全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)

1、全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（FullFaceRockTunnelBoringMachine）簡(jiǎn)稱掘進(jìn)機(jī)或TBM,近十幾年來(lái)， 在國(guó)內(nèi)已被逐步推廣應(yīng)用，有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有過(guò)深刻的教訓(xùn)。甘肅引大入秦30A和38#輸 水隧洞共長(zhǎng)17km，采用國(guó)外TBM，刀盤(pán)直徑為5.53m，平均月進(jìn)尺980m，最高月進(jìn)尺達(dá)1400m； 山西引黃入晉南干線總長(zhǎng)86.242km，采用國(guó)外TBM，刀盤(pán)直徑為4.82m4.94m共4臺(tái)TBM 施工，平均月進(jìn)尺約784m，最高月進(jìn)尺達(dá)1821.49m，上述隧洞工程都采用雙護(hù)盾TBM，選 型正確，都取得了月進(jìn)尺世界先進(jìn)水平的好成績(jī)。近期遼寧大伙房引水隧洞工程，采用國(guó)外 支撐式TBM也都取

2、得了良好成績(jī)。廣西天生橋水電隧洞工程，在上世紀(jì)80年代中期首次引 進(jìn)國(guó)外TBM，刀盤(pán)直徑為10.8m支撐式TBM二手貨兩臺(tái)，10年來(lái)打打停停，累計(jì)掘進(jìn)只有7km多一些，是一個(gè)不理想的施工例子，問(wèn)題的原因很多，其中之一是選型不當(dāng)，教訓(xùn)是深TBM選型應(yīng)包括三方面內(nèi)容：（1）長(zhǎng) 隧洞采用鉆爆法施工與采用TBM法施工之 間的選擇；（2）支撐式（開(kāi)敞式）TBM與 雙護(hù)盾（伸縮式）TBM之間的選擇；（3） 同類TBM之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型。以上三 方面內(nèi)容在TBM選型時(shí)并非是截然分隔，往 往在最初階段對(duì)采用鉆爆法施工與采用TBM 法施工之間的選擇時(shí)，同時(shí)就考慮了支撐式 TBM與雙護(hù)盾TBM之間的選擇和同類

3、TBM之 間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型，進(jìn)入階段不同考慮深度也就逐步深入，為了便于分析，以下分別進(jìn) 行探討。1、長(zhǎng)隧洞采用鉆爆法施工與TBM法施工之間的選擇從TBM法與鉆爆法的相互特點(diǎn)比較中從優(yōu)選擇；從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、地形與地貌、 隧洞設(shè)計(jì)、工程特征及資金籌集等方面條件綜合分析比較后選擇。對(duì)不宜采用TBM法施工的 工程要盡量避免盲目采用，以免決策失誤而造成無(wú)法彌補(bǔ)的巨大損失。1.1TBM法與鉆爆法施工特點(diǎn)比較TBM法與鉆爆法施工特點(diǎn)比較可從掘進(jìn)速度、圍巖質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)核算、安全保障及環(huán)境保 護(hù)等方面進(jìn)行對(duì)比分析比較，見(jiàn)表1。從表1對(duì)比分析比較結(jié)果，TBM法比鉆爆法具有明顯 的快速、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全及環(huán)

4、保等優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)、工期、資金等條件許可，一般長(zhǎng)隧洞施 工應(yīng)優(yōu)選TBM法。1.2慎用或不宜采用TBM法（1）非圓形斷面隧洞，除非TBM帶有特殊可靠的輔助開(kāi)挖裝置，一般不宜采用；（2）無(wú)法籌集到購(gòu)買(mǎi)TBM及后配套設(shè)備的高昂資金；簽定TBM采購(gòu)訂單到設(shè)備運(yùn)到工地的間隔時(shí)間一般約一年左右，對(duì)急于開(kāi)工的隧洞 工程，時(shí)間上趕不及使用TBM的則無(wú)法采用；對(duì)1km以下短洞采用TBM法，TBM及后配套一次性投入費(fèi)用昂貴，對(duì)短洞群頻繁裝 拆轉(zhuǎn)移工地也很不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)慎用；工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件極差，如溶洞多又大，斷層多又寬，滲水、涌水、泥石流， 長(zhǎng)距離破碎帶等組合巖層，采用TBM法的風(fēng)險(xiǎn)極大時(shí)，應(yīng)慎用TBM法。2、支

