TBM选型及施工关键技术研究

陈岗　叶珠东

摘要：TBM技术（全断面隧洞掘进技术）主要是利用机械压力对岩石土地进行切削、破碎，是高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖设备，其技术复杂，具有高效、快速、优质、安全等优点。TBM技术是一项新型的隧洞施工技术，其主要以TBM为核心设备，以大型现代化装载运输机械为辅助设备，采用全断面掘进机法施工，掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序一次完成，全断面一次成型，施工进度快，安全性好，通风要求低，衬砌支护工程量少。经过半个多世纪的发展，TBM掘进技术已相当成熟。

关键词：TBM技术；施工；技术

TBM选型是隧道成功贯通的前提，选型得当可以减少设备故障的发生，获得较高的掘进速度，缩短工期，降低施工成本。相反，不恰当的选型会增加设备故障率，延误工期，增加施工成本，甚至无法继续掘进。隧道施工关键技术是进行隧道施工的根本，主要包括TBM施工组织管理、TBM在不良地质地段的施工技术、TBM刀具技术、TBM掘进方向测量控制技术、TBM通风技术、TBM施工供电和通信技术、TBM出渣与物料运输技术等，各个技术环环相扣，紧密连接，任何技术出现差错都会使施工无法进行。

1TBM的主要特点

TBM对地质条件要求较高，传统钻爆法对具有很强的灵活性，对施工地理没有要求，钻爆法主要的问题是安全性，但TBM对地质条件同样要求较高，对不利于工程施工的地质条件，如高地应力，岩爆，高压力水头及大流量涌水下的地质条件，TBM不能完全适应，另外，TBM是几套系统的集合，属于知识密集型产品，对操作工人的知识程度要求就比较高，也由于TBM复杂的系统集合，任何一台TBM设备出现问题，都会拖延整个施工进度，其维修，保养，操作对人员的要求高，TBM对地理位置也有要求，后勤的保障就是一个问题，TBM施工，短距离隧道不经济，并且TBM设备庞大，移动不便，一旦出现问题，维修，改进都很不方便。

2TBM的选型

2.1敞开式TBM特点

（1）敞开式TBM是为隧道（洞）地质条件好、地层稳定、岩质坚硬而设计的开敞式掘进设备，具有设备坚固、掘进速度快、隧洞成本购成低和TBM售价较低的特点；

（2）此类TBM的刀盘结构坚固，面板上几乎没有开口，只是在刀盘周边设置几个铲斗装碴，从刀盘面板背后的中心开口卸碴至胶带输送机上；

（3）由于掌子面地层稳定，主要由刀盘上安装且具有挤压破碎硬岩的盘（碟）型滚刀破岩，开敞式掘进；

（4）该TBM由x形撑靴撑往已掘进后的洞壁（接地压力大于3MPa）上，以提供刀盘掘进时足够的破岩推力的支撑反力，同时，x形支撑稳定主梁以保持着TBM的掘进方向；

（5）此类TBM配备有锚杆一挂钢筋网、钢拱架（或钢格珊）、初喷和重复喷射砼等设备，对隧洞开挖表面进行初期支护，一般待隧洞全部贯通后，再进行隧洞整体模筑衬砌，不采用昂贵的管片衬砌；

