掘进时应采取碴土改良措施增加碴土的流动性和止水性。

1.3.6碴土改良和管理

在复杂地层的盾构施工中，根据围岩条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量进行管理。

1.3.6.1碴土改良的目的

（1）使碴土具有良好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；

（2）提高碴土的不透水性，使碴土具有较好的止水性，从而控制地下水流失；

（3）提高碴土的流动性，利于螺旋输送机排土；

（4）防止开挖的碴土粘结刀盘而产生泥饼；

（5）防止螺旋输送机排土时出现喷涌现象；

（6）降低刀盘扭矩和螺旋输送机的扭矩，同时减少对刀具和螺旋输送机的磨损，从而提高盾构机的掘进效率。

1.3.6.2改良的方法与添加剂

碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓内或螺旋输送机内注入泡沫或膨润土，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。

1.3.6.3碴土改良的主要技术措施

根据本工程的地质条件和盾构施工的经验，采取如下主要技术措施：

（1）在富水断层带和其它含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

（2）在砂性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土仓内注入泡沫来改良碴土。

泡沫注入量根据具体情况确定。

（3）在块状结构，泥、钙质胶结的泥质粉砂岩，粉砂质泥岩中掘进时，由于掘进对地层的扰动，不易形成连续的土压，为此采取向刀盘面、土仓和螺旋输送机内注入泡沫和浓度高的膨润土泥浆来改良碴土，维持土仓内土压平衡。

1.3.6.4防泥饼措施

当盾构机全断面通过粘性土层和全风化岩层时，刀盘中心区和土仓中心区容易形成“泥饼”，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封老化破坏，“泥饼”现象往往会堵塞滚刀，使滚刀发生偏磨。

如果地下水较丰富，螺旋机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口会产生喷涌，开挖面就会失稳，发生地层坍塌。

盾构机在粘性岩中掘进的措施：

（1）加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在粘性土和泥质硅胶岩石中掘进时，更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。

（2）在这种地层掘进时，增加刀盘前部中心部位泡沫注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减少碴土的粘附性，降低“泥饼”产生的几率。

（3）一旦产生泥饼，及时采取对策，必要时采用人工处理的方式清除泥饼。

（4）必要时，螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土排出。

（5）出现长时间停机时，适当转动刀盘，添入泡沫，搅拌土仓内的碴土。

1.3.7掘进过程中姿态控制

由于隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响，盾构推进会产生一定的偏差。

当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，并造成地应力损失增大而使地表沉降加大，因此盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。

1.3.7.1盾构掘进方向控制

结合本标段盾构区间的特点，采取以下方法控制盾构掘进方向:

1）采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测

该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。

据此调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位。

为保证推进方向的准确可靠，拟每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。

2）采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向

根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。

推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。

在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。

1.3.7.2盾构掘进姿态调整与纠偏

在实际施工中，由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进过程中，有可能产生较大的偏差，这时就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

（1）参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。

（2）当滚动超限时，及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

在急弯和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖和在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进来纠偏。

1.3.7.3方向控制及纠偏注意事项

（1）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

（2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。

达到警戒值时及时实行纠偏程序。

（3）蛇行修正及纠偏时应缓慢进行，如修正过程过急，蛇行反而更加明显。

在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。

在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

（4）推进油缸油压的调整不宜过快、过大，否则可能造成管片局部破损。

（5）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度，以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。