淺談掘進機（TBM）施工技術

吳一民+杜菁

[摘要]：本文綜述了隧道掘進機（TBM）施工技術的國內外現狀，介紹了該法存在的優缺點，舉例了部分創新的掘進機技術工法，并針對現況，展望了隧道掘進機的應用前景。

[關鍵詞]：隧道掘進機； TBM； 現況； 展望

[引言]：

隨著地下工程快速開挖的需要和科學技術水平的提高， 隧道掘進機施工技術在中國得到了快速應用和發展。隧道掘進機是一種專門用于開挖地下通道的大型高科技施工裝備， 它具有開挖快、優質、安全、經濟、有利于環境保護和降低勞動強度的優點。按照地層條件和具體施工方法的不同， 一般將隧道掘進機分為三類， 即盾構掘進機（shield machine）、巖石掘進機（tunnel boring machine ， TBM）和頂管掘進機（pipe jacking machine）。

廣泛使用遙測、遙控、電子、信息技術對全部作業進行制導和監控是現代掘進機技術最大特點，使掘進過程始終處于最佳狀態， 使掘進機向著機械、電氣、液壓和自動控制一體化、智能化設備方向發展[1]。

1、掘進機法的國內外現狀

TBM施工法始于二十世紀三十年代，限于機械技術水平，其應用實例甚少。五六十年代隨著機械工業與掘進機技術水平的不斷提高發展較快。迄今為止，世界上采用TBM施工的隧道超過1000座，總長度超過4000km，已逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。

英吉利海峽隧道的貫通運行體現了掘進機法施工技術應用的最高水平。英吉利海峽隧道外徑8.6m單線鐵路隧道與1條外徑5.6m輔助隧道組成。全長48.5km全部采用TBM施工。英國側6臺，岸邊段3臺海底段3臺（單向推進21.2km）。法國側5臺，岸邊段2臺海底段3臺。最深處需承受10atm水壓力，平均月進尺1000m/月。所以該隧道的建成標志著成TBM施工技術的最新水平，也是融合了英、美、法、德等國家掘進機法施工技術于一體的最高成就。

我國1966年生產出第1臺直徑φ3.4m的掘進機，在杭州人防工程中進行過試驗。20世紀70年代進入工業性試驗階段，研制出SJ55，SJ58，SJ64，EJ30型掘進機。20世紀80年代進入實用性階段，研制出SJ58A，SJ58B，SJ40/45，EJ30/32，EJ50 型掘進機，在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟青、云南羊場煤礦、貴陽煤礦、山西古交和懷仁煤礦等工程中使用。當時，我國掘進機與國外掘進機相比較，在技術性能和可靠性等方面還有相當大的差距[3]。

自1978年我國實行改革開放以來，引入國外大型TBM進行隧道施工，取得了成功。2003年由中國第二重型機械集團公司和美國Robbins 公司合作的新一代φ 3.65m雙護盾掘進機在四川德陽二重集團公司內制造完工。該掘進機的研制成功是我國重大裝備制造業取得的一項重要成果[4]。近期，沈陽重型機械集團公司與德國維爾特鉆掘設備制造公司以及法國NFM技術公司三方共同投資創建了沈陽維爾特重型隧道工程機械成套設備公司。

2、隧道掘進機（TBM）法優缺點

2.1TBM法的優點

2.1.1掘進效率高。掘進機開挖時，可以實現連續作業，從而可以保證破巖、出渣、支護一條龍作業。特別在穩定的圍巖中長距離施工時，次特征尤其明顯。與此對比，鉆爆法施工中，鉆眼、放炮、通風、出渣等作業是間斷性的，因而開挖速度慢、效率低。掘進效率高是掘進機發展快的主要原因。

2.1.2掘進機開挖施工質量好，且超挖量少。掘進機開挖的隧道內壁光滑，不存在凹凸現象，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不平，且超挖量大、襯砌厚、支護費用高。

2.1.3對巖石的擾動小。掘進機開挖施工可以大大改善開挖面的施工條件，而且周圍巖層穩定性較好，從而保證了施工人員的健康和安全。

2.2 TBM法的缺點

2.2.1掘進機對多變的地質條件（斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等）的適應性較差。但近年來隨著技術的進步，采用了盾構外殼保護型的掘進機，施工既可以在軟弱和多變的底層中掘進又能在中硬巖層中開挖施工。

2.2.2掘進機的經濟性問題。由于掘進機結構復雜，對材料、零部件的耐久性要求高，因而制造的價格較高。在施工之前就需要花大量資金購買部件和制造及其，因此工程建設投資高，難用于短隧道。

2.2.3施工途中不能改變開挖直徑。如用同一種機型開挖不同直徑的斷面，在硬巖的情況下更換附屬不見，在數十厘米范圍內，還是可能的。

2.2.4開挖斷面的大小、形狀變更難，在應用上收到一定的制約。

3、掘進機法的創新技術、工法

雙護盾式TBM又稱伸縮護盾式TBM， 適用于混合地層施工， 既可用于硬巖， 又可用于軟巖， 其地質適應性非常廣泛。雙護盾式TBM同樣具有全圓護盾， 使其在采取必要措施的情況下， 能安全穿越軟土、砂土地層， 甚至于斷層破碎帶同時因其雙護盾構造， 在較堅硬的圍巖中掘進時前護盾與刀盤一同向前推進， 后護盾用兩邊的撐靴撐緊在巖石上， 為刀盤推進提供頂推力這樣因掘進所需要的頂推力不由已完成的襯砌環提供， 使掘進與安裝管片可以同時進行， 加快了施工速度。伸縮護盾形式是雙護盾TBM的獨有的技術特點， 是實現軟硬巖作業兩種工作模式轉換的關鍵[6]。

4、結論

長隧道工程要求不斷完善TBM，使之能更好地滿足工程建設的需要。TBM 的發展趨勢可歸納如下：首先，要求TBM 能更適應不利的地質條件。從發展趨勢來講，將趨向于兩極化。這就是既要設計能適合復雜地質條件使用的、費用高的多功能TBM，又要生產用于地質條件簡單、廉價的TBM。其次，目前公路隧洞因多車道的需要，要求大斷面，預計今后TBM 將更趨大直徑化。因此，大直徑TBM的設計制造和部件運輸組裝是其技術上的主要趨勢之一。第三，未來的發展方向之一是全自動化TBM。第四，由于計算機硬件和軟件的迅速發展，TBM 計算機優化設計和施工系統的開發也是發展方向之一。第五，目前主要用于工業和民用管道施工的微型TBM發展很快。

[參考文獻]：

[1]錢七虎，李朝甫，傅德明. 隧道掘進機在中國地下工程中應用現狀及前景展望[J]. 地下空間，2002，01：1-11+93.

[2]彭琦. 隧道掘進機技術的發展和研究現狀[J]. 隧道建設，2013，06：443-448. 術，2006，05：23-30.