ＴＢＭ在鐵路隧道施工中的應用研究

劉天行

摘要：Tunnel Boring Machine（TBM）是利用回轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。本文主要探討TBM在鐵路隧道施工中的應用。

關鍵詞：TBM；分類；優點；缺點

1 TBM分類

TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘進機，是利用回轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械；相對于目前常用的方法，TBM集鉆、掘進、支護于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術對全部作業進行制導和監控，使掘進過程始終處于最佳狀態。隧道掘進機械，基本上有兩種：一種是臂架式鉆進機械，在隧道內部進行鉆孔機械，或是小型的小段面直接鉆研機械；另一種就是全斷面隧道掘進機（TBM）。一段時間以來，把TBM分為兩大類（Grandori，1996年）：

1.1 在巖石中開挖隧道的TBM：通常用這類TBM在穩定性良好、中～厚埋深、中～高強度的巖層中掘進長大隧道。這類掘進機所面臨的基本問題是如何破巖，保持掘進的高效率和工程順利。

1.2 在松軟地層中掘進隧道的TBM：通常用這類TBM在具有有限壓力的地下水位以下的基本均質的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。這類掘進機所面臨的基本問題是空洞、開挖掌子面的穩定、市區地表沉降等。

對于全斷面隧道掘進機，目前在國內有兩種提法，其一是巖石掘進機（TBM），其二是盾構機。TBM就是適合硬巖掘進的隧道掘進機，盾構機指的是適于在軟巖、土中的隧道掘進機。這種說法有些言不符實，因為現在許多硬巖TBM也采用盾構技術，而TBM本來就是隧道掘進機的意思。鑒于學術及現實中稱法混亂，造成許多麻煩，所以本文建議國內采用統一稱法，采用“硬巖TBM”和“軟巖TBM”兩種來規范（下文就采用此用法）。其中硬巖TBM又可分為敞開式TBM、護盾式TBM。

硬巖TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進，代替傳統的鉆爆法，在相同的條件下，其掘進速度約為常規鉆爆法的4～10倍，最佳日進尺可達150m；具有快速、優質、安全、經濟、有利于環境保護和勞動力保護等優點。特別是高效快速可使工程提前完工，提前創造價值，對我國的現代化建設有很重要的意義。

而軟巖TBM適用于軟弱性圍巖施工的隧道掘進機，是目前城市地鐵建設中速度快、質量好、安全性能高的先進技術。采用盾構機施工的區間隧道，可以做到對土體弱擾動，不影響地面建筑物和交通，減少地上、地下的大量拆遷。這兩種設備的技術開發與應用，在我國地下工程領域具有十分廣闊的前景。

2 TBM的施工組織特點

應充分考慮到TBM設備采購周期較長(制造周期為11～12個月)的特點，按工期要求，有計劃地合理組織好TBM及后配套設備的采購工作。

應充分考慮TBM對地質的適應性，根據隧道的圍巖條件選用適應地質條件的TBM，合理組織好TBM及后配套設備的選型，并組織好TBM設備的監造工作。

應充分考慮到使用TBM的特殊性，作好施工現場的準備工作，包括用電線路的架設，通往施工現場的道路、橋梁的修筑和加固，臨時工程的施工工作;組織好TBM大件的運輸、安裝、調試、掘進準備工作，并作好技術培訓和材料、機具需要量計劃;這些應與TBM的購置同步進行。

應充分考慮TBM施工的特點和TBM通過特殊地質地段的設計方案、工程措施以及場地和水電情況對TBM的特殊要求。

3 TBM施工的優點

快速。TBM是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現連續掘進，能同時完成破巖、出碴、支護等作業，實現了工廠化施工，掘進速度較快，效率較高。

優質。TBM采用滾刀進行破巖，避免了爆破作業，成洞周圍巖層不會受爆破震動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。