5、撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間的選擇當(dāng)長(zhǎng)隧洞施工方法在TBM法與鉆爆法兩者之間已確定采用TBM法后，下一步就要選擇哪 一類TBM，TBM可分為支撐式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和擴(kuò)孔式等，單護(hù)盾式和擴(kuò)孔式TBM國(guó) 內(nèi)尚未被采用，對(duì)其了解也少，一般是在支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM兩者之間選擇，主要根據(jù) 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)要求、支護(hù)與襯砌型式和管片制作技術(shù)及模具成本等方 面綜合分析后確定。2.1支撐式TBM適用范圍支撐式TBM (圖1)適用于巖石整體較完整，有較好的自穩(wěn)性，因此支撐式TBM只需要有 頂護(hù)盾就可以進(jìn)行安全施工，如遇有局部不穩(wěn)定的圍巖，由TBM所附帶的輔助設(shè)備，可打錨 桿、加鋼絲網(wǎng)、

6、噴砼、架圈梁等方法加固，以保持洞壁穩(wěn)定；當(dāng)遇到局部地段特軟圍巖及破 碎帶，則TBM可由所附帶的超前鉆及灌漿設(shè)備，預(yù)先固結(jié)前方上部周邊一圈巖石，待圍巖強(qiáng) 度達(dá)到能自穩(wěn)后，然后再進(jìn)行安全掘進(jìn)；掘進(jìn)過(guò)程可直接觀測(cè)到洞壁巖性變化，便于地質(zhì)圖 描繪。永久性的襯砌待全線貫通后集中進(jìn)行。2.2雙護(hù)盾TBM適用范圍雙護(hù)盾TBM (圖2)是在20世紀(jì)70年代在支撐式TBM、單護(hù)盾TBM及盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上 發(fā)展起來(lái)的，主要適應(yīng)于通過(guò)復(fù)雜巖層，又人員及設(shè)備在護(hù)盾的保護(hù)下進(jìn)行工作，安全性也 較支撐式TBM為好。當(dāng)巖石軟硬兼有，又有斷層及破碎帶，此時(shí)雙護(hù)盾TBM能充分發(fā)揮其優(yōu) 勢(shì)，遇軟巖時(shí)，軟巖又不能承受支撐板的壓應(yīng)力，

7、則可由盾尾副推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的 預(yù)制襯砌管片上以推進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn)；遇硬巖時(shí)，則靠支撐板撐緊洞壁，由主推進(jìn)液壓缸推 進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn)。預(yù)制鋼筋混凝土襯砌管片在盾尾的保護(hù)下，由管片拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝，實(shí)現(xiàn) 邊掘進(jìn)邊襯砌，隧洞貫通襯砌也完成，不過(guò)掘進(jìn)與襯砌是交替進(jìn)行，不能同時(shí)并舉；這種邊 掘進(jìn)邊襯砌見(jiàn)不到洞壁巖性的變化，不能進(jìn)行地質(zhì)圖描繪。2.3支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM適用范圍選擇比較(見(jiàn)表2所示)3、同類TBM之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型當(dāng)支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間已經(jīng)確定采用一種TBM類型后，下一步就要進(jìn)行同一類 不同品牌的TBM結(jié)構(gòu)比較及特征分析，根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)和工程特征

8、 確定TBM結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的新一代TBM產(chǎn)品還待研發(fā)，因此國(guó)內(nèi)施工需要的 TBM及后配套，目前一般是采購(gòu)國(guó)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，采取投標(biāo)方式進(jìn)行采購(gòu)。現(xiàn)有雙護(hù)盾TBM產(chǎn)品，各TBM公司的結(jié)構(gòu)型式、工作原理都很相近，在此不作比較，僅對(duì)支 撐式TBM不同品牌結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)進(jìn)行探討。3.1支撐式TBM典型機(jī)型特征分析國(guó)外生產(chǎn)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的公司很多，根據(jù)構(gòu)造特征并還在正常生產(chǎn)的，以原生產(chǎn)公 司命名的典型機(jī)型有羅賓斯（Robbins）（圖3）、佳伐（Jarva）（圖4）和維爾特（Wirth） （圖5）等三種機(jī)型，其它公司的產(chǎn)品都可歸屬于以上三種機(jī)型之內(nèi)，我國(guó)各工廠原研制生 產(chǎn)的TBM都屬羅賓斯機(jī)