（6）硬岩TBM没有全圆的钢制盾壳保护，只在刀盘部位设置有分块式（顶护盾、侧护盾和前下支撑）的伸缩护盾，以稳定刀盘沿着指定的方向掘进；

2.2双护盾TBM的特点

（1）双护盾TBM的主机安装在前后两个钢壳护盾中，两护盾之间铰接连接；

（2）双护盾掘进机是为隧道（洞）地质条件较好、地层较稳定、岩质较软而专门设计的岩石掘进机；

（3）由于掌子面地层较稳定，主要由刀盘上安装且具有挤压破碎岩石的盘（碟）型滚刀破岩，开敞式掘进；

（4）双护盾掘进机一般采用钢筋砼管片衬砌隧洞，管片之间采用橡胶带止水，向管片背面间隙空间充填（小粒石）和注浆密实，固定管片，使隧洞稳定；

（5）双护盾TBM可用撑靴紧撑掘进后的洞壁，以提供刀盘掘进时足够的破岩推力的支撑反力，当在软岩或土层中掘进，撑靴紧撑掘进后的洞壁不足以提供掘进推力所需支撑力时，则撑靴收回且靴板面与盾壳弧面齐平，此时，由盾壳内周边的推力油缸撑顶在盾尾内已拼装好的管片端面上，提供刀盘所需的掘进破岩推力；

3TBM施工關键技术

3.1通风技术

1、洞外至TBM之间的通风

洞口风机采用三台Howden-Buffalo公司生产的150XN Axial型风机串联安装，以增大风压，最大压风量1800-3600m3/min，最大风压7453Pa。风机机架采用焊接方式，风机基础应满足重量为风机总重的2倍或风机转动部分4倍的要求。为保证压入洞内的空气新鲜，防止洞内排出的污浊空气被再次压入洞内，应把风机架设在距洞口约50m处。洞外部分风管采用硬质铁皮风管，架设于带有斜撑的门式支架上，以抵抗风力的影响，支架间距为10-13m。洞内部分使用100m/节的Φ2200mm软风管随掘进距离的增大而逐段延伸，悬挂于锚杆；各节之间用专用卡匝锁紧，保证整体密封。在掘进长度为0-4km时，启动一台风机，4-6.5km时启动两台风机串联供风，6.5-9.2km时启动三台风机串联供风。

2、风管储存系统

在TB880E型隧道掘进机尾部18#拖车上有一软风管储存系统，其内整齐叠存100m长Φ2200mm软风管，随着TBM掘进、后配套跟进逐渐被拉出，由于储存筒锥形端盖处有导向橡胶，存在一定的预紧力，风管被拉出后一直处于张紧状态。储存筒有两套，当TBM上储存的软风管即将全部被拉出时，洞外将装好100m软风管的储存筒运到TBM后配套尾部18#拖车处，用一套专用的起吊设备方便而快速地进行更换，以保证在很短时间内有新风进洞。

3、BM上的通风及空冷设施

由洞外风机输送的新风到达TBM后配套17#拖车时，经接力风机增压后，沿布置于后配套及连接桥左侧的圆形及异形铁皮风筒（后配套2#拖车的风筒布置于中间）继续向前输送，至4#拖车经冷却风机和空调机组降温后送至TBM主机与连接桥交汇处（离刀盘工作掌子面约25m），此处要求向前供风风速v≥0.164m/s，向后风速v≥0.164m/s。

3.2高温有害气体下TBM的施工技术

我国地质状况复杂，地底伴生地质环境多，这样复杂的地质环境，在地底长期巨大的压力作用下，煤气，沼气以及其他对TBM施工有害的高温气体，对TBM的施工带来了危险。有害气体威胁人员的生命安全，粉尘，气体对设备的损害也很严重，设备出现的故障率也随之提高，这些有害物质溶于水，也有可能污染水质。在这种环境下的施工技术是：做好前期的地质勘探，分析工作区煤层的分布、浓度、岩体的完整性等等，如有必要提前注浆，预防工作面断裂，塌陷以及有害气体的泄露；施工时保持洞内工作环境通风畅通，及时疏散有害气体，防止瓦斯泄漏，并对有害气体空气浓度实时监测，在工作时，也要对水质情况进行监测，发现异常及时处理，如有必要停止作业。

TBM在水电站的建设中发挥了越来越多的作用，随着科学技术的以及TBM施工技术的发展，TBM在水电建设上的应用还将更加广泛，水电站TBM的选型和相关的施工技术，是TBM施工是否能达到施工要求的重要因素，在制定TBM施工方案时，根据不同的地质条件，合理选型，合理利用TBM施工技术，对水电站的建设是很有利的。