隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunneling Boring Machine,簡(jiǎn)稱TBM)是一種集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)和通風(fēng)、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機(jī)械。掘進(jìn)機(jī)法是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層挖掘隧道的一種施工方法。

     隨著我國大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展,鐵路、公路、調(diào)水工程、水電工程、城市地鐵、市政供水供電和排污等重大工程越來越多,需要修建的長、大隧道也越來越多。由于工程規(guī)模大,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程施工速度、環(huán)保、質(zhì)量和效益要求高,傳統(tǒng)鉆爆破法施工技術(shù)已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)這一艱巨挑戰(zhàn)。因此,全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)必將在我國得到長足發(fā)展。

     掘進(jìn)機(jī)問世于1952年,由美國Robbins公司生產(chǎn),發(fā)展至今,技術(shù)上已經(jīng)很成熟。根據(jù)工程對(duì)象的變化,其類型也呈現(xiàn)出系列化和多樣化的特點(diǎn)。實(shí)踐證明:當(dāng)隧道長度與直徑之比大于600時(shí),采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道施工比較經(jīng)濟(jì)。國外3 m以上的隧道,使用掘進(jìn)機(jī)開挖已相當(dāng)普遍。掘進(jìn)機(jī)直徑隨工程對(duì)象的需要而變化,一般來說,水工隧洞直徑為3～10 m;鐵路隧道直徑為6～10 m;公路隧道,一般斷面較大,采用的施工方法有兩種:一種是采用直徑8～12 m的掘進(jìn)機(jī)一次成洞;另一種是采用小直徑的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行導(dǎo)洞施工,然后進(jìn)行鉆爆法擴(kuò)挖成形。截至21世紀(jì)初,國外采用掘進(jìn)機(jī)施工的隧道長度達(dá)4 000 km以上,掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)已逐漸成為一種成熟并具高競(jìng)爭(zhēng)力的隧道施工技術(shù)。

     掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)的區(qū)別主要有:全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主要是通過盤形滾刀破碎巖石,是以巖石地層為掘進(jìn)對(duì)象,不具備泥水壓、土壓等維護(hù)掌子面穩(wěn)定的功能,一般用在山嶺隧道或大型引水工程,掘進(jìn)機(jī)主要采用皮帶機(jī)出渣;盾構(gòu)主要用于軟土層的挖掘,一般用在城市地鐵及小型管道工程。盾構(gòu)由穩(wěn)定開挖面、掘進(jìn)及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素組成,其中開挖面的穩(wěn)定方法是其工作原理的主要方面,這也是盾構(gòu)區(qū)別于TBM及比TBM復(fù)雜的主要方面。盾構(gòu)在刀盤上除切刀外還布置一定數(shù)量的滾刀,以適應(yīng)遇到的短距離巖石段。盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)或泥漿管路出渣。

1、掘進(jìn)機(jī)法簡(jiǎn)介

1)TBM法與鉆爆法比較

      在隧道施工方法上,TBM法和鉆爆法都是隧道施工的成熟工法。鉆爆法較TBM法工序多、施工組織復(fù)雜、工期較長、超欠挖量大、安全性差,但地質(zhì)適應(yīng)能力較好。TBM法與鉆爆法相比的優(yōu)勢(shì)在于工序簡(jiǎn)單、施工速度快、安全性好。從技術(shù)上比較,TBM法適用于工期要求緊、且以硬質(zhì)巖為主的圓形長隧道,而鉆爆法則適用于短隧道、地質(zhì)條件較復(fù)雜的且不適合TBM法快速施工的工程。

2)TBM施工的優(yōu)點(diǎn)

      掘進(jìn)機(jī)是山嶺隧道高度機(jī)械化的開挖設(shè)備。與鉆爆法相比,掘進(jìn)機(jī)法雖然投資多,但具有施工快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)。

(1)快速

      掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率高,其掘進(jìn)速度為常規(guī)鉆爆法的3～5倍。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè),從而可保證破巖、出渣、支護(hù)流水化作業(yè)。而鉆爆法施工,鉆眼、爆破、通風(fēng)、出渣等作業(yè)是間斷性的,因而開挖速度慢、效率低。

(2)優(yōu)質(zhì)

