开敞式全断面硬岩掘进机（T B M）在长大隧洞施工中的应用

孙 千

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110166）

开敞式全断面硬岩掘进机（T B M）在长大隧洞施工中的应用

孙 千

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110166）

本文主要介绍了T B M掘进机的优势、应用现状、施工基本原理与施工工艺流程，并简要概述了开敞式T B M掘进机在大伙房水库输水隧洞工程中的应用。开敞式T B M在大伙房输水工程中成功应用为相似地质条件下的地下工程施工提供了宝贵的经验。

T B M掘进机；大伙房输水隧洞工程；长大隧洞

1 前言

隧洞施工常用的方法包括常规施工法和掘进机施工法，目前以掘进机施工最为常用，其中T B M在长大隧洞修建中最为常用。T B M掘进技术广泛应用了计算机、遥控、激光制导等先进的电子信息技术，体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合和密集，在一定程度上反映了一个国家的综合实力与科技水平［］。采用T B M掘进具有一定的优势，主要体现在以下几点：

（1）施工速度快且高效。T B M可连续掘进，同时完成多项施工作业，而且掘进速度快，效率高。

（2）施工质量优。施工过程中围岩不因爆破震动而发生破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）安全环保。施工过程减少了工人的参与，且不会产生油烟或噪音污染，对环境影响小。

（4）经济。施工效率高，可大大缩减工期，节省费用。

2 T B M在隧洞施工中的应用现状

我国T B M掘进施工的应用始于20世纪90年代，但在掘进速度上与国际水平相差甚远，后来引进国外进口设备，在甘肃引大入秦工程中得以成功应用。2000年后我国开始推动国内T B M产业的发展。2001年9月，在北京召开的国际T B M应用专题研讨会，在国内外产生了广泛的影响。2001年 12月成立了T B M推广应用小组，提出了“在中国推广应用隧道掘进机及发展隧道掘进机产业的倡议书”。2002年3月，钱七虎院士等提出了“实现隧道掘进机本地化生产”的提案。

国外T B M的应用较为成熟，近年来成功地在英吉利海峡工程和日本东京湾高速公路工程中应用了掘进机开挖隧洞。20世纪80年代以来，T B M掘进机在一些发达国家得到普遍应用。随着科学技术的不断进步，掘进机的类型和使用范围也不断扩大。既可以在松散软土、淤泥中应用，又能在极坚硬的岩石（抗压强度350～450 MP a）中掘进。由于掘进机具有诸多的优势，因此在国际上有“移动式掘进工厂”之称。进入21世纪以来，掘进机向断面多样化，多工作面方向发展，在开挖地铁车站、铁路隧道、水工隧洞等地下工程中发挥了重要作用［2］。

3 T B M施工原理

3.1 T B M的基本结构

（1）主机系统组成

主机系统是T B M的核心，由刀盘、刀具、主轴承、机头架和主大梁、支撑系统、液压系统、驱动装置、主机皮带机等几部分组成。主机系统的主要功能是将岩石切削成便于运输的石渣，然后通过设备前端的收集器将石渣收集至皮带机上，再将石渣经由皮带机运出洞外。

（2）后配套系统组成

后配套系统是T B M主机连续掘进所需配套设施的总称，分为内部系统和外部供应。内部系统包括激光制导、支护系统、超前探测、监控中心、石渣运输、水电装备、通风除尘、通讯系统和安全监控；外部供应包括电力供应、石渣运输、供风供水和人员材料。后配套系统是T B M实现掘进、出渣及初期支护一体化施工的辅助保障。

3.2 T B M破岩机理

掘进机主要用盘形滚刀进行破岩，滚刀贯入岩石边缘下部，产生较高的应力场和综合裂隙，在岩石与滚刀接触处产生一个半圆形挤压带，由于滚刀的压力作用挤压带内岩石产生拉张裂隙，向挤压带外围扩张，岩石受压力作用发生破坏。因此岩石的单轴抗压强度是反映T B M破岩的一个重要指标。

3.3 影响T B M掘进的因素

影响T B M掘进的主要因素包括隧道地质条件的优劣、岩石的强度和耐磨性及岩体结构面发育程度等几个方面。

（1）地质条件

影响T B M施工的地质条件包括隧道地压和涌水状态。很大的地压作用T B M的掌子面难于自稳，掘进变得困难；在涌水地段，极端情况下T B M机体会产生下沉，导致施工无法进行。

（2）岩石单轴抗压强度

岩石类型是影响掘进速度的一个重要因素，而单轴抗压强度就是反映T B M破岩的一个重要指标。T B M适用于单轴抗压强度为30～150MP a的岩石［3］，极限承受值为350MP a。

（3）岩石的强度和耐磨性

岩石的硬度和耐磨性与岩石的矿物成分密切相关，影响耐磨性的主要是石英、长石等磨粒性强的矿物，这些矿物的含量越高则岩石硬度越高，耐磨性也越大。岩石的硬度及耐磨性越高，对整个刀盘的磨损越快，导致刀具推力不足，掘进速度下降，工期延长。

（4）岩体结构面发育程度

岩石的节理、裂隙等发育程度在一定程度上会影响掘进效率。节理间距对T B M破岩有一定影响，适当的间距能够有效提高破岩效率，而间距太大或太小都不利。因此节理发育而又不至坍塌的围岩，是T B M掘进的最佳施工条件。

