試論TBM在鐵路隧道施工中的應(yīng)用

摘要：TBM作為新型的集掘進(jìn)、鉆進(jìn)和支護(hù)為一體的新型系統(tǒng)數(shù)字化隧道挖掘機(jī)，相對(duì)傳統(tǒng)的挖掘技術(shù)更加準(zhǔn)確便利，已被廣泛應(yīng)用于交通、水利水電、市政、礦山開采和國防等工程中。TBM巖石挖掘速度是傳統(tǒng)常規(guī)鉆爆法的4～10倍，施工速度快，方便快捷，經(jīng)濟(jì)安全，能夠有效地節(jié)省工時(shí)和建造成本，極大地提高了施工單位的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)TBM推廣對(duì)我國的鐵路建設(shè)有著重要的意義。文章對(duì)TBM在鐵路隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，分析了TBM的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為TBM在鐵路隧道施工的推廣使用提供參考意見。

關(guān)鍵詞：TBM；數(shù)字化隧道挖掘機(jī)；鐵路隧道施工；系統(tǒng)信息化

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）08-0037-02

TBM主要采用回轉(zhuǎn)刀進(jìn)行挖掘，同時(shí)對(duì)洞內(nèi)的圍巖進(jìn)行破碎和掘進(jìn)，是鐵路隧道施工的一種先進(jìn)的施工設(shè)備；它利用信息、遙控、電子和遙測(cè)等先進(jìn)的技術(shù)對(duì)整個(gè)施工作業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)，保持挖掘的最佳狀態(tài)。在國內(nèi)鐵路建設(shè)和城市地鐵施工中普遍使用，目前常見的TBM挖掘機(jī)主要有全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)和臂架式鉆進(jìn)機(jī)械。

1 TBM的分類和適用地質(zhì)

根據(jù)TBM的適用地質(zhì)，將TBM分為兩種：

（1）巖石掘進(jìn)機(jī)又叫做硬巖TBM，對(duì)于巖石堅(jiān)硬、巖石厚度大、深度較大的地形，這種機(jī)器能夠有效地破巖，保證施工的安全順利和高效完成。硬巖TBM主要用于一些山嶺隧道的挖掘，挖掘速度快，有效地減少了工時(shí)和勞動(dòng)力，同時(shí)對(duì)環(huán)境的破壞較小，是鐵路施工時(shí)常用的機(jī)械。硬巖TBM又分為護(hù)盾式TBM和敞開式TBM。敞開式TBM配置噴錨和鋼拱架安裝器等設(shè)備，同時(shí)可以用于軟巖石的開掘。單護(hù)盾錨多用于地質(zhì)惡劣的隧道施工中，掘進(jìn)能力強(qiáng)，但是施工進(jìn)度慢。雙護(hù)盾TBM同敞開式TBM一樣，可以運(yùn)用于軟硬巖石的開采。硬巖TBM的三種形式的相互配合可以保證鐵路隧道施工的順利進(jìn)行。

（2）TBM還有一種主要用于城市建設(shè)的軟巖硬巖TBM，這種機(jī)器主要用于城市地鐵等基礎(chǔ)建設(shè)中。

2 TBM的施工組織要求

TBM制作周期長，需要一年左右的時(shí)間，同時(shí)機(jī)械造價(jià)成本高，因此，施工單位在進(jìn)行施工之前，應(yīng)該提前進(jìn)行TBM的采購和準(zhǔn)備工作，保證施工的順利進(jìn)行，有計(jì)劃地進(jìn)行施工。TBM對(duì)不同的地質(zhì)有著不同的施工特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行TBM的采購時(shí)要對(duì)地形進(jìn)行詳細(xì)的勘察，合理選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械，對(duì)機(jī)械配套的設(shè)備的型號(hào)和性能也要合理選擇，保證TBM建造能夠適應(yīng)工程需要。TBM施工不同于傳統(tǒng)的施工，這就要求施工單位在使用前做好準(zhǔn)備工作，保證施工的順利進(jìn)行。TBM供電要采用10kV的高壓變壓器，其余施工設(shè)備電力需要由低壓變壓器提供，對(duì)施工線路進(jìn)行提前架設(shè)，保證施工用電的良好，保證TBM工作中的充足供電。TBM機(jī)體較大，施工單位必須做好運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)備工作，對(duì)所需的道路、橋梁等提前勘察，保證機(jī)器順利安全到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)做好TBM的安裝、調(diào)試等掘進(jìn)前準(zhǔn)備工作，機(jī)械的組裝需要與施工現(xiàn)場(chǎng)需要相符合，科學(xué)組裝配套裝備，保證TBM性能的發(fā)揮。TBM操作需要較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)，施工單位要引進(jìn)培訓(xùn)專業(yè)的施工人員，保證機(jī)械的安全高效操作，滿足施工的要求。這些問題在采購TBM的時(shí)候就需要施工單位同步進(jìn)行，避免耽擱工程時(shí)間。