      掘進(jìn)機(jī)開挖施工質(zhì)量好。采用掘進(jìn)機(jī)開挖的隧道內(nèi)壁光滑,從而可以減少支護(hù)工程量,降低工程費(fèi)用。而鉆爆法開挖的隧道內(nèi)壁粗糙、凹凸不平,且超欠挖量大,襯砌時(shí)處理困難,支護(hù)費(fèi)用高。掘進(jìn)機(jī)開挖隧道的洞壁粗糙率一般為0.019,比鉆爆法光面爆破的粗糙率還小17%。掘進(jìn)機(jī)開挖洞徑尺寸精確、誤差小,可控制在±2 cm范圍內(nèi)。

(3)安全

      TBM法對(duì)巖石的擾動(dòng)小,影響范圍一般小于50 cm,可大大改善開挖面的施工條件,且周圍巖層穩(wěn)定性較好,從而得到安全的邊界環(huán)境。掘進(jìn)機(jī)自身帶有局部護(hù)盾或整體護(hù)盾,有利于施工人員的安全。同時(shí),機(jī)器上配置一系列的支護(hù)設(shè)備,在不良地質(zhì)處可及時(shí)支護(hù),確保施工安全。且由于掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化程度高,并配置電視監(jiān)控和通信系統(tǒng),作業(yè)人員少,便于安全管理。

(4)環(huán)保

      開挖時(shí)采用機(jī)械進(jìn)行破巖,無鉆爆法用的炸藥等化學(xué)物質(zhì)爆炸及污染,人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、數(shù)量少,作業(yè)環(huán)境好,有利于作業(yè)人員的健康。另外,掘進(jìn)機(jī)采用了計(jì)算機(jī)控制、傳感器、激光導(dǎo)向、測(cè)量、超前地質(zhì)探測(cè)、通信技術(shù),是集機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備,具有自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)具有施工數(shù)據(jù)采集功能、姿態(tài)管理功能、施工數(shù)據(jù)管理功能、施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳功能,實(shí)現(xiàn)了信息化施工。

3)TBM施工的局限性

      掘進(jìn)機(jī)施工法與鉆爆法相比,具有以下局限性:

①掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問題。由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)零部件的耐久性要求較高,因此制造的價(jià)格較高,前期一次性投資成本費(fèi)用較高,工程建設(shè)投資高。

②設(shè)計(jì)制造周期長。根據(jù)目前市場(chǎng)情況,采購周期一般需要12～15個(gè)月,主要是關(guān)鍵部件,如主軸承、大排量液壓泵,目前只有少數(shù)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)。

③掘進(jìn)機(jī)針對(duì)性強(qiáng),對(duì)多變的地質(zhì)條件(如斷層、破碎帶、溶洞、擠壓帶、涌水及堅(jiān)硬巖石等)的適應(yīng)性較差。不同地質(zhì)條件需要不同種類的掘進(jìn)機(jī)及相應(yīng)的配置,因此其適應(yīng)性沒有鉆爆法靈活。

④開挖斷面只限于圓形,每臺(tái)掘進(jìn)機(jī)只能用于一種開挖斷面。

⑤要求施工人員的技術(shù)水平和管理水平高,施工短隧道時(shí)不能發(fā)揮其優(yōu)越性。

⑥運(yùn)輸困難,對(duì)施工場(chǎng)地有特殊要求。

2、掘進(jìn)機(jī)法的應(yīng)用

1)TBM的應(yīng)用范圍

      掘進(jìn)機(jī)和輔助施工技術(shù)的日臻完善,以及現(xiàn)代高科技成果的應(yīng)用(液壓新技術(shù)、電子技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)等),大大提高了巖石掘進(jìn)機(jī)對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。如果簡(jiǎn)單地從開挖可能性上看掘進(jìn)機(jī)的適用范圍是不全面的,必須根據(jù)巖石的抗壓強(qiáng)度,裂隙、節(jié)理發(fā)育狀態(tài),涌水狀態(tài)等地層巖性條件的實(shí)際狀況、機(jī)械構(gòu)造,以及隧道的斷面、長度、埋深、選址條件等進(jìn)行判斷,綜合考慮。

