全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用

全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用

隧道网 (2010-10-17 19:47:47) 来源：隧道

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全断面隧道掘进机（ Full-face Tunnel Boring Machine ）简称 TBM ，自 20 世纪 50 年代以来就已经在施工行业大量使用，如今已是在国内外普遍采用的一种具有高科技水平的隧洞施工机械。当隧洞长度过长时，用常规钻爆法进行施工需要相当长的工期， TBM 法则适合长隧洞施工的需要。国外实践证明：当隧洞长度与直径之比大于 600 时，采用 TBM 进行对隧洞施工是经济的。

TBM 广泛采用了监测、遥控、电子信息技术等对施工过程进行全面监控，使掘进全过程始终处于最佳状态，与常规钻爆法相比，其优越性主要体现在如下几个方面：（1）掘进速度快；

（2 ）工作效率高，实现了 TBM 开挖、出碴、衬砌、回填、灌浆等工序的循环作业；

（3 ）施工安全， TBM 施工作业始终在护盾的保护下有效地进行；

（4 ）施工环境好，含尘空气由净化器除尘，无爆破烟

尘；

（5 ）成洞条件好，开挖面光滑平整，无超挖，对围岩基本无扰动。但是如果选型、设计不当，则会影响 TBM 掘进机开挖隧洞的优越性，严重的甚至会影响到工程施工工期。因此，选用合适的 TBM 掘进机对隧洞的施工有着极其重要的意义。

1 TBM 的类型与特点

1.1 按围岩地质条件分

（1 ）在岩层中开挖隧洞的 TBM 。通常用这类 TBM 在稳定性良好、中 ~ 厚埋深、中 ~ 高强度的岩层中掘进长大隧洞，这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩。

（2 ）在松软地层中掘进隧洞 TBM 。通常用这类 TBM 在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧洞。这类掘进机所面临的基本问题是空洞和开挖掌子面的稳定，当隧洞施工的主要目的是控制市区环境的地表沉降时，这一问题尤为突出。

1.2 按开挖直径分

（1）微型 TBM ，直径在 25~ 300cm ，其直径较小，工作空间狭小。

（2）中型 TBM ，直径在 300~ 800cm ，在我国引大入秦工程就是利用此类的 TBM 。

（3）巨型 TBM ，直径均大于 800cm ，设备比较笨重，

在荷兰生态绿心隧洞中有所应用。

1.3 按护盾型式分

（1）开敞式 TBM

（2）单护盾式 TBM

（3）双护盾式 TBM

2 TBM 的选型与设计

2.1 TBM 的选型

TBM 掘进机型式的选择主要根据地质条件、隧洞埋深和断面尺寸等因素，通过勘察洞线的地质条件来选择不同特点的掘进机。

开敞式 TBM 具有以下特点：

（1）通过大伙房 87km 输水长隧洞实践证明，开敞式TBM 机型既适用于硬岩，也很适用于软岩地层；

（2）机型转向控制灵活，长江 / 直径≤1 ，易精确调整方向；

（3）能够及时对不良地层进行支护，时空效应好，不易塌方；

（4）在 TBM 上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机以及超前钻机，而且在确定刀间距、推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上，能适应软岩、硬岩的切削特性。

单、双护盾式 TBM 的特点：

灵敏度低，很难精确快速调整到位。由于后盾较长，不

易及时支护，易塌方，如台湾平林隧洞。另外造价高，大约是开敞式 TBM 的 1.3 倍。

2.2 TBM 掘进系统的设计

TBM 掘进系统主要包括主机系统和后配套系统，两个系统的设计要相互匹配，才能最大限度的发挥 TBM 的挖掘效率，因此对 TBM 系统的设计尤其重要。

2.2.1 TBM 主机系统

（1）支撑系统

TBM 支撑系统是的固定部分。

（2）刀盘

（3）驱动系统

刀盘驱动方式有电动和液压两大类，电动又分单速、双速和调频。

2.2.2 后配套系统

后配套系统就是装于主机后平台车上，为主机开挖提供支持的所有设备。它包括运输系统，施工通风、除尘和降温系统，支护系统以及激光导向系统等等。

（2）施工通风、除尘和降温系统

（3）支护系统

使用掘进机施工时，应充分考虑到地质的变化因素，确保掘进机既具有快速掘进的能力，又具有在软弱地质条件下安全通过的能力。在特殊地质条件下，即使选用了双护盾掘

进机，也要考虑安装超前预报和支护设备的计划，使用开敞式掘进机，加强对支护设备的选择更为重要。

① 钢拱架、锚杆和混凝土喷射

钢拱架紧跟着刀盘支护岩石，其类型可以是工字型、 H 型以及其它，可以分为若干段并迅速拼装，它们的间距视现场围岩而定，但应与仰拱预制块衔接。

为了应付Ⅱ 、Ⅲ 类围岩地段紧急支护和会隧洞系统锚固的需要，应设置锚杆机，完成拱部180° 范围内的锚杆作业，锚杆作业应与主机作业同时进行。

对开挖面进行及时的混凝土喷射，特别是为了应付围岩可能的变形，除在后配套平台车安装全断面混凝土喷射机外，还应对刚刚开挖的岩面及时进行初喷混凝土，此措施的效果特别明显。喷射机应采用油湿喷机及机械手。

② 地质超前预报和管棚注浆措施

为了应付可能出现的不同地质条件，如果通过断层和破碎带时，应加强对前方地质的勘测和处理。可考虑在刀盘后部平台上加装一台超前钻机，它可以完成对刀盘前 30m 左右范围内岩石钻探、注浆，还可以完成 20m 深的套管，在拱部形成90° 左右的管棚， TBM 安全通过破碎带。

（4）激光导向系统

TBM 激光导向系统的基本组成主要由激光测量单元、后视棱镜和前视棱镜（激光靶）单元、测倾仪单元、控制单元、

数据传输等单元组成。 TBM 激光导向系统具有数据的输入与输出功能、数据处理与存储功能、自动监测功能、数据传输抗强电干扰功能。

3 TBM 在我国的应用

TBM 的设计、制造是一个持续的技术创新过程。每条隧洞工程都具有自身的特点，各家专业承包商都是根据自身的传统和意见、以及每条隧洞工程的特点等来设计 TBM 机，所制造的 TBM 都各不相同。通过合理的 TBM 选型、设计，近年来我国在利用 TBM 开挖隧洞中已经取得了很大的成就。见表 1 。

表 1 我国 TBM 法施工的主要隧道（洞）工程