隧道掘進機(Tunneling Boring Machine,簡稱TBM)是一種集掘進、出渣、支護和通風、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機械。掘進機法是利用巖石隧道掘進機在巖石地層挖掘隧道的一種施工方法。

     隨著我國大規模基礎設施建設的開展,鐵路、公路、調水工程、水電工程、城市地鐵、市政供水供電和排污等重大工程越來越多,需要修建的長、大隧道也越來越多。由于工程規模大,地質條件復雜,工程施工速度、環保、質量和效益要求高,傳統鉆爆破法施工技術已經難以應對這一艱巨挑戰。因此,全斷面隧道掘進機技術必將在我國得到長足發展。

     掘進機問世于1952年,由美國Robbins公司生產,發展至今,技術上已經很成熟。根據工程對象的變化,其類型也呈現出系列化和多樣化的特點。實踐證明:當隧道長度與直徑之比大于600時,采用掘進機進行隧道施工比較經濟。國外3 m以上的隧道,使用掘進機開挖已相當普遍。掘進機直徑隨工程對象的需要而變化,一般來說,水工隧洞直徑為3～10 m;鐵路隧道直徑為6～10 m;公路隧道,一般斷面較大,采用的施工方法有兩種:一種是采用直徑8～12 m的掘進機一次成洞;另一種是采用小直徑的掘進機進行導洞施工,然后進行鉆爆法擴挖成形。截至21世紀初,國外采用掘進機施工的隧道長度達4 000 km以上,掘進機施工技術已逐漸成為一種成熟并具高競爭力的隧道施工技術。

     掘進機與盾構的區別主要有:全斷面隧道掘進機主要是通過盤形滾刀破碎巖石,是以巖石地層為掘進對象,不具備泥水壓、土壓等維護掌子面穩定的功能,一般用在山嶺隧道或大型引水工程,掘進機主要采用皮帶機出渣;盾構主要用于軟土層的挖掘,一般用在城市地鐵及小型管道工程。盾構由穩定開挖面、掘進及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素組成,其中開挖面的穩定方法是其工作原理的主要方面,這也是盾構區別于TBM及比TBM復雜的主要方面。盾構在刀盤上除切刀外還布置一定數量的滾刀,以適應遇到的短距離巖石段。盾構采用螺旋輸送機或泥漿管路出渣。

1、掘進機法簡介

1)TBM法與鉆爆法比較

      在隧道施工方法上,TBM法和鉆爆法都是隧道施工的成熟工法。鉆爆法較TBM法工序多、施工組織復雜、工期較長、超欠挖量大、安全性差,但地質適應能力較好。TBM法與鉆爆法相比的優勢在于工序簡單、施工速度快、安全性好。從技術上比較,TBM法適用于工期要求緊、且以硬質巖為主的圓形長隧道,而鉆爆法則適用于短隧道、地質條件較復雜的且不適合TBM法快速施工的工程。

2)TBM施工的優點

      掘進機是山嶺隧道高度機械化的開挖設備。與鉆爆法相比,掘進機法雖然投資多,但具有施工快速、優質、安全、經濟、環保等突出優點。

(1)快速

      掘進機掘進效率高,其掘進速度為常規鉆爆法的3～5倍。掘進機開挖時,可實現連續作業,從而可保證破巖、出渣、支護流水化作業。而鉆爆法施工,鉆眼、爆破、通風、出渣等作業是間斷性的,因而開挖速度慢、效率低。

(2)優質

      掘進機開挖施工質量好。采用掘進機開挖的隧道內壁光滑,從而可以減少支護工程量,降低工程費用。而鉆爆法開挖的隧道內壁粗糙、凹凸不平,且超欠挖量大,襯砌時處理困難,支護費用高。掘進機開挖隧道的洞壁粗糙率一般為0.019,比鉆爆法光面爆破的粗糙率還小17%。掘進機開挖洞徑尺寸精確、誤差小,可控制在±2 cm范圍內。

