淺談掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工技術(shù)

吳一民+杜菁

[摘要]：本文綜述了隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，介紹了該法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，舉例了部分創(chuàng)新的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)工法，并針對現(xiàn)況，展望了隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]：隧道掘進(jìn)機(jī)； TBM； 現(xiàn)況； 展望

[引言]：

隨著地下工程快速開挖的需要和科學(xué)技術(shù)水平的提高， 隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)在中國得到了快速應(yīng)用和發(fā)展。隧道掘進(jìn)機(jī)是一種專門用于開挖地下通道的大型高科技施工裝備， 它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。按照地層條件和具體施工方法的不同， 一般將隧道掘進(jìn)機(jī)分為三類， 即盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)（shield machine）、巖石掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine ， TBM）和頂管掘進(jìn)機(jī)（pipe jacking machine）。

廣泛使用遙測、遙控、電子、信息技術(shù)對全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控是現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)技術(shù)最大特點(diǎn)，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)， 使掘進(jìn)機(jī)向著機(jī)械、電氣、液壓和自動控制一體化、智能化設(shè)備方向發(fā)展[1]。

1、掘進(jìn)機(jī)法的國內(nèi)外現(xiàn)狀

TBM施工法始于二十世紀(jì)三十年代，限于機(jī)械技術(shù)水平，其應(yīng)用實(shí)例甚少。五六十年代隨著機(jī)械工業(yè)與掘進(jìn)機(jī)技術(shù)水平的不斷提高發(fā)展較快。迄今為止，世界上采用TBM施工的隧道超過1000座，總長度超過4000km，已逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。

英吉利海峽隧道的貫通運(yùn)行體現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)法施工技術(shù)應(yīng)用的最高水平。英吉利海峽隧道外徑8.6m單線鐵路隧道與1條外徑5.6m輔助隧道組成。全長48.5km全部采用TBM施工。英國側(cè)6臺，岸邊段3臺海底段3臺（單向推進(jìn)21.2km）。法國側(cè)5臺，岸邊段2臺海底段3臺。最深處需承受10atm水壓力，平均月進(jìn)尺1000m/月。所以該隧道的建成標(biāo)志著成TBM施工技術(shù)的最新水平，也是融合了英、美、法、德等國家掘進(jìn)機(jī)法施工技術(shù)于一體的最高成就。

我國1966年生產(chǎn)出第1臺直徑φ3.4m的掘進(jìn)機(jī)，在杭州人防工程中進(jìn)行過試驗(yàn)。20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段，研制出SJ55，SJ58，SJ64，EJ30型掘進(jìn)機(jī)。20世紀(jì)80年代進(jìn)入實(shí)用性階段，研制出SJ58A，SJ58B，SJ40/45，EJ30/32，EJ50 型掘進(jìn)機(jī)，在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟(jì)青、云南羊場煤礦、貴陽煤礦、山西古交和懷仁煤礦等工程中使用。當(dāng)時(shí)，我國掘進(jìn)機(jī)與國外掘進(jìn)機(jī)相比較，在技術(shù)性能和可靠性等方面還有相當(dāng)大的差距[3]。

自1978年我國實(shí)行改革開放以來，引入國外大型TBM進(jìn)行隧道施工，取得了成功。2003年由中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司和美國Robbins 公司合作的新一代φ 3.65m雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在四川德陽二重集團(tuán)公司內(nèi)制造完工。該掘進(jìn)機(jī)的研制成功是我國重大裝備制造業(yè)取得的一項(xiàng)重要成果[4]。近期，沈陽重型機(jī)械集團(tuán)公司與德國維爾特鉆掘設(shè)備制造公司以及法國NFM技術(shù)公司三方共同投資創(chuàng)建了沈陽維爾特重型隧道工程機(jī)械成套設(shè)備公司。

2、隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法優(yōu)缺點(diǎn)

2.1TBM法的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1掘進(jìn)效率高。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，從而可以保證破巖、出渣、支護(hù)一條龍作業(yè)。特別在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時(shí)，次特征尤其明顯。與此對比，鉆爆法施工中，鉆眼、放炮、通風(fēng)、出渣等作業(yè)是間斷性的，因而開挖速度慢、效率低。掘進(jìn)效率高是掘進(jìn)機(jī)發(fā)展快的主要原因。

