川藏铁路TBM设备选型与建议

川藏铁路TBM设备选型与建议
摘要：针对川藏铁路的工程要求与施工难点，分析对比三种TBM的工作特点
和适应情况，选择用敞开式TBM施工。

为使设备能够更好应用于施工，参考国内
外类似项目经验，提出多种优化方法，包含：设计一套备用蒸馏水循环系统、突
泥涌水支护、设计2-3个污水箱以及配备超前支护钻孔注浆系统。

通过对设备的
结构优化，改善了施工操作环境，实现了快速、安全掘进的效果。

关键词：川藏铁路；TBM设备选型；设备优化及施工建议；
0 引言
目前，我国铁路、公路、水利工程等基建行业蓬勃发展，在此过程中，利用TBM施工大大提高了项目的安全性和工作效率。

TBM施工遇到的地质情况复杂多变，而TBM设备的顺畅掘进对地质环境变化很敏感。

若选择的TBM类型与地质条
件不匹配，不仅有工期滞后和成本增加的风险，还可能出现很高的施工安全风险。

因此，针对不同工程、不同地质环境，需要综合各因素进行选型，并开展适应性
优化设计。

卢春房[1]综合分析了川藏铁路的自然环境、气候条件、工程水文、工程地质、设计标准、结构类型、交通条件等，给TBM施工可能存在的风险和需要优化的方
向提供了参考。

龙斌[2]对川藏铁路TBM施工提出了一些新技术，包括在设备上增
设防护盾、刀盘杠杆脱困装置、扩挖成槽放置柔性支护，但仍有待进一步工程应
用验证。

杜闯东[3]对川藏铁路隧道TBM进行选型，并分析遇到不良得知的对策。

提出敞开式TBM 在隧道围岩条件整体较好情况下，具有显著的成本、进度、安全
和质量优势，但不良地质会严重削弱TBM 工法的各项优势，需要有应对预案和补
救措施。

川藏铁路为国家重大工程建设项目，该项目位于四川省和西藏自治区境内。

该项目隧道规划的线路中，存在断层破碎带、软弱围岩大变形、岩爆等不良地质，同时还存在高海报、高寒等特殊气候环境。

这些都给TBM的施工带来了很大挑战。

本文根据川藏铁路隧道工程地质勘察资料，综合分析施工存在的不良地质及工风险，参考国内外类似以及相关典型工程施工经验，开展TBM的设备选型与设备优化及施工建议，以期为川藏铁路项目TBM设备的研制提供参考。

1工程概况
川藏铁路位于四川省和西藏自治区境内，东起四川省成都，向西经雅安、康定、昌都、林芝到拉萨。

线路依次经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高山原区、藏东南横断山区、藏南谷地区五个地貌单元，先后跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、易贡藏布、雅鲁藏布江等七大江河。

川藏铁路新建正线长约1549km，拉萨到林芝及成都到雅安均已开工建设，目前雅安至林芝段线路总长约962km，其中隧道长度789km，隧线占比82%。

川藏铁路地处青藏高原南部印度板块与亚欧板块挤压造山带，具有高海拔、大高差、地壳隆升、挤压强烈、河流急速下切的特殊地质背景，高能地质环境突出，表现为高地应力、高烈度地震、高地温等，不良地质段落长且强烈发育，隧道大部分位于海拔3000m以上高程，高原缺氧。

2研究目的
针对川藏铁路复杂地质及气候恶劣、高海拔等特殊施工环境，选择合适的TBM型号，并对TBM设备各项功能进行优化，延长设备使用寿命，降低设备故障率，能够应对不良地质危害，给TBM施工作业面创造良好的施工环境，在高原缺氧的环境下降低施工人员体能消耗。

3 TBM选型
3.1施工难点分析
川藏线铁路隧道存在高地应力岩爆和大变形等突出问题，国内外在高海拔、大埋深、高地热、岩爆、大变形、断层破碎带、突泥突水等不良地质条件下施工铁路隧道案例甚少。

因此在不同的地质水文工况下能否采用TBM施工和采用何种机型TBM以适应复杂地质工况是设计过程种关键的环节。

3.2 选型原则
TBM选型[4]遵循以下原则：
对川藏铁路工程地质及水文地质要有适应性，能满足安全施工；
满足隧道直径、长度、埋深、施工环境等条件；
后配套要能与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时配备适应施工工况的超前地质预报仪器，配备处理前方地质灾害超前钻注一体机。

