不同地质条件下的TBM选型

不同地质条件下的TBM选型

矣•舍涛

悚铽良

甘肃临夏

731699)

(中国水利水电第四工程局有限公司兰州市水源地建设工程项目部

内容提要

TBM选型直接关系到整个施工的成败，良好的选型不仅促进施工进度，而且提高施工质量，在

兰州水源地建设工程中，通过分析比对将合理的设备选型运用于实际施工，选型方法及实际施工成果可以为类 似工程提供借鉴。

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TBM分类

TBM是一种集机械、电气、液压、自动控制于

双护盾TBM又称伸缩式TBM,与开敞式TBM不 同的是双护盾TBM具有全圆的护盾，与单护盾TBM 不同的是双护盾TBM在地质良好时可以掘进与安装 管片用时进行，且在任何循环模式下都是在开敞状态 下进行掘进。伸缩护盾形式是双护盾TBM的独有的 技术特点，是实现软硬作业转换的关键。

双护盾TBM具有两种掘进模式，即双护盾掘进 模式和单护盾模式，双护盾掘进模式适应于稳定性的 地层，单护盾掘进模式则适应于不稳定及不良地质地 段。

(1) 双护盾掘进模式

在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾 的撑靴撑紧在洞壁上，为刀盘掘进提供反力，在主推 进油缸作用下，使TBM向前推进。此时TBM作业循 环为：掘进与安装管片^撑靴收回换步^再支撑—再 掘进与安装管片。

双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层 施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工 速度快。

(2) 单护盾掘进模式

单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段,

一体的用于地下隧道工程开挖的智能化大型成套施工 设备，主要分为开敞式、双护盾、单护盾三种类型。

1.1开敞式TBM

开敞式TBM常用于硬岩，配置了钢拱架安装器 和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化，当采用有效 支护手段后，也可用于软岩隧道。

工作原理：①撑靴撑紧在洞壁上，前支撑和后支 撑缩回，开始掘进；②刀盘向前掘进一个循环后，掘 进停止；③前支撑和后支撑伸出，撑靴在洞壁上，撑 靴缩回，外凯向前滑移一个行程长度；④利用前、后 支撑进行方向调节；⑤前后外凯撑靴重新撑紧在洞壁 上，前支撑和后支撑缩回，开始新的掘进循环。

开敞式TBM软岩适应性：①开敞式TBM —般适 用于硬岩施工；②在TBM上加装锚杆机、混凝土喷 射机、钢拱架安装机，以及超前钻机，能适应软岩掘 进施工；③开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后 喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护；④TBM 刀盘后作业有条件安装辅助设备及观察、测量围岩变 化情况。

1.2双护盾TBM

双护盾TBM按照硬岩掘进机配上一个软岩盾构 功能进行设计，既可以用于硬岩，又可以用于软岩, 也能适应硬岩或软岩交互地层。52

收稿日期：2018-1 -30

作者简介：赵金涛男（1991-)技术员中国水电四局兰州市

水源地建设工程项目部

侯佳良男（ 1989-)助理工程师中国水电四局兰 州市水源地建设工程项目部

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TBM掘进时根据地质预报及现场对围岩的观察，

在软弱围岩地层中掘进时，洞壁不能提供足够的支撑 反力，这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护 盾处于收缩位置，双护盾TBM就相当于一台简单的 盾构，刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供，

TBM掘进与管片安装不能同步。

(3 ) TBM掘进步骤

确定掘进模式和掘进参数调整范围，适时调整掘进推 力、撑靴压力、刀盘转速和循环进尺，在尽量保护设 备的前提下实现快速掘进。

在掘进过程中，操作司机应根据隧洞测量导向 系统显示的掘进偏差适当的进行方向调整，控制原理 见图5。

①掘进准备

撑紧撑靴，收起后支撑，见图1。 ②推进

刀盘旋转，开始掘进，见图2。俯视图—

[Step 1]撑紧撑靴收起后支撑

1.3 单护盾TBM

常用于软岩、单护盾TBM推进时，要利用管

片作为支撑，其作业原理类似于盾构机，与双护盾

Step 2

掘进推进

俯视图____________TBM相比，掘进与安装管片两者不能同步进行，施

工速度较慢。单护盾TBM与盾构机区别有两点：一 是采用螺旋输送机出渣或者采用泥浆泵以通过管道出 渣，二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而 盾构则采用土仓压力或泥水压力平衡开挖面的水土压 力。

