敞開式TBM與復合式TBM比較

徐太順

重慶市軌道交通（集團）有限公司 重慶 401120

引言

隨著我國國民經濟的快速發展，國內城市化進程不斷加快，城市地鐵隧道、水工隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程已經大量使用隧道掘進機。

目前隧道掘進機主要有以下幾種類型：

盾構：適用于軟土地層，分為泥水平衡和土壓平衡兩種。

TBM：適用于巖石地層，分為敞開式、單護盾、雙護盾三種。

復合式TBM：適用于軟硬交替地層。

在重慶軌道交通建設中，6號線、5號線、10號線、環線等主要采用了敞開式TBM、復合式TBM兩種掘進機。

1 敞開式TBM和復合式TBM的定義

敞開式TBM：主要適應于硬巖，能利用自身支撐機構撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進機。掘進機主機可根據巖性不同選擇配置臨時支護設備如鋼架安裝器、錨桿鉆機、鋼筋網安裝機、超前鉆機、管棚鉆機、噴混凝土機及注漿機等。敞開式TBM在掘進過程中一般二次襯砌不同步施工，只施作初期支護，待掘進完畢后再通過模板臺車進行二次襯砌施工。

復合式TBM：主要適用于以巖石為主，土質、破碎帶及軟硬交替的地層，是以傳統的硬巖掘進機為基礎，吸取了土壓平衡盾構和氣壓盾構的原理及優點后產生的一種掘進機，兼具適應土質、巖層及軟硬交錯地層的隧道施工。復合式TBM采用管片支護，區間可一次成洞[1]。

2 TBM的對比分析

本文針對TBM在重慶市軌道交通應用情況，同時根據重慶地質條件，考慮其他相關因素，并結合后續線網規劃情況，對敞開式TBM和復合式TBM全方位對比分析：

2.1 地下區間TBM適應性分析

2.1.1 敞開式TBM地質適應性。采用敞開式TBM施工時，二次襯砌一般在區間開挖完畢后施做，滯后時間較長。隧道掘進后，初期支護條件下圍巖的穩定性如何將是決定能否采用敞開式TBM施工的必要條件之一。

根據目前已施工的重慶軌道交通區間隧道施工情況及監控量測資料，在埋深較深、圍巖較完整的情況下，區間隧道開挖后掌子面基本能自穩，敞開式TBM能夠滿足二次襯砌滯后情況下的區間穩定性要求。

2.1.2 復合式TBM地質適應性。復合式TBM主要適用于以巖石為主，土質、破碎帶及軟硬交替的地層，在軟弱地層時對控制掌子面穩定、地表沉降和保證施工安全是十分有利的。重慶市區主要以砂巖、砂質泥巖地層為主，巖體完整性較好，大部分地段圍巖具有較好的穩定性，洞室開挖后掌子面能夠自穩，局部埋深較淺及地表覆土較厚段落的掌子面穩定性稍差。因此對于復合式TBM而言，當巖體情況較好時，可采用敞開式掘進模式，當巖體稍差時，可采用土壓平衡掘進模式，以利于掌子面穩定，因此其適應的地質條件范圍比敞開式TBM要廣，區間可采用機械化施工的程度也更高。

復合式TBM采用螺旋輸送機出碴，對于土質地層而言，螺旋輸送機效果較好，而對于巖石地層，特別是砂巖地層，開挖巖碴破碎后將對螺旋輸送機將產生一定程度的磨損，導致其容易發生損壞。

2.2 施工適應性分析

2.2.1 敞開式TBM施工適應性。重慶城區巖石單軸抗壓強度雖然不是很高，但其完整性較好，為加快掘進破巖進度，6號線工程TBM在設備配置時，經過刀具規格的論證與比選，最終采用了19in的大直徑滾刀，相應的TBM整機能力較強，六號線一期工程的施工實踐也證明其掘進破巖的效果較好，完整巖層段掘進速度很快，刀具耐用，不僅減少了掘進途中的換刀次數，而且節約了刀具費用，增加了掘進的連續性。

2.2.2 復合式TBM施工適應性。復合式TBM若要適應重慶地質條件，需對既有設備做出針對性設計改造或根據地質情況量體裁衣，刀盤配置上仍以滾刀為主，局部地層條件下可輔以少許刮刀。根據已實施的施工經驗，建議刀盤上滾刀尺寸為19in，如此配備能夠滿足在重慶城區巖石地層為主條件下的長距離破巖掘進要求。

2.2.3 圍巖破碎帶適應性。在線路局部穿過若干不良地質帶時，可能存在節理密集帶。在巖體受構造影響較嚴重地段，圍巖破碎、節理發育，巖石層間結合力差，掘進時可能發生圍巖松動、下沉、掉塊、剝落等現象。

敞開式TBM依靠撐靴撐緊洞壁提供推力，但由于圍巖破碎，強度較低，敞開式TBM掘進較為困難，且敞開式TBM護盾較短對破碎帶的防護不利，有可能出現掉塊等現象，在圍巖稍差地段可通過設備自帶的超前鉆機提前進行圍巖預加固處理[2]。

