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(gòu)造和原理以及在國內(nèi)工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TBM；發(fā)展；應(yīng)用

引言：

TBM 是英語Tunnel Boring Machine（隧洞掘進(jìn)機(jī)）的簡稱，是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，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。它具有速度快、質(zhì)量優(yōu)、費(fèi)用低、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，現(xiàn)已廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)施工最主要的施工方法。

1.TBM的起源和發(fā)展

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

1952年，美國的詹姆士.羅賓斯將索鎬與滾刀相結(jié)合，試圖克服第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)TBM中存在的刀具問題，但初期的試驗(yàn)均失敗了。4年后，羅賓斯再次仿照100年前的威廉斯的設(shè)計(jì)，即只采用滾刀，此次成功了。此后，TBM掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)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(jī)械系統(tǒng)方面，也做了許多改進(jìn)和發(fā)展，使TBM在硬巖中的掘進(jìn)速度超過了鉆爆法的掘進(jìn)速度。

TBM的誕生實(shí)現(xiàn)了隧洞建設(shè)者們的理想。它為隧洞施工走向機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，基本實(shí)現(xiàn)了流水線作業(yè)，獨(dú)頭掘進(jìn)可達(dá)15到20公里。在硬巖中TBM的平均日進(jìn)尺率為鉆爆法的5-8倍，TBM掘進(jìn)技術(shù)除了有較鉆爆法快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)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(yīng)的臨建設(shè)施，減少了施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益、時(shí)間效益和社會(huì)效應(yīng)是巨大的。

2.TBM的類型

TBM的類型主要是按圍巖地質(zhì)條件劃分，一般分為巖石隧道掘進(jìn)機(jī)和軟土隧道掘進(jìn)機(jī)兩個(gè)大類：

巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，國內(nèi)一般稱為TBM，用于巖石隧道施工，初期支護(hù)多采用錨桿噴射混凝土支護(hù)，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(gòu)管片形式一次成型的。硬巖TBM可分為開敞式TBM和護(hù)盾式TBM，從地質(zhì)角度來講，軟弱圍巖所占比例較大的隧道一般選用護(hù)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(shè)計(jì)、工期及工程造價(jià)進(jìn)行綜合分析確定。

軟土隧道掘進(jìn)機(jī)，國內(nèi)一般稱為盾構(gòu)機(jī)，用于單一或者復(fù)合式的土層、砂層、巖層地質(zhì)條件的隧道施工，沒有初期支護(hù)，采用管片的形式進(jìn)行拼裝形成襯砌，一次成型隧道。分為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水盾構(gòu)機(jī)等。

在這需要特別說明的是，在國外說TBM是指隧道掘進(jìn)機(jī)的總稱，包括巖石隧道掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)；在國內(nèi)說TBM就是指巖石隧道掘進(jìn)機(jī)。

3.TBM的構(gòu)造和原理

開敞式TBM從結(jié)構(gòu)上一般由主機(jī)、后配套系統(tǒng)組成，各部分分別由相應(yīng)的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、PLC等控制完成相應(yīng)的動(dòng)作。

主機(jī)主要由刀盤、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、護(hù)盾、主梁、推進(jìn)系統(tǒng)、撐靴系統(tǒng)、后支腿、主機(jī)皮帶機(jī)、支護(hù)系統(tǒng)等部分組成，是TBM系統(tǒng)的核心部分，主要完成掘進(jìn)和部分支護(hù)工作。

后配套系統(tǒng)與主機(jī)相連，由一系列彼此相連的鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)車組成，其上用于布置液壓動(dòng)力系統(tǒng)、供電和控制系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、休息室等。主要完成向主機(jī)供電供氣、噴錨支護(hù)、材料運(yùn)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(tái)車兩種結(jié)構(gòu)，封閉臺(tái)車式后配套系統(tǒng)上面有軌道車行走軌道。