(1)對(duì)地質(zhì)條件的要求

      掘進(jìn)機(jī)適用于隧道長度6～7 km以上,圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度為50～200 MPa。從地層巖性條件來看,掘進(jìn)機(jī)一般只適用于圓形斷面隧道,隧道開挖直徑為3.0～12 m,一次性連續(xù)開挖隧道長度不宜短于6 km,通常6～15 km比較經(jīng)濟(jì)。若隧道施工太短,則掘進(jìn)機(jī)的折舊費(fèi)用和待機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間占工程的總費(fèi)用和時(shí)間的比例必然增加。但如果一次性連續(xù)開挖施工的隧道太長,掘進(jìn)機(jī)維修及輔助工序時(shí)間長,自然要增加費(fèi)用和延長施工時(shí)間。

      掘進(jìn)機(jī)適用于中硬巖層,需注意的是,巖層的地質(zhì)情況對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)尺影響很大。在良好巖層中,掘進(jìn)機(jī)月進(jìn)尺可達(dá)500～600m,而在破碎巖層中,月進(jìn)尺只有100 m左右,在塌陷、涌水、暗河、溶洞地段甚至要通過安全停機(jī)處理故障后才能掘進(jìn)。鑒于掘進(jìn)機(jī)對(duì)不良地質(zhì)條件十分敏感,選用掘進(jìn)機(jī)開挖施工隧道時(shí)應(yīng)盡量避免復(fù)雜地層,或增加較多的輔助設(shè)備,才能處理不良地質(zhì)段(但增加輔助設(shè)備會(huì)增加設(shè)備的成本)。

以下地質(zhì)條件一般不適宜掘進(jìn)機(jī)的施工:塑性地壓大的軟弱圍巖;類砂性土構(gòu)成的軟弱圍巖和具有中等以下膨脹性的圍巖;斷層破碎帶,巖溶發(fā)育帶,嚴(yán)重涌水地段,巖石單軸抗壓強(qiáng)度超過250 MPa的極硬巖,且節(jié)理不發(fā)育、高硬度或高拉伸強(qiáng)度及高磨蝕性巖石。

(2)對(duì)工期的要求

     掘進(jìn)機(jī)的工期應(yīng)包括掘進(jìn)機(jī)的前期準(zhǔn)備、掘進(jìn)襯砌、拆卸轉(zhuǎn)場(chǎng)全過程的工期。掘進(jìn)機(jī)的工期應(yīng)滿足工程施工要求:

①掘進(jìn)機(jī)前期工作:設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、場(chǎng)地、安裝、調(diào)試、步進(jìn)等應(yīng)滿足預(yù)定的隧道掘進(jìn)工期要求。

②掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工期滿足預(yù)定的隧道開挖所需的工期。

③對(duì)于隧道襯砌成洞總工期應(yīng)滿足預(yù)定工期要求。

④掘進(jìn)機(jī)的拆卸轉(zhuǎn)場(chǎng)應(yīng)滿足預(yù)定的后續(xù)工期要求。

(3)對(duì)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性的要求

      采用掘進(jìn)機(jī)一次性連續(xù)開挖隧道長度不宜小于6～7 km,以8 km以上為最佳。隧道施工太短,掘進(jìn)機(jī)的制造費(fèi)用和待機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間占工程的總費(fèi)用和時(shí)間的比例必然增加。如果一次性連續(xù)開挖施工的隧道太長,超出掘進(jìn)機(jī)大修期限(一般8～10 km)則會(huì)增加費(fèi)用和延長施工時(shí)間。

掘進(jìn)機(jī)成洞總費(fèi)用由系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)、襯砌止水費(fèi)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備折舊費(fèi)三部分組成。

就目前國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)使用測(cè)算情況看,掘進(jìn)機(jī)施工的成洞費(fèi)用一般高于鉆爆法成洞的總費(fèi)用,主要由以下原因造成:

①掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的折舊費(fèi)從理論上分析一般應(yīng)按20 km的掘進(jìn)長度分?jǐn)?而實(shí)際操作時(shí),隧道承包人會(huì)比較現(xiàn)實(shí)地將掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的折舊費(fèi)分?jǐn)偟浆F(xiàn)有的承包長度上,因?yàn)楹罄m(xù)工程無法確定。這樣就造成每延米設(shè)備的折舊成本的提高,大大地增加了掘進(jìn)機(jī)成洞的總費(fèi)用。