(3)安全

      TBM法對巖石的擾動小,影響范圍一般小于50 cm,可大大改善開挖面的施工條件,且周圍巖層穩定性較好,從而得到安全的邊界環境。掘進機自身帶有局部護盾或整體護盾,有利于施工人員的安全。同時,機器上配置一系列的支護設備,在不良地質處可及時支護,確保施工安全。且由于掘進機自動化程度高,并配置電視監控和通信系統,作業人員少,便于安全管理。

(4)環保

      開挖時采用機械進行破巖,無鉆爆法用的炸藥等化學物質爆炸及污染,人員勞動強度低、數量少,作業環境好,有利于作業人員的健康。另外,掘進機采用了計算機控制、傳感器、激光導向、測量、超前地質探測、通信技術,是集機、光、電、氣、液、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備,具有自動化程度高的優點。掘進機具有施工數據采集功能、姿態管理功能、施工數據管理功能、施工數據實時遠傳功能,實現了信息化施工。

3)TBM施工的局限性

      掘進機施工法與鉆爆法相比,具有以下局限性:

①掘進機的經濟性問題。由于掘進機結構復雜,對零部件的耐久性要求較高,因此制造的價格較高,前期一次性投資成本費用較高,工程建設投資高。

②設計制造周期長。根據目前市場情況,采購周期一般需要12～15個月,主要是關鍵部件,如主軸承、大排量液壓泵,目前只有少數生產廠商生產。

③掘進機針對性強,對多變的地質條件(如斷層、破碎帶、溶洞、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等)的適應性較差。不同地質條件需要不同種類的掘進機及相應的配置,因此其適應性沒有鉆爆法靈活。

④開挖斷面只限于圓形,每臺掘進機只能用于一種開挖斷面。

⑤要求施工人員的技術水平和管理水平高,施工短隧道時不能發揮其優越性。

⑥運輸困難,對施工場地有特殊要求。

2、掘進機法的應用

1)TBM的應用范圍

      掘進機和輔助施工技術的日臻完善,以及現代高科技成果的應用(液壓新技術、電子技術和材料科學技術等),大大提高了巖石掘進機對各種復雜地質條件的適應性。如果簡單地從開挖可能性上看掘進機的適用范圍是不全面的,必須根據巖石的抗壓強度,裂隙、節理發育狀態,涌水狀態等地層巖性條件的實際狀況、機械構造,以及隧道的斷面、長度、埋深、選址條件等進行判斷,綜合考慮。

(1)對地質條件的要求

      掘進機適用于隧道長度6～7 km以上,圍巖的單軸抗壓強度為50～200 MPa。從地層巖性條件來看,掘進機一般只適用于圓形斷面隧道,隧道開挖直徑為3.0～12 m,一次性連續開挖隧道長度不宜短于6 km,通常6～15 km比較經濟。若隧道施工太短,則掘進機的折舊費用和待機準備時間占工程的總費用和時間的比例必然增加。但如果一次性連續開挖施工的隧道太長,掘進機維修及輔助工序時間長,自然要增加費用和延長施工時間。

      掘進機適用于中硬巖層,需注意的是,巖層的地質情況對掘進機進尺影響很大。在良好巖層中,掘進機月進尺可達500～600m,而在破碎巖層中,月進尺只有100 m左右,在塌陷、涌水、暗河、溶洞地段甚至要通過安全停機處理故障后才能掘進。鑒于掘進機對不良地質條件十分敏感,選用掘進機開挖施工隧道時應盡量避免復雜地層,或增加較多的輔助設備,才能處理不良地質段(但增加輔助設備會增加設備的成本)。

以下地質條件一般不適宜掘進機的施工:塑性地壓大的軟弱圍巖;類砂性土構成的軟弱圍巖和具有中等以下膨脹性的圍巖;斷層破碎帶,巖溶發育帶,嚴重涌水地段,巖石單軸抗壓強度超過250 MPa的極硬巖,且節理不發育、高硬度或高拉伸強度及高磨蝕性巖石。

(2)對工期的要求

     掘進機的工期應包括掘進機的前期準備、掘進襯砌、拆卸轉場全過程的工期。掘進機的工期應滿足工程施工要求:

