TBM在鐵路隧道施工中的應用前景分析

1、TBM的發(fā)展歷史

TBM是在1846年由意大利人Maus發(fā)明的。1851年，美國人查理士·威爾遜開發(fā)了一臺TBM，在花崗巖中試用，未獲成功。1881年波蒙特開發(fā)了壓縮空氣式TBM，并成功應用于英吉利海峽隧道直徑為2.1m的勘探導坑。

美國羅賓斯(Robbins)公司自1952年開發(fā)制造出了現(xiàn)代意義上的第1臺軟巖TBM后，1956年又研制成功中硬巖TBM。從此，TBM進入了快速發(fā)展時期。目前，全世界范圍內的TBM制造商有30余家，最具實力的是德國的威爾特公司、美國的羅賓斯公司、德國海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。國外TBM技術已經(jīng)相當成熟，這為復雜地質條件下的隧道工程建設提供了技術保障。

2、TBM的分類及地質適應性

目前，TBM主要分為以下3種類型，并分別適應于不同的地質。

①開敞式TBM。常用于硬巖，在開敞式TBM上，配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設備，以適應地質的變化。當采取有效支護手段后，也可應用于軟巖隧道。

②雙護盾TBM。適用于各種地質，既能適應軟巖，也能適應硬巖或軟硬巖交互地層。

③單護盾TBM。常用于劣質地層。單護盾TBM推進時，要利用管片作為支撐，其作業(yè)原理類似于盾構，與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片2者不能同時進行，施工速度較慢。單護盾TBM與盾構的區(qū)別有2點:一是單護盾TBM采用皮帶機出碴，而盾構則采用螺旋輸送機出碴或采用泥漿泵通過管道出碴;二是單護盾TBM不具備平衡掌子面的功能，而盾構則采用土壓力或泥水壓力平衡開挖面的水土壓力。

一般情況下，整條隧道地質情況都差的作業(yè)條件下使用單護盾TBM;在良好地質中則使用開敞式TBM;雙護盾TBM常用于復雜地層的長隧道開挖，一般適用于中厚埋深、中高強度、地質穩(wěn)定性基本良好的隧道，對各種不良地質和巖石強度變化有較好適應性。

3、國內使用TBM的情況介紹

我國最早使用TBM施工的是水利水電工程。早在20世紀70年代，云南西洱河一級電站引水隧道使用了上海水工廠制造的TBM，直徑為?.8m。1985-1990年，天生橋二級水電站引水隧洞工程使用了美國羅賓斯公司制造的TBM，直徑為?0.8m，由于選型與地質不適應，進度較低，最低月進尺為31m，最高月進尺僅92m。1991-1992年，引大入秦工程30A號和38號輸水隧洞，總長約17km，相繼采用了美國羅賓斯公司制造的?.54m雙護盾式TBM施工，應用比較成功，平均月進尺980m，最高月進尺1400m。隨后，在引黃入晉工程中相繼使用了5臺羅賓斯、1臺法國法馬通公司制造的雙護盾TBM，開挖了總長為122km的隧道，創(chuàng)造了日掘進113m、月掘進1637m的紀錄。其中，總干6號、7號、8號隧洞采用1臺美國羅賓斯雙護盾TBM施工，開挖直徑為?.125m;南干4號、5號、6號、7號隧洞采用4臺雙護盾TBM施工，其中3臺為羅賓斯、1臺為法國法馬通公司制造，直徑為?.82～?.94m。目前在建的工程還有遼寧大伙房水庫引水工程，全長85.32km，采用TBM法和鉆爆法施工，使用了3臺?.03m開敞式TBM;正在施工的新疆大坂輸水隧洞工程線路總長約32km，引水隧洞全長30.68km，采用TBM法與鉆爆法相結合的施工方案，擬采用1臺德國海瑞克公司制造的?.755m雙護盾TBM施工，TBM總掘進長度約為19.7km;正在施工的青海引大濟湟調水總干渠工程將由中鐵隧道集團引進1臺德國維爾特公司制造的?.93m雙護盾TBM施工，引水隧洞全長24km，TBM總掘進長度約為19.94km。

在鐵路隧道施工中使用TBM是從西安安康鐵路秦嶺I線隧道開始的，至目前為止，僅有3個工程使用了開敞式TBM，具體如下:

(1)秦嶺I線隧道。全長18.456km，采用TBM法和鉆爆法施工，由鐵道部1996年引進2臺?.8m開敞式TBM，秦嶺北口TBM掘進長度為5.244km，秦嶺南口TBM掘進長度為5.621km，TBM施工中，1998年平均月進尺為252.36m，1999年平均月進尺為290.64m，最高月進尺為528.48m。

(2)桃花鋪1號隧道。西安南京鐵路桃花鋪1號隧道全長約7.234km，TBM掘進長度為6.2km，由中鐵十八局采用?.8m開敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道出口段)。最高月進尺為551.82m。

(3)磨溝嶺隧道。磨溝嶺隧道全長6114m，軟巖占隧道總長的70.5%，于2002年11月完工。該隧道由中鐵隧道集團采用?.8m開敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道進段)，TBM掘進長度為4.653km，最高月進尺為573.9m。通過施工，成功掌握了開敞式TBM在軟弱地層中的掘進技術。

4、TBM施工的優(yōu)點

(1)快速。TBM是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現(xiàn)連續(xù)掘進，能同時完成破巖、出碴、支護等作業(yè)，實現(xiàn)了工廠化施工，掘進速度較快，效率較高。

(2)優(yōu)質。TBM采用滾刀進行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會受爆破震動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。

(3)高效。TBM施工速度快，縮短了工期，較大地提高了經(jīng)濟效益和社會效益;同時由于超挖量小，節(jié)省了大量襯砌費用。TBM施工用人少，降低了勞動強度、降低了材料消耗。

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