9、型。支撐式TBM典型機(jī)型特征見(jiàn)表3所示。3.2幾種支撐式TBM機(jī)型分析3.2.1 一對(duì)水平支撐式TBM（羅賓斯、NFM、海瑞克及小松機(jī)型等）優(yōu)點(diǎn)a結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，快速靈活。因只有一對(duì)水平浮動(dòng)支撐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換步快，提高了掘進(jìn)速 度；轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。對(duì)巖質(zhì)均勻，單軸抗壓強(qiáng)度40100Mpa，洞內(nèi)轉(zhuǎn)向，此型結(jié) 構(gòu)有突出優(yōu)勢(shì)；b利用水平浮動(dòng)支撐、推進(jìn)油缸、斜油缸、側(cè)支承進(jìn)行水平、垂直調(diào)向，操作方便并可 在掘進(jìn)中調(diào)向；c支護(hù)有鋼絲網(wǎng)安裝機(jī)，方便快捷；d刀盤(pán)表面焊接耐磨合金板，提高耐磨性，海瑞克機(jī)型裝刀凹槽作了特殊處理防止產(chǎn)生 裂縫；e羅賓斯機(jī)型采用19滾刀，承受推力大，破巖量大，增大了進(jìn)尺；f羅賓斯機(jī)

10、型配連續(xù)皮帶機(jī)出碴，已積累了經(jīng)驗(yàn)。（2）不足a定向性與穩(wěn)定性較差。單對(duì)水平浮動(dòng)支撐，電機(jī)與回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系前置，使整機(jī)重心靠前， 遠(yuǎn)離水平支撐，掘進(jìn)時(shí)機(jī)頭振動(dòng)大、噪聲大；羅賓斯公司對(duì)中小型支撐式TBM采用了球面刀 盤(pán)定心、增加前支承兩項(xiàng)措施來(lái)彌補(bǔ)上述不足，對(duì)大直徑TBM，羅賓斯公司也采用平面刀盤(pán)， 因前支承不是基準(zhǔn)點(diǎn)，前支承落洞底將隨洞底巖石破碎，松軟而下沉，整機(jī)又是懸臂支撐， 所以定向性、穩(wěn)定性差，一旦機(jī)頭下沉，糾正較難；b單對(duì)水平支撐，支撐力不足，抗轉(zhuǎn)矩小，易側(cè)滾，雖可用扭力缸糾偏，如經(jīng)常糾偏， 對(duì)盤(pán)形滾刀及大梁因受力過(guò)大而受損；c遇軟巖時(shí)，由于單對(duì)水平支撐板與巖石接觸面積所限，使接觸比壓大，巖

11、壁易塌陷， TBM在洞中進(jìn)退兩難；d掘進(jìn)時(shí)，水平浮動(dòng)支撐撐緊洞壁，前支承落洞底分擔(dān)機(jī)頭部分重量，與洞底摩擦前進(jìn)， 側(cè)支撐撐緊洞壁隨導(dǎo)向殼體與洞壁摩擦前進(jìn)，掘進(jìn)時(shí)要克服前支承和側(cè)支撐與洞壁摩擦阻 力，所以消耗推進(jìn)力大；eTBM推進(jìn)油缸支撐在水平支撐板與大梁之間，水平面內(nèi)有一夾角，產(chǎn)生側(cè)向分力，推 力受一定損失。3.2.2兩對(duì)X型支撐式TBM （維爾特與佳伐機(jī)型）優(yōu)點(diǎn)a兩對(duì)X型支撐，回轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)系中置或后置，整機(jī)重心在兩對(duì)X型支撐之間，定向 性、穩(wěn)定性好，避免了側(cè)滾與機(jī)頭下沉現(xiàn)象；b維爾特機(jī)型的兩對(duì)X型支撐，如TB880ETBM有8塊支撐板，每板4個(gè)油缸，共32油 缸，針對(duì)巖石軟硬，支撐力的大小

12、可以調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)支撐油缸的壓力和行程可以調(diào)正方向；c回轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)系中置或后置，留出刀盤(pán)后部空間，使前X型支撐前置，增加整機(jī)的 定向性與穩(wěn)定性；使圈梁安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)、混凝土噴射機(jī)前置，能及時(shí)支護(hù)；d安裝擴(kuò)孔刀2-3把，便于隨機(jī)擴(kuò)孔及預(yù)防意外卡緊時(shí)自身脫困；e前后推進(jìn)油缸分別支撐在外凱氏機(jī)架與導(dǎo)向殼體及內(nèi)凱氏機(jī)架突盤(pán)上，位置平等，無(wú)側(cè)向 分力，推力集中；f維爾特刀具潤(rùn)滑油內(nèi)含1%的異味劑（Molyvon），一旦滾刀軸承損壞、密封失效，異 味劑溢出，帶刺激性的奇臭，預(yù)警刀具損壞，可及時(shí)更換；g維爾特機(jī)型隨機(jī)一套步進(jìn)裝置，步進(jìn)方便靈活。（2）不足a兩對(duì)X支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遇故障，維護(hù)較困難；轉(zhuǎn)彎半

