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ＴＢＭ在铁路隧道施工中的应用研究

刘天行
摘要：Tunnel Boring Machine（TBM）是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。本文主要探讨TBM在铁路隧道施工中的应用。
关键词：TBM；分类；优点；缺点
1 TBM分类
TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘进机，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于目前常用的方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控使掘进过程始终处于最佳状态。隧道掘进机械，基本上有两种：一种是臂架式钻进机械，在隧道内部进行钻孔机械，或是小型的小段面直接钻研机械；另一种就是全断面隧道掘进机（TBM）。一段时间以来，把TBM分为两大类（Grandori，1996年）：
1.1 在岩石中开挖隧道的TBM：通常用这类TBM在稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的岩层中掘进长大隧道。这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩，保持掘进的高效率和工程顺利。
1.2 在松软地层中掘进隧道的TBM：通常用这类TBM在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。这类掘进机所面临的基本问题是空洞、开挖掌子面的稳定、市区地表沉降等。
对于全断面隧道掘进机，目前在国内有两种提法，其一是岩石掘进机（TBM），其二是盾构机。TBM就是适合硬岩掘进的隧道掘进机，盾构机指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。这种说法有些言不符实，因为现在许多硬岩TBM也采用盾构技术，而TBM本来就是隧道掘进机的意思。鉴于学术及现实中称法混乱，造成许多麻烦，所以本文建议国内采用统一称法，采用“硬岩TBM”和“软岩TBM”两种来规范（下文就采用此用法）。其中硬岩TBM又可分为敞开式TBM、护盾式TBM。
硬岩TBM适用于山岭隧道硬岩掘进，代替传统的钻爆法，在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍，最佳日进尺可达150m；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。特别是高效快速可使工程提前完工，提前创造价值，对我国的现代化建设有很重要的意义。
而软岩TBM适用于软弱性围岩施工的隧道掘进机，是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构机施工的区间隧道，可以做到对土体弱扰动，不影响地面建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁。这两种设备的技术开发与应用，在我国地下工程领域具有十分广阔的前景。
2 TBM的施工组织特点
应充分考虑到TBM设备采购周期较长(制造周期为11～12个月)的特点，按工期要求，有计划地合理组织好TBM及后配套设备的采购工作。
应充分考虑TBM对地质的适应性，根据隧道的围岩条件选用适应地质条件的TBM，合理组织好TBM及后配套设备的选型，并组织好TBM设备的监造工作。
应充分考虑到使用TBM的特殊性，作好施工现场的准备工作，包括用电线路的架设，通往施工现场的道路、桥梁的修筑和加固，临时工程的施工工作;组织好TBM大件的运输、安装、调试、掘进准备工作，并作好技术培训和材料、机具需要量计划;这些应与TBM的购置同步进行。
应充分考虑TBM施工的特点和TBM通过特殊地质地段的设计方案、工程措施以及场地和水电情况对TBM的特殊要求。
3 TBM施工的优点
快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。
优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。
高效。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益;同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。
安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。
环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小;减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境;如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。
自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。
4 TBM施工的缺点
TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。
4.1 地质适应性较差。
TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。
一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。
4.2 不适宜中短距离隧道的施工。
由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。
4.3 断面适应性较差。
断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难;而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地说，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3～l2m;对直径在12～15m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较;对于直径大于15m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。
4.4 运输困难，对施工场地有特殊要求。
TBM属大型专用设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达200多m。同时洞外配套设施多，主要有混凝土搅拌系统、管片预制厂，修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。
4.5 设备购置及使用成本大。
TBM施工需要高负荷的电力保证以及其高素质的技术人员和管理队伍，其前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。
参考文献
[1]尹俊涛,尚彦军,傅冰骏,曲永新.TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策 [J].工程地质学报; 2005年03期.
[2]叶飞,黎柯军.隧道掘进机技术及其在我国的发展和应用 [J].中外公路; 2006年04期.

-全文完-