选择设备性能高、有技术优势、能适应复杂地质的国内外知名设备制造商的设备。

3.3 TBM适应性比较
通过敞开式、双护盾、单护盾的适应性比较，选择适合川藏线铁路隧道实际地质和工况的TBM类型，具体参见TBM适应性对比表1。

表1
综合地质、水文、工期及支护费用等四方面分析对比，川藏线最终选择敞开式TBM施工。

4 TBM设备系统优化及施工建议
4.1冷却水循环系统
冷却水循环系统制冷通常采用两种方法。

第一种洞外进水采用制冷后的冰水，沿途输水管道进行保温。

洞外的冰水到
达TBM后分三路，一路到板式换热器，与内循环的蒸馏水进行热交换，一路到风
冷盘管给洞外压入风降温，一路给洞内制冷机降温。

这样的做法相对节约水量。

第二种洞外进水为常温水，沿途水管不保温，进水到达TBM后，水分两路，
一路给制冷机降温，一路进入制冷系统，通过制冷系统给该路水降温，降温后的
冷却水分别输送到板式换热器、风冷盘管。

这种做法水用量大。

考虑洞内内循环水蒸馏水主要是给液压泵站、驱动电机、空压机、主轴承润
滑系统等降温。

但考虑洞内地热温度高，以上主要设备可能降温效果差，甚至掘
进过程出现温度报警。

为更好的解决内循环水降温问题，该项目设计一套备用蒸
馏水循环系统，该系统我们存入冰水，并做好保温，该系统我们随时检查温度，
一旦温度升高可以加蒸馏水冰块降温，多余的水放出到洞外制冰，以循环使用。

4.2敞开式TBM突泥涌水支护方式
敞开式TBM脱出护盾后的围岩，出现突泥脱水，无法正常挂网打锚杆，因围
岩壁有水，无法正常喷混。

本项目设计一种薄钢板支护结构，如图1所示。

薄钢
板固定完成后，通过化灌孔对薄钢板与围岩壁之间进行AB液化灌封水，然后进
行喷混，如图2所示。

该结构实现了加固了围岩的目的，同时又完成了堵水目的。

图1薄钢板支护结构
图2喷混化灌图
4.3污水排放系统
川藏线隧道因地热排水量大，另外遇到蚀变岩遇水泥化成砂、泥岩遇水崩解泥化等地质时，TBM排到污水箱的污水，会形成大量沉淀。

清理沉淀的过程中，无法排水至污水箱，造成TBM积水。

因此，污水排放水箱设计2-3个，以满足洞内污水排放。

4.4超前支护钻孔注浆系统
在小直径TBM施工中，需要超前钻孔注浆时，需要从洞外将设备拉入，再安装布设，费时费力，且无法形成接近全断面注浆，只能进行腰线以上甚至上部120°注浆，效果比较差。

川藏线铁路隧道洞径大于10m，空间大，超前支护钻孔注浆设备易于布设，如图3所示。

超前钻机可以直接布设到TBM设备前部存放，使用时用专用吊装设备进行安装，方便快捷。

图3超前钻机布置图
5. 总结
本文分析了川藏铁路TBM施工的难点，通过分析对比三种TBM的工作特点和适应情况，选择用敞开式TBM施工。

结合施工环境以及已有项目经验，提出了以下几种优化建议：设计一套备用蒸馏水循环系统、突泥涌水支护、设计2-3个污水箱以及配备超前支护钻孔注浆系统。

通过以上设备优化及施工建议，现场施工顺利进行，掘进速度及快速排水等问题均有良好的效果。

参考文献
[1]卢春房, 蔡超勋. 川藏铁路工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 建设机械技术与管理, 2020, 33(2):7.
[2]龙斌, 刘志华, 肖京. 川藏铁路隧道复杂恶劣工况条件下的TBM适应性设计探讨[J]. 隧道建设（中英文）, 2021(041-S02).
[3]杜闯东, 周路军, 朵生君,等. 川藏铁路隧道TBM适应性选型分析及不良地质对策与思考[J]. 隧道建设（中英文）, 2021, 041(006):P.897-912.
[4]刘东亮,康峰.EPB和TBM双模盾构选型探讨[J].建筑机械
化,2021,42(08):26-28.
[5]黄强.敞开式TBM穿越软岩断层破碎带的研究与应用[J].建筑机
械,2022(06):36-39.
作者简介：何京健（1969-）男，籍贯河北省邯郸市肥乡区，毕业于西安电子科技大学，本科学历，专业是机械设计制造及其自动化，高级工程师。