深埋长隧洞TBM主机选型研究

洪松 陈端 暴艳利

1TBM机型

TBM是集机械、电气、液压、激光、信息技术为一体的大型成套隧洞施工专用设备，是一座移动的隧洞施工工厂。

目前应用于隧洞的TBM主要有3种类型：即敞开式TBM、护盾式TBM和复合式TBM，护盾式TBM又分为单护盾TBM和双护盾TBM。

1.1 敞开式TBM

与护盾式TBM相比，敞开式TBM的一个最显著的特征就是除刀盘、主驱动、拱架安装器外，其他主机设备均敞露于隧洞围岩之下。敞开式TBM具备钻爆法施工的全部功能，可实现掘进、安装钢拱架、钻设锚杆孔、挂钢筋网（人工辅助）、钻设超前支护、超前注浆孔等，其护盾较短，一般长4 m左右，护盾及刀盘长度5 m左右，主机总长度约25 m。按其支撑类型，可分为单水平支撑和双X支撑两类，后者目前已较少使用。

敞开式TBM由主机、主机辅助设备、后配套及后配套辅助设备组成。

敞开式TBM主机主要由刀盘及刀具、刀盘护盾、主轴承及主驱动、润滑系统、主梁、支撑及撑靴、后支撑、推进系统、主机皮带机、液压系统、电气及控制系统、操作室等组成。

主机主要辅助设备有：超前钻机、钢拱架安装器、L1区应急喷混凝土系统、锚杆钻机、钢筋网辅助安装装置、二次通风系统、除尘系统、数据采集及处理和传输系统、激光导向系统等。

敞开式TBM主机如图1所示。

图1 敞开式TBM主机剖视图

1.2 护盾式TBM

1.2.1 单护盾TBM

单护盾TBM由主机、主机辅助设备、后配套及后配套辅助设备组成。

单护盾TBM主机主要由刀盘及刀具、主轴承及主驱动、润滑系统、护盾及稳定器、推进油缸、主机皮带机、管片安装机、液压系统、电气及控制系统、操作室等组成。

主机主要辅助设备有：超前钻机、刀具运输装置、二次通风系统、除尘系统、数据采集及处理系统、激光导向系统等。

单护盾TBM护盾长度一般在10 m左右，主机长11 m左右，如图2所示。

图2 单护盾式TBM主机剖视图

1.2.2 双护盾TBM

双护盾TBM由主机、主机辅助设备、后配套及后配套辅助设备组成。

双护盾TBM主机主要由刀盘及刀具、主轴承及主驱动、润滑系统、前盾及稳定器、主推进油缸、伸缩护盾（含内、外盾）、支撑护盾及撑靴、尾盾、辅助推进油缸、主机皮带机、管片安装机、液压系统、电气及控制系统、操作室等组成。

主机主要辅助设备有：超前钻机、刀具运输装置、二次通风系统、除尘系统、数据采集及处理系统、激光导向系统等。

双护盾TBM护盾长度一般在12 m左右，主机长13 m左右，如图3所示。

图3 双护盾式TBM主机剖视图

1.3 复合式TBM

目前较为成熟的复合式TBM机型是DSU-C，其为Double Shield Universal-Compact的缩写，直译即为紧凑型通用双护盾。DSU-C配置有推进油缸和辅助推进油缸，在不良地质洞段洞壁承载力低，以致撑靴无法工作时，可采用辅助推进油缸顶推钢管片（采用钢拱架安装器安装）以单护盾模式掘进；当洞壁围岩足以提供推进力时，则以撑靴支撑岩壁提供推进力，以敞开式模式掘进。其掘进模式较为灵活。

DSU-C主机与双护盾基本一致，以指形护盾取代双护盾TBM的尾盾。

主机主要辅助设备有：钢拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机、刀具运输装置、二次通风系统、除尘系统、数据采集及处理系统、激光导向系统等。

DSU-C护盾长度一般在11 m左右（含指形护盾），主机长12 m左右，如图4所示。

图4DSU-C主机剖视图

2 各型TBM优缺点分析

2.1 敞开式TBM

2.1.1 敞开式TBM的主要优点

（1）支护手段较为灵活，具备钻爆法施工的全部支护手段。

（2）盾体较短，且可在一定范围内沿径向收缩，护盾卡机概率相对较小且较易处理。

（3）设备价格相对较低。2.1.2 敞开式TBM主要缺点

（1）设备及施工人员暴露在隧洞围岩或初期支护之下，施工安全性比护盾式TBM低，尤其在强岩爆区施工存在较大安全风险。

（2）洞壁为软弱围岩时撑靴无法提供推进力，TBM无法掘进。

（3）深埋长隧洞一般布置施工支洞困难，导致单工作面独头掘进长度大，若采用敞开式TBM施工，则需在隧洞贯通后再进行现浇混凝土衬砌，使TBM月成洞进尺大大降低。

（4）受撑靴宽度限制，钢拱架间距需为900 mm左右（中型断面以上隧洞），小于此间距时，钢拱架不能嵌入撑靴上的拱架槽中，已安装的钢拱架将被撑靴压坏。为避免这一情况发生，需在撑靴通过前在已安装钢拱架周围喷射混凝土，将钢拱架埋入其中，这一过程大大降低了TBM的掘进速度。

