简述TBM发展及应用

李晓勇

摘要：近几年，TBM正成为我国长大隧道施工的最主要施工方法，本文主要简述了TBM的起源和发展，主要分类，构造和原理以及在国内工程中的应用。

关键词：TBM；发展；应用

引言：

TBM 是英语Tunnel Boring Machine（隧洞掘进机）的简称，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。它具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，具有很好的生态环境、经济和社会效益，现已广泛应用于铁路、公路、水利、水电、城市地铁、越江和海底等隧道工程，也正成为我国今后长大隧道设计施工最主要的施工方法。

1.TBM的起源和发展

TBM先驱者是一个是叫亨利-约瑟. 毛瑟的比利时工程师。1846 年，毛瑟的“片山机（mountain-slicer） ” 在都灵附近的一个军工厂组装成形。他庞大而复杂，体积超过一节火车头，他有一百多个钻头。整个机器俨然就是凸轮，拉杆，活塞和弹簧的丛林。不论实用与否，它确实是沉思的产物。毛瑟的片山机虽然没有经过实践检验，但却是公认第一台TBM。

1952年，美国的詹姆士.罗宾斯将索镐与滚刀相结合，试图克服第一台掘进机TBM中存在的刀具问题，但初期的试验均失败了。4年后，罗宾斯再次仿照100年前的威廉斯的设计，即只采用滚刀，此次成功了。此后，TBM掘进机的应用得到了很大推广，从软岩到硬岩，均取得了成功。在刀具和其他机械系统方面，也做了许多改进和发展，使TBM在硬岩中的掘进速度超过了钻爆法的掘进速度。

TBM的诞生实现了隧洞建设者们的理想。它为隧洞施工走向机械化、标准化创造了条件，使施工程序大大简化，开挖、衬砌、出渣同步进行，基本实现了流水线作业，独头掘进可达15到20公里。在硬岩中TBM的平均日进尺率为钻爆法的5-8倍，TBM掘进技术除了有较钻爆法快速掘进的优势外，还为隧洞工作者提供了更为安全、文明的施工条件，取消了不必要的支洞和相应的临建设施，减少了施工对围岩的扰动，由此带来的经济效益、时间效益和社会效应是巨大的。

2.TBM的类型

TBM的类型主要是按围岩地质条件划分，一般分为岩石隧道掘进机和软土隧道掘进机两个大类：

岩石隧道掘进机，国内一般称为TBM，用于岩石隧道施工，初期支护多采用锚杆喷射混凝土支护，大部分还有二次衬砌，最终成型隧道，不过也有采用类似盾构管片形式一次成型的。硬岩TBM可分为开敞式TBM和护盾式TBM，从地质角度来讲，软弱围岩所占比例较大的隧道一般选用护盾式TBM，而岩石稳定性好、软弱围岩较少的隧道一般选用开敞式TBM。此外还要根据工程设计、工期及工程造价进行综合分析确定。

软土隧道掘进机，国内一般称为盾构机，用于单一或者复合式的土层、砂层、岩层地质条件的隧道施工，没有初期支护，采用管片的形式进行拼装形成衬砌，一次成型隧道。分为土压平衡盾构机和泥水盾构机等。

在这需要特别说明的是，在国外说TBM是指隧道掘进机的总称，包括岩石隧道掘进机和盾构机；在国内说TBM就是指岩石隧道掘进机。

3.TBM的构造和原理

开敞式TBM从结构上一般由主机、后配套系统组成，各部分分别由相应的液压系统、电气系统、PLC等控制完成相应的动作。

主机主要由刀盘、主驱动系统、护盾、主梁、推进系统、撑靴系统、后支腿、主机皮带机、支护系统等部分组成，是TBM系统的核心部分，主要完成掘进和部分支护工作。

后配套系统与主机相连，由一系列彼此相连的钢结构台车组成，其上用于布置液压动力系统、供电和控制系统、供排水系统、通风除尘系统、出渣系统、支护系统、休息室等。主要完成向主机供电供气、喷锚支护、材料运输、出碴等作业。后配套系统一般分为门架式和封闭式台车两种结构，封闭台车式后配套系统上面有轨道车行走轨道。