TBM掘進(jìn)破碎巖石工作原理為：主機(jī)前部是裝有若干滾刀的刀盤，由主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，并由TBM推進(jìn)系統(tǒng)給刀盤提供推進(jìn)力，撐靴系統(tǒng)承受支反力，在推進(jìn)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(kuò)展連通，使相鄰切槽的巖石在剪切和拉應(yīng)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(zhuǎn)由刀盤上的鏟渣斗自動(dòng)抬起，經(jīng)刀盤結(jié)構(gòu)內(nèi)的溜渣槽滑落到主機(jī)皮帶上，再連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)到后配套系統(tǒng)皮帶機(jī)上，最后經(jīng)礦車或連續(xù)皮帶機(jī)出渣運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出洞外。完成一個(gè)行程后，推進(jìn)液壓缸收回，撐靴重新支撐進(jìn)行換步，一個(gè)掘進(jìn)行程一般為1m-2m。在TBM主機(jī)和后配套系統(tǒng)上安裝有支護(hù)設(shè)備，隨著TBM的向前掘進(jìn)，一般可以同時(shí)進(jìn)行安裝錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土支護(hù)作業(yè)。

4.TBM在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用

20世紀(jì)60年代中期在周總理的關(guān)懷下，國內(nèi)成立了攻關(guān)小組， 研究并發(fā)展掘進(jìn)機(jī)技術(shù)，這期間國內(nèi)共研制了50多臺(tái)TBM，但因種種原因，國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的可靠性與技術(shù)性能與國外掘進(jìn)機(jī)有相當(dāng)大的差距，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用未能在國內(nèi)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(jìn)國外TBM，國外TBM承包商將TBM施工技術(shù)也引入了中國。在這些工程上TBM創(chuàng)造了可喜的成績推動(dòng)了TBM技術(shù)的應(yīng)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(duì)承建，1985年，在引水隧洞修建中，從美國引進(jìn)了羅賓斯公司的兩臺(tái)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(qiáng)度達(dá)150Mpa，施工時(shí)最高月進(jìn)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(jìn)兩臺(tái)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(jiān)硬的混合花崗巖和混合片麻巖，抗壓強(qiáng)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(jìn)尺531米的紀(jì)錄。該工程TBM自1997年下半年開始運(yùn)至施工現(xiàn)場組裝，1999年掘進(jìn)貫通。

4.3.錦屏二級(jí)電站引水隧道

錦屏二級(jí)電站主體引水隧洞采用兩臺(tái)直徑12.4mTBM、1臺(tái)7.2mTBM和鉆爆法聯(lián)合施工。工程地質(zhì)90%以上為大理巖，少部分為綠泥巖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，抗壓強(qiáng)度在50-100Mpa，最大埋深2525m。該工程2008年6月開始掘進(jìn)，因地質(zhì)原因造成中途停止掘進(jìn)，最終三臺(tái)TBM累計(jì)掘進(jìn)18公里左右，創(chuàng)造了12.4m大直徑TBM最高月進(jìn)尺683m的世界紀(jì)錄。該工程存在極強(qiáng)巖爆和高壓大涌水等世界性技術(shù)難題，無論是工程規(guī)模還是技術(shù)難度，都是一個(gè)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(duì)承建，是國內(nèi)TBM首次在高原高海拔地區(qū)長隧洞施工中的應(yīng)用。隧洞總長約10公里，開挖洞徑4m，TBM整機(jī)長約185米，重約380噸，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，生產(chǎn)制造方式為主要部件進(jìn)口，鋼結(jié)構(gòu)件在國內(nèi)生產(chǎn)，整機(jī)在廣州工廠組裝。自2013年6月10日始發(fā)掘進(jìn)，目前已通過了5個(gè)地質(zhì)斷裂段，順利掘進(jìn)1公里多。

5.結(jié)束語

目前，全世界大約有120臺(tái)TBM同時(shí)工作。這個(gè)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(duì)地下空間的依賴加大。TBM技術(shù)仍有巨大的發(fā)展余地，現(xiàn)在的 TBM幾乎全是針對(duì)具體項(xiàng)目規(guī)范和地質(zhì)條件而量身訂做。希望在不久的將來，能夠?qū)崿F(xiàn) TBM 設(shè)計(jì)的神圣目標(biāo)—— 1臺(tái)全球通用的TBM，功能強(qiáng)大足以應(yīng)付任何項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)原理與集成設(shè)計(jì)》杜彥良 杜立杰 出版社：華中科技大學(xué)出版社。