图

1 TBM掘进准备 图2 TBM掘进

2 TBM施工优缺点

③ 换步准备

掘进行程完成后，准备换步，放下后支撑，见图3。④ 换步

收回水平撑靴，前移撑靴，再撑紧水平撑靴， 见图4。

俯视图

step _3j换步放下后支撑

2.1 TBM施工优点 2.1.1快速

TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术

于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能 同时完成破岩、出渣、支护等作业，实现了工厂化施

俯视图

step 4

收回撑靴前移

工，掘进速度较快，效率较髙。

2.1.2优质

TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成

洞周围围岩岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光 滑，超挖量少。

图3

TBM换步准备 图4 TBM换步

2.1.3高效

图5掘进机调向控制原理

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TBM施工速度快，缩短了工期，较大的提高了

经济效益和社会效益，同时由于超挖量小，节省了 大量衬砲费用，TBM施工用人少，降低了劳动强度, 降低了材料消耗。

2.1.4安全

用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件, 减轻了体力劳动量，避免了钻爆施工可能造成的人员 伤亡，事故率降低。

2.1.5环保

TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小； TBM施工减小了长大隧洞的辅助施工支洞数量，保

护了生态环境，有利于环境保护。

2.1.6自动化、信息化程度高

TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、

测量、超前地质探测、通讯技术是集机、光、电、气、 液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具 有自动化程度高的优点，TBM具有施工数据采集功 能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工 数据实时远传功能，实现信息化施工。

2.2 TBM施工缺点

TBM的地层针对性较强，不同的地质条件，不

同的隧道断面，需要设计成满足不同施工要求TBM, 需要配置适应不同要求的辅助设备。

2.2.1地质适应性较差

TBM对隧洞的地层最为敏感，不同类型的TBM

适用的地层也不同，

一

般的软岩硬岩、断层破碎带,

可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设 备进行掘进，在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其 机动灵活的优越性。

一般情况下，以n、m类围岩为主隧道较适合 采用开敞式TBM施工，以m、IV类围岩为主隧道较 适合采用双护盾TBM施工，对于V类围岩为主和地 下水位较髙的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用 盾构法施工。

2.2.2不适宜中段距离隧道的施工

由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准 备和辅助施工的配套系统复杂，加工制造周期长，对 于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性，国外的实54

践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用 TBM施工比较经济，对于一般的单线铁路隧道，开 挖直径通常在9~10m左右，按此计算，大于6km的 隧道就可以考虑采用TBM施工，发达国家的隧道施 工，一般优先考虑TBM施工只有在TBM施工不适宜 B寸才考虑钻爆法。我国则相反，根据我国的国情，我 国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国 的强项，采用钻爆法已成功修建了 5000多公里的铁 路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年增快。在我国， 一般认为小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性， 而钻爆段则具有相对的经济优势，对于10~20km的 特长隧道，可以对TBM施工和钻爆法施工进行经济 技术比较，选择适宜的施工工法；对于大于20km的 特长隧道，则宜优先采用TBM施工，另外对于穿越 长江、城市建筑物密集或地下水位较高的隧道，考虑 到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，则优 先考虑采用盾构法施工。

2.2.3断面适应性较差

断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工 较困难，而断面过大时，又会带来电能不足，运输困难， 造价昂贵等种种问题，一般的，较适宜采用TBM施 工的隧道断面直径在3~12m ;针对直径在12~15m的 隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素 综合比较；对于直径大于15m的隧道，则不能采用 TBM施工，另一方面，变断面隧道也不能采用TBM 施工。

