TBM施工技术.doc
TBM施工技术在中国的发展及技术背景2008-5-20 11:30【大 中 小】【打印】【我要纠错】1、TBM的发展历史TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。美国罗宾斯（Robbins）公司自1952年开发制造出了现代意义上的第1台软岩TBM后，1956年又研制成功中硬岩TBM.从此，TBM进入了快速发展时期。目前，全世界范围内的TBM制造商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已经相当成熟，这为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了技术保障。2、TBM的分类及地质适应性目前，TBM主要分为以下3种类型，并分别适应于不同的地质。 开敞式TBM.常用于硬岩，在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化。当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。 双护盾TBM.适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。 单护盾TBM.常用于劣质地层。单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片2者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有2点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。一般情况下，整条隧道地质情况都差的作业条件下使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。3、国内使用TBM的情况介绍我国最早使用TBM施工的是水利水电工程。早在20世纪70年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM。1985-1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，由于选型与地质不适应，进度较低，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m.1991-1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造。54m双护盾式TBM施工，应用比较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m.随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m 的纪录。其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工。125m； 南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造。94m.目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台。03m开敞式TBM； 正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km，采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，拟采用1台德国海瑞克公司制造的。755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度约为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造。93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度约为19.94km.在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭I线隧道开始的，至目前为止，仅有3个工程使用了开敞式TBM，具体如下：（1）秦岭I线隧道。全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进2台。8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进尺为290.64m，最高月进尺为528.48m.（2）桃花铺1号隧道。西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用。8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道出口段）。最高月进尺为551.82m.（3）磨沟岭隧道。磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用。8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m.通过施工，成功掌握了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。4、TBM施工的优点（1）快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴 、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。（2）优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。（3）高效。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。（4）安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。（5）环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境； 如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。（6）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。5、TBM施工的缺点TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。（1）地质适应性较差。TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。一般情况下，以II、级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工，、级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。（2）不适宜中短距离隧道的施工。由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。3.4.2铁路工程 （1）秦岭线隧道 西安安康铁路秦岭隧道位于陕西省长安县与柞水县的交界处，在青岔车站、盘营车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距30m，其中线隧道全长18.460km，线隧道全长18.465km；西安端洞口(北口)高程约海平面以上871m；安康端洞口(南口)约海平面以上1025m，隧道两端高差155米，、线隧道纵坡基本相同，由西安端进洞后约14.7km范围为11的上坡，然后约32km范围以3的下坡出洞；线隧道较线隧道高O.240.56m；隧道基本为直线，仅两端洞口各有半径为500m的曲线地段(从北口进入隧道近2米和从南口进入隧道近130m在曲线上)。线隧道采用TBM法进行施工，断面成圆形，开挖直径为880cm。线隧道采用钻爆法施工，为马蹄形断面。在线隧道位置上先期旋工平导，辅助线施工，线隧道完工后，再将线隧道扩大【100-103】。 O:$nXhYy 线隧道使用两台直径为880cm敞开式TBM由两端相向施工。该掘进机由铁道部引进，其配套机械的购置及相关费用73 187.9万元，其中2台TB880E型掘进机设备原值472亿元。 nH !3(X* 隧道衬砌采用初期支护为锚喷网，二次衬砌为模筑混凝土，隧道底部全部采用拼装式钢筋混凝土砌块，隧道内道床类型为整体道床，在掘进机尚未抵达工地前，进出口曲线地段采用钻爆法，按掘进机施工的圆形断面尺寸施工一段，其目的一是解决曲线地段隧道加宽问题，二是先施工完洞口浅埋，地质较差地段，三是为掘进机安装进洞创造条件。线隧道两端洞口先期使用钻爆法施工长度，北口为100m，出口为200m。 +KEkmXZ TBM的一个行程按1.8m计，时间为1小时，开挖量为122立方米，松方系数取1.6，一个行程的总出碴量195立方米。运输工具有一辆机车和十辆碴车。碴车最大外形尺寸8×1.8×2.3m，最大重量53t。出渣装载方式为双股道平台装渣方式。卸碴设备是卸碴桥、螺栓固定的刚性结构，其原理为双车卸碴。通过4个液压驱动装置旋转机构，旋转180°达到卸碴，碴车夹持装置是自锁的。整套设备长16m，高6.5m，支撑轮子直径5.8m，旋转速度2m/min，卸碴时间最快为8min。 ")F7PF 洞内运输轨道，双序双轨作业下，使用最外侧两根钢轨作为模板台车的轨道，一轨道作为衬砌作业，一轨道作为出渣运输，当轨道穿越模板台车时，采用单股道加浮动道岔，钢轨均用43kg/轨。 JIO$=+p 仰拱预制块，隧道全长铺设仰拱块与TBM施工同步进行。施工期间预制块上面铺设双线(四轨)运输轨道，最外侧两根轨之问的轨距是3050mm。隧道贯通后，再于仰拱预制块上面铺设永久性整体道床。每片仰拱预制块的总重量约12吨。 zVv04_: 通风方式采用长管路压人式通风，采用大直径2.2m软风管，每节风管长度100m，百米漏风率1%， TBM掌子面风量为2530m3，TBM配套主风管末端风量为30 m3风机采用进口的150xN型风机，在O3km时洞口处设置一台风机，36km时洞口处设置二台风机串联，69km时除洞口设置二台风机串联外，在距洞口3.25km处和洞内设一台增压风机，TBM自身装备集尘、局扇、冷却系统，其所需风量及功率参考值为:集尘装置l0 m3/s，(90Kw)，冷却系统2×10 m3/s (约69OKW)。 R)Mt(gFZT_ 秦岭隧道北口从开工至贯通共掘进444d，总掘进机时为4 054.4h，秦岭隧道南口从开工至贯通共掘进459d，总掘进机时为4029.55h。2台掘进机平均掘进451.5d，4042.0 h机时。平均l.27m/h，平均月进度为297m，最高月进度509m，类围岩平均速度1.56m/h，类围岩平均速度l.40m/h ，类围岩平均速度l.20m/h。打通后由洞内分别拆卸运出机器。 4*Z6" 在TBM施工的费用组成中，人工费、机械费约占总费用的63.7，刀具费用占16.0，人工费和机械费总是随着掘进速度的变化而变化，当掘进速度提高一倍时，其费用减半。刀具的费用与岩石强度、完整性和石英含量有关。秦岭特长隧道是以混合片麻岩、混合花岗岩为主的硬质岩石，其中I、级围岩占45，级占围岩45，且围岩完整性好，石英含量为1035。混合片麻岩岩石抗压强度79325MPa混台花岗岩岩石抗压强度11792MPa。每把刀平均掘进距离：全隧道平均248m，片麻岩段140m，花岗岩段878m。每个刀圈平均掘进距离：全隧道平均2.80m，片麻岩段1.60m，花岗岩段9.40m。每m3岩体平均耗圈数量：全隧道平均0.0059个，片麻岩段0.0103个，花岗岩段0.0018个。多种不利因素的叠加，限制了掘进机优势的发挥，平均进度仅为9.03 m/日历天，低于350 m/月的设计进度，作业率29.65。因而最终导致了掘进机施工费用的增加。 02AI%OOH 以秦岭特长隧道为例，掘进机的经常维修费用为(包括配件、液压油、润滑油)5 7825 元/m，刀具费用更是高达7 523.2 元/m，经常维修费用、刀具费用占工料机费的42。如果不计掘进机设备的折旧费，经常维修费用、刀具费用占工料机费的62。由于当时进口配件价格高(一般为国产配件的3倍)、供货周期长，不利于降低掘进机施工的造价。 w(nHD*nm 秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，2台TB880E型掘进机先后完成了秦岭特长I线隧道10 704 m、磨沟岭隧道5 488 m、桃花铺1号隧道970 m的施工任务，累计掘进长度22 162 m，平均每台掘进长度为11 081 m。折旧141亿元，尚保有价值为331亿元。2台TB880E型掘进机自2002年一直处于闲置状态。现正用于中天山隧道，该隧道是吐（鲁番）库（尔勒）二线铁路，于2007年4月25日开工，截止到2009年4月23日，中天山隧道已掘进突破5529m，TBM二次衬砌突破2427m。TBM月掘进554.6m，创该TBM国内施工新纪录。 fR-C0"c 刘孟山在秦岭特长隧道TBM施工工程经济分析简介一文中进行了详细的钻爆法与TBM法开挖的经济对比【14】。