TBM选型：如何选择适合的工程机械

TBM 选型应包括 3 方面内容：① 长隧洞采用钻爆法（DBM 法）施工与采用TBM 法施工之间选择；② 支撑式（开敞式）TBM 与双护盾（伸缩式）TBM 之间的选择；③ 同类TBM之间结构、参数比较选型。

（一）TBM 法与DBM 法两种施工方案的选择

1.TBM 法施工的优点

（1）快速。TBM 可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，并一次成洞，掘进速度快，效率高。

（2）优质。TBM 实行机械破岩，避免了爆破作业，围岩不会受到爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少，一般小于开挖隧洞断面积的5%，减少了衬砌量。

（3）安全。TBM 开挖隧道对洞壁外的围岩扰动少，影响范围一般小于 50 cm，容易保持围岩的稳定性；TBM 自身带有局部或整体护盾使人员可以在护盾下工作，有利于保护人员安全；TBM 配置有一系列的支护设备，在不良地质处可及时支护以保安全；TBM 是机械破岩，没有钻爆法的炸药等化学物质的爆炸和污染；TBM 操作自动化程度高，作业人员少，便于安全管理。

（4）经济。TBM 施工若只核算纯开挖成本是会高于钻爆法的，但成洞的综合成本是经济的。采用 TBM 施工，使单头掘进 20 km 隧道成为可能。可以改变钻爆法长洞短打、直洞折打的施工方法，代之以聚短为长、裁弯取直从而省时省钱。TBM 施工洞径尺寸精确，对洞壁影响小，可以不衬砌或减少衬砌从而降低衬砌成本。掘进机的作业人员少，人员费用少。掘进机的掘进速度快，提早成洞，可提早得益。

2.TBM 法施工的缺点

（1）全断面隧道掘进机的一次性投资成本较高。

（2）全断面隧道掘进机的设计制造需要一定周期，还有运输和安装调试时间，因此，从订货到实际能使用上掘进机需预留11～12 个月的时间。

（3）全断面隧道掘进机对地质比较敏感，不同的地质应需要不同种类的掘进机并配相应的设施。从上述的对比分析比较可以看出，TBM 法比钻爆法具有明显的快速、优质、经济、安全及环保等优点，如设计、工期、资金等条件许可，一般长隧洞施工应优选TBM 法。

3.TBM 法与钻爆发施工特点比较

（1）TBM 能同时进行破岩、出渣、支护、衬砌、一次成洞，其单端的施工速度较钻爆法双端开挖速度快2～3 倍。

（2）在合适的断面施工中，TBM 比钻爆法超挖小。

（3）TBM 较钻爆法对人员素质的要求较高，但使用劳动力少，作业强度低。钻爆法虽使用人工较多，但在我国工费低廉，又能解决大量就业人口，适宜国情。

（4）钻爆法粉尘、毒气排放量大，而TBM 相对较小。

（5）TBM 前期准备时间较钻爆法要长得多。

（6）TBM 在其经济长度即开挖在600～800D 范围内较经济。低于此数，TBM 单位掘进费用比钻爆法高。

（7）TBM 大大改善了作业条件，安全度大大提高，避免了钻爆法中不必要的人员伤亡。

（8）钻爆法对地质条件变化适应能力强，而TBM 相对较差。

（9）钻爆法前期投入相对TBM 大为减少。

（10）钻爆法在地质复杂时有较强的持续生产能力。TBM 与钻爆法各有优势，由于我国各地条件的多样性，哪种方法适合很难精确地定论。一般认为其经济性是重要的取舍标准。TBM 法与钻爆法施工特点比较如表19.3 所示。

表19.3　TBM 法与钻爆法施工特点比较

（二）TBM 机型的选择

TBM 选型主要考虑地质条件、隧洞埋深及其断面尺寸等，地质条件是最主要的；详细的评价包括：岩性、围岩类别、节理情况、裂隙宽度、涌水情况、断层破碎带宽度、膨胀岩存在的可能性等。

首先根据工程的地质情况，确定 TBM 的类型。根据工程所在区域的地质条件，分析洞壁稳定的情况。洞壁稳定性主要包括两个方面：一是隧洞成型后，自身是否稳定，即“是否稳得住”；二是洞壁能否为TBM 撑靴支撑提供可靠的着力点，在TBM 撑靴支撑的情况下洞壁是否稳定，即“是否撑得住”。

根据这两个指标来进行TBM 机型的初选：① 如果稳得住、撑得住，采用全开敞式TBM；② 如果稳不住、撑不住，采用护盾式TBM。(www.xing528.com)

1.开敞式TBM 适用范围

开敞式TBM 主要适用于岩石整体较完整，有较好自稳性的中硬岩地层。

在开敞式 TBM 上，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；当采取有效支护手段后，开敞式 TBM 也可应用于软岩隧道。开敞式 TBM 只需要有顶护盾就可以进行安全施工，如遇有局部不稳定的围岩，由 TBM 所附带的辅助设备通过打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、架圈梁等方法加固，以保持洞壁稳定；当遇到局部地段特软围岩及破碎带，则 TBM 可由所附带的超前钻及灌浆设备，预先固结前方上部周边一圈岩石，待围岩强度达到能自稳后，然后再进行安全掘进。采用开敞式 TBM 施工，掘进过程可直接观测到洞壁岩性变化，便于地质图描绘。采用开敞式TBM 施工时，永久性的衬砌待全线贯通后集中进行。