（5）L1区应急喷混凝土系统工作时，对设备污染大，需覆盖保护，导致施工效率降低。

（6）锚杆钻机沿环绕主梁的齿圈运行，钻孔方向与齿圈相切，因此，锚杆的单杆钻深受齿圈切线长限制，在中、小直径隧洞中，锚杆钻机单杆钻孔深度较小、且锚杆与洞壁不垂直，使锚杆有效长度减小。

（7）Ⅳ、Ⅴ围岩洞段一次支护占用掘进时间，TBM纯掘进时间少，平均掘进进尺较慢。

2.2 护盾式TBM

2.2.1 单护盾TBM

2.2.1.1 单护盾TBM的优点

（1）与敞开式TBM相比，单护盾TBM的设备和施工人员在护盾或已衬砌管片的保护之下，安全性及洞内施工环境相对较好。

（2）与敞开式TBM相比，单护盾TBM由推进油缸向后顶推已安装管片提供推进力，不受围岩条件限制，在软岩段仍可掘进。

（3）与双护盾TBM相比，单护盾TBM无伸缩护盾，盾体比双护盾TBM短，护盾卡机概率相对较低、卡机处理相对容易。

（4）与双护盾TBM相比，单护盾TBM无伸缩护盾、支撑系统、辅助推进油缸，主机价格相对较低。

2.2.1.2 单护盾TBM的缺点

（1）与敞开式TBM相比，单护盾TBM盾体仍相对较长，护盾卡机处理相对困难。

（2）与双护盾TBM相比，单护盾TBM无独立支撑系统，推进油缸同时承担着辅助安装管片的功能，管片安装时需停止掘进，即TBM掘进和管片安装不能同时进行，综合掘进速度比双护盾低。

（3）因采用管片衬砌，单护盾TBM不宜用于内水压力超过0.6 MPa的输水隧洞的施工，若采用则需对相应洞段进行固结灌浆加固。

2.2.2 双护盾TBM

2.2.2.1 双护盾TBM的优点

（1）与敞开式TBM相比，双护盾TBM和单护盾TBM一样具有较好的安全性和软岩洞段的适应性。

（2）与单护盾TBM相比，双护盾TBM有推进系统和辅助推进系统，掘进和管片安装可同时进行，掘进速度相对较高。

2.2.2.2 双护盾TBM的缺点

（1）与敞开式和单护盾TBM相比，双护盾TBM盾体相对较长，护盾卡机概率相对较高且卡机处理相对困难。

（2）与单护盾TBM相比，双护盾TBM有伸缩护盾、支撑系统、辅助推进油缸，主机价格较高。

（3）因采用管片衬砌，不宜用于内水压力超过0.6 MPa的输水隧洞的施工，若采用则需对相应洞段进行固结灌浆加固。

2.3DSU-C

2.3.1 DSU-C的优点

（1）与敞开式TBM相比，DSU-C可由辅助推进油缸向后顶推已安装管片提供推进力，不受围岩条件限制，在软岩段仍可掘进。

（2）与敞开式TBM相比，DSU-C撑靴位于拱架安装器前方，拱架安装间距不受撑靴宽度限制，在一定程度上提高了支护效率。

（3）与护盾式TBM相比，DSU-C既可以护盾式模式掘进，又可以敞开式模式掘进，支护形式灵活，对地质条件适应性相对较强。

2.3.2 DSU-C的缺点

（1）与敞开式TBM相比，DSU-C盾体仍相对较长，护盾卡机概率相对较高且卡机处理相对困难。

（2）与敞开式TBM相比，DSU-C钢拱架安装器位于指形护盾内（相当于双护盾TBM的尾盾位置），其一次支护时间相对滞后，在稳定性较差洞段掘进时易因支护不及时引起塌方、掉块等。

（3）与单护盾及双护盾式TBM相比，DSU-C不配置管片安装器，采用拱架安装器安装钢管片效率低，通过不良地质洞段相对困难。

3 深埋长隧洞TBM主机选型原则

TBM主机选型是TBM施工隧洞工程关键的一环，必须慎之又慎。若所选TBM型式适合本工程地质条件，则项目可较顺利地进行，否则TBM将变成“特别慢”的代名词。TBM选型应遵循以下原则：