具体数据如下： |rRG=tG_' 表3-41 TBM掘进工料机费用分析表 nrP$ Table 3-41 TBM construction method materials, machine cost analysis quantity table 02JL* 工程及费用名称 金额（元/m） 工程及费用名称 金额（元/m） ! o, 5h| 一、掘进 28887.79 3碴车 80l.35 LM), J? (一)工费 377.64 4翻车机 285.30 a9 oKI9n 1.人工费 377.64 5客车、砼罐车、仰拱块车、平板车 243.08 TB aVW (二)材料费 9117.60 6通风机 415.62 "L& k)J 1刀具费 7523.23 7水泵 59.43 H+DJ? 2TBM专用电缆 326.64 8起重机械 186.13 3mt%!S 3其他电缆 74.9l 9搅拌站 65.91 cm>ESHr 4排水管 125.89 10变压器 24.13 farDaSVY 5风管 397.93 11修配机械 61.95 #$'"cfRxc 6轨道 367.35 12其他机械 252.51 6DSH-; 7照明用电 62.78 二、支护构件制作及材料 2569.75 ySN V+ 8其他材料费 238.87 (一)工费 313.67 IvBGpT"(I (三)机械费 19392.55 (二)材料费 2072.63 XbvDi+R 2A 1TBM费 15348.70 (三)机械使用 183.45 fJ80tt?r 2机车 1648.44 以上合计 31457.54 !DjT<dxf 注：1.TBM折旧费6285.33，大修费1865.33，修理费5782.52，电费1375.32； zDBD.5R; 2机车折旧费839.73，大修费l73.63，修理费364.63； j=sBq.S 3碴车折旧费475.55，大修费148.07，修理费177.73； +QqH= M 4翻车机折旧费129.17，大修费42.05，修理费105.13。 ,I*X) ( 表3-42 TBM法与钻爆法工程量对比表 7|D|4!i2Y Table 3-42 TBM method and drilling and blasting method construction the amount of engineering comparative table B1T5f1;uY 项目 开挖 Xza4iV （m2） 衬砌 V G?+ (圬工方) 喷砼 X.J （m3） 钢材 j> uZalr (kg) if;A)' TBM 62.61 10.63 1.93 499.2 /mbCP>bcG 钻爆法 60.54 16.75 1.76 131.2 wL eHQ TBM/钻爆法（%） 103.4 63.5 109.7 380.5 OxWcK2h LPH0Jf Zq?_dIX % 表3-43 主洞工料机费用的比较表 Xem| o& Table 3-43 main tunnel hours, materials, machinery use of the cost comparison table G1_Nd2w 项目 zA8C; 单位：元/m 工费 料费 机械 EzP#Mnz 使用费 工料机费合计 ER<eX4oU TBM 1329 17062 28572 46963 xii$e 钻爆法 2326 10434 10797 23557 syFI$rf _ TBM/钻爆法（%） 57.1 163.5 264.6 199.3 (v;A'BjN 秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，通过此隧道的实践，开辟了国内TBM的热潮，从此国产化TBM开始提上日程，施工单位和大型机械厂商都在探索如何降低TBM的造价，最终降低隧道施工成本。虽然在秦岭隧道中并未体现出TBM的经济型，但是其快速的掘进效率还是引起了隧道工程建设者的注意。 7/u& （2）桃花铺隧道、磨沟岭隧道 (5(fd.m+_ 磨沟岭隧道、桃花铺隧道所采用的是秦岭隧道施工后的TB880E型掘进机。其基本参数和前面秦岭隧道一致。 + U5U.f% 西安南京铁路的桃花铺1号隧道，全长约7.234kmTBM 掘进长度为6.2km 由中铁十八局采用直径8.8m 开敞式TBM 施工(该TBM曾施工秦岭I 线隧道出口段)最高月进尺为551.82m。 33M>$ZH 西安合肥铁路的磨沟岭隧道，长6116m，在掘进中、级围岩设计时为1138m，占全隧的19%，而实际上总长为3416，占全隧的56%。断层面以小角度长距离近似平行隧道的方向，给掘进带来非常大的难题，而运用TB880E型掘进机后配套所具有可适应软弱围岩设备能及时支护的措施是成功的（加密钢拱、及时挂网喷射混凝土、注浆及管棚等）。该隧道于2002年11月完工，由中铁隧道集团施工(该TBM 曾施工秦岭I 线隧道进口段)。TBM 掘进长度为4.653km 最高月进尺为573.9m证明了开敞式TBM适应于硬岩的掘进，同时也具备了通过软弱围岩、破碎和断层地带的能力。 0iJlR2 随着对TBM法施工的技术和管理的掌握以及刀具等配件设备的国产化，隧道开挖成本开始下降了。在秦岭线隧道出口段TBM法开挖成本是钻爆法的1.59倍，在桃花铺1号隧道TBM法开挖成本是钻爆法的1.23倍【103】。 PVt oB= （3）中天山隧道 <UK5eVQn 中天山隧道位于新疆巴州和硕县境内，穿越中天山北支博尔托乌山，平均海拔1 1002 950m，最高海拔为2 951.6m，是南疆铁路增建二线吐鲁番至库尔勒段的控制性工程。隧道全长22 467m，设计坡度11，通过地层岩性以变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩、片岩夹大理岩为主，其中、级围岩约占全隧长度的73.42。隧道进口采用TBM法施工，施工长度13 982m；出口采用钻爆法施工，施工长度8 485m，设一长2 545m斜井辅助施工。中天山隧道于2007年4月25日开工，合同总工期46个月。进口TBM段设计开挖断面直径8.8m，成洞直径7.7m。 |8;? *sH 施工使用的TB880E掘进机，由于这台TBM是上世纪90年代的产品，经中铁十八局集团改造后，用于此隧道的施工。创造了国产化技术改造改进项目近20项，还修正了“洋设备”很多技术参数，经专家鉴定，掘进机整修质量合格率99.1%，TBM整修改进节约资金上千万元。刀盘面板加强两项专利技术已经通过国家审查，中心刀改进技术也正在申报专利。 S-P/;c 该工程TBM施工已创国内新纪录月掘进554.6米。中天山隧道是第一条开展开敞式TBM掘进同步衬砌的工程，按600m/月进度计算，可节约工期14个月【104】。 