高效。TBM施工速度快，縮短了工期，較大地提高了經濟效益和社會效益;同時由于超挖量小，節省了大量襯砌費用。TBM施工用人少，降低了勞動強度、降低了材料消耗。

安全。用TBM施工，改善了作業人員的洞內勞動條件，減輕了體力勞動量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。

環保。TBM施工不用炸藥爆破，施工現場環境污染小;減少了長大隧道的輔助導坑數量，保護了生態環境;如果使用雙護盾TBM還可以減少隧道內水的流失，有利于環境保護和減少水土流失。

自動化、信息化程度高。TBM采用了計算機控制、傳感器、激光導向、測量、超前地質探測、通訊技術，是集機、光、電、氣、液、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，具有自動化程度高的優點。TBM具有施工數據采集功能、TBM姿態管理功能、施工數據管理功能以及施工數據實時遠傳功能，可實現信息化施工。

4 TBM施工的缺點

TBM的地質針對性較強，不同的地質條件和隧道斷面，需要設計成滿足不同施工要求的TBM，同時配置適應不同要求的輔助設備。

4.1 地質適應性較差。

TBM對隧道的地層最為敏感，不同類型的TBM適用的地層也不同，一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用不同類型的TBM輔以必要的預加固和支護設備進行掘進，但對于大型的巖溶暗河發育的隧道、高地應力隧道、軟巖大變形隧道、可能發生較大規模突水涌泥的隧道等特殊不良地質隧道，則不適合采用TBM施工。在這些情況下，采用鉆爆法更能發揮其機動靈活的優越性。

一般情況下，以II、Ⅲ級圍巖為主的隧道較適合采用開敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主的隧道較適合采用雙護盾TBM施工，對于V級圍巖為主和地下水位較高的城市淺埋隧道或越江隧道則較適合采用盾構法施工。

4.2 不適宜中短距離隧道的施工。

由于TBM體積龐大，運輸移動較困難，施工準備和輔助施工的配套系統較復雜，加工制造工期長，對于短隧道和中長隧道很難發揮其優越性。國外的實踐表明，當隧道長度與直徑之比大于600時，采用TBM施工是比較經濟的。對于一般的單線鐵路隧道，開挖直徑通常在9m左右，按此計算，長度大于5.4km的隧道就可以考慮采用TBM施工。

4.3 斷面適應性較差。

斷面直徑過小時，后配套系統不易布置，施工較困難;而斷面過大時，又會帶來電能不足、運輸困難、造價昂貴等種種問題。一般地說，較適宜采用TBM施工的隧道斷面直徑在3～l2m;對直徑在12～15m的隧道應根據圍巖情況和掘進長度、外界條件等因素綜臺比較;對于直徑大于15m的隧道，則不宜采用TBM施工。另一方面，變斷面隧道也不能采用TBM施工。

4.4 運輸困難，對施工場地有特殊要求。

TBM屬大型專用設備，全套設備重達幾千噸，最大部件重量達上百噸，拼裝長度最長達200多m。同時洞外配套設施多，主要有混凝土攪拌系統、管片預制廠，修理車間、配件庫、材料庫、供水、供電、供風系統，運碴和翻碴系統，裝卸調運系統，進場場區道路，TBM組裝場地等。這些對隧道的施工場地和運輸方案等都提出了很高的要求，有些隧道雖然長度和地質條件較適合TBM施工，但運輸道路難以滿足要求，或者現場不具備布置TBM施工場地的條件。

4.5 設備購置及使用成本大。

TBM施工需要高負荷的電力保證以及其高素質的技術人員和管理隊伍，其前期購買設備的費用較高，這些都直接影響到TBM施工的適用性。

參考文獻

[1]尹俊濤,尚彥軍,傅冰駿,曲永新.TBM掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策 [J].工程地質學報; 2005年03期.

[2]葉飛,黎柯軍.隧道掘進機技術及其在我國的發展和應用 [J].中外公路; 2006年04期.