浅谈TBM修建地下工程

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　　摘要： TBM施工方法安全、省力、改善了劳动环境，其施工对围岩的扰动小利于支护等优点，加之近年来的信息技术、材料科学和机、电一体化的迅猛发展，TBM施工技术巨大发展。本文介绍了TBM的基本概念、类型和基本构造、施工方法、结合特殊施工条件下的特殊施工方法以及对施工过程中应注意的问题加以分析。旨在了解TBM在修建地下隧道中的应用。
　　关键字：TBM施工技术 不良地质
　　概述
　　 掘进机（tunnel boring machine）,简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化的施工技术。隧道TBM是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出渣及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。
　　 TBM根据破碎岩石的方法，大致分为挤压式和切削时两种类型。按照TBM作业是否封闭可分为开敞式、单护盾和双护盾TBM。开敞式TBM适用于围岩稳定性好的场合，护盾式TBM适合于围岩较软弱、需进行混凝土（钢）管片安装的场合。
　　 TBM一般由刀盘、机架、推进缸、套架、支撑缸、胶带机及动力间等部分组成。掘进时，通过推进缸给刀盘施加压力，滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘上的集料斗转至顶部通过胶带机将岩渣运至机尾，写入其他运输设备运走。为了避免粉尘危害，TBM头部装有喷水及吸尘设备，在掘进过程中连续喷水吸尘
　　TBM的结构类型及构造
　　2.1全断面隧道TBM的类型
　　 全断面隧道TBM，主要有两大类型：开式和闭式。
　　所谓开式隧道TBM是指切削时不用控制工作面的地压，TBM按出渣系统运渣能力掘进。开式TBM用于不需要特别考虑地表下沉的情况。其设计刚度较大，适用于在硬地层中快速掘进。
　　 所谓闭式TBM又称土压平衡式TBM，是通过控制好螺旋运输机卸料门的开启，使切削岩土的刀盘前腔的压力与地压平衡。
　　 目前常用的TBM包括：支撑式TBM、扩孔式TBM、护盾式TBM、双护盾TBM、双护筒TBM、支撑盾壳TBM。
　　2.2 后配套系统
　　 TBM的后配套设备指与TBM主体接续的在洞内配置的后续设备和在整个洞内的布设的设备及洞外设备。
　　 后续设备一般包括：把石渣从掌子面送到后方的设备、超前钻孔、集尘机、压缩机、喷射机、电力电缆等一系列设备。
　　（1）、后续设备的配置原则：根据TBM流程（作业计划和内容），选定与之配套的必要设备。要考虑前后各作业的关联，以提高作业性。
　　（2）、运输方式和运输设备：有轨方式；无轨方式；连续胶带输送机方式；泥浆运输方式。
　　 (3)、集尘和通风设备
　　 集尘设备：从切削头得腔室内用专用管道直接与集尘器连接进行直接处理。
　　 通风设备：通风量通常比集尘器的能力大，且通风管道的位置必须比集尘器的排气部位更深。涡轮式风机
　　（4）、洞内超前探孔设备
　　 不取芯式探孔探查用岩粉，取芯式探查可采用岩芯，直接观察前方岩层情况。
　　（5）、排水设备
　　 在工作面用泵进行强制排水；
　　 在后续台车上设置排水槽。
　　（6）、供水设备
　　在洞外随着开挖的推进依次串联增设给水泵。
　　（7）、喷混凝土设备
　　湿式和干式两种。喷射设备设置一般有在TBM的后续台车上和分离台车上两种。
　　3.TBM的基本构造
　　全断面TBM的基本构造
　　全断面TBM有一庞大的机体，由破岩机构、推进机构、岩渣装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几部分组成。
　　破岩机构：刀盘和滚刀组成。
