TBM施工技術在中國的發展及技術背景

1 TBM的發展歷史
　　TBM是在1846年由意大利人Maus發明的。1851年，美國人查理士·威爾遜開發了一臺TBM，在花崗巖中試用，未獲成功。1881年波蒙特開發了壓縮空氣式TBM，并成功應用于英吉利海峽隧道直徑為2.1m的勘探導坑。
　　美國羅賓斯(Robbins)公司自1952年開發制造出了現代意義上的第1臺軟巖TBM后，1956年又研制成功中硬巖TBM。從此，TBM進入了快速發展時期。目前，全世界范圍內的TBM制造商有30余家，最具實力的是德國的威爾特公司、美國的羅賓斯公司、德國海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。國外TBM技術已經相當成熟，這為復雜地質條件下的隧道工程建設提供了技術保障。　　
　　2 TBM的分類及地質適應性
　　目前，TBM主要分為以下3種類型，并分別適應于不同的地質。
　　① 開敞式TBM。常用于硬巖， 在開敞式TBM上，配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設備，以適應地質的變化。當采取有效支護手段后，也可應用于軟巖隧道。
　　② 雙護盾TBM。適用于各種地質，既能適應軟巖，也能適應硬巖或軟硬巖交互地層。
　　③ 單護盾TBM。常用于劣質地層。單護盾TBM推進時，要利用管片作為支撐，其作業原理類似于盾構，與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片2者不能同時進行，施工速度較慢。單護盾TBM與盾構的區別有2點: 一是單護盾TBM采用皮帶機出碴，而盾構則采用螺旋輸送機出碴或采用泥漿泵通過管道出碴; 二是單護盾TBM不具備平衡掌子面的功能，而盾構則采用土壓力或泥水壓力平衡開挖面的水土壓力。
　　一般情況下，整條隧道地質情況都差的作業條件下使用單護盾TBM; 在良好地質中則使用開敞式TBM; 雙護盾TBM常用于復雜地層的長隧道開挖，一般適用于中厚埋深、中高強度、地質穩定性基本良好的隧道，對各種不良地質和巖石強度變化有較好適應性。
　　3 國內使用TBM的情況介紹
　　我國最早使用TBM施工的是水利水電工程。早在20世紀70年代，云南西洱河一級電站引水隧道使用了上海水工廠制造的TBM，直徑為?.8m。1985-1990年，天生橋二級水電站引水隧洞工程使用了美國羅賓斯公司制造的TBM，直徑為?0.8m，由于選型與地質不適應，進度較低，最低月進尺為31m，最高月進尺僅92m。1991-1992年，引大入秦工程30A號和38號輸水隧洞，總長約17km，相繼采用了美國羅賓斯公司制造的?.54m雙護盾式TBM施工，應用比較成功，平均月進尺980m，最高月進尺1400m。隨后，在引黃入晉工程中相繼使用了5臺羅賓斯、1臺法國法馬通公司制造的雙護盾TBM，開挖了總長為122km的隧道，創造了日掘進113m、月掘進1637m 的紀錄。其中，總干6號、7號、8號隧洞采用1臺美國羅賓斯雙護盾TBM施工，開挖直徑為?.125m; 南干4號、5號、6號、7號隧洞采用4臺雙護盾TBM施工，其中3臺為羅賓斯、1臺為法國法馬通公司制造，直徑為?.82～?.94m。目前在建的工程還有遼寧大伙房水庫引水工程，全長85.32km，采用TBM法和鉆爆法施工，使用了3臺?.03m開敞式TBM; 正在施工的新疆大坂輸水隧洞工程線路總長約32km，引水隧洞全長30.68km，采用TBM法與鉆爆法相結合的施工方案，擬采用1臺德國海瑞克公司制造的?.755m雙護盾TBM施工，TBM總掘進長度約為19.7km; 正在施工的青海引大濟湟調水總干渠工程將由中鐵隧道集團引進1臺德國維爾特公司制造的?.93m雙護盾TBM施工，引水隧洞全長24km，TBM總掘進長度約為19.94km。
　　在鐵路隧道施工中使用TBM是從西安安康鐵路秦嶺I線隧道開始的，至目前為止，僅有3個工程使用了開敞式TBM，具體如下:
　　(1) 秦嶺I線隧道。全長18.456km，采用TBM法和鉆爆法施工，由鐵道部1996年引進2臺?.8m開敞式TBM，秦嶺北口TBM掘進長度為5.244km，秦嶺南口TBM掘進長度為5.621km，TBM施工中，1998年平均月進尺為252.36m，1999年平均月進尺為290.64m，最高月進尺為528.48m。