①掘進機前期工作:設計、制造、運輸、場地、安裝、調試、步進等應滿足預定的隧道掘進工期要求。

②掘進機掘進工期滿足預定的隧道開挖所需的工期。

③對于隧道襯砌成洞總工期應滿足預定工期要求。

④掘進機的拆卸轉場應滿足預定的后續工期要求。

(3)對經濟適應性的要求

      采用掘進機一次性連續開挖隧道長度不宜小于6～7 km,以8 km以上為最佳。隧道施工太短,掘進機的制造費用和待機準備時間占工程的總費用和時間的比例必然增加。如果一次性連續開挖施工的隧道太長,超出掘進機大修期限(一般8～10 km)則會增加費用和延長施工時間。

掘進機成洞總費用由系統運行費、襯砌止水費、掘進機等設備折舊費三部分組成。

就目前國內掘進機使用測算情況看,掘進機施工的成洞費用一般高于鉆爆法成洞的總費用,主要由以下原因造成:

①掘進機系統的折舊費從理論上分析一般應按20 km的掘進長度分攤,而實際操作時,隧道承包人會比較現實地將掘進機系統的折舊費分攤到現有的承包長度上,因為后續工程無法確定。這樣就造成每延米設備的折舊成本的提高,大大地增加了掘進機成洞的總費用。

②與鉆爆法相比,掘進機開挖對隧道圍巖的擾動較小,因此掘進機開挖隧洞時,其鋼筋混凝土襯砌厚度可較鉆爆法薄。根據新奧法原理,有的可以不襯砌。這樣可以大大降低襯砌費用,從而降低掘進機的成洞費用。但由于目前我國尚無掘進機成洞混凝土襯砌規范,所以隧道襯砌仍然沿用鉆爆法施工的襯砌,造成掘進機施工成洞成本的增加。

③掘進機系統運行費的組成為:掘進機系統運行費=電耗費+水氣費+刀具、備件費+人工費+管理費+利潤+稅金。由此可見,掘進機系統運行費與掘進成洞速度直接相關聯,工程管理好、掘進速度快的工程,每延米掘進機運行費用就相應降低。因此,掘進機施工需要高素質的管理人員和熟練的技術工人,這樣可確保掘進機的完好率,提高掘進速度。

      綜上所述,正確的選型、合理使用、優化襯砌以及設備的合理攤銷,是降低掘進機成洞費用的主要措施。對于長度大于8 km以上的隧道使用掘進機,施工成洞總費用小于或等于鉆爆法總費用是完全可以做到的。

      另外,采用掘進機開挖與鉆爆法相比,隧道總體設計時常用洞線裁彎取直的方法而大量節約工程費用;同時,掘進機施工比鉆爆法進尺速度快,可使工程提前完工產生可觀的社會、經濟效益。

(4)對機械條件的要求

      掘進機的適用性還受機械條件的限制,如使用刀盤旋轉掘削時有開挖直徑的問題。直徑加大,會產生因切削刀盤周邊的線速度加大而影響開挖,以及沒有能承受巨大推力的軸承等問題。挖掘機械是采用壓碎方式還是切削方式,對實際應用的適用范圍也有差別。

(5)對作業場地和運輸方案的特殊要求

      掘進機屬大型專用設備,全套設備重達幾千噸,最大部件的質量達上百噸,拼裝長度最長達200多m。同時,洞外配套設施多,主要有混凝土攪拌系統、管片預制廠、修理車間、配件庫、材料庫、供水、供電、供風系統、裝卸調運系統、進場場區道路、掘進機組裝場地等。這些對隧道的施工場地和運輸方案等都提出了很高的要求,有些隧道雖然長度和地質條件較適合掘進機施工,但運輸道路難以滿足要求,或者現場不具備布置掘進機施工場地的條件。

      當掘進機開挖直徑過大時,會帶來運輸困難、造價昂貴、電能不足等一系列問題,因此可采用小直徑掘進機先行,后部鉆爆法擴大到設計斷面的混合套打法。由于掘進機開挖小直徑的洞室,形成臨空面,可使鉆爆法開挖速度提高2～3倍。

(6)對企業自身實際能力的要求

      對企業自身能力的要求包括:制造維修能力,經濟能力,施工隊伍的技術、管理水平以及傳統的施工習慣等。