浅谈掘进机（TBM）施工技术

吴一民+杜菁

[摘要]：本文综述了隧道掘进机（TBM）施工技术的国内外现状，介绍了该法存在的优缺点，举例了部分创新的掘进机技术工法，并针对现况，展望了隧道掘进机的应用前景。

[关键词]：隧道掘进机； TBM； 现况； 展望

[引言]：

随着地下工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高， 隧道掘进机施工技术在中国得到了快速应用和发展。隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道的大型高科技施工装备， 它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。按照地层条件和具体施工方法的不同， 一般将隧道掘进机分为三类， 即盾构掘进机（shield machine）、岩石掘进机（tunnel boring machine ， TBM）和顶管掘进机（pipe jacking machine）。

广泛使用遥测、遥控、电子、信息技术对全部作业进行制导和监控是现代掘进机技术最大特点，使掘进过程始终处于最佳状态， 使掘进机向着机械、电气、液压和自动控制一体化、智能化设备方向发展[1]。

1、掘进机法的国内外现状

TBM施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，其应用实例甚少。五六十年代随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高发展较快。迄今为止，世界上采用TBM施工的隧道超过1000座，总长度超过4000km，已逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。

英吉利海峡隧道的贯通运行体现了掘进机法施工技术应用的最高水平。英吉利海峡隧道外径8.6m单线铁路隧道与1条外径5.6m辅助隧道组成。全长48.5km全部采用TBM施工。英国侧6台，岸边段3台海底段3台（单向推进21.2km）。法国侧5台，岸边段2台海底段3台。最深处需承受10atm水压力，平均月进尺1000m/月。所以该隧道的建成标志着成TBM施工技术的最新水平，也是融合了英、美、法、德等国家掘进机法施工技术于一体的最高成就。

我国1966年生产出第1台直径φ3.4m的掘进机，在杭州人防工程中进行过试验。20世纪70年代进入工業性试验阶段，研制出SJ55，SJ58，SJ64，EJ30型掘进机。20世纪80年代进入实用性阶段，研制出SJ58A，SJ58B，SJ40/45，EJ30/32，EJ50 型掘进机，在河北引滦、福建龙门滩、青岛引黄济青、云南羊场煤矿、贵阳煤矿、山西古交和怀仁煤矿等工程中使用。当时，我国掘进机与国外掘进机相比较，在技术性能和可靠性等方面还有相当大的差距[3]。

自1978年我国实行改革开放以来，引入国外大型TBM进行隧道施工，取得了成功。2003年由中国第二重型机械集团公司和美国Robbins 公司合作的新一代φ 3.65m双护盾掘进机在四川德阳二重集团公司内制造完工。该掘进机的研制成功是我国重大装备制造业取得的一项重要成果[4]。近期，沈阳重型机械集团公司与德国维尔特钻掘设备制造公司以及法国NFM技术公司三方共同投资创建了沈阳维尔特重型隧道工程机械成套设备公司。

2、隧道掘进机（TBM）法优缺点

2.1TBM法的优点

2.1.1掘进效率高。掘进机开挖时，可以实现连续作业，从而可以保证破岩、出渣、支护一条龙作业。特别在稳定的围岩中长距离施工时，次特征尤其明显。与此对比，钻爆法施工中，钻眼、放炮、通风、出渣等作业是间断性的，因而开挖速度慢、效率低。掘进效率高是掘进机发展快的主要原因。

2.1.2掘进机开挖施工质量好，且超挖量少。掘进机开挖的隧道内壁光滑，不存在凹凸现象，从而可以减少支护工程量，降低工程费用。而钻爆法开挖的隧道内壁粗糙不平，且超挖量大、衬砌厚、支护费用高。

2.1.3对岩石的扰动小。掘进机开挖施工可以大大改善开挖面的施工条件，而且周围岩层稳定性较好，从而保证了施工人员的健康和安全。

2.2 TBM法的缺点

2.2.1掘进机对多变的地质条件（断层、破碎带、挤压带、涌水及坚硬岩石等）的适应性较差。但近年来随着技术的进步，采用了盾构外壳保护型的掘进机，施工既可以在软弱和多变的底层中掘进又能在中硬岩层中开挖施工。

2.2.2掘进机的经济性问题。由于掘进机结构复杂，对材料、零部件的耐久性要求高，因而制造的价格较高。在施工之前就需要花大量资金购买部件和制造及其，因此工程建设投资高，难用于短隧道。

2.2.3施工途中不能改变开挖直径。如用同一种机型开挖不同直径的断面，在硬岩的情况下更换附属不见，在数十厘米范围内，还是可能的。

2.2.4开挖断面的大小、形状变更难，在应用上收到一定的制约。

3、掘进机法的创新技术、工法

双护盾式TBM又称伸缩护盾式TBM， 适用于混合地层施工， 既可用于硬岩， 又可用于软岩， 其地质适应性非常广泛。双护盾式TBM同样具有全圆护盾， 使其在采取必要措施的情况下， 能安全穿越软土、砂土地层， 甚至于断层破碎带同时因其双护盾构造， 在较坚硬的围岩中掘进时前护盾与刀盘一同向前推进， 后护盾用两边的撑靴撑紧在岩石上， 为刀盘推进提供顶推力这样因掘进所需要的顶推力不由已完成的衬砌环提供， 使掘进与安装管片可以同时进行， 加快了施工速度。伸缩护盾形式是双护盾TBM的独有的技术特点， 是实现软硬岩作业两种工作模式转换的关键[6]。

4、结论

长隧道工程要求不断完善TBM，使之能更好地满足工程建设的需要。TBM 的发展趋势可归纳如下：首先，要求TBM 能更适应不利的地质条件。从发展趋势来讲，将趋向于两极化。这就是既要设计能适合复杂地质条件使用的、费用高的多功能TBM，又要生产用于地质条件简单、廉价的TBM。其次，目前公路隧洞因多车道的需要，要求大断面，预计今后TBM 将更趋大直径化。因此，大直径TBM的设计制造和部件运输组装是其技术上的主要趋势之一。第三，未来的发展方向之一是全自动化TBM。第四，由于计算机硬件和软件的迅速发展，TBM 计算机优化设计和施工系统的开发也是发展方向之一。第五，目前主要用于工业和民用管道施工的微型TBM发展很快。

[参考文献]：

[1]钱七虎，李朝甫，傅德明. 隧道掘进机在中国地下工程中应用现状及前景展望[J]. 地下空间，2002，01：1-11+93.

[2]彭琦. 隧道掘进机技术的发展和研究现状[J]. 隧道建设，2013，06：443-448. 术，2006，05：23-30.