2.1.2掘進(jìn)機(jī)開挖施工質(zhì)量好，且超挖量少。掘進(jìn)機(jī)開挖的隧道內(nèi)壁光滑，不存在凹凸現(xiàn)象，從而可以減少支護(hù)工程量，降低工程費(fèi)用。而鉆爆法開挖的隧道內(nèi)壁粗糙不平，且超挖量大、襯砌厚、支護(hù)費(fèi)用高。

2.1.3對巖石的擾動小。掘進(jìn)機(jī)開挖施工可以大大改善開挖面的施工條件，而且周圍巖層穩(wěn)定性較好，從而保證了施工人員的健康和安全。

2.2 TBM法的缺點(diǎn)

2.2.1掘進(jìn)機(jī)對多變的地質(zhì)條件（斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅(jiān)硬巖石等）的適應(yīng)性較差。但近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用了盾構(gòu)外殼保護(hù)型的掘進(jìn)機(jī)，施工既可以在軟弱和多變的底層中掘進(jìn)又能在中硬巖層中開挖施工。

2.2.2掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問題。由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對材料、零部件的耐久性要求高，因而制造的價(jià)格較高。在施工之前就需要花大量資金購買部件和制造及其，因此工程建設(shè)投資高，難用于短隧道。

2.2.3施工途中不能改變開挖直徑。如用同一種機(jī)型開挖不同直徑的斷面，在硬巖的情況下更換附屬不見，在數(shù)十厘米范圍內(nèi)，還是可能的。

2.2.4開挖斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上收到一定的制約。

3、掘進(jìn)機(jī)法的創(chuàng)新技術(shù)、工法

雙護(hù)盾式TBM又稱伸縮護(hù)盾式TBM， 適用于混合地層施工， 既可用于硬巖， 又可用于軟巖， 其地質(zhì)適應(yīng)性非常廣泛。雙護(hù)盾式TBM同樣具有全圓護(hù)盾， 使其在采取必要措施的情況下， 能安全穿越軟土、砂土地層， 甚至于斷層破碎帶同時(shí)因其雙護(hù)盾構(gòu)造， 在較堅(jiān)硬的圍巖中掘進(jìn)時(shí)前護(hù)盾與刀盤一同向前推進(jìn)， 后護(hù)盾用兩邊的撐靴撐緊在巖石上， 為刀盤推進(jìn)提供頂推力這樣因掘進(jìn)所需要的頂推力不由已完成的襯砌環(huán)提供， 使掘進(jìn)與安裝管片可以同時(shí)進(jìn)行， 加快了施工速度。伸縮護(hù)盾形式是雙護(hù)盾TBM的獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)， 是實(shí)現(xiàn)軟硬巖作業(yè)兩種工作模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[6]。

4、結(jié)論

長隧道工程要求不斷完善TBM，使之能更好地滿足工程建設(shè)的需要。TBM 的發(fā)展趨勢可歸納如下：首先，要求TBM 能更適應(yīng)不利的地質(zhì)條件。從發(fā)展趨勢來講，將趨向于兩極化。這就是既要設(shè)計(jì)能適合復(fù)雜地質(zhì)條件使用的、費(fèi)用高的多功能TBM，又要生產(chǎn)用于地質(zhì)條件簡單、廉價(jià)的TBM。其次，目前公路隧洞因多車道的需要，要求大斷面，預(yù)計(jì)今后TBM 將更趨大直徑化。因此，大直徑TBM的設(shè)計(jì)制造和部件運(yùn)輸組裝是其技術(shù)上的主要趨勢之一。第三，未來的發(fā)展方向之一是全自動化TBM。第四，由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展，TBM 計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工系統(tǒng)的開發(fā)也是發(fā)展方向之一。第五，目前主要用于工業(yè)和民用管道施工的微型TBM發(fā)展很快。

[參考文獻(xiàn)]：

[1]錢七虎，李朝甫，傅德明. 隧道掘進(jìn)機(jī)在中國地下工程中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J]. 地下空間，2002，01：1-11+93.

[2]彭琦. 隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J]. 隧道建設(shè)，2013，06：443-448. 術(shù)，2006，05：23-30.