（1）在进行TBM选型前，尽可能探明隧洞沿线工程地质及水文地质情况，尤其对隧洞主要地质风险应有清晰的判断，对宽大断层带有较为准确地定位。

（2）以隧洞沿线普遍存在的主要地质条件作为选型的依据，而不应将局部洞段地质条件作为选型的依据。

（3）参与TBM选型的技术人员应与时俱进，摒弃不合时宜观念的约束，如十多年前曾普遍认为护盾式TBM只适用于浅埋隧洞施工，但法国Frejus Safety Gallery工程采用直径9.37 m单护盾TBM于2014年顺利完成最大埋深1 800 m隧洞的施工；伊朗某项目采用6.73 m双护盾TBM顺利完成最大埋深1 200 m隧洞的施工。可见，护盾式TBM通过针对性设计可以用于深埋隧洞的施工。

（4）要有“定制”的理念。TBM为非标设备，应针对工程地质条件和需要来“定制”TBM。

（5）依据隧洞沿线主要地质风险进行TBM选型，并对其扩挖能力、防卡机能力和脱困能力有针对性设计。

4 深埋长隧洞TBM主机选型

4.1 根据隧洞运行条件、隧洞结构选型

4.1.1 有压隧洞

当隧洞为输水隧洞、且最大内水压力超过0.6 MPa时，不宜采用护盾式TBM掘进、预制混凝土管片衬砌，经比较仍需采用时应对相应部位进行固结灌浆处理。

4.1.2 不衬砌隧洞

当隧洞仅锚喷支护，不进行二次混凝土衬砌时，不可采用单护盾TBM，不宜采用双护盾式TBM。

4.2 根据隧洞沿线地质条件选型

浅埋隧洞较早曾以Ⅱ、Ⅲ类围岩占比是否达85%作为选型依据，鉴于敞开式TBM已普遍采用了McNally设计，其对Ⅳ类围岩的适应性有所提高，建议将此比例降为80%。与浅埋隧洞不同，深埋隧洞的Ⅱ类围岩洞段并不一定就是“好”围岩洞段，而可能是易产生岩爆灾害的洞段，因此，即使在Ⅱ类围岩洞段，也可能需要进行钢拱架支护，在此情况下，支护的安全性和施工进尺均会降低。因此，在深埋长隧洞中，不能仅以Ⅱ、Ⅲ类围岩占比达80%以上作为选型依据，而应根据下列不同情况酌情选择。深埋长隧洞与TBM选型关系密切的两个主要地质风险是岩爆和围岩大变形，将此两种地质风险与围岩分类综合考虑进行深埋长隧洞TBM主机选型更为合理。

（1）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比达80%以上，隧洞围岩以硬岩为主，隧洞沿线主要地质风险为中等以上岩爆时，建议采用双护盾TBM。

（2）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比达80%以上，隧洞围岩以中硬岩为主，隧洞沿线主要地质风险为围岩大变形时，建议采用敞开式TBM或单护盾TBM。若采用敞开式TBM满足施工进度要求时，建议采用敞开式TBM；否则采用单护盾TBM，并将其护盾缩短。

（3）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比达80%以上，隧洞围岩软、硬相间，隧洞沿线主要地质风险为岩爆和围岩大变形时，建议采用单护盾TBM，并将其护盾缩短。

（4）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比在80%以下，隧洞围岩以硬岩为主，隧洞沿线主要地质风险为中等以上岩爆时，建议采用护盾式TBM。

（5）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比在80%以下，隧洞围岩以中硬岩为主，隧洞沿线主要地质风险为围岩大变形时，建议采用单护盾TBM，并将其护盾缩短。

（6）当隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比在80%以下，隧洞围岩为软、硬相间，隧洞沿线主要地质风险为岩爆和围岩大变形时，建议采用单护盾TBM，并将其护盾缩短。

4.3 TBM的针对性设计

作为选型的更深层次，还可对TBM进行以下针对性设计：

（1）对于各型TBM，均可采用浮动式刀盘设计，增大TBM扩挖能力。

（2）对于护盾式TBM，可采用倒锥形设计，为护盾预留足够变形空间，减小护盾卡机概率，同时减小管片承受的围岩变形压力。

（3）对于单护盾TBM，可大幅缩短护盾长度，减小护盾卡机概率。

（4）对于敞开式TBM，可增大护盾变径范围，减小护盾卡机概率。

针对不同地质条件的TBM主机选型见表1。

表1 深埋长隧洞TBM主机选型汇总表

5结语

深埋长隧洞地质条件复杂，采用TBM施工时，TBM主机型式的选择至关重要，选型正确与否直接关系到工程能否顺利进行，因此，TBM主机的选型一定要具有针对性。首先，参与TBM选择的技术人员应摒弃过时观念，以创新思维来“定制”TBM主机；其次，TBM选型不应止步于对敞开式、护盾式的选择，还应对已选定机型的扩挖能力、防卡机能力和脱困能力进行针对性设计。唯有如此进行深入研究，才可能获得对工程适应性好、通过性能强的TBM。