深埋長隧洞TBM主機選型研究

洪松 陳端 暴艷利

1TBM機型

TBM是集機械、電氣、液壓、激光、信息技術為一體的大型成套隧洞施工專用設備，是一座移動的隧洞施工工廠。

目前應用于隧洞的TBM主要有3種類型：即敞開式TBM、護盾式TBM和復合式TBM，護盾式TBM又分為單護盾TBM和雙護盾TBM。

1.1 敞開式TBM

與護盾式TBM相比，敞開式TBM的一個最顯著的特征就是除刀盤、主驅動、拱架安裝器外，其他主機設備均敞露于隧洞圍巖之下。敞開式TBM具備鉆爆法施工的全部功能，可實現掘進、安裝鋼拱架、鉆設錨桿孔、掛鋼筋網（人工輔助）、鉆設超前支護、超前注漿孔等，其護盾較短，一般長4 m左右，護盾及刀盤長度5 m左右，主機總長度約25 m。按其支撐類型，可分為單水平支撐和雙X支撐兩類，后者目前已較少使用。

敞開式TBM由主機、主機輔助設備、后配套及后配套輔助設備組成。

敞開式TBM主機主要由刀盤及刀具、刀盤護盾、主軸承及主驅動、潤滑系統、主梁、支撐及撐靴、后支撐、推進系統、主機皮帶機、液壓系統、電氣及控制系統、操作室等組成。

主機主要輔助設備有：超前鉆機、鋼拱架安裝器、L1區應急噴混凝土系統、錨桿鉆機、鋼筋網輔助安裝裝置、二次通風系統、除塵系統、數據采集及處理和傳輸系統、激光導向系統等。

敞開式TBM主機如圖1所示。

圖1 敞開式TBM主機剖視圖

1.2 護盾式TBM

1.2.1 單護盾TBM

單護盾TBM由主機、主機輔助設備、后配套及后配套輔助設備組成。

單護盾TBM主機主要由刀盤及刀具、主軸承及主驅動、潤滑系統、護盾及穩定器、推進油缸、主機皮帶機、管片安裝機、液壓系統、電氣及控制系統、操作室等組成。

主機主要輔助設備有：超前鉆機、刀具運輸裝置、二次通風系統、除塵系統、數據采集及處理系統、激光導向系統等。

單護盾TBM護盾長度一般在10 m左右，主機長11 m左右，如圖2所示。

圖2 單護盾式TBM主機剖視圖

1.2.2 雙護盾TBM

雙護盾TBM由主機、主機輔助設備、后配套及后配套輔助設備組成。

雙護盾TBM主機主要由刀盤及刀具、主軸承及主驅動、潤滑系統、前盾及穩定器、主推進油缸、伸縮護盾（含內、外盾）、支撐護盾及撐靴、尾盾、輔助推進油缸、主機皮帶機、管片安裝機、液壓系統、電氣及控制系統、操作室等組成。

主機主要輔助設備有：超前鉆機、刀具運輸裝置、二次通風系統、除塵系統、數據采集及處理系統、激光導向系統等。

雙護盾TBM護盾長度一般在12 m左右，主機長13 m左右，如圖3所示。

圖3 雙護盾式TBM主機剖視圖

1.3 復合式TBM

目前較為成熟的復合式TBM機型是DSU-C，其為Double Shield Universal-Compact的縮寫，直譯即為緊湊型通用雙護盾。DSU-C配置有推進油缸和輔助推進油缸，在不良地質洞段洞壁承載力低，以致撐靴無法工作時，可采用輔助推進油缸頂推鋼管片（采用鋼拱架安裝器安裝）以單護盾模式掘進；當洞壁圍巖足以提供推進力時，則以撐靴支撐巖壁提供推進力，以敞開式模式掘進。其掘進模式較為靈活。

DSU-C主機與雙護盾基本一致，以指形護盾取代雙護盾TBM的尾盾。

主機主要輔助設備有：鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、超前鉆機、刀具運輸裝置、二次通風系統、除塵系統、數據采集及處理系統、激光導向系統等。

DSU-C護盾長度一般在11 m左右（含指形護盾），主機長12 m左右，如圖4所示。

圖4DSU-C主機剖視圖

2 各型TBM優缺點分析

2.1 敞開式TBM

2.1.1 敞開式TBM的主要優點

（1）支護手段較為靈活，具備鉆爆法施工的全部支護手段。

（2）盾體較短，且可在一定范圍內沿徑向收縮，護盾卡機概率相對較小且較易處理。

（3）設備價格相對較低。2.1.2 敞開式TBM主要缺點

（1）設備及施工人員暴露在隧洞圍巖或初期支護之下，施工安全性比護盾式TBM低，尤其在強巖爆區施工存在較大安全風險。

（2）洞壁為軟弱圍巖時撐靴無法提供推進力，TBM無法掘進。

（3）深埋長隧洞一般布置施工支洞困難，導致單工作面獨頭掘進長度大，若采用敞開式TBM施工，則需在隧洞貫通后再進行現澆混凝土襯砌，使TBM月成洞進尺大大降低。

（4）受撐靴寬度限制，鋼拱架間距需為900 mm左右（中型斷面以上隧洞），小于此間距時，鋼拱架不能嵌入撐靴上的拱架槽中，已安裝的鋼拱架將被撐靴壓壞。為避免這一情況發生，需在撐靴通過前在已安裝鋼拱架周圍噴射混凝土，將鋼拱架埋入其中，這一過程大大降低了TBM的掘進速度。

