全断面岩石掘进机(TBM)选型探讨

全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine）简称掘进机或TBM，近十几年来，在国内已被逐步推广应用，有成功的经验，也有过深刻的教训。甘肃引大入秦30A和38#输水隧洞共长17km，采用国外TBM，刀盘直径为5.53m，平均月进尺980m，最高月进尺达1400m；山西引黄入晋南干线总长86.242km，采用国外TBM，刀盘直径为4.82m～4.94m共4台TBM施工，平均月进尺约784m，最高月进尺达1821.49m，上述隧洞工程都采用双护盾TBM，选型正确，都取得了月进尺世界先进水平的好成绩。近期辽宁大伙房引水隧洞工程,采用国外支撑式TBM也都取得了良好成绩。广西天生桥水电隧洞工程，在上世纪80年代中期首次引进国外TBM，刀盘直径为10.8m支撑式TBM二手货两台，10年来打打停停，累计掘进只有7km多一些，是一个不理想的施工例子，问题的原因很多，其中之一是选型不当，教训是深刻的。
　　TBM选型应包括三方面内容：（1）长隧洞采用钻爆法施工与采用TBM法施工之间的选择；（2）支撑式（开敞式）TBM与双护盾（伸缩式）TBM之间的选择；（3）同类TBM之间结构、参数比较选型。以上三方面内容在TBM选型时并非是截然分隔，往往在最初阶段对采用钻爆法施工与采用TBM法施工之间的选择时，同时就考虑了支撑式TBM与双护盾TBM之间的选择和同类TBM之间结构、参数比较选型，进入阶段不同考虑深度也就逐步深入，为了便于分析，以下分别进行探讨。

　　1 长隧洞采用钻爆法施工与TBM法施工之间的选择
　　从TBM法与钻爆法的相互特点比较中从优选择；从工程地质与水文地质、地形与地貌、隧洞设计、工程特征及资金筹集等方面条件综合分析比较后选择。对不宜采用TBM法施工的工程要尽量避免盲目采用，以免决策失误而造成无法弥补的巨大损失。
　　1.1 TBM法与钻爆法施工特点比较
　　TBM法与钻爆法施工特点比较可从掘进速度、围岩质量、经济核算、安全保障及环境保护等方面进行对比分析比较，对比分析比较结果，TBM法比钻爆法具有明显的快速、优质、经济、安全及环保等优点，如设计、工期、资金等条件许可，一般长隧洞施工应优选TBM法。
　　1.2 慎用或不宜采用TBM法
　　(1) 非圆形断面隧洞,除非TBM带有特殊可靠的辅助开挖装置,一般不宜采用；
　　(2) 无法筹集到购买TBM及后配套设备的高昂资金；
　　(3) 签定TBM采购订单到设备运到工地的间隔时间一般约一年左右，对急于开工的隧洞工程，时间上赶不及使用TBM的则无法采用；
　　(4) 对1km以下短洞采用TBM法，TBM及后配套一次性投入费用昂贵，对短洞群频繁装拆转移工地也很不经济，应慎用；
　　(5) 工程地质与水文地质条件极差，如溶洞多又大，断层多又宽，渗水、涌水、泥石流，长距离破碎带等组合岩层，采用TBM法的风险极大时，应慎用TBM法。
　　2 支撑式TBM与双护盾TBM之间的选择
　　当长隧洞施工方法在TBM法与钻爆法两者之间已确定采用TBM法后，下一步就要选择哪一类TBM，TBM可分为支撑式、单护盾式、双护盾式和扩孔式等，单护盾式和扩孔式TBM国内尚未被采用，对其了解也少，一般是在支撑式TBM与双护盾TBM两者之间选择，主要根据工程地质与水文地质条件、隧洞设计要求、支护与衬砌型式和管片制作技术及模具成本等方面综合分析后确定。
　　2.1 支撑式TBM适用范围
　　支撑式TBM适用于岩石整体较完整,有较好的自稳性，因此支撑式TBM只需要有顶护盾就可以进行安全施工，如遇有局部不稳定的围岩，由TBM所附带的辅助设备，可打锚杆、加钢丝网、喷砼、架圈梁等方法加固，以保持洞壁稳定；当遇到局部地段特软围岩及破碎带，则TBM可由所附带的超前钻及灌浆设备，预先固结前方上部周边一圈岩石，待围岩强度达到能自稳后，然后再进行安全掘进；掘进过程可直接观测到洞壁岩性变化，便于地质图描绘。永久性的衬砌待全线贯通后集中进行。
　　2.2 双护盾TBM适用范围
　　双护盾TBM是在20世纪70年代在支撑式TBM、单护盾TBM及盾构机的基础上发展起来的,主要适应于通过复杂岩层，又人员及设备在护盾的保护下进行工作，安全性也较支撑式TBM为好。当岩石软硬兼有，又有断层及破碎带，此时双护盾TBM能充分发挥其优势，遇软岩时，软岩又不能承受支撑板的压应力，则可由盾尾副推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌管片上以推进刀盘破岩前进；遇硬岩时，则靠支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。预制钢筋混凝土衬砌管片在盾尾的保护下，由管片拼装机进行拼装，实现边掘进边衬砌，隧洞贯通衬砌也完成，不过掘进与衬砌是交替进行，不能同时并举；这种边掘进边衬砌见不到洞壁岩性的变化，不能进行地质图描绘。
　　3 同类TBM之间结构、参数比较选型
　　当支撑式TBM与双护盾TBM之间已经确定采用一种TBM类型后，下一步就要进行同一类不同品牌的TBM结构比较及特征分析，根据工程地质与水文地质条件、隧洞设计和工程特征确定TBM结构及主要参数。我国自主产权的新一代TBM产品还待研发，因此国内施工需要的TBM及后配套，目前一般是采购国外优质产品，采取投标方式进行采购