KLAzLI 国内铁路TBM施工最大直径最长隧再创新纪录2011-12-29 15:49:47 来源: 中国路面机械网导读：12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次.12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次刷新中国铁建TBM施工新纪录。被誉为兰渝铁路“天堑咽喉”的全长28.236公里的西秦岭隧道是目前国内采用钻爆法与TBM法相结合施工的最长大在建铁路隧道。作为新建兰渝铁路818.71公里中的咽喉控制性工程，该隧道进洞自然条件恶劣、级和级围岩段落长、交通极为不便、物资供应紧张、征地拆迁难度大，隧道最大埋深约1400米，隧道采用具有国际先进水平的全断面硬岩掘进机（简称TBM掘进机）和钻爆法相结合的施工方法，隧道出口段采用TBM掘进机施工。TBM掘进机是由美国Robbins（罗宾斯）公司设计、提供技术支持，关键核心部件全球采购的国内铁路最大直径的TBM掘进机。该机主要分为三个部分：主机、连接桥和后配套，刀盘直径10.2米，整机全长180余米，重1800吨，采用美国罗宾斯公司拥有全球专利的19英寸滚刀等技术，减少了换刀频率，提高了换刀速度和掘进机的使用效率，确保了整机的质量和技术的先进性。该机最大的特点是安全、环保、快速，被称为“隧道内的机械化工厂”。TBM掘进机的施工，一直备受兰渝公司和中铁十八局集团领导的高度重视。为确保2011年底前西秦岭隧道TBM掘进第一阶段的7963米贯通目标实现，中铁十八局集团兰渝铁路指挥长史振春、党工委书记江顺、隧道公司项目经理赵战欣、书记齐建锋等制定出了“60天攻坚战”，全体参建员工不断克服不良地质、设备磨合、设备改进、机械臂故障等诸多困难，积极与美国Robbins公司等单位联系，加大对TBM掘进机的掘进系统、初支系统、后配套系统的管理、调试，以及部分设备的改进、完善等工作，加大控制关键岗位操作、设备维修保养、机车整编组合、长距运输保障等重点环节，实现了TBM施工连续稳产高产掘进。“60天攻坚战”期间，共计完成掘进1219米，创造了连续10天单日掘进超过30米的掘进纪录，继今年6月份完成TBM掘进620米高产纪录后，12月份创造了月掘进772.7米，再一次刷新中国铁建TBM月掘进纪录。TBM在铁路隧道施工中的应用前景2007/7/19 10:02:30来源：浏览：1217 次TBM在铁路隧道施工中的应用前景1 TBM的发展历史 全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、光、电、气、液、信息技术于一体的隧道施工成套专用设备。目前已广泛应用于地铁、公路、铁路、水电、市政等隧道工程，具有安全、快速、自动化程度高、对环境影响小、实现工厂化作业的特点。 隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。通常定义中的TBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。而盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM的主要方面。 现代的TBM采用了机械、电气和液压领域的高科技成果，运用计算机控制、闭路电视监视、工厂化作业，是集掘进、支护、出碴、运输于一体的成套设备。采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的施工工法有了质的飞跃。 TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊于开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功使用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。 自美国罗宾斯（Robbins）公司1952年开发制造出了现代意义上的第一台软岩TBM后，1956年研制成功中硬岩TBM。从此，TBM进入了快速发展时期。目前，在世界范围内的TBM生产商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已经相当成熟，为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了坚实的基础。 2 TBM的分类及地质适应性 目前，TBM主要分为以下三种类型，并分别适应于不同的地质。 开敞式TBM。常用于硬岩；在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。 双护盾TBM。对地质具有广泛的适应性，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。 单护盾TBM。常用软岩，单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有两点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵以通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土仓压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。 一般情况下，整条隧道地质情况都差的条件下（但掌子面能自稳）使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。 3 国内使用TBM的情况介绍 我国的水利水电工程最早使用TBM施工。早在七十年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM，直径为?.8m。1985年1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，直径为?0.8m，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m。1991年1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造的?.54m双护盾式TBM施工，TBM应用较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m。