簡述TBM發(fā)展及應用

李曉勇

摘要：近幾年，TBM正成為我國長大隧道施工的最主要施工方法，本文主要簡述了TBM的起源和發(fā)展，主要分類，構造和原理以及在國內工程中的應用。

關鍵詞：TBM；發(fā)展；應用

引言：

TBM 是英語Tunnel Boring Machine（隧洞掘進機）的簡稱，是利用回轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。它具有速度快、質量優(yōu)、費用低、施工安全等優(yōu)點，具有很好的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益，現(xiàn)已廣泛應用于鐵路、公路、水利、水電、城市地鐵、越江和海底等隧道工程，也正成為我國今后長大隧道設計施工最主要的施工方法。

1.TBM的起源和發(fā)展

TBM先驅者是一個是叫亨利-約瑟. 毛瑟的比利時工程師。1846 年，毛瑟的“片山機（mountain-slicer） ” 在都靈附近的一個軍工廠組裝成形。他龐大而復雜，體積超過一節(jié)火車頭，他有一百多個鉆頭。整個機器儼然就是凸輪，拉桿，活塞和彈簧的叢林。不論實用與否，它確實是沉思的產(chǎn)物。毛瑟的片山機雖然沒有經(jīng)過實踐檢驗，但卻是公認第一臺TBM。

1952年，美國的詹姆士.羅賓斯將索鎬與滾刀相結合，試圖克服第一臺掘進機TBM中存在的刀具問題，但初期的試驗均失敗了。4年后，羅賓斯再次仿照100年前的威廉斯的設計，即只采用滾刀，此次成功了。此后，TBM掘進機的應用得到了很大推廣，從軟巖到硬巖，均取得了成功。在刀具和其他機械系統(tǒng)方面，也做了許多改進和發(fā)展，使TBM在硬巖中的掘進速度超過了鉆爆法的掘進速度。

TBM的誕生實現(xiàn)了隧洞建設者們的理想。它為隧洞施工走向機械化、標準化創(chuàng)造了條件，使施工程序大大簡化，開挖、襯砌、出渣同步進行，基本實現(xiàn)了流水線作業(yè)，獨頭掘進可達15到20公里。在硬巖中TBM的平均日進尺率為鉆爆法的5-8倍，TBM掘進技術除了有較鉆爆法快速掘進的優(yōu)勢外，還為隧洞工作者提供了更為安全、文明的施工條件，取消了不必要的支洞和相應的臨建設施，減少了施工對圍巖的擾動，由此帶來的經(jīng)濟效益、時間效益和社會效應是巨大的。

2.TBM的類型

TBM的類型主要是按圍巖地質條件劃分，一般分為巖石隧道掘進機和軟土隧道掘進機兩個大類：

巖石隧道掘進機，國內一般稱為TBM，用于巖石隧道施工，初期支護多采用錨桿噴射混凝土支護，大部分還有二次襯砌，最終成型隧道，不過也有采用類似盾構管片形式一次成型的。硬巖TBM可分為開敞式TBM和護盾式TBM，從地質角度來講，軟弱圍巖所占比例較大的隧道一般選用護盾式TBM，而巖石穩(wěn)定性好、軟弱圍巖較少的隧道一般選用開敞式TBM。此外還要根據(jù)工程設計、工期及工程造價進行綜合分析確定。

軟土隧道掘進機，國內一般稱為盾構機，用于單一或者復合式的土層、砂層、巖層地質條件的隧道施工，沒有初期支護，采用管片的形式進行拼裝形成襯砌，一次成型隧道。分為土壓平衡盾構機和泥水盾構機等。

在這需要特別說明的是，在國外說TBM是指隧道掘進機的總稱，包括巖石隧道掘進機和盾構機；在國內說TBM就是指巖石隧道掘進機。

3.TBM的構造和原理

開敞式TBM從結構上一般由主機、后配套系統(tǒng)組成，各部分分別由相應的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、PLC等控制完成相應的動作。

主機主要由刀盤、主驅動系統(tǒng)、護盾、主梁、推進系統(tǒng)、撐靴系統(tǒng)、后支腿、主機皮帶機、支護系統(tǒng)等部分組成，是TBM系統(tǒng)的核心部分，主要完成掘進和部分支護工作。

后配套系統(tǒng)與主機相連，由一系列彼此相連的鋼結構臺車組成，其上用于布置液壓動力系統(tǒng)、供電和控制系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風除塵系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、支護系統(tǒng)、休息室等。主要完成向主機供電供氣、噴錨支護、材料運輸、出碴等作業(yè)。后配套系統(tǒng)一般分為門架式和封閉式臺車兩種結構，封閉臺車式后配套系統(tǒng)上面有軌道車行走軌道。

