TBM隧道施工中的应用

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。本文探讨TBM在铁路隧道施工中的应用，及其质量控制是至关重要的，在施工中提出质量控制措施，可以保证隧道整体质量。

关键词：TBM；分类；优点缺点；质量控制 引言

TBM主要采用回转刀进行挖掘，同时对洞内的围岩进行破碎和掘进，是铁路隧道施工的一种先进的施工设备；它利用信息、遥控、电子和遥测等先进的技术对整个施工作业进行监测和指导，保持挖掘的最佳状态。在国内铁路建设和城市地铁施工中普遍使用，目前常见的TBM挖掘机主要有全断面隧道掘进机和臂架式钻进机械。

一、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。 二、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。

三、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。 3.1 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。 3.2 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。 3.3 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。 3.4 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。 3.5 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。 四、TBM施工质量控制的重要性

质量控制是为了达到质量要求所采取的作业技术和活动。TBM质量控制分为TBM掘进前的质量控制和TBM掘进中的质量控制。提高质量本身就意味着提高项目的效能。质量达不到要求，意味着技术性能的降低，甚至失效和报废；发生质量问题，对其处理需要再投入资金，会增加成本；出现质量问题造成的反复，必须延缓进度。

五、TBM 施工质量控制措施

制定完善的工程质量管理制度，提高全员质量意识，从保证质量的组织措施、管理措施、控制措施及技术措施等方面，优化人、机、料、法、环各环节因素；建立严密的组织体系；发现违反施工程序，不按设计图纸、规范、规程施工，使用不符合质量要求的原材料和成品，各级质检人员有权制止；配备具有扎实理论知识和丰富经验的管理人员和技术人员，保证科学先进的施工技术和措施的落实。加强施工过程检查，加强质量教育及技术培训，严格技术管理。 六、结束语

TBM 施工工艺具有高度自动化、高施工效率的特点，根据质量控制随时进行现场，避免出现质量超标现象。在隧道施工过程中只有加强施工各个环节的质量控制，提高施工队伍的专业施工水平，才能保证隧道施工质量更上一新台阶。 参考文献：

[1]TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策[J]. 尹俊涛，尚彦军，傅冰骏，曲永新. 工程地质学报. 2005（03）

[2]双护盾TBM全断面掘进不良地质洞段固结灌浆[J]. 王军兴. 山西建筑. 2009（06）

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[4]TBM施工中常用超前地质预报方法的初探[J]. 宁慧军，谢笑笑. 施工技术. 2006（S2）