ＴＢＭ在鐵路隧道施工中的應(yīng)用研究

劉天行

摘要：Tunnel Boring Machine（TBM）是利用回轉(zhuǎn)刀具開(kāi)挖，同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。本文主要探討TBM在鐵路隧道施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TBM；分類；優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)

1 TBM分類

TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘進(jìn)機(jī)，是利用回轉(zhuǎn)刀具開(kāi)挖，同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械；相對(duì)于目前常用的方法，TBM集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子、信息、遙測(cè)、遙控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過(guò)程始終處于最佳狀態(tài)。隧道掘進(jìn)機(jī)械，基本上有兩種：一種是臂架式鉆進(jìn)機(jī)械，在隧道內(nèi)部進(jìn)行鉆孔機(jī)械，或是小型的小段面直接鉆研機(jī)械；另一種就是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）。一段時(shí)間以來(lái)，把TBM分為兩大類（Grandori，1996年）：

1.1 在巖石中開(kāi)挖隧道的TBM：通常用這類TBM在穩(wěn)定性良好、中～厚埋深、中～高強(qiáng)度的巖層中掘進(jìn)長(zhǎng)大隧道。這類掘進(jìn)機(jī)所面臨的基本問(wèn)題是如何破巖，保持掘進(jìn)的高效率和工程順利。

1.2 在松軟地層中掘進(jìn)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(zhì)的軟弱地層中開(kāi)挖有限長(zhǎng)度的隧道。這類掘進(jìn)機(jī)所面臨的基本問(wèn)題是空洞、開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定、市區(qū)地表沉降等。

對(duì)于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，目前在國(guó)內(nèi)有兩種提法，其一是巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM），其二是盾構(gòu)機(jī)。TBM就是適合硬巖掘進(jìn)的隧道掘進(jìn)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)指的是適于在軟巖、土中的隧道掘進(jìn)機(jī)。這種說(shuō)法有些言不符實(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)在許多硬巖TBM也采用盾構(gòu)技術(shù)，而TBM本來(lái)就是隧道掘進(jìn)機(jī)的意思。鑒于學(xué)術(shù)及現(xiàn)實(shí)中稱法混亂，造成許多麻煩，所以本文建議國(guó)內(nèi)采用統(tǒng)一稱法，采用“硬巖TBM”和“軟巖TBM”兩種來(lái)規(guī)范（下文就采用此用法）。其中硬巖TBM又可分為敞開(kāi)式TBM、護(hù)盾式TBM。

硬巖TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進(jìn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法，在相同的條件下，其掘進(jìn)速度約為常規(guī)鉆爆法的4～10倍，最佳日進(jìn)尺可達(dá)150m；具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。特別是高效快速可使工程提前完工，提前創(chuàng)造價(jià)值，對(duì)我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)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(jìn)機(jī)，是目前城市地鐵建設(shè)中速度快、質(zhì)量好、安全性能高的先進(jìn)技術(shù)。采用盾構(gòu)機(jī)施工的區(qū)間隧道，可以做到對(duì)土體弱擾動(dòng)，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(shè)備的技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在我國(guó)地下工程領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。

2 TBM的施工組織特點(diǎn)

應(yīng)充分考慮到TBM設(shè)備采購(gòu)周期較長(zhǎng)(制造周期為11～12個(gè)月)的特點(diǎn)，按工期要求，有計(jì)劃地合理組織好TBM及后配套設(shè)備的采購(gòu)工作。

應(yīng)充分考慮TBM對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，根據(jù)隧道的圍巖條件選用適應(yīng)地質(zhì)條件的TBM，合理組織好TBM及后配套設(shè)備的選型，并組織好TBM設(shè)備的監(jiān)造工作。

應(yīng)充分考慮到使用TBM的特殊性，作好施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作，包括用電線路的架設(shè)，通往施工現(xiàn)場(chǎng)的道路、橋梁的修筑和加固，臨時(shí)工程的施工工作;組織好TBM大件的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、掘進(jìn)準(zhǔn)備工作，并作好技術(shù)培訓(xùn)和材料、機(jī)具需要量計(jì)劃;這些應(yīng)與TBM的購(gòu)置同步進(jìn)行。

應(yīng)充分考慮TBM施工的特點(diǎn)和TBM通過(guò)特殊地質(zhì)地段的設(shè)計(jì)方案、工程措施以及場(chǎng)地和水電情況對(duì)TBM的特殊要求。

3 TBM施工的優(yōu)點(diǎn)

快速。TBM是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工廠化施工，掘進(jìn)速度較快，效率較高。

