開敞式全斷面硬巖掘進機（T B M）在長大隧洞施工中的應用

孫 千

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110166）

開敞式全斷面硬巖掘進機（T B M）在長大隧洞施工中的應用

孫 千

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110166）

本文主要介紹了T B M掘進機的優勢、應用現狀、施工基本原理與施工工藝流程，并簡要概述了開敞式T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞工程中的應用。開敞式T B M在大伙房輸水工程中成功應用為相似地質條件下的地下工程施工提供了寶貴的經驗。

T B M掘進機；大伙房輸水隧洞工程；長大隧洞

1 前言

隧洞施工常用的方法包括常規施工法和掘進機施工法，目前以掘進機施工最為常用，其中T B M在長大隧洞修建中最為常用。T B M掘進技術廣泛應用了計算機、遙控、激光制導等先進的電子信息技術，體現了計算機、新材料、自動化、信息化、系統科學、管理科學等高新技術的綜合和密集，在一定程度上反映了一個國家的綜合實力與科技水平［］。采用T B M掘進具有一定的優勢，主要體現在以下幾點：

（1）施工速度快且高效。T B M可連續掘進，同時完成多項施工作業，而且掘進速度快，效率高。

（2）施工質量優。施工過程中圍巖不因爆破震動而發生破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）安全環保。施工過程減少了工人的參與，且不會產生油煙或噪音污染，對環境影響小。

（4）經濟。施工效率高，可大大縮減工期，節省費用。

2 T B M在隧洞施工中的應用現狀

我國T B M掘進施工的應用始于20世紀90年代，但在掘進速度上與國際水平相差甚遠，后來引進國外進口設備，在甘肅引大入秦工程中得以成功應用。2000年后我國開始推動國內T B M產業的發展。2001年9月，在北京召開的國際T B M應用專題研討會，在國內外產生了廣泛的影響。2001年 12月成立了T B M推廣應用小組，提出了“在中國推廣應用隧道掘進機及發展隧道掘進機產業的倡議書”。2002年3月，錢七虎院士等提出了“實現隧道掘進機本地化生產”的提案。

國外T B M的應用較為成熟，近年來成功地在英吉利海峽工程和日本東京灣高速公路工程中應用了掘進機開挖隧洞。20世紀80年代以來，T B M掘進機在一些發達國家得到普遍應用。隨著科學技術的不斷進步，掘進機的類型和使用范圍也不斷擴大。既可以在松散軟土、淤泥中應用，又能在極堅硬的巖石（抗壓強度350～450 MP a）中掘進。由于掘進機具有諸多的優勢，因此在國際上有“移動式掘進工廠”之稱。進入21世紀以來，掘進機向斷面多樣化，多工作面方向發展，在開挖地鐵車站、鐵路隧道、水工隧洞等地下工程中發揮了重要作用［2］。

3 T B M施工原理

3.1 T B M的基本結構

（1）主機系統組成

主機系統是T B M的核心，由刀盤、刀具、主軸承、機頭架和主大梁、支撐系統、液壓系統、驅動裝置、主機皮帶機等幾部分組成。主機系統的主要功能是將巖石切削成便于運輸的石渣，然后通過設備前端的收集器將石渣收集至皮帶機上，再將石渣經由皮帶機運出洞外。

（2）后配套系統組成

后配套系統是T B M主機連續掘進所需配套設施的總稱，分為內部系統和外部供應。內部系統包括激光制導、支護系統、超前探測、監控中心、石渣運輸、水電裝備、通風除塵、通訊系統和安全監控；外部供應包括電力供應、石渣運輸、供風供水和人員材料。后配套系統是T B M實現掘進、出渣及初期支護一體化施工的輔助保障。

3.2 T B M破巖機理

掘進機主要用盤形滾刀進行破巖，滾刀貫入巖石邊緣下部，產生較高的應力場和綜合裂隙，在巖石與滾刀接觸處產生一個半圓形擠壓帶，由于滾刀的壓力作用擠壓帶內巖石產生拉張裂隙，向擠壓帶外圍擴張，巖石受壓力作用發生破壞。因此巖石的單軸抗壓強度是反映T B M破巖的一個重要指標。

3.3 影響T B M掘進的因素

影響T B M掘進的主要因素包括隧道地質條件的優劣、巖石的強度和耐磨性及巖體結構面發育程度等幾個方面。

（1）地質條件

影響T B M施工的地質條件包括隧道地壓和涌水狀態。很大的地壓作用T B M的掌子面難于自穩，掘進變得困難；在涌水地段，極端情況下T B M機體會產生下沉，導致施工無法進行。

（2）巖石單軸抗壓強度

巖石類型是影響掘進速度的一個重要因素，而單軸抗壓強度就是反映T B M破巖的一個重要指標。T B M適用于單軸抗壓強度為30～150MP a的巖石［3］，極限承受值為350MP a。

（3）巖石的強度和耐磨性

巖石的硬度和耐磨性與巖石的礦物成分密切相關，影響耐磨性的主要是石英、長石等磨粒性強的礦物，這些礦物的含量越高則巖石硬度越高，耐磨性也越大。巖石的硬度及耐磨性越高，對整個刀盤的磨損越快，導致刀具推力不足，掘進速度下降，工期延長。

（4）巖體結構面發育程度

巖石的節理、裂隙等發育程度在一定程度上會影響掘進效率。節理間距對T B M破巖有一定影響，適當的間距能夠有效提高破巖效率，而間距太大或太小都不利。因此節理發育而又不至坍塌的圍巖，是T B M掘進的最佳施工條件。

