城市軌道交通全斷面巖石掘進機的機型分析比選

黃銀釘

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

以巖石地層為主的城市軌道交通地下工程普遍采用鉆爆法施工。鉆爆法施工的技術成熟，靈活方便，投資較低。但是，鉆爆法施工將產生粉塵、廢氣、噪聲及爆破震動等諸多環境污染問題。隨著國家對環境保護的重視和人民對環境質量要求的提高，這些環境問題也日益突出。從保護城市良好的生活環境出發，同時為提高城市軌道交通工程的施工技術水平，有必要研究采用安全、環保、文明、高效的全斷面巖石掘進機（Full face Rock Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）工法。由于TBM存在一次性投資大、須提前制造、機型一經確定后很難更改等特點，故對機型的分析比選工作就顯得尤為重要。

1 TBM介紹及分類

自美國羅賓斯（ROBBINS）公司1952年生產了第一臺能實用的掘進機以來，至今已有50多年的發展史，在技術上已經很成熟。TBM是用于地下工程全斷面開挖的機械化施工設備，是集掘進、出碴、支護和通風防塵等多功能為一體的大型高效隧道施工機械。TBM的簡要分類見圖1所示。

圖1 TBM分類圖

敞開式掘進機（見圖2）是能利用自身支撐機構撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進機，在較完整且有一定自穩性的圍巖中施工時，能充分發揮其優勢。在掘進機主機上，可根據巖性不同選擇配置臨時支護設備如圈梁安裝機、錨桿鉆機、鋼筋網安裝機、超前鉆、管棚鉆機等；如遇有局部破碎帶等地層時，可通過掘進機附帶的超前鉆及注漿設備提前進行注漿加固后再掘進通過。

護盾式掘進機是在主機外圍設置一個與機器直徑相一致的圓筒形保護結構以適應于掘進破碎或復雜巖層的全斷面巖石掘進機。護盾式掘進機中，由于三護盾掘進機應用很少，本文不進行介紹。現僅對護盾式掘進機中的單護盾和雙護盾作一介紹。

圖2 敞開式掘進機

1）單護盾掘進機（見圖3）的護盾構成與一般盾構機類似，主要適應于巖石比較破碎、圍巖的抗壓強度低、巖石僅僅能自穩而不能為TBM的掘進提供反力的地層。它由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上，以推進刀盤破巖前進。為避免在隧道覆蓋層較厚或圍巖收縮擠壓作用較大時護盾被擠住，護盾沿隧洞軸線方向的長度應盡可能短，這樣可使機器的方向調整更為容易。

圖3 單護盾掘進機

2）雙護盾掘進機（見圖4）的一般結構主要由裝有刀盤及刀盤驅動裝置的前護盾，裝有支撐裝置的后護盾（支撐護盾），連接前、后護盾的伸縮盾和安裝預制混凝土管片的尾盾所組成。雙護盾掘進機既可以適應圍巖抗壓強度低的比較破碎的巖石，也能適應巖石強度比較高的地層。在軟巖地層中，與單護盾工作原理一樣，由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進；遇到硬巖時，與敞開式掘進機的工作原理一樣，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進。

圖4 雙護盾掘進機

2 TBM的地質適應性分析

采用TBM施工首先應進行地質條件適應性評估。下列6種地質地段不適宜采用TBM法施工。

1）地應力高、塑性變形大的軟弱圍巖；

2）具中等及以上膨脹性的圍巖；

3）寬大斷層破碎帶及軟弱破碎帶；

4）涌、突水嚴重地段；

5）巖溶發育帶；

6）高瓦斯地帶。

通過地質適應性評估后，根據巖石單軸飽和抗壓強度、巖體的完整程度（裂隙化程度）、巖石的耐磨性和巖石鑿碎比功這4個主要地質參數指標來確定掘進及工作條件的好壞。在發揮掘進速度的前提下，掘進及適用的主要地質范圍如下：

1）敞開式掘進機主要適用于巖石整體較完整或完整，有較好自穩性的硬巖地層（單軸飽和抗壓強度為50～150MPa）。當采取有效支護手段并經論證，也可適用于軟巖隧道。

2）雙護盾掘進機主要適用于有一定自穩性的較完整的軟巖直至硬巖地層（單軸飽和抗壓強度為30～90MPa）。

3）單護盾掘進機主要適用于有一定自穩性的軟巖（單軸飽和抗壓強度為5～60MPa）。

3 TBM機型的自身特點分析

3.1 線路適應性分析

敞開式TBM主機長5m左右，雙護盾TBM主機長約12m，單護盾TBM主機長約8m。通過主機長度及相關工程實踐分析，各種類型掘進機對線路的適應性如下。

1）敞開式TBM一般情況下可以適應400m的平面曲線半徑，困難地段可以適應300m的平面曲線半徑。

2）單護盾TBM轉彎機理與盾構類似，一般適應于350m左右的平面曲線半徑，困難地段可以適應300m的平面曲線半徑。其掘進控制相對較好，刀盤磨損相對較小。

3）雙護盾TBM的主機為三節護盾，中間雖然采用絞接，但是轉動角度很小，一般情況下適應400m的平面曲線半徑，困難地段可以適應350m的平面曲線半徑。

3.2 支護結構分析

敞開式TBM施工時隧道采用錨、噴、網初期支護，復合式襯砌，隧道二次襯砌采用模板臺車施工。TBM掘進通過后二次襯砌不同步，初期支護將暴露較長時間，存在一定的安全隱患。因地鐵施工工期緊湊，若二次襯砌不同步，則后期留給區間施做二次襯砌的時間很短，使二次襯砌的工期壓力很大；如采用同步襯砌施工，由于地鐵區間隧道斷面較小（直徑6m左右），對正常掘進干擾又比較大，故難以實現。