TBM掘進破碎巖石工作原理為：主機前部是裝有若干滾刀的刀盤，由主驅動系統(tǒng)驅動刀盤旋轉，并由TBM推進系統(tǒng)給刀盤提供推進力，撐靴系統(tǒng)承受支反力，在推進力的作用下滾刀切入掌子面巖石，不同部位的滾刀在掌子面上留下不同半徑的同心圓切槽軌跡，在滾刀的擠壓下巖石產(chǎn)生破碎，裂紋不斷擴展連通，使相鄰切槽的巖石在剪切和拉應力的作用下從巖體上剝落下來形成石渣，石渣則隨著刀盤的旋轉由刀盤上的鏟渣斗自動抬起，經(jīng)刀盤結構內的溜渣槽滑落到主機皮帶上，再連續(xù)轉運到后配套系統(tǒng)皮帶機上，最后經(jīng)礦車或連續(xù)皮帶機出渣運輸系統(tǒng)運出洞外。完成一個行程后，推進液壓缸收回，撐靴重新支撐進行換步，一個掘進行程一般為1m-2m。在TBM主機和后配套系統(tǒng)上安裝有支護設備，隨著TBM的向前掘進，一般可以同時進行安裝錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土支護作業(yè)。

4.TBM在國內的發(fā)展和應用

20世紀60年代中期在周總理的關懷下，國內成立了攻關小組， 研究并發(fā)展掘進機技術，這期間國內共研制了50多臺TBM，但因種種原因，國產(chǎn)掘進機的可靠性與技術性能與國外掘進機有相當大的差距，掘進機的應用未能在國內得到推廣。80年代中期我國的引水工程、鐵路隧道工程開始引進國外TBM，國外TBM承包商將TBM施工技術也引入了中國。在這些工程上TBM創(chuàng)造了可喜的成績推動了TBM技術的應用和發(fā)展。

4.1. 天生橋水電站引水隧道

該工程是由武警水電部隊承建，1985年，在引水隧洞修建中，從美國引進了羅賓斯公司的兩臺二手TBM（分別于1978年和1979年生產(chǎn)），直徑為10.8m，開挖隧洞長度約10公里，遇到的巖石地層系石灰?guī)r，抗壓強度達150Mpa，施工時最高月進尺150m。這是我國第一條采用TBM施工的隧洞。

4.2.西康鐵路秦嶺隧道

西康鐵路秦嶺隧道工程由鐵道部從德國威爾特公司引進兩臺直徑8.8米開敞式TBM自主施工，隧道全長18.46公里，巖石為堅硬的混合花崗巖和混合片麻巖，抗壓強度為105-325Mpa，屬于國際上TBM工程中十分罕見的極硬巖石條件，在此條件下仍創(chuàng)造了最高月進尺531米的紀錄。該工程TBM自1997年下半年開始運至施工現(xiàn)場組裝，1999年掘進貫通。

4.3.錦屏二級電站引水隧道

錦屏二級電站主體引水隧洞采用兩臺直徑12.4mTBM、1臺7.2mTBM和鉆爆法聯(lián)合施工。工程地質90%以上為大理巖，少部分為綠泥巖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，抗壓強度在50-100Mpa，最大埋深2525m。該工程2008年6月開始掘進，因地質原因造成中途停止掘進，最終三臺TBM累計掘進18公里左右，創(chuàng)造了12.4m大直徑TBM最高月進尺683m的世界紀錄。該工程存在極強巖爆和高壓大涌水等世界性技術難題，無論是工程規(guī)模還是技術難度，都是一個令國際工程界矚目的宏大工程。

4.4.旁多水利樞紐灌溉輸水洞

該工程由武警水電部隊承建，是國內TBM首次在高原高海拔地區(qū)長隧洞施工中的應用。隧洞總長約10公里，開挖洞徑4m，TBM整機長約185米，重約380噸，采用連續(xù)皮帶機出渣，生產(chǎn)制造方式為主要部件進口，鋼結構件在國內生產(chǎn)，整機在廣州工廠組裝。自2013年6月10日始發(fā)掘進，目前已通過了5個地質斷裂段，順利掘進1公里多。

5.結束語

目前，全世界大約有120臺TBM同時工作。這個數(shù)字不僅反映了TBM在隧道工程方面的統(tǒng)治地位，也使得人們對地下空間的依賴加大。TBM技術仍有巨大的發(fā)展余地，現(xiàn)在的 TBM幾乎全是針對具體項目規(guī)范和地質條件而量身訂做。希望在不久的將來，能夠實現(xiàn) TBM 設計的神圣目標—— 1臺全球通用的TBM，功能強大足以應付任何項目。

參考文獻：

[1] 《全斷面巖石隧道掘進機系統(tǒng)原理與集成設計》杜彥良 杜立杰 出版社：華中科技大學出版社。