4 T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞工程中的應用

遼寧省大伙房水庫輸水隧洞是目前世界上同洞徑最長的跨流域工程，隧洞的地質情況復雜多變，最大埋深為600m，巖石以正長斑巖、混合花崗巖、混合巖及安山巖等中硬巖石為主，抗壓強度可達55MP a。由于施工中可能會遇到巖爆、地熱、涌水或圍巖失穩等地質災害，經過多次專家論證和調研，對比其他方法后，決定采用全斷面硬巖掘進機施工。

4.1 開敞式T B M施工過程

（1）T B M選型及其參數的選擇

T B M分為開敞式、單護盾、雙護盾等，根據工程地質與水文地質條件，隧道設計要求等綜合分析后決定采用開敞式T B M進行施工。型式確定后，計算確定合理的掘進機參數，包括刀具型式、數量和布置方式，支撐方式，刀盤轉速與驅動功率，出渣方式以及排水、供電、通風措施等。

（2）T B M監造與驗收

T B M監造主要是控制設備制造過程中的質量、進度和投資。當工廠組裝調試完成后，進行出廠驗收，這是十分重要而且必要的。驗收要對整機各個系統進行測試，每個系統、每個項目都必須經過細致認真地測試。

（3）T B M運輸與安裝

對T B M整機進行適當解體后，選擇合適的運輸方式與承運單位，仔細勘察運輸道路，確定合理的運輸方案。對于T B M這樣龐大復雜的系統，要有充足的場地進行組裝，根據組裝工藝與工序做好組裝方案等一系列準備工作，再對T B M進行組裝調試。

（4）T B M掘進

在組裝調試完成之后要先進行試掘進，當設備運作良好，人員操作熟練后進行正式的掘進施工。在掘進施工過程中要選擇合適的掘進方式和掘進參數，掘進完成后要對掘進方向進行調整，將偏差控制在允許的范圍內。

（5）初期支護

T B M施工時難免會遇到斷層破碎帶、軟弱圍巖等不良地段，因此必須及時施作初期支護，確保施工的順利、安全。初期支護的方式包括噴射混凝土、錨桿支護、加掛鋼筋網、鋼拱架或鋼格柵支護等措施。

（6）出渣與施工材料運輸

T B M效率的發揮很大程度上受到出渣運輸與施工材料運輸的影響。大伙房水庫中輸水隧洞工程采用的是連續皮帶機出渣方式。這種出渣方式方便石渣的二次倒運，根據工程布置情況，可以采用自卸車或皮帶機將石渣二次倒運到棄渣場。

（7）施工過程給排水和通風除塵

T B M施工過程中刀盤、液壓泵站與刀盤驅動電機都需要用水冷卻，而且掘進過程產生的廢水或山體滲水都需要及時排除，這就需要一條輸水管道完成給排水。T B M施工時需要嚴格控制空氣中粉塵含量和環境溫度，設備本身配備了先進的除塵系統，可以達到除塵、降溫的作用。一旦除塵風機發生故障，會使洞內能見度降低，影響激光的穿透能力，延誤工期，同時危害工人的身體健康。因此需定期檢查、維修。

4.2 T B M在大伙房水庫輸水隧洞工程的應用

大伙房水庫輸水隧洞工程采用3臺開敞式T B M掘進，經歷了“組裝—調試—試掘進—正式掘進—轉場再掘進—拆機”［4］的完整循環，經受了不良地質情況、掘進洞段、機器故障等考驗，成功完成了大伙房水庫輸水隧洞的掘進工程。

5 結語

開敞式T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞中成功應用的實例，標志著我國開敞式T B M掘進技術已日趨成熟，同時為深埋長大的隧洞工程施工奠定了基礎，提供了經驗，向我們展示了未來地下工程施工的美好前景。

［1］尹俊濤，尚彥軍，傅冰駿等.T B M掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策［J］.工程地質學報，2005，13（03）：389-397.

［2］李衛兵.T B M在超長隧道施工中的應用研究［D］.吉林大學.2005.

［3］王石春.隧道掘進機與地質因素關系綜述［J］.世界隧道，1998（02）：39-43.

［4］杜士斌.開敞式T B M在大伙房輸水隧洞工程中的應用［J］.水利水電技術，2010（01）：48-53.

表8 各段輸水隧洞經濟洞徑計算成果表

在示例輸調水工程上運用上述方法進行分析計算，不僅合理的確定了管徑和洞徑，也為控制工程投資做出了較大的貢獻。該分析計算方法對于類似系統復雜、距離長、管徑大的輸調水工程，具有一定的指導作用。

參考文獻

［1］李家星，趙振興.水力學（下）［M］.南京：河海大學出版社，2001.

［2］王文芬，程吉林，龔懿.長距離輸水管道線路與管徑綜合優化方法研究［J］.灌溉排水學報，2014，33（01）：22-25.

［3］楊福記，馮慶昌.重力流輸水在陸川縣西山供水工程中的應用［J］.廣西水利水電，2009（01）：76-79.

［4］武燕.水利工程設計階段造價控制措施探討［J］.水利規劃與設計，2014（08）.

［5］騰國慶，張曉燕.長距離揚水工程輸水管材的探討［J］.中國水運，2012（10）：161-162.

［6］劉永林、陳永彰、李曉明.特長輸水隧洞工程設計研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［7］鄭連第.中國歷史上的跨流域調水工程［J］.南水北調與水利科技，2003，1（z 1）：5-8.

［8］鄭連第.世界上的跨流域調水工程［J］.南水北調與水利科技，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

孫 千（1982年—），男，工程師。