單護盾TBM采用管片襯砌，技術成熟，施工工藝簡單，機械化程度高，結構耐久性好，且由于管片緊跟，故施工安全性高。

雙護盾TBM也采用同步管片襯砌。

3.3 掘進控制的難度分析

敞開式TBM的支撐撐靴面積大，與圍巖接觸面積大，掘進方向控制較好；單護盾TBM是通過改變盾尾左右兩側頂推油缸的伸縮長度來控制轉向，故掘進方向控制好；雙護盾TBM采用敞開式模式利用支撐板控制方向時，由于支撐板與圍巖接觸面積較敞開式TBM撐靴小，掘進方向不好控制，需通過其他的輔助措施，且操作復雜。

3.4 施工的靈活性分析

TBM的始發、接收、過站、調頭及轉場難度與整機的長度有關，整機越長則進行操作的靈活性就越差。

3.5 設備造價及攤銷

根據鐵路、水利及城市軌道交通相關工程的統計，以6.4m左右的刀盤開挖直徑的TBM為例，敞開式TBM造價約1.8億元／臺，設計壽命約30km；雙護盾TBM造價約1.2～1.5億元／臺，設計壽命約20km；單護盾TBM造價約0.6～0.8億元／臺，設計壽命約10～15km。

4 TBM各機型的優缺點分析

4.1 敞開式TBM

掘進反力的提供單一可靠，支護形式單一，在地鐵建設工期允許的情況下，采用“先洞后站”的施工組織模式，可充分發揮長大距離連續、快速掘進的優勢。

存在的主要問題有：

1）整機長度接近190m，長度較長，組裝調試、始發、轉場等對場地的要求高，城市中土地資源緊張，場地征用難度較大。

2）一般地鐵工程中，車站間隔1km左右，車站早于區間施工，TBM施工過程中需頻繁停機過站，故不能發揮連續快速掘進的優勢。

3）設備購置費1.8億，前期購置費高。

4.2 單護盾TBM

掘進反力的提供單一可靠，與一般盾構一樣，轉彎靈活、曲線適應性好；采用同步管片襯砌，安全性高；整機長度約100m，組裝、轉場占用場地較小，施工組織靈活。

存在的主要問題有：主要靠管片提供掘進反力，在硬巖中掘進時，刀盤扭矩增大，可能引起盾體扭轉、管片出現剪扭等問題。

4.3 雙護盾TBM

硬巖中，依靠支撐板提供掘進反力，襯砌和掘進可同時進行，施工速度快；軟巖中，依靠管片提供掘進反力，掘進和襯砌分開進行。兩種掘進模式下采用同步管片襯砌，安全性高；整機長度約110m，組裝、轉場占用場地較小，施工組織靈活。

存在的主要問題有：

1）雙護盾主機長，通過小曲線半徑地段時方向控制難度大。

2）在軟弱、破碎地段，由于主機長，容易被卡住，處理難度大。

5 結語

通過地質適應性、TBM機型自身的特點及優缺點分析，三種機型的綜合比選對照結果見表1所示。

根據綜合比選對照表，可以初步判定三種機型的適用條件，敞開式TBM適用于巖體堅硬、完整性及自穩性較好的地層，當采用“先隧后站”的施工組織時，能充分發揮連續、快速掘進的優勢；雙護盾TBM適用于較完整、有一定自穩性的軟巖－硬巖的地層，在開挖洞壁能給支撐板提供足夠反力的前提下，能充分發揮掘進和襯砌同步進行的優勢；單護盾TBM適用于有一定自穩性的軟巖地層，掘進速度相對較慢，但造價低、機型通用性好。

表1 TBM機型比選對照表

［1］劉春，沙明元，宋成祥，等.西安—安康鐵路秦嶺隧道TBM 掘進施工技術總結［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］水利部科技推廣中心.TBM全斷面巖石掘進機［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［3］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［4］中國鐵路工程總公司.鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［5］李仕森，茅承覺，葉定海.護盾式全斷面巖石掘進機［J］.建筑機械，1998（12）：29.

［6］陳滿拾.我國全斷面巖石掘進機的發展近況［J］.鐵道建筑技術，1992（3）：19.

［7］毛紅梅.盾構機空載通過隧道礦山法成洞段的關鍵技術［J］.城市軌道交通研究，2011（12）：86.