2.2.4运输困难，对施工场地有特殊要求

TBM设备属于大型专用设备，全套设备重达几 千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达200 多米，同时洞外配套设施多，主要有混凝土搅拌系统， 管片预制厂，修理车间，配件库、材料库、供水、供 电、供风系统、运渣和翻渣系统，装卸调运系统，进 场场区道路，TBM组装场地等，这些对隧道的施工 场地和运输方案等都提出了很高的要求，可能有些隧 道虽然长度和地质条件都适合TBM施工，但运输道 路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场 地的条件。

2.2.5设备购置及使用成本大 （下转第60页）

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故障率，提高20小时掘进时间设备利用率。

(2)

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统，包括掘进、管片拼装、轨道、风筒、电缆延伸、

刀具选型异常重要，选择适宜于岩石地质 勾缝、豆粒石回填灌浆等多道工序，任何一个系统、

一道工序出现问题不能连续TBM设备就会面临停机, 应此保证各系统、各工序的效率，降低故障率是提高 TBM设备利用率的关键。

双护盾TBM施工时，管片拼装和掘进同步

(5)提高初设阶段的地质勘察工作程度，划分

条件的刀具进行掘进，降低刀具更换频率，减少刀具 非正常损坏率，可以有效保障掘进时间，提高设备利 用率。

(3)

进行，所以管片拼装速度对掘进速度会产生直接影响， 如果管片拼装速度慢于掘进速度，会影响TBM掘进 速度，降低设备利用率。

(4)

比较准确的围岩地质条件，明确不良地质带风险类别 和位置，有针对性做好前期准备工作，最大限度避免 突发事件的发生概率，是有效提高设备利用率的基本

由于TBM设备是一个综合性系统设备，包 要求。

含皮带机系统、风水电系统、机车系统等多个运行系

(上接第54页）

TBM施工需要高负荷的电力保

4结语

兰州水源地TBM1施工包括5#施工

证，需要高素质的技术员和管理队伍，前期购买设备 的费用较高，这些都直接影响TBM施工的适用性。

支洞K0+558.3 ~ K+3+535.04和输水主洞 T5+580 ~ T16+110TBM施工洞段

，

3

TBM选型

隧道施工前，应对掘进机进行选型，做到配套

5#施工支洞

(TBM进洞支洞）长度3535.04m, TBM施工段纵 坡-2.37%, TBM在5#支洞洞口外的工业广场组装, 步进滑行通过支洞558m钻爆施工段后，洞内始发 进行支洞掘进至主支洞交叉处（桩号T5+860)转 弯进人主洞，掘进长度2977m,转弯半径1000m，

合理，充分发挥施工机械总综合效率，提高机械化施 工水平。

(1)掘进机选型原则

① 安全性、可靠性、先进性、经济性和统一；②

转弯长度1300m。主洞桩号T5+860 ~ T15+100, 满足隧道外径、长度、埋深和地质条件、沿

纵坡0.1%, 其中桩号T5+860 ~ T11+221和 T12+717 ~ T15+100,采用 TBM 掘进，总长 7743m。

线地形以及洞口条件等环境条件；

③ 满足安全，质量，工期，造价及环保要求；④

主洞T11+221 ~ T12+717，总长1497m,属不良地质 后配套设备与主机配套，满足生产能力与主

地段，桩号T5+860 ~ T10+700段围岩类别为II类、 局部HI类；粧号T10+700 ~ T13+800段围岩类别为 IV类为主，局部V类；T13+800 ~ T15+100段，围岩 类别为m类为主，局部iv类。因水源地项目地质复杂 多变，根据地质资料显示有地质灾害发生的风险，鉴 于地质灾害风险问题突出，双护盾TBM既有应对地

机掘进速度相匹配，工作状态相适应，且能耗小，效 率高的原则，同时施工应具有安全、结构简单、配置 合理和易于维护保养的特点，进入隧道的机械，其动 力宜优先选择电力机械。

⑵掘进机选择步骤

① 根据地质条件确定掘进机的类型；②

质灾害的能力，又能髙效的完成掘进效率，因此双护 根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主

盾TBM作为首选机型。经实践检验，各方面配置满

要技术参数；

③

足选型要求，在实际应用过程中取得不错的掘进里程, 根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，

得到了各界的一致认可。

确定后配套设备的技术参数及功能配置。

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