TBM掘进破碎岩石工作原理为：主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由主驱动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给刀盘提供推进力，撑靴系统承受支反力，在推进力的作用下滚刀切入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下岩石产生破碎，裂纹不断扩展连通，使相邻切槽的岩石在剪切和拉应力的作用下从岩体上剥落下来形成石渣，石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动抬起，经刀盘结构内的溜渣槽滑落到主机皮带上，再连续转运到后配套系统皮带机上，最后经矿车或连续皮带机出渣运输系统运出洞外。完成一个行程后，推进液压缸收回，撑靴重新支撑进行换步，一个掘进行程一般为1m-2m。在TBM主机和后配套系统上安装有支护设备，随着TBM的向前掘进，一般可以同时进行安装锚杆、挂网、钢拱架和喷射混凝土支护作业。

4.TBM在国内的发展和应用

20世纪60年代中期在周总理的关怀下，国内成立了攻关小组， 研究并发展掘进机技术，这期间国内共研制了50多台TBM，但因种种原因，国产掘进机的可靠性与技术性能与国外掘进机有相当大的差距，掘进机的应用未能在国内得到推广。80年代中期我国的引水工程、铁路隧道工程开始引进国外TBM，国外TBM承包商将TBM施工技术也引入了中国。在这些工程上TBM创造了可喜的成绩推动了TBM技术的应用和发展。

4.1. 天生桥水电站引水隧道

该工程是由武警水电部队承建，1985年，在引水隧洞修建中，从美国引进了罗宾斯公司的两台二手TBM（分别于1978年和1979年生产），直径为10.8m，开挖隧洞长度约10公里，遇到的岩石地层系石灰岩，抗压强度达150Mpa，施工时最高月进尺150m。这是我国第一条采用TBM施工的隧洞。

4.2.西康铁路秦岭隧道

西康铁路秦岭隧道工程由铁道部从德国威尔特公司引进两台直径8.8米开敞式TBM自主施工，隧道全长18.46公里，岩石为坚硬的混合花岗岩和混合片麻岩，抗压强度为105-325Mpa，属于国际上TBM工程中十分罕见的极硬岩石条件，在此条件下仍创造了最高月进尺531米的纪录。该工程TBM自1997年下半年开始运至施工现场组装，1999年掘进贯通。

4.3.锦屏二级电站引水隧道

锦屏二级电站主体引水隧洞采用两台直径12.4mTBM、1台7.2mTBM和钻爆法联合施工。工程地质90%以上为大理岩，少部分为绿泥岩，Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，抗压强度在50-100Mpa，最大埋深2525m。该工程2008年6月开始掘进，因地质原因造成中途停止掘进，最终三台TBM累计掘进18公里左右，创造了12.4m大直径TBM最高月进尺683m的世界纪录。该工程存在极强岩爆和高压大涌水等世界性技术难题，无论是工程规模还是技术难度，都是一个令国际工程界瞩目的宏大工程。

4.4.旁多水利枢纽灌溉输水洞

该工程由武警水电部队承建，是国内TBM首次在高原高海拔地区长隧洞施工中的应用。隧洞总长约10公里，开挖洞径4m，TBM整机长约185米，重约380吨，采用连续皮带机出渣，生产制造方式为主要部件进口，钢结构件在国内生产，整机在广州工厂组装。自2013年6月10日始发掘进，目前已通过了5个地质断裂段，顺利掘进1公里多。

5.结束语

目前，全世界大约有120台TBM同时工作。这个数字不仅反映了TBM在隧道工程方面的统治地位，也使得人们对地下空间的依赖加大。TBM技术仍有巨大的发展余地，现在的 TBM几乎全是针对具体项目规范和地质条件而量身订做。希望在不久的将来，能够实现 TBM 设计的神圣目标—— 1台全球通用的TBM，功能强大足以应付任何项目。

参考文献：

[1] 《全断面岩石隧道掘进机系统原理与集成设计》杜彦良 杜立杰 出版社：华中科技大学出版社。