13、徑較大，轉(zhuǎn)向欠靈活；b多軸驅(qū)動(dòng)，占空間大，（p4m以下TBM更顯突出；c掘進(jìn)中不能調(diào)向，只能換步時(shí)調(diào)向;d上述優(yōu)點(diǎn)中存在X型支撐液壓缸活塞桿受彎矩的不利影響;e佳伐機(jī)型回轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)系后置，單根粗長(zhǎng)傳動(dòng)軸機(jī)械加工困難。3.3招投標(biāo)方式采購(gòu)TBM招標(biāo)商（工程業(yè)主或承包商）首先要完成招標(biāo)書(shū)，包括商務(wù)文件和技術(shù)文件，由招標(biāo)商 與國(guó)內(nèi)有關(guān)國(guó)際招標(biāo)公司合作完成，國(guó)際招標(biāo)公司側(cè)重商務(wù)文件的編寫(xiě)，對(duì)TBM結(jié)構(gòu)及主要 參數(shù)的要求都編寫(xiě)在技術(shù)文件中，明確提出對(duì)整機(jī)及各部件、系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)性能要 求和設(shè)計(jì)要求，要求投標(biāo)商（目前是外國(guó)TBM公司）用性能參數(shù)、工作原理、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)、 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、計(jì)算公式及數(shù)據(jù)、

14、圖表、圖紙等明確表述。確定TBM結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)是個(gè)重要 問(wèn)題，事前應(yīng)廣泛調(diào)查研究并對(duì)TBM現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)已有施工的同類TBM進(jìn)行類比， 根據(jù)TBM選型流程圖來(lái)確定，要求參加投標(biāo)的TBM及后配套質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)可靠，保證設(shè)備在規(guī)定 工期內(nèi)完成工程；外購(gòu)件及協(xié)作件應(yīng)附有產(chǎn)品制造商的資質(zhì)證明、用戶意見(jiàn)及產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)； 總報(bào)價(jià)及分部報(bào)價(jià)；服務(wù)條款的承諾等。投標(biāo)商根據(jù)招標(biāo)書(shū)的要求編寫(xiě)投標(biāo)書(shū)，投標(biāo)書(shū)要積極響應(yīng)招標(biāo)書(shū)的各項(xiàng)要求，并一一作 出應(yīng)答，重要問(wèn)題的遺漏，被視為不響應(yīng)招標(biāo)書(shū)的要求,將導(dǎo)致廢標(biāo)。因是招投標(biāo)方式采購(gòu)，TBM的具體結(jié)構(gòu)各品牌各有特色，當(dāng)投標(biāo)商已通過(guò)資格預(yù)審后， 則招標(biāo)商對(duì)TBM的結(jié)構(gòu)型式就無(wú)法再

15、選擇，全憑最后中標(biāo)而定。3.4TBM選型依據(jù)（1）TBM選型主要依據(jù)TBM選型主要從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件；隧洞設(shè)計(jì)；工程特征等。三方面考慮，參考上述TBM機(jī)型分析及TBM選型流程圖，如圖6所示。（2）從國(guó)外TBM系列中選擇主參數(shù)生產(chǎn)TBM的公司很多，其結(jié)構(gòu)基本上可歸納為上述的羅賓斯、佳伐和維爾特等三種機(jī)型。 羅賓斯公司和維爾特公司根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，已把TBM產(chǎn)品在公司內(nèi)部系列化，根據(jù)刀盤(pán)直 徑范圍不同，統(tǒng)一了刀盤(pán)推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率等主要參數(shù)，主要參數(shù)是基于巖石 單軸抗壓強(qiáng)度最大（約300Mpa）、工況最惡劣條件下確定的，國(guó)外公司介紹，如此考慮， 出于TBM適用范圍大些，巖石軟硬皆可