3 TBM相較傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)的施工優(yōu)勢(shì)

TBM相較傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)主要有以下優(yōu)勢(shì)：

3.1 高效

TBM集多種先進(jìn)的挖掘和控制技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的連續(xù)工作，同時(shí)完成破巖、掘進(jìn)、出渣和支護(hù)等施工作業(yè)，施工一體化，掘進(jìn)速度快，減少時(shí)間的浪費(fèi)，同時(shí)TBM的掘進(jìn)速度是傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)的4～10倍，能夠有效地節(jié)省工期，提高了施工方的經(jīng)濟(jì)效益，TBM在挖掘時(shí)所需作業(yè)人員較少，節(jié)省了勞動(dòng)力使用產(chǎn)生的成本，同時(shí)也降低了施工中資源的消耗。

3.2 優(yōu)質(zhì)

傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)工作需要爆破工作的支持，造成巖洞和周圍巖層的震動(dòng)，巖洞遭到破壞，TBM機(jī)掘進(jìn)時(shí)無需爆破，避免對(duì)巖洞的破壞，保證洞壁的光滑完整。

3.3 安全環(huán)保

TBM施工過程中，無爆破施工，降低了爆破意外事故的發(fā)生，施工人員的安全得到了保證，也避免了爆破對(duì)環(huán)境造成的污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞大大減少，水土流失現(xiàn)象明顯減少。同時(shí)改善了洞內(nèi)環(huán)境和施工環(huán)境，減少了施工人員的作業(yè)量，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4 系統(tǒng)信息化

TBM采用測(cè)量、傳感器、超前地質(zhì)探測(cè)、傳感器、計(jì)算機(jī)控制和激光導(dǎo)向等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隧道施工作業(yè)實(shí)現(xiàn)了氣、光、液、電等的一體化，實(shí)現(xiàn)了信息化和自動(dòng)化施工。

4 TBM施工存在的缺陷

TBM雖然有著以上優(yōu)勢(shì)，但是由于受到地質(zhì)的限制和自身缺陷，有著明顯的施工缺陷：

4.1 TBM體積大，配套設(shè)施多

TBM體積大，配套設(shè)施多，總重量達(dá)數(shù)千噸，體積龐大，運(yùn)輸難度較大，機(jī)械制作周期長，因此施工方不能隨時(shí)進(jìn)行施工，對(duì)鐵路隧道施工造成了一定的限制。為了保證TMB的安全順利運(yùn)達(dá)施工地，企業(yè)需要對(duì)沿途的道路進(jìn)行勘察和準(zhǔn)備。TBM成本較高，要求施工單位必須有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，高成本也降低了TBM的適用性，不利于推廣。TBM對(duì)水電和現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求較高，因此，施工單位在進(jìn)行施工前需要耗費(fèi)較大的精力、財(cái)力和人力為施工做準(zhǔn)備，一定程度上增加了施工的成本。TMB施工要求較高，要求技術(shù)人員必須有專業(yè)的知識(shí)水平和過硬的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)才可進(jìn)行操作，施工單位在人才引進(jìn)和對(duì)人才的培訓(xùn)上需要花費(fèi)一定的財(cái)力，無形中增加了施工成本。

4.2 TBM對(duì)地質(zhì)敏感，適應(yīng)性差

TBM對(duì)地質(zhì)敏感，適應(yīng)性差，雖然TBM不同型號(hào)可以對(duì)硬巖和軟巖進(jìn)行施工，但是對(duì)于高低應(yīng)力隧道、軟巖變形嚴(yán)重、溶巖暗河隧道等并不適用，這種地質(zhì)下，爆破能夠省時(shí)省力且更加靈活，更加適合施工需要。TBM對(duì)斷層截面直徑的要求一般保持在3～15cm，TBM對(duì)斷面的適應(yīng)性較差，斷面直徑小于3cm時(shí)，機(jī)械的配套設(shè)備不易安裝布置，為施工帶來一定的難度；斷面大于15cm時(shí)又為TBM的運(yùn)輸帶來困難，同時(shí)出現(xiàn)電力供給不足和造價(jià)過高等現(xiàn)象。對(duì)于斷面變形的隧道，TBM也不適用。

4.3 TBM機(jī)體大，配套系統(tǒng)復(fù)雜

TBM機(jī)體大，配套系統(tǒng)復(fù)雜，移動(dòng)困難，所需成本較大，因此，在一些中短隧道施工時(shí)并不適用，只有當(dāng)隧道長度超過5.4km時(shí)才可以考慮使用。

5 結(jié)語

TBM相對(duì)傳統(tǒng)的掘進(jìn)方式，在鐵路隧道開采中有著巨大的優(yōu)勢(shì)，然而也受到地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)成本等因素的限制。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，更多的新的鐵路隧道被挖掘，西部大開發(fā)的需要和西部地形的實(shí)際情況都為TBM的使用提出了更高的要求，因此，建筑人員在對(duì)TBM使用操作的時(shí)候要不斷地進(jìn)行技術(shù)改良創(chuàng)新，以使TBM更加適應(yīng)國家鐵路建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡介：李曉蘭（1984—），遼寧鞍山人，供職于中鐵十九局集團(tuán)有限公司，研究方向：土木工程。

（責(zé)任編輯：劉 晶）