TBM在铁路隧道施工中的应用前景
TBM在铁路隧道施工中的应用前景
1 TBM的发展历史
全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、光、电、气、液、信息技术于一体的隧道施工成套专用设备。目前已广泛应用于地铁、公路、铁路、水电、市政等隧道工程，具有安全、快速、自动化程度高、对环境影响小、实现工厂化作业的特点。
隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。通常定义中的TBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。而盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM的主要方面。
现代的TBM采用了机械、电气和液压领域的高科技成果，运用计算机控制、闭路电视监视、工厂化作业，是集掘进、支护、出碴、运输于一体的成套设备。采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的施工工法有了质的飞跃。
TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊于开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功使用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。
自美国罗宾斯（Robbins）公司1952年开发制造出了现代意义上的第一台软岩TBM后，1956年研制成功中硬岩TBM。从此，TBM进入了快速发展时期。目前，在世界范围内的TBM生产商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已经相当成熟，为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了坚实的基础。
2 TBM的分类及地质适应性
目前，TBM主要分为以下三种类型，并分别适应于不同的地质。
① 开敞式TBM。常用于硬岩；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，也可应用于软岩隧道。
② 双护盾TBM。对地质具有广泛的适应性，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。
③ 单护盾TBM。常用软岩，单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有两点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵以通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土仓压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。
一般情况下，整条隧道地质情况都差的条件下（但掌子面能自稳）使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，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，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。
3 国内使用TBM的情况介绍
我国的水利水电工程最早使用TBM施工。早在七十年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM，直径为?.8m。1985年～1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，直径为?0.8m，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m。1991年～1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造的?.54m双护盾式TBM施工，TBM应用较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m。随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m 的纪录；其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工，开挖直径为?.125m；南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造，直径为?.82m～?.94m。目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台?.03m开敞式TBM；正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km；采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，计划采用1台德国海瑞克公司制造的?.755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度计划为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造的?.93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度为计划为19 .94km。
在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭Ⅰ线隧道开始的，至目前为止，仅有三个工程使用了开敞式TBM，具体如下：
1）秦岭Ⅰ线隧道
全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台?.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。
2）磨沟岭隧道
磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ⅰ线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m。通过施工，成功掌握了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。
3）桃花铺1号隧道
西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ⅰ线隧道出口段）。最高月进尺为551.82 m。
4 TBM施工的优点
1) 快速
TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。
2) 优质
TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。
3) 高效益
TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。
4) 安全
用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。
5) 环保
TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；施工沉降小，有利于地面建筑物的保护；掘进速度快，工期比较容易得到保证；TBM施工减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境；如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。
6）自动化、信息化程度高
TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工。
5 TBM施工的缺点
TBM的地质针对性较强，不同的地质条件、不同的隧道断面，需要设计成满足不同施工要求TBM，需要配置适应不同要求的辅助设备。
1）地质适应性较差
TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。
一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用敞开式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。
2）不适宜中短距离隧道的施工
由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。但根据我国的国情，我国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多公里的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于大于10km的特长隧道，从科学发展观和生态环境的保护方面考虑，则宜优先采用TBM法施工。另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，则宜优先考虑采用盾构法施工。
3）断面适应性较差
断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难；而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3m～l 2m；对直径在1 2m～1 5m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于1 5m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。
4）运输困难，对施工场地有特殊要求
TBM属大型专业设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达2 00多米。洞外配套设施多，主要有混凝土拌和系统、管片预制厂，修理车间、各种配件、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，可能有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。
5）设备购置及使用成本大
TBM施工需要高负荷的电力保证、需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。
6 TBM的经济技术指标
1）进度指标
TBM施工在一定的地质条件下可实现快速施工，其施工进度一般是钻爆法的3～6倍。如引大入秦30A隧洞使用双护盾TBM施工时，从1991年3月开始，连续突破月进度1000m，最高月进尺达1300m，而钻爆法施工在同类地质条件下的月平均进度仅为140m。
表1 钻爆法施工的平均进度指标（参考指标）
围岩级别 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级
循环进尺 3.5m 3.0m 1.2～1.5m 0.6～1.0m
月进度指标 200m 160 m 80 m 40 m
2）成本指标
单线铁路隧道采用TBM施工或钻爆法施工的综合成本指标对比见下表。
表2 单线铁路隧道钻爆法与TBM法成本指标（参考指标）对比
运行速度 钻爆法施工（万元/延米） TBM施工（万元/延米） 比率
350km／h 3.81 5.2 1.36
250km／h 3.25 4.9 1.51
200km／h 2.97 4.8 1.65
7 TBM的施组特点
1）应充分考虑到TBM设备的采购周期较长（制造周期为11～12个月）的特点，按工期要求，有计划地合理组织好TBM及后配套设备的采购工作。
2）应充分考虑TBM对地质的适应性，根据隧道的围岩条件选用适应地质条件的TBM，合理组织好TBM及后配套设备的选型，并组织好TBM设备的监造工作。
3）应充分考虑到使用TBM的特殊性，作好施工现场的准备工作，包括用电线路的架设，通往施工现场的道路、桥梁的修筑和加固，临时工程的施工工作，组织好TBM大件的运输、安装、调试、掘进准备工作，并作好技术培训和材料、机具需要量计划；这些与TBM的购置同步进行。
4）应充分考虑TBM施工的特点和TBM通过特殊地质地段的设计方案、工程措施以及场地及水电情况对TBM的特殊要求。
8 几点建议
1）隧道断面越小或隧道长度越短，采用TBM施工相对越不经济，建议对于运行速度目标值较高的客运专线单线隧道可适当采用TBM施工。
2）铁道部在秦岭隧道施工时已引进了两台?.8m开敞式TBM，适用于时速160km/h的铁路单线隧道施工，目前每台使用不到15km，未达到每台20km的使用寿命，如果更换主轴承，使用寿命还可增加，这两台TBM可根据地质条件选择适当工点使用。
3）今年，作为铁路跨越式发展重要标志的客运专线也已拉开了序幕，并迅速掀起了建设高潮，十一五期间，我国将修建客运专线10000km，其中隧道约占2000km。目前，铁路及客运专线隧道一般采用钻爆法施工。采用钻爆法施工，作业条件差、安全隐患多、施工噪声大、粉尘大、施工进度较慢、劳动强度较大。对于长大隧道，钻爆法难以达到快速、优质、安全、经济建成的目的。
4）对于开挖面积大于150m2的双线断面隧道，不适宜采用TBM施工。客运专线从隧道运营安全出发，压力波和真空度的存在不宜设一个大洞（单洞双线），宜分洞运行，设计成双洞单线。对于长大单线铁路隧道建议优先采用TBM施工，并根据地质情况选用开敞式TBM或双护盾TBM。