（5）L1區應急噴混凝土系統工作時，對設備污染大，需覆蓋保護，導致施工效率降低。

（6）錨桿鉆機沿環繞主梁的齒圈運行，鉆孔方向與齒圈相切，因此，錨桿的單桿鉆深受齒圈切線長限制，在中、小直徑隧洞中，錨桿鉆機單桿鉆孔深度較小、且錨桿與洞壁不垂直，使錨桿有效長度減小。

（7）Ⅳ、Ⅴ圍巖洞段一次支護占用掘進時間，TBM純掘進時間少，平均掘進進尺較慢。

2.2 護盾式TBM

2.2.1 單護盾TBM

2.2.1.1 單護盾TBM的優點

（1）與敞開式TBM相比，單護盾TBM的設備和施工人員在護盾或已襯砌管片的保護之下，安全性及洞內施工環境相對較好。

（2）與敞開式TBM相比，單護盾TBM由推進油缸向后頂推已安裝管片提供推進力，不受圍巖條件限制，在軟巖段仍可掘進。

（3）與雙護盾TBM相比，單護盾TBM無伸縮護盾，盾體比雙護盾TBM短，護盾卡機概率相對較低、卡機處理相對容易。

（4）與雙護盾TBM相比，單護盾TBM無伸縮護盾、支撐系統、輔助推進油缸，主機價格相對較低。

2.2.1.2 單護盾TBM的缺點

（1）與敞開式TBM相比，單護盾TBM盾體仍相對較長，護盾卡機處理相對困難。

（2）與雙護盾TBM相比，單護盾TBM無獨立支撐系統，推進油缸同時承擔著輔助安裝管片的功能，管片安裝時需停止掘進，即TBM掘進和管片安裝不能同時進行，綜合掘進速度比雙護盾低。

（3）因采用管片襯砌，單護盾TBM不宜用于內水壓力超過0.6 MPa的輸水隧洞的施工，若采用則需對相應洞段進行固結灌漿加固。

2.2.2 雙護盾TBM

2.2.2.1 雙護盾TBM的優點

（1）與敞開式TBM相比，雙護盾TBM和單護盾TBM一樣具有較好的安全性和軟巖洞段的適應性。

（2）與單護盾TBM相比，雙護盾TBM有推進系統和輔助推進系統，掘進和管片安裝可同時進行，掘進速度相對較高。

2.2.2.2 雙護盾TBM的缺點

（1）與敞開式和單護盾TBM相比，雙護盾TBM盾體相對較長，護盾卡機概率相對較高且卡機處理相對困難。

（2）與單護盾TBM相比，雙護盾TBM有伸縮護盾、支撐系統、輔助推進油缸，主機價格較高。

（3）因采用管片襯砌，不宜用于內水壓力超過0.6 MPa的輸水隧洞的施工，若采用則需對相應洞段進行固結灌漿加固。

2.3DSU-C

2.3.1 DSU-C的優點

（1）與敞開式TBM相比，DSU-C可由輔助推進油缸向后頂推已安裝管片提供推進力，不受圍巖條件限制，在軟巖段仍可掘進。

（2）與敞開式TBM相比，DSU-C撐靴位于拱架安裝器前方，拱架安裝間距不受撐靴寬度限制，在一定程度上提高了支護效率。

（3）與護盾式TBM相比，DSU-C既可以護盾式模式掘進，又可以敞開式模式掘進，支護形式靈活，對地質條件適應性相對較強。

2.3.2 DSU-C的缺點

（1）與敞開式TBM相比，DSU-C盾體仍相對較長，護盾卡機概率相對較高且卡機處理相對困難。

（2）與敞開式TBM相比，DSU-C鋼拱架安裝器位于指形護盾內（相當于雙護盾TBM的尾盾位置），其一次支護時間相對滯后，在穩定性較差洞段掘進時易因支護不及時引起塌方、掉塊等。

（3）與單護盾及雙護盾式TBM相比，DSU-C不配置管片安裝器，采用拱架安裝器安裝鋼管片效率低，通過不良地質洞段相對困難。

3 深埋長隧洞TBM主機選型原則

TBM主機選型是TBM施工隧洞工程關鍵的一環，必須慎之又慎。若所選TBM型式適合本工程地質條件，則項目可較順利地進行，否則TBM將變成“特別慢”的代名詞。TBM選型應遵循以下原則：