　　推进机构：TBM借助千斤顶顶撑洞壁来支持机身，这种千斤顶称为锚撑。
　　出渣机构：片状石渣―产渣斗―集料斗―胶带输送机
　　导向调向机构：导向机构是用来指示和校核TBM推进的方向；调向机构是根据导向机构给出的信息，控制TBM的推进方向。
　　4.不良地质地段施工技术要点
　　TBM法对断层破碎带等不良地质条件的适应性较差。
　　①、地质条件超前预报与探测
　　 利用TBM上配备的超前钻机；利用超前预报系统；利用平导地质情况推断；利用的出露的岩石、出渣情况以及掘进时的异常情况判断。
　　②、预加固
　　 判断是否符合TBM掘进，若不适合，则需对前方不良地质段进行加固，或采用其他方法通过。
　　 可利用TBM所配备的超前钻机，结合TBM自身配备的注浆设备，对隧道前方断层破碎带的围岩进行超前预注浆和超前管棚注浆加固。
　　③、对坍塌的处理
　　a.小规模坍塌：撑靴上部挂钢筋网、打锚杆，钢拱架
　　b.中等规模坍塌：喷射混凝土，及时封闭围岩；安装全圆钢拱架；打注浆锚索。
　　c.大规模坍塌：TBM停止掘进，打探孔、注浆，细石混凝土充填，钢拱架。
　　④、断层破碎带
　　 断层破碎带会造成工作面及拱顶坍塌，刀盘埋入；开挖面及边墙坍塌，撑靴支撑不够；给锚喷支护带来困难；围岩软硬不均，增加刀具消耗；软硬不均，机体摆动增加，掘进方向难控制；存在涌水，水压作用，工作面坍塌，淹没机体；撑靴无法支撑，增大刀盘的旋转扭矩。
　　 通过断层破碎带所用的辅助设备有：超前钻机、锚杆机、环梁安装器。在不同的掘进阶段采取不同的措施：掘进前，用超前地质预报探测确定破碎带边缘、长度、破碎程度及含水情况；掘进时，合理选择用TBM掘进参数，适当减少掘进速度、刀盘转速等绝技参数；掘进后，应加强支护。
　　
　　TBM法存在的问题及分析
　　（1）、TBM法修建地下隧道的缺点：
　　①、设备的购置、运输、组装解体等费用高，设计制造时间长，初期投资高。
　　②、施工途中不能改变开挖直径。如用同一种机种开挖不同直径的断面，在硬岩的情况下，更换附属部件，在数十厘米的范围内，才是有可能的。
　　③、地质的适应性收到一定限制。
　　④、开挖断面的大小、形状变更难，在应用上收到一定的制约。因此，高性能的自由断面TBM得到了相应的发展。
　　⑤、运输困难。由于TBM为大型配套设备，具有部件多、重量大的特点，总重量往往达到2000t以上，许多部件的外形尺寸超过铁路运输界限，需要用大型汽车来运输。因此，不仅运费昂贵，而且在许多情况下，顺利运到洞口都是困难的。
　　（2）、地质条件
　　 在TBM法中，TBM和掌子面是分离的，故有软弱层和破碎带时，采用辅助工法很困难，这对TBM施工方法的选择和施工速度都有很大影响，因此需要对TBM法是否适合，以及影响TBM效率的地质因素等进行调查。
　　① 是否适合TBM的地质因素：隧道地压（是否存在塑性地压）；涌水状态
　　② 影响TBM效率的地质因素：岩石强度、岩层的裂隙、岩石硬度、破碎带等恶劣条件。
　　（3）、开挖长度
　　 TBM进入现场后，一般要经过运输组装等过程。根据TBM的直径和形式、运输途径、组装基地的情况等，要准备1~2个月。其次，TBM的后续设备长100~200m，为正规的进行掘进，也要先修筑一段长200m左右的隧道。所以，隧道长度短时，包括机械购置费在内的成本是很高的。
　　结语
　　 TBM法修建地下隧道有着快速、优质、高效、安全、环保以及自动化和信息化程度高的优点。目前，中小直径TBM在各类围岩中的掘进技术已基本成熟，在铁路、公路、水利工程中的应用极为广泛。大直径TBM在坚硬围岩中的掘进技术尚未完全成熟。随着我国经济的高速发展，TBM的发展前景将会越来越广阔。
　　
　　参考文献：
　　[1] 关宝树．地下工程．高等教育出版社，2007.5
　　[2] 朱合华，庄荣等．地铁与轻轨．人民交通出版社，2006.8

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