16、，當(dāng)一隧洞工程完工后還可轉(zhuǎn)移到另一不同巖性隧洞 工程施工。對(duì)中軟巖（地質(zhì)資料充分）長(zhǎng)隧洞，隧洞貫通，TBM已達(dá)到預(yù)期壽命，也就可以 報(bào)廢，如據(jù)以上考慮則參數(shù)選擇是過(guò)大了一些，因此可在同一直徑范圍，選擇低一檔參數(shù)為 宜,可使整機(jī)的重量減輕，費(fèi)用降低。4、自主產(chǎn)權(quán)新一代TBM產(chǎn)品研發(fā)對(duì)自主產(chǎn)權(quán)新一代TBM產(chǎn)品的研發(fā)很有必要，要從基礎(chǔ)抓起，務(wù)必做到如下5點(diǎn)：(1) 總結(jié)我國(guó)過(guò)去發(fā)展TBM的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)；(2)吸取國(guó)外先進(jìn)TBM的優(yōu)點(diǎn)，提出新機(jī)器的創(chuàng)新特 點(diǎn)；(3)從理論、設(shè)計(jì)、工藝、裝配及調(diào)試等方面全面研究；(4)主管領(lǐng)導(dǎo)、科研、院校、設(shè) 計(jì)、工廠等部門(mén)結(jié)合起來(lái)，有一批穩(wěn)定的專職科技隊(duì)伍并有技術(shù)全面一

17、流水平的領(lǐng)軍人物共 同攻關(guān)研制；(5)TBM研制要有依托工程，針對(duì)將要興建的隧洞工程進(jìn)行,研制經(jīng)費(fèi)要有保證。 另要處理好兩個(gè)關(guān)系，一是處理好吸取國(guó)外先進(jìn)TBM的優(yōu)點(diǎn)與自主創(chuàng)新之間的關(guān)系，只吸取 國(guó)外先進(jìn)TBM的優(yōu)點(diǎn)，最好也不過(guò)是仿制，只有創(chuàng)新才能有自己的特點(diǎn)；二是處理好TBM 國(guó)產(chǎn)化與全球化之間的關(guān)系，TBM是機(jī)械、電氣、液壓、激光、自控及計(jì)算機(jī)等于一體的高 科技技術(shù)，是全球高科技設(shè)備的部分集成，其中許多設(shè)備、部件與系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)已有很 先進(jìn)的成熟產(chǎn)品，所以沒(méi)有必要再去一一研制，只要外購(gòu)來(lái)裝配調(diào)試用之即可，著名的TBM 公司也都是如此做的，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)及科技隊(duì)伍水平，只要遵循一條正

18、確的技術(shù) 路線并能達(dá)到上述5點(diǎn)及處理好兩個(gè)關(guān)系，我國(guó)完全可以研制出世界一流水平的TBM，將在 我國(guó)南水北調(diào)西線長(zhǎng)隧洞宏偉工程建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。5、小結(jié)TBM法與鉆爆法相比較具有快速、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，一般長(zhǎng)隧洞施 工如條件許可應(yīng)優(yōu)選TBM法；對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞如采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，必須開(kāi)挖若干支洞以供主洞施工時(shí)出碴、通風(fēng) 等用，當(dāng)?shù)孛?、地形條件不容許開(kāi)挖支洞時(shí)，則TBM法是唯一選擇；TBM是高科技設(shè)備的集成，采用TBM法施工必須具備兩條必備條件，即熟練掌握TBM的高素質(zhì)操作、管理人員；保持TBM及后配套設(shè)備高度完好率。上述 必備條件是相互作用的，有了掌握科學(xué)技術(shù)高素質(zhì)的人員，才能保持設(shè)備的高度完好率，才 能發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)；受條件所限，不宜采用TBM法施工的隧洞工程，應(yīng)避免盲目采用，以免造成重大損 失；支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間的選擇，主要根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、支護(hù)與 襯砌型式和管片制作技術(shù)及模具成本等方面綜合分析后確定；TBM結(jié)構(gòu)選型及主要參數(shù)確定，應(yīng)廣泛調(diào)查研究并對(duì)TBM進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)同類TBM 進(jìn)行類比，根據(jù)TBM選型流程圖確定TBM結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)，在招標(biāo)書(shū)中明確提出對(duì)整機(jī)及各 部件、系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)性能要求和設(shè)計(jì)要求，使采購(gòu)的TBM設(shè)備技術(shù)性能先進(jìn)、產(chǎn)品 質(zhì)量?jī)?yōu)等，保證