優(yōu)質(zhì)。TBM采用滾刀進(jìn)行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會(huì)受爆破震動(dòng)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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;同時(shí)由于超挖量小，節(jié)省了大量襯砌費(fèi)用。TBM施工用人少，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了材料消耗。

安全。用TBM施工，改善了作業(yè)人員的洞內(nèi)勞動(dòng)條件，減輕了體力勞動(dòng)量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。

環(huán)保。TBM施工不用炸藥爆破，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染小;減少了長(zhǎng)大隧道的輔助導(dǎo)坑數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境;如果使用雙護(hù)盾TBM還可以減少隧道內(nèi)水的流失，有利于環(huán)境保護(hù)和減少水土流失。

自動(dòng)化、信息化程度高。TBM采用了計(jì)算機(jī)控制、傳感器、激光導(dǎo)向、測(cè)量、超前地質(zhì)探測(cè)、通訊技術(shù)，是集機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，具有自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。TBM具有施工數(shù)據(jù)采集功能、TBM姿態(tài)管理功能、施工數(shù)據(jù)管理功能以及施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳功能，可實(shí)現(xiàn)信息化施工。

4 TBM施工的缺點(diǎn)

TBM的地質(zhì)針對(duì)性較強(qiáng)，不同的地質(zhì)條件和隧道斷面，需要設(shè)計(jì)成滿足不同施工要求的TBM，同時(shí)配置適應(yīng)不同要求的輔助設(shè)備。

4.1 地質(zhì)適應(yīng)性較差。

TBM對(duì)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(yù)加固和支護(hù)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)，但對(duì)于大型的巖溶暗河發(fā)育的隧道、高地應(yīng)力隧道、軟巖大變形隧道、可能發(fā)生較大規(guī)模突水涌泥的隧道等特殊不良地質(zhì)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(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)越性。

一般情況下，以II、Ⅲ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用開(kāi)敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用雙護(hù)盾TBM施工，對(duì)于V級(jí)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(gòu)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(yùn)輸移動(dòng)較困難，施工準(zhǔn)備和輔助施工的配套系統(tǒng)較復(fù)雜，加工制造工期長(zhǎng)，對(duì)于短隧道和中長(zhǎng)隧道很難發(fā)揮其優(yōu)越性。國(guó)外的實(shí)踐表明，當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí)，采用TBM施工是比較經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于一般的單線鐵路隧道，開(kāi)挖直徑通常在9m左右，按此計(jì)算，長(zhǎng)度大于5.4km的隧道就可以考慮采用TBM施工。

4.3 斷面適應(yīng)性較差。

斷面直徑過(guò)小時(shí)，后配套系統(tǒng)不易布置，施工較困難;而斷面過(guò)大時(shí)，又會(huì)帶來(lái)電能不足、運(yùn)輸困難、造價(jià)昂貴等種種問(wèn)題。一般地說(shuō)，較適宜采用TBM施工的隧道斷面直徑在3～l2m;對(duì)直徑在12～15m的隧道應(yīng)根據(jù)圍巖情況和掘進(jìn)長(zhǎng)度、外界條件等因素綜臺(tái)比較;對(duì)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(yùn)輸困難，對(duì)施工場(chǎng)地有特殊要求。

TBM屬大型專用設(shè)備，全套設(shè)備重達(dá)幾千噸，最大部件重量達(dá)上百噸，拼裝長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)200多m。同時(shí)洞外配套設(shè)施多，主要有混凝土攪拌系統(tǒng)、管片預(yù)制廠，修理車間、配件庫(kù)、材料庫(kù)、供水、供電、供風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)碴和翻碴系統(tǒng)，裝卸調(diào)運(yùn)系統(tǒng)，進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)道路，TBM組裝場(chǎng)地等。這些對(duì)隧道的施工場(chǎng)地和運(yùn)輸方案等都提出了很高的要求，有些隧道雖然長(zhǎng)度和地質(zhì)條件較適合TBM施工，但運(yùn)輸?shù)缆冯y以滿足要求，或者現(xiàn)場(chǎng)不具備布置TBM施工場(chǎng)地的條件。

4.5 設(shè)備購(gòu)置及使用成本大。

TBM施工需要高負(fù)荷的電力保證以及其高素質(zhì)的技術(shù)人員和管理隊(duì)伍，其前期購(gòu)買設(shè)備的費(fèi)用較高，這些都直接影響到TBM施工的適用性。

參考文獻(xiàn)

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