4 T B M掘进机在大伙房水库输水隧洞工程中的应用

辽宁省大伙房水库输水隧洞是目前世界上同洞径最长的跨流域工程，隧洞的地质情况复杂多变，最大埋深为600m，岩石以正长斑岩、混合花岗岩、混合岩及安山岩等中硬岩石为主，抗压强度可达55MP a。由于施工中可能会遇到岩爆、地热、涌水或围岩失稳等地质灾害，经过多次专家论证和调研，对比其他方法后，决定采用全断面硬岩掘进机施工。

4.1 开敞式T B M施工过程

（1）T B M选型及其参数的选择

T B M分为开敞式、单护盾、双护盾等，根据工程地质与水文地质条件，隧道设计要求等综合分析后决定采用开敞式T B M进行施工。型式确定后，计算确定合理的掘进机参数，包括刀具型式、数量和布置方式，支撑方式，刀盘转速与驱动功率，出渣方式以及排水、供电、通风措施等。

（2）T B M监造与验收

T B M监造主要是控制设备制造过程中的质量、进度和投资。当工厂组装调试完成后，进行出厂验收，这是十分重要而且必要的。验收要对整机各个系统进行测试，每个系统、每个项目都必须经过细致认真地测试。

（3）T B M运输与安装

对T B M整机进行适当解体后，选择合适的运输方式与承运单位，仔细勘察运输道路，确定合理的运输方案。对于T B M这样庞大复杂的系统，要有充足的场地进行组装，根据组装工艺与工序做好组装方案等一系列准备工作，再对T B M进行组装调试。

（4）T B M掘进

在组装调试完成之后要先进行试掘进，当设备运作良好，人员操作熟练后进行正式的掘进施工。在掘进施工过程中要选择合适的掘进方式和掘进参数，掘进完成后要对掘进方向进行调整，将偏差控制在允许的范围内。

（5）初期支护

T B M施工时难免会遇到断层破碎带、软弱围岩等不良地段，因此必须及时施作初期支护，确保施工的顺利、安全。初期支护的方式包括喷射混凝土、锚杆支护、加挂钢筋网、钢拱架或钢格栅支护等措施。

（6）出渣与施工材料运输

T B M效率的发挥很大程度上受到出渣运输与施工材料运输的影响。大伙房水库中输水隧洞工程采用的是连续皮带机出渣方式。这种出渣方式方便石渣的二次倒运，根据工程布置情况，可以采用自卸车或皮带机将石渣二次倒运到弃渣场。

（7）施工过程给排水和通风除尘

T B M施工过程中刀盘、液压泵站与刀盘驱动电机都需要用水冷却，而且掘进过程产生的废水或山体渗水都需要及时排除，这就需要一条输水管道完成给排水。T B M施工时需要严格控制空气中粉尘含量和环境温度，设备本身配备了先进的除尘系统，可以达到除尘、降温的作用。一旦除尘风机发生故障，会使洞内能见度降低，影响激光的穿透能力，延误工期，同时危害工人的身体健康。因此需定期检查、维修。

4.2 T B M在大伙房水库输水隧洞工程的应用

大伙房水库输水隧洞工程采用3台开敞式T B M掘进，经历了“组装—调试—试掘进—正式掘进—转场再掘进—拆机”［4］的完整循环，经受了不良地质情况、掘进洞段、机器故障等考验，成功完成了大伙房水库输水隧洞的掘进工程。

5 结语

开敞式T B M掘进机在大伙房水库输水隧洞中成功应用的实例，标志着我国开敞式T B M掘进技术已日趋成熟，同时为深埋长大的隧洞工程施工奠定了基础，提供了经验，向我们展示了未来地下工程施工的美好前景。

［1］尹俊涛，尚彦军，傅冰骏等.T B M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，2005，13（03）：389-397.

［2］李卫兵.T B M在超长隧道施工中的应用研究［D］.吉林大学.2005.

［3］王石春.隧道掘进机与地质因素关系综述［J］.世界隧道，1998（02）：39-43.

［4］杜士斌.开敞式T B M在大伙房输水隧洞工程中的应用［J］.水利水电技术，2010（01）：48-53.

表8 各段输水隧洞经济洞径计算成果表

在示例输调水工程上运用上述方法进行分析计算，不仅合理的确定了管径和洞径，也为控制工程投资做出了较大的贡献。该分析计算方法对于类似系统复杂、距离长、管径大的输调水工程，具有一定的指导作用。

参考文献

［1］李家星，赵振兴.水力学（下）［M］.南京：河海大学出版社，2001.

［2］王文芬，程吉林，龚懿.长距离输水管道线路与管径综合优化方法研究［J］.灌溉排水学报，2014，33（01）：22-25.

［3］杨福记，冯庆昌.重力流输水在陆川县西山供水工程中的应用［J］.广西水利水电，2009（01）：76-79.

［4］武燕.水利工程设计阶段造价控制措施探讨［J］.水利规划与设计，2014（08）.

［5］腾国庆，张晓燕.长距离扬水工程输水管材的探讨［J］.中国水运，2012（10）：161-162.

［6］刘永林、陈永彰、李晓明.特长输水隧洞工程设计研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［7］郑连第.中国历史上的跨流域调水工程［J］.南水北调与水利科技，2003，1（z 1）：5-8.

［8］郑连第.世界上的跨流域调水工程［J］.南水北调与水利科技，2003，1（z 1）：8-9.

T V 554 T U 94

A

1672-2469（2015）06-0104-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.035

孙 千（1982年—），男，工程师。