②與鉆爆法相比,掘進(jìn)機(jī)開挖對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)較小,因此掘進(jìn)機(jī)開挖隧洞時(shí),其鋼筋混凝土襯砌厚度可較鉆爆法薄。根據(jù)新奧法原理,有的可以不襯砌。這樣可以大大降低襯砌費(fèi)用,從而降低掘進(jìn)機(jī)的成洞費(fèi)用。但由于目前我國尚無掘進(jìn)機(jī)成洞混凝土襯砌規(guī)范,所以隧道襯砌仍然沿用鉆爆法施工的襯砌,造成掘進(jìn)機(jī)施工成洞成本的增加。

③掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)的組成為:掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)=電耗費(fèi)+水氣費(fèi)+刀具、備件費(fèi)+人工費(fèi)+管理費(fèi)+利潤+稅金。由此可見,掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)與掘進(jìn)成洞速度直接相關(guān)聯(lián),工程管理好、掘進(jìn)速度快的工程,每延米掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用就相應(yīng)降低。因此,掘進(jìn)機(jī)施工需要高素質(zhì)的管理人員和熟練的技術(shù)工人,這樣可確保掘進(jìn)機(jī)的完好率,提高掘進(jìn)速度。

      綜上所述,正確的選型、合理使用、優(yōu)化襯砌以及設(shè)備的合理攤銷,是降低掘進(jìn)機(jī)成洞費(fèi)用的主要措施。對(duì)于長度大于8 km以上的隧道使用掘進(jìn)機(jī),施工成洞總費(fèi)用小于或等于鉆爆法總費(fèi)用是完全可以做到的。

      另外,采用掘進(jìn)機(jī)開挖與鉆爆法相比,隧道總體設(shè)計(jì)時(shí)常用洞線裁彎取直的方法而大量節(jié)約工程費(fèi)用;同時(shí),掘進(jìn)機(jī)施工比鉆爆法進(jìn)尺速度快,可使工程提前完工產(chǎn)生可觀的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

(4)對(duì)機(jī)械條件的要求

      掘進(jìn)機(jī)的適用性還受機(jī)械條件的限制,如使用刀盤旋轉(zhuǎn)掘削時(shí)有開挖直徑的問題。直徑加大,會(huì)產(chǎn)生因切削刀盤周邊的線速度加大而影響開挖,以及沒有能承受巨大推力的軸承等問題。挖掘機(jī)械是采用壓碎方式還是切削方式,對(duì)實(shí)際應(yīng)用的適用范圍也有差別。

(5)對(duì)作業(yè)場(chǎng)地和運(yùn)輸方案的特殊要求

      掘進(jìn)機(jī)屬大型專用設(shè)備,全套設(shè)備重達(dá)幾千噸,最大部件的質(zhì)量達(dá)上百噸,拼裝長度最長達(dá)200多m。同時(shí),洞外配套設(shè)施多,主要有混凝土攪拌系統(tǒng)、管片預(yù)制廠、修理車間、配件庫、材料庫、供水、供電、供風(fēng)系統(tǒng)、裝卸調(diào)運(yùn)系統(tǒng)、進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)道路、掘進(jìn)機(jī)組裝場(chǎng)地等。這些對(duì)隧道的施工場(chǎng)地和運(yùn)輸方案等都提出了很高的要求,有些隧道雖然長度和地質(zhì)條件較適合掘進(jìn)機(jī)施工,但運(yùn)輸?shù)缆冯y以滿足要求,或者現(xiàn)場(chǎng)不具備布置掘進(jìn)機(jī)施工場(chǎng)地的條件。

      當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開挖直徑過大時(shí),會(huì)帶來運(yùn)輸困難、造價(jià)昂貴、電能不足等一系列問題,因此可采用小直徑掘進(jìn)機(jī)先行,后部鉆爆法擴(kuò)大到設(shè)計(jì)斷面的混合套打法。由于掘進(jìn)機(jī)開挖小直徑的洞室,形成臨空面,可使鉆爆法開挖速度提高2～3倍。

(6)對(duì)企業(yè)自身實(shí)際能力的要求

      對(duì)企業(yè)自身能力的要求包括:制造維修能力,經(jīng)濟(jì)能力,施工隊(duì)伍的技術(shù)、管理水平以及傳統(tǒng)的施工習(xí)慣等。