（1）在進行TBM選型前，盡可能探明隧洞沿線工程地質及水文地質情況，尤其對隧洞主要地質風險應有清晰的判斷，對寬大斷層帶有較為準確地定位。

（2）以隧洞沿線普遍存在的主要地質條件作為選型的依據，而不應將局部洞段地質條件作為選型的依據。

（3）參與TBM選型的技術人員應與時俱進，摒棄不合時宜觀念的約束，如十多年前曾普遍認為護盾式TBM只適用于淺埋隧洞施工，但法國Frejus Safety Gallery工程采用直徑9.37 m單護盾TBM于2014年順利完成最大埋深1 800 m隧洞的施工；伊朗某項目采用6.73 m雙護盾TBM順利完成最大埋深1 200 m隧洞的施工?？梢?，護盾式TBM通過針對性設計可以用于深埋隧洞的施工。

（4）要有“定制”的理念。TBM為非標設備，應針對工程地質條件和需要來“定制”TBM。

（5）依據隧洞沿線主要地質風險進行TBM選型，并對其擴挖能力、防卡機能力和脫困能力有針對性設計。

4 深埋長隧洞TBM主機選型

4.1 根據隧洞運行條件、隧洞結構選型

4.1.1 有壓隧洞

當隧洞為輸水隧洞、且最大內水壓力超過0.6 MPa時，不宜采用護盾式TBM掘進、預制混凝土管片襯砌，經比較仍需采用時應對相應部位進行固結灌漿處理。

4.1.2 不襯砌隧洞

當隧洞僅錨噴支護，不進行二次混凝土襯砌時，不可采用單護盾TBM，不宜采用雙護盾式TBM。

4.2 根據隧洞沿線地質條件選型

淺埋隧洞較早曾以Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比是否達85%作為選型依據，鑒于敞開式TBM已普遍采用了McNally設計，其對Ⅳ類圍巖的適應性有所提高，建議將此比例降為80%。與淺埋隧洞不同，深埋隧洞的Ⅱ類圍巖洞段并不一定就是“好”圍巖洞段，而可能是易產生巖爆災害的洞段，因此，即使在Ⅱ類圍巖洞段，也可能需要進行鋼拱架支護，在此情況下，支護的安全性和施工進尺均會降低。因此，在深埋長隧洞中，不能僅以Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比達80%以上作為選型依據，而應根據下列不同情況酌情選擇。深埋長隧洞與TBM選型關系密切的兩個主要地質風險是巖爆和圍巖大變形，將此兩種地質風險與圍巖分類綜合考慮進行深埋長隧洞TBM主機選型更為合理。

（1）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比達80%以上，隧洞圍巖以硬巖為主，隧洞沿線主要地質風險為中等以上巖爆時，建議采用雙護盾TBM。

（2）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比達80%以上，隧洞圍巖以中硬巖為主，隧洞沿線主要地質風險為圍巖大變形時，建議采用敞開式TBM或單護盾TBM。若采用敞開式TBM滿足施工進度要求時，建議采用敞開式TBM；否則采用單護盾TBM，并將其護盾縮短。

（3）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比達80%以上，隧洞圍巖軟、硬相間，隧洞沿線主要地質風險為巖爆和圍巖大變形時，建議采用單護盾TBM，并將其護盾縮短。

（4）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比在80%以下，隧洞圍巖以硬巖為主，隧洞沿線主要地質風險為中等以上巖爆時，建議采用護盾式TBM。

（5）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比在80%以下，隧洞圍巖以中硬巖為主，隧洞沿線主要地質風險為圍巖大變形時，建議采用單護盾TBM，并將其護盾縮短。

（6）當隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比在80%以下，隧洞圍巖為軟、硬相間，隧洞沿線主要地質風險為巖爆和圍巖大變形時，建議采用單護盾TBM，并將其護盾縮短。

4.3 TBM的針對性設計

作為選型的更深層次，還可對TBM進行以下針對性設計：

（1）對于各型TBM，均可采用浮動式刀盤設計，增大TBM擴挖能力。

（2）對于護盾式TBM，可采用倒錐形設計，為護盾預留足夠變形空間，減小護盾卡機概率，同時減小管片承受的圍巖變形壓力。

（3）對于單護盾TBM，可大幅縮短護盾長度，減小護盾卡機概率。

（4）對于敞開式TBM，可增大護盾變徑范圍，減小護盾卡機概率。

針對不同地質條件的TBM主機選型見表1。

表1 深埋長隧洞TBM主機選型匯總表

5結語

深埋長隧洞地質條件復雜，采用TBM施工時，TBM主機型式的選擇至關重要，選型正確與否直接關系到工程能否順利進行，因此，TBM主機的選型一定要具有針對性。首先，參與TBM選擇的技術人員應摒棄過時觀念，以創新思維來“定制”TBM主機；其次，TBM選型不應止步于對敞開式、護盾式的選擇，還應對已選定機型的擴挖能力、防卡機能力和脫困能力進行針對性設計。唯有如此進行深入研究，才可能獲得對工程適應性好、通過性能強的TBM。