復合式TBM依靠盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上提供推力，推進刀盤破巖及換步，機器本身護盾較長，對圍巖破碎帶的防護是有利的。

2.3 掘進長度適應性分析

一般敞開式TBM主軸承的設計壽命為1.5～2萬h，換算為正常情況下隧道掘進長度大約為10～20km，考慮到重慶軌道交通地層主要以軟巖為主，巖石強度不大，在不更換主軸承進行大修的條件下，一臺TBM掘進的長度大約為20km。

復合式TBM主軸承設計壽命最長10000h，換算為掘進長度最長10km。

2.4 掘進速度及工期適應性分析

根據已實施六號線工程籌劃及施工實踐，敞開式TBM經過磨合期后在Ⅳ級一般圍巖段開挖掘進速度可達500～1100m/月（不考慮后期二襯施作時間），而復合式TBM其綜合掘進速度平均下來一般為200～300m/月。

在埋深較深、圍巖完整的情況下，敞開式TBM掘進較快，區間的快速施工也會減小對沿途所經過車站的影響；復合式TBM雖然掘進速度相對慢，但是能夠一次成洞，減少了后續襯砌的二次擾動，總體看其施工速度稍慢，會對所經過的車站產生一定的影響。

2.5 區間支護措施分析

2.5.1 開挖過程中支護。在巖體受構造影響較為嚴重的局部地段，敞開式TBM可以利用自帶輔助設備進行靈活處理，如打設超前支護等輔助措施通過、開挖后及時架立鋼架、打錨桿、手動噴射混凝土等，可根據不同的圍巖條件調整支護措施的強弱；復合式TBM盾體較長，可利用盾體防護圍巖，后續管片緊跟支護，當前方所遇地質條件較差、地下水量較大、容易誘發掌子面失穩及地表沉陷時，復合式TBM可及時關閉螺旋輸送器，利用密封土倉止水保壓，確保掌子面的穩定，再利用自帶的超前設備或結合地表等進行加固處理后通過。

2.5.2 后續區間支護。敞開式TBM掘進開挖后采用噴錨支護，二次襯砌一般不緊跟，存在一定的安全風險，后續二次襯砌的各種支護參數可根據具體地層情況通過結構計算確定，以達到因地制宜的目的。

復合式TBM開挖后采用管片支護，由于管片緊跟，對洞周的穩定性相對安全。預制管片的質量相比現澆模筑二次襯砌而言要好。

2.6 過站適應性分析

軌道交通區間一般每隔1～1.5km需設一座車站，掘進機應用于城市地下區間施工，不可避免地要遇到過站問題。

2.6.1 敞開式TBM過站。若車站超前敞開式TBM施工，當TBM掘進到站時，TBM可以利用自身設備結合外界步進裝置完成步進過站，其步進速度大約為40～50m/d；若TBM掘進到站時，車站主體結構工程尚未施工，則預留TBM掘進通過條件，TBM可掘進過站，待其完成該區段全部掘進后再擴挖施工車站主體。

2.6.2 復合式TBM過站。若車站超前復合式TBM施工，當復合式TBM掘進到站時，可將復合式TBM機安放在鋼結構基座上，利用卷揚機牽引過站；若復合式TBM到站時車站主體尚未施工，則按正常段落掘進通過，待其完成全部掘進后再分段拆除管片，并進行車站主體部分的擴挖。

2.6.3 過站方案比較。在已施作車站地段，敞開式TBM可以直接利用步進鋼板或弧形導軌完成步進過站，過站速度快，投入的輔助設備少，造價低，但是考慮TBM設備的特點，TBM一般均沿線路中線前行，導致車站范圍需通長加寬、加深，預留TBM步進通行的空間；而復合式TBM需要先安裝滑行鋼軌，利用卷揚機或千斤頂才能完成步進，此時車站只需兩端一定范圍內擴寬，通長加深，故從車站增加的費用考慮，敞開式TBM比復合式TBM要大[3]。

在車站主體尚未開挖時，復合式TBM需要安設管片掘進通過，后期車站施工時又要全部拆除，將造成很大的浪費。敞開式TBM可采用噴錨支護，措施相對靈活，后期拆除初期支護較容易，廢棄工程量小，與復合式TBM過站后期要拆除管片相比較，可節省一定的費用。

3 對比結論

通過以上對比分析，敞開式TBM與復合式TBM雖然都能實現在重慶市區地層條件下的掘進，敞開式TBM與復合式TBM的總體適應性對比如下表：

表1 敞開式TBM與復合式TBM適應性對比表

4 結束語

綜合分析考慮，結合重慶軌道交通已施工TBM區段的實施效果，并通過對敞開式TBM與復合式TBM進行分析比較，兩者各有優缺點，復合式TBM適用地層范圍較廣，價格相對便宜，一次成洞，有利于區間及開挖掌子面的穩定，重慶軌道交通地下隧道優先推薦采用復合式TBM施工。