1、1国内 TBM 掘进机应用现状分析摘要：TBM 作为当前最先进的一种隧道施工机械，已经得到了世界各国的广泛应用。本文主要介绍了三种硬岩 TBM 的工作原理和适用范围，对国内 TBM 开挖隧道的现状进行了分析，整理和总结了 TBM 开挖不同岩体隧道的施工状况和采取的技术措施，可为以后 TBM 开挖类似地层隧道提供一定参考。 关键词：国内；TBM；隧道；适用范围；技术措施 中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 世界上第一台全断面隧道掘进机（简称 TBM）自从 1851 年美国人Charles Wilson 发明以来1，历经 160 余年的不断发展，已经集施工速度快、适应地层
2、广、安全、可靠、经济等诸多优点于一身2，在世界各国的隧道施工中表现出了非凡的优势。我国应用 TBM 开挖隧道的案例较多，比较有名的如西康铁路秦岭线隧道、山西万家寨引黄入晋工程、辽宁大伙房水库一期输水隧道、甘肃引大入秦工程、四川锦屏二级水电站引水隧道等，这些工程采用的 TBM 大多为敞开式和双护盾式，虽然开挖过程中经历的地质条件复杂多变，但是经过相应的技术处理，均表现出了很好的适应性。基于 TBM 开挖的成熟技术和我国基建交通领域快速发展的良好机遇，TBM 必将得到更广泛的应用。 22 TBM 的主要分类和适用范围 2.1 TBM 的分类 TBM 种类繁多，应用广泛，形式多样，分类方法也根据分类
3、标准不同而出现差异，本文根据 Gong3的分类方法，按开挖岩体类别分为：硬岩隧道掘进机（Hard rock TBM）和软岩隧道掘进机（Soft ground TBM）（国内称为盾构机） 。其中硬岩隧道掘进机分为敞开式（Unshielded TBM） （图 1）和护盾式（Shield TBM） （图 2、图 3） ；盾构机主要用来开挖土体隧道，分为土压平衡盾构、泥水盾构、气压式盾构、混合式盾构和异型盾构等。 图 1 云南德宏那邦敞开式 TBM（海瑞克生产）图 2 单护盾 TBM（罗宾斯生产） 图 3 甘肃引洮工程双护盾 TBM（法国 NFM 设计） 2.2 TBM 的工作原理和适用范围 本文主要
4、分析硬岩隧道掘进机，包括敞开式 TBM、单护盾 TBM 和双护盾 TBM，各自的工作原理和适用范围如下： 1）敞开式 TBM 的刀盘装有盘形滚刀，工作时通过刀盘巨大的推力将滚刀压入隧道掌子面岩体，然后刀盘旋转带动滚刀转动切削岩体。切削下的岩石碎片先通过刀盘上的铲斗收集，然后经过漏斗进入 TBM 运输系3统，最后把这些岩片运出洞外。 敞开式 TBM 有一套支撑系统，掘进机工作时，先用液压千斤顶将支撑靴板撑在洞壁以固定机体，然后推进千斤顶伸出，推动刀盘前进。这一循环结束后，掘进机停止掘进，支撑靴板和推进千斤顶复位，进入下一工作循环。 敞开式 TBM 工作时需要将支撑靴板撑紧洞壁围岩，以提供掘进机前
5、进时的反力和刀盘转动时的反扭矩，因此适用于围岩整体性较完整、岩体抗压强度较高的地层。一般情况下，敞开式 TBM 比护盾式 TBM 具有造价低、转弯半径小、不需要钢筋混凝土衬砌管片、不容易卡机等诸多优势，因此适用性较广。 2）单护盾 TBM 的刀盘上也装备有适用于开挖较硬围岩的盘形滚刀，其掘进原理和敞开式 TBM 类似。但与之不同的是，单护盾 TBM 的巨大推力是由液压千斤顶提供的，掘进时，液压千斤顶后部顶在已经衬砌好的混凝土管片上，千斤顶伸出推动刀盘前进。这一过程结束后，掘进机停止前进，千斤顶回缩归位，新的混凝土衬砌管片在盾尾组装。开始进入下一循环。 单护盾 TBM 适用于开挖地层以软弱围岩为