随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m 的纪录；其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工，开挖直径为?.125m；南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造，直径为?.82m?.94m。目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台?.03m开敞式TBM；正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km；采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，计划采用1台德国海瑞克公司制造的?.755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度计划为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造的?.93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度为计划为19 .94km。 在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭线隧道开始的，至目前为止，仅有三个工程使用了开敞式TBM，具体如下： 1）秦岭线隧道 全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台?.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。 2）磨沟岭隧道 磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m。通过施工，成功掌握了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。 3）桃花铺1号隧道 西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭线隧道出口段）。最高月进尺为551.82 m。 4 TBM施工的优点 1) 快速 TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。 2) 优质 TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。 3) 高效益 TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。 4) 安全 用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。 5) 环保 TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；施工沉降小，有利于地面建筑物的保护；掘进速度快，工期比较容易得到保证；TBM施工减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境；如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。 6）自动化、信息化程度高 TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工。 5 TBM施工的缺点 TBM的地质针对性较强，不同的地质条件、不同的隧道断面，需要设计成满足不同施工要求TBM，需要配置适应不同要求的辅助设备。 1）地质适应性较差 TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。 一般情况下，以II、级围岩为主的隧道较适合采用敞开式TBM施工，、级围岩为主隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。 2）不适宜中短距离隧道的施工 由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。但根据我国的国情，我国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多公里的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于大于10km的特长隧道，从科学发展观和生态环境的保护方面考虑，则宜优先采用TBM法施工。另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，则宜优先考虑采用盾构法施工。 3）断面适应性较差 断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难；而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3ml 2m；对直径在1 2m1 5m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于1 5m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。 4）运输困难，对施工场地有特殊要求 TBM属大型专业设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达2 00多米。洞外配套设施多，主要有混凝土拌和系统、管片预制厂，修理车间、各种配件、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，可能有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。 5）设备购置及使用成本大 TBM施工需要高负荷的电力保证、需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。 6 TBM的经济技术指标 1）进度指标 TBM施工在一定的地质条件下可实现快速施工，其施工进度一般是钻爆法的36倍。如引大入秦30A隧洞使用双护盾TBM施工时，从1991年3月开始，连续突破月进度1000m，最高月进尺达1300m，而钻爆法施工在同类地质条件下的月平均进度仅为140m。 表1 钻爆法施工的平均进度指标（参考指标） 围岩级别 级 级 级 级 循环进尺 3.5m 3.0m 1.21.5m 0.61.0m 月进度指标 200m 160 m 80 m 40 m 2）成本指标 单线铁路隧道采用TBM施工或钻爆法施工的综合成本指标对比见