　　(2) 桃花鋪1號隧道。西安南京鐵路桃花鋪1號隧道全長約7.234km，TBM掘進長度為6.2km，由中鐵十八局采用?.8m開敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道出口段)。最高月進尺為551.82m。
　　(3) 磨溝嶺隧道。磨溝嶺隧道全長6114m，軟巖占隧道總長的70.5%，于2002年11月完工。該隧道由中鐵隧道集團采用?.8m開敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道進段)，TBM掘進長度為4.653km，最高月進尺為573.9m。通過施工，成功掌握了開敞式TBM在軟弱地層中的掘進技術。
　　4 TBM施工的優點
　　(1) 快速。TBM是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現連續掘進，能同時完成破巖、出碴 、支護等作業，實現了工廠化施工，掘進速度較快，效率較高。
　　(2) 優質。TBM采用滾刀進行破巖，避免了爆破作業，成洞周圍巖層不會受爆破震動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。
　　(3) 高效。TBM施工速度快，縮短了工期，較大地提高了經濟效益和社會效益; 同時由于超挖量小，節省了大量襯砌費用。TBM施工用人少，降低了勞動強度、降低了材料消耗。
　　(4) 安全。用TBM施工，改善了作業人員的洞內勞動條件，減輕了體力勞動量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。
　　(5) 環保。TBM施工不用炸藥爆破，施工現場環境污染小; 減少了長大隧道的輔助導坑數量，保護了生態環境; 如果使用雙護盾TBM還可以減少隧道內水的流失，有利于環境保護和減少水土流失。
　　(6) 自動化、信息化程度高。TBM采用了計算機控制、傳感器、激光導向、測量、超前地質探測、通訊技術，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。TBM具有施工數據采集功能、TBM姿態管理功能、施工數據管理功能以及施工數據實時遠傳功能，可實現信息化施工。
　　5 TBM施工的缺點
　　TBM的地質針對性較強，不同的地質條件和隧道斷面，需要設計成滿足不同施工要求的TBM，同時配置適應不同要求的輔助設備。
　　(1) 地質適應性較差。
　　TBM對隧道的地層最為敏感，不同類型的TBM適用的地層也不同，一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用不同類型的TBM輔以必要的預加固和支護設備進行掘進，但對于大型的巖溶暗河發育的隧道、高地應力隧道、軟巖大變形隧道、可能發生較大規模突水涌泥的隧道等特殊不良地質隧道，則不適合采用TBM施工。在這些情況下，采用鉆爆法更能發揮其機動靈活的優越性。
　　一般情況下，以II、Ⅲ級圍巖為主的隧道較適合采用開敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主的隧道較適合采用雙護盾TBM施工，對于V級圍巖為主和地下水位較高的城市淺埋隧道或越江隧道則較適合采用盾構法施工。
　　(2) 不適宜中短距離隧道的施工。
　　由于TBM體積龐大，運輸移動較困難，施工準備和輔助施工的配套系統較復雜，加工制造工期長，對于短隧道和中長隧道很難發揮其優越性。國外的實踐表明，當隧道長度與直徑之比大于600時，采用TBM施工是比較經濟的。對于一般的單線鐵路隧道，開挖直徑通常在9m左右，按此計算，長度大于5.4km的隧道就可以考慮采用TBM施工。

發達國家的隧道施工，一般優先考慮TBM法，只有在TBM法不適宜時才考慮采用鉆爆法。我國則相反，鉆爆法施工一直是我國的強項，采用鉆爆法已成功修建了5000多km的鐵路隧道，且鉆爆法施工的進度仍在逐年加快。在我國，一般認為，小于10km的隧道難以發揮TBM的優越性，而鉆爆法則具有相對經濟的優勢。對于10～20km的特長隧道，可以對TBM法和鉆爆法施工進行經濟技術比較，選擇適宜的施工方法。對于大于20km的特長隧道，則宜優先采用TBM法施工。另外，對于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位較高的隧道，考慮到施工安全和沉降控制等因素，不論隧道長短，宜優先考慮采用盾構法施工。