开敞式 TBM 支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，盘形滚刀切入岩石，在岩石面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，连续掘进成洞。

开敞式 TBM 主要用在岩石整体性较好、有一定自稳性的围岩的隧洞，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力。使用开敞式 TBM 施工，可以直接观测到被开挖的岩面，从而能方便地对已开挖的隧道进行地质描述。由于开挖和支护分开进行，使开敞式 TBM 刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备如圈梁安装器、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土设备等。如遇有局部不稳定的围岩，可以在 TBM刀盘后进行临时支护，如打锚杆、喷混凝土、加钢筋网、圈梁，以保持洞壁稳定；或钻超前孔并进行灌浆以固结前方围岩然后再掘进。因此，开敞式 TBM 运用及时有效的支护措施，能够胜任软弱围岩和不确定地质隧道的掘进功能。

在实际应用中，TBM 常会遇到复杂地质情况如断层、破碎带、局部软岩或者溶洞等，仅采用这些临时支护可能难以稳定围岩。在较软的破碎岩层中由于洞壁围岩的抗压强度低于TBM 支撑板的最小接地比压，以致TBM 无法支撑而不得不停止掘进。

2.双护盾TBM 适用范围

双护盾 TBM 是在 20 世纪70 年代在开敞式TBM、单护盾 TBM 及盾构的基础上发展起来的，双护盾 TBM 装备有两节护盾壳体，具有防止开挖面坍塌的功能，常用于复合岩层的 隧道掘进。双护盾 TBM 具有两种掘进模式，即双护盾掘进模式和单护盾掘进模式，分别适用于围岩稳定性好的地层、有小规模剥落的稳定性较好的地层和不良地质地段。当岩石软硬兼有，又有断层及破碎带，此时双护盾TBM 能充分发挥其优势。

遇软岩时，软岩不能承受支撑靴的压应力，TBM 不可能进行支撑盾支撑，机器便像一台简单的盾构那样工作，由位于盾尾的副推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌管片上以推进刀盘破岩前进。

遇硬岩时，岩石条件允许对洞壁进行适当的支撑，则靠支撑靴撑紧洞壁，由主推进液压油缸推进刀盘破岩前进，在双护盾开挖模式情况时，前护盾和刀盘通过支撑靴被锁定在岩面的后护盾向前推进，因此推进力和扭矩的反力都不传递到衬砌管片上。在支撑护盾后面，在尾盾壳的保护之下，依靠管片安装机的帮助，安装预制的钢筋混凝土衬砌管片。在较好的岩层，双护盾 TBM 的管片拼装作业和开挖作业能同步进行，进而实现高速、连续的掘进。在良好的岩石条件下，也可以省去隧道支护。

双护盾 TBM 对岩层具有广泛的适应性。既可以在非常硬的岩石中施工，目前有用这种TBM 在南非金矿项目中成功地实施和完成了在 450 MPa 超硬岩中的掘进的工程实例，也可以像普通单护盾TBM 一样在软岩、破碎带地层等不稳定地层中施工。

双护盾 TBM 常用于复杂岩层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧道，并能适应占部分隧道里程的各种不良地质，对岩石强度变化有较好适应性。

双护盾 TBM 在岩石单轴抗压强度为 30～120 MPa 时可掘性较好，以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的岩石隧道较适合采用双护盾TBM 施工。

3.单护盾TBM 适用范围

当隧道以软弱围岩为主，抗压强度较低时，适用于护盾式，但如果采用双护盾，护盾盾体相对于单护盾长，而且大多数情况下都采用单模工作，无法发挥双护盾的作业优势。单护盾盾体短，更能快速通过挤压收敛地层段；从经济角度看单护盾比双护盾便宜，可以节约施工成本。所以这种地质情况，宜采用单护盾TBM。

4.TBM 3 种机型比较

（1）开敞式掘进机主要适用于岩石整体较完整，有较好自稳性的中硬岩地层（50～350 MPa）。当采取有效支护手段后，也可适用于软岩隧道。

（2）双护盾式掘进机具有两种掘进模式，能有效地切削单轴抗压强度5～250 MPa 的岩石（30～120 MPa 最为理想）。

（3）单护盾式掘进机适用于软岩（岩石单轴抗压强度小于50 MPa 隧道的掘进。

TBM 3 种机型对比如表19.4 所示。

表19.4　TBM 3 种机型对比表

续表

（三）同类TBM 之间结构、参数比较选型

当支撑式TBM 与双护盾TBM 之间已经确定采用一种TBM 类型后，下一步就要进行同一类不同品牌的TBM 结构比较及特征分析，根据工程地质与水文地质条件、隧洞设计和工程特征确定TBM 结构及主要参数。我国自主产权的新一代TBM 产品还待研发，因此国内施工需要的TBM 及后配套，目前一般是采购国外优质产品，采取投标方式进行采购。