6、主、岩体抗压强度低的隧道。开挖完成后，隧道的最终支护方式是混凝土衬砌管片。 3）双护盾 TBM 的刀盘和岩土渣运输系统与单护盾 TBM 相同，其最大优势是当机器在良好地层掘进时，机器采用双护盾工作模式：先将后护盾中的支撑靴撑紧洞壁，以提供刀盘和前护盾前进时产生的反作用力和刀盘旋转产生的反扭矩，此时主推进千斤顶伸出，推动刀盘和前护盾向4前掘进，同时可以在后护盾的尾部进行混凝土衬砌管片的组装。这一过程中，连接前后护盾的伸缩部分伸长，但是仍保持封闭状态，以避免掘进机外部的岩渣碎片进入机器内部。当这一掘进过程结束和一环管片衬砌完成时，后护盾中的支撑靴回缩复位，辅助千斤顶顶在衬砌好的一环管片上，然后伸出
7、，同时主推进千斤顶回缩，在这两组千斤顶的作用下，连接前后护盾的伸缩部分缩短，后护盾向前移动复位，机器进入下一工作循环。当机器在不良地层（如软弱地层）掘进时，由于后护盾中的支撑靴不能提供机器掘进时强大的反力和反扭矩，支撑靴不能发挥作用，因此机器采用单护盾 TBM 的工作模式。 双护盾 TBM 在经过良好地层和不良地层时，通过工作模式的转变，都能够很好的进行适应。尤其是当双护盾 TBM 在良好地层中，刀盘向前掘进的同时，管片衬砌作业可以在后护盾尾部进行组装，这样可以提高掘进速度。但是双护盾 TBM 盾体较长，调向困难，容易造成卡机等问题。3 我国在应用 TBM 中的常见不良地质问题及解决措施 目前
8、我国开挖硬岩隧道的 TBM 大多为国外进口，生产厂家主要有德国的维尔特、海瑞克、美国的罗宾斯和法国法马通公司（NFM） ，这四家公司也是当前世界上生产 TBM 规模最大的公司。但是在国内，生产 TBM的厂家还较少，技术比较先进的仅有中铁隧道装备制造有限公司、北方重工集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司等。 TBM 的工作原理主要是通过刀具与掌子面岩体的相互作用破岩，然后通过配套的运输系统将切削下的岩渣运出洞外，因此所开挖隧道的岩体5状况、地应力条件、地下水量以及有害气体含量等均影响了 TBM 的施工功效和使用年限。下面选取我国应用 TBM 开挖的几条隧道状况及施工参数进行分析，如表 1。 表
9、 1 国内主要 TBM 应用实例及施工参数 从以上隧道的状况，可以看到：虽然地质条件不同，埋深不同，但是经过相应的技术处理，TBM 均取得了骄人的成绩：最高掘进长度达到了90km、日最高掘进 113m、月最高掘进 1821m。TBM 在上述隧道施工中遇到的问题和采取的技术处理措施主要有： 断层破碎区 断层破碎区是国内隧道开挖中经常遇到的不良地质状况，西康铁路秦岭隧道等4应用敞开式 TBM 的工程，在处理此类问题时采取了如下措施： a)遇破碎带时通常根据岩体的破碎程度，逐步采取打锚杆、挂钢筋网、喷细混凝土等方式在洞壁作临时支护。此外，若出现大范围破碎带时，可以通过在刀盘后方安装钢拱架进行加密支护
10、。 b)遇掌子面岩石收敛下陷，采用刀盘边缘的扩孔刀扩大其直径，防止刀盘被卡。 c)施工中，及时利用机器前部安装的超前钻机探明掌子面前方的地质情况，以便发现不良状况时尽早采取预支护措施，如在掌子面上部前方打管棚和注浆以加固不稳定岩层等。陕西磨沟岭隧道超前预支护的施6工顺序5是: 超前支护 16m，TBM 掘进 10m，再超前支护 16m，依次类推，在这个过程中,采用了超前导管注浆和超前管棚支护两种方案。 d)软弱破碎地质条件下可以通过 TBM 液压系统的溢流阀调节支撑靴板的接地压力，以提供 TBM 工作时的强大反力。 山西引黄入晋工程等采用的双护盾 TBM 除采取以上措施外，还可以改变工作模式，即采用单护盾工作模式掘进，以保证施工安全。此外，若遭遇特殊不良地质状况时，可从主洞旁边人工开挖支洞，对 TBM 前方地段采用钻爆法进行开挖，施工完毕后，TBM 在空载状态下通过这一区域。