　　(3) 斷面適應性較差。
　　斷面直徑過小時，后配套系統不易布置，施工較困難; 而斷面過大時，又會帶來電能不足、運輸困難、造價昂貴等種種問題。一般地說，較適宜采用TBM施工的隧道斷面直徑在3～l2m; 對直徑在12～15m的隧道應根據圍巖情況和掘進長度、外界條件等因素綜臺比較; 對于直徑大于15m的隧道，則不宜采用TBM施工。另一方面，變斷面隧道也不能采用TBM施工。
　　(4) 運輸困難，對施工場地有特殊要求。
TBM屬大型專用設備，全套設備重達幾千噸，最大部件重量達上百噸，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，運碴和翻碴系統，裝卸調運系統，進場場區道路，TBM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TBM施工，但運輸道路難以滿足要求，或者現場不具備布置TBM施工場地的條件。
　　(5) 設備購置及使用成本大。
TBM施工需要高負荷的電力保證以及其高素質的技術人員和管理隊伍，其前期購買設備的費用較高，這些都直接影響到TBM施工的適用性。
　　6 TBM的經濟技術指標
　　(1) 進度指標。
　　TBM在一定的地質條件下可實現快速施工，其施工進度一般是鉆爆法的3～6倍。如引大入秦30A隧洞使用雙護盾TBM施工時，從1991年3月開始，連續突破月進度1000m，最高月進尺達1300m，而鉆爆法施工在同類地質條件下的月平均進度僅為140m。
　　(2) 成本指標。
　　單線鐵路隧道采用TBM施工或鉆爆法施工的綜合成本指標對比。
　　7 TBM的施工組織特點
　　應充分考慮到TBM設備采購周期較長(制造周期為11～12個月)的特點，按工期要求，有計劃地合理組織好TBM及后配套設備的采購工作。
　　應充分考慮TBM對地質的適應性，根據隧道的圍巖條件選用適應地質條件的TBM，合理組織好TBM及后配套設備的選型，并組織好TBM設備的監造工作。
　　應充分考慮到使用TBM的特殊性，作好施工現場的準備工作，包括用電線路的架設，通往施工現場的道路、橋梁的修筑和加固，臨時工程的施工工作; 組織好TBM大件的運輸、安裝、調試、掘進準備工作，并作好技術培訓和材料、機具需要量計劃; 這些應與TBM的購置同步進行。
　　應充分考慮TBM施工的特點和TBM通過特殊地質地段的設計方案、工程措施以及場地和水電情況對TBM的特殊要求。
　　8 長大隧道應用TBM的建議
　　鐵路部已引進了2臺?.8m開敞式TBM，適用于時速160km/h的鐵路單線隧道施工，可根據地質條件選擇適當工點使用。
　　2006年，作為鐵路跨越式發展重要標志的客運專線也已拉開了序幕，并迅速掀起了建設高潮，“十一五”期間，我國將修建客運專線1萬km，其中隧道約占2000km。目前，鐵路及客運專線隧道一般采用鉆爆法施工。對于長大隧道，鉆爆法難以達到快速、優質、安全、經濟建成的目的。
　　客運專線從隧道運營安全出發，由于壓力波和真空度的存在，不宜采用單洞雙線的模式，而宜分洞運行，設計成雙洞單線。對于長大單線鐵路隧道建議優先采用TBM施工，并根據地質情況選用開敞式TBM或雙護盾TBM。
　　建議所列鐵路隧道可經專家論證后優先采用TBM施工，使用TBM施工會使工期提前，將產生巨大的經濟效益和社會效益。
　　9 適宜采用盾構法施工的鐵路隧道
　　目前，廣深港客運專線10.8km長的獅子洋隧道(雙洞單線)，擬采用4臺?1.12m大型泥水盾構施工。北京鐵路北京站至北京西站地下直徑線隧道擬采用2臺?1.93m大型泥水盾構施工。位于浦東鐵路下穿黃浦江段的黃浦江隧道，隧道建筑長度8.18km，隧道內徑9.24m，可采用1～2臺盾構施工。位于新建鐵路上海至南通段的滬通鐵路長江隧道，現正在進行橋梁方案和隧道方案論證階段，如果采用隧道方案，則該隧道的建筑長度達21.35km，可采用2～4臺盾構施工。