关于全断面岩石掘进机(TBM)选型的探讨

作者：华北电力大学 茅承觉

欢迎访问e展厅 展厅 5 钻机/掘进机/凿岩机展厅 钻机, 潜孔钻机, 水平定向钻, 顶管机, 旋挖钻机, ... 全断面岩石掘进机（FullFaceRockTunnelBoringMachine）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。 1.1TBM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，见表1。从表1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（图1）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（图2）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。 2.3支撑式TBM与双护盾TBM适用范围选择比较（见表2所示） 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。 现有双护盾TBM产品，各TBM公司的结构型式、工作原理都很相近，在此不作比较，仅对支撑式TBM不同品牌结构及主要参数进行探讨。 3.1支撑式TBM典型机型特征分析 国外生产全断面岩石掘进机的公司很多，根据构造特征并还在正常生产的，以原生产公司命名的典型机型有罗宾斯（Robbins）（图3）、佳伐（Jarva）（图4）和维尔特（Wirth）（图5）等三种机型，其它公司的产品都可归属于以上三种机型之内，我国各工厂原研制生产的TBM都属罗宾斯机型。 支撑式TBM典型机型特征见表3所示。 3.2几种支撑式TBM机型分析 3.2.1一对水平支撑式TBM(罗宾斯、NFM、海瑞克及小松机型等) (1)优点 a结构简单，快速灵活。因只有一对水平浮动支撑，结构简单，换步快,提高了掘进速度；转弯半径小，转向灵活。对岩质均匀，单轴抗压强度40～100Mpa，洞内转向，此型结构有突出优势； b利用水平浮动支撑、推进油缸、斜油缸、侧支承进行水平、垂直调向，操作方便并可在掘进中调向； c支护有钢丝网安装机，方便快捷； d刀盘表面焊接耐磨合金板，提高耐磨性，海瑞克机型装刀凹槽作了特殊处理防止产生裂缝； e罗宾斯机型采用19″滚刀，承受推力大，破岩量大，增大了进尺； f罗宾斯机型配连续皮带机出碴，已积累了经验。 (2)不足 a定向性与稳定性较差。单对水平浮动支撑，电机与回转传动系前置，使整机重心靠前，远离水平支撑，掘进时机头振动大、噪声大；罗宾斯公司对中小型支撑式TBM采用了球面刀盘定心、增加前支承两项措施来弥补上述不足，对大直径TBM，罗宾斯公司也采用平面刀盘，因前支承不是基准点，前支承落洞底将随洞底岩石破碎，松软而下沉，整机又是悬臂支撑，所以定向性、稳定性差，一旦机头下沉，纠正较难； b单对水平支撑，支撑力不足，抗转矩小，易侧滚，虽可用扭力缸纠偏，如经常纠偏，对盘形滚刀及大梁因受力过大而受损； c遇软岩时，由于单对水平支撑板与岩石接触面积所限，使接触比压大，岩壁易塌陷，TBM在洞中进退两难； d掘进时，水平浮动支撑撑紧洞壁，前支承落洞底分担机头部分重量，与洞底摩擦前进，侧支撑撑紧洞壁随导向壳体与洞壁摩擦前进，掘进时要克服前支承和侧支撑与洞壁摩擦阻力，所以消耗推进力大； eTBM推进油缸支撑在水平支撑板与大梁之间，水平面内有一夹角，产生侧向分力，推力受一定损失。 3.2.2两对X型支撑式TBM（维尔特与佳伐机型） (1)优点 a两对X型支撑，回转电机及传动系中置或后置，整机重心在两对X型支撑之间，定向性、稳定性好，避免了侧滚与机头下沉现象； b维尔特机型的两对X型支撑，如TB880ETBM有8块支撑板，每板4个油缸，共32油缸，针对岩石软硬，支撑力的大小可以调节；调节支撑油缸的压力和行程可以调正方向； c回转电机及传动系中置或后置，留出刀盘后部空间，使前X型支撑前置，增加整机的定向性与稳定性；使圈梁安装机、锚杆钻机、混凝土喷射机前置，能及时支护； d安装扩孔刀2-3把，便于随机扩孔及预防意外卡紧时自身脱困； e前后推进油缸分别支撑在外凯氏机架与导向壳体及内凯氏机架突盘上，位置平等，无侧向分力，推力集中； f维尔特刀具润滑油内含1%的异味剂（Molyvon），一旦滚刀轴承损坏、密封失效，异味剂溢出，带刺激性的奇臭，预警刀具损坏，可及时更换； g维尔特机型随机一套步进装置，步进方便灵活。 (2)不足 a两对X支撑，结构复杂，一旦遇故障，维护较困难；转弯半径较大，转向欠灵活； b多轴驱动，占空间大，φ4m以下TBM更显突出； c掘进中不能调向，只能换步时调向； d上述优点中存在X型支撑液压缸活塞杆受弯矩的不利影响； e佳伐机型回转电机及传动系后置，单根粗长传动轴机械加工困难。 3.3招投标方式采购TBM 招标商（工程业主或承包商）首先要完成招标书，包括商务文件和技术文件,由招标商与国内有关国际招标公司合作完成,国际招标公司侧重商务文件的编写,对TBM结构及主要参数的要求都编写在技术文件中,明确提出对整机及各部件、系统的功能要求、技术性能要求和设计要求，要求投标商（目前是外国TBM公司）用性能参数、工作原理、结构与系统、标准与规范、计算公式及数据、图表、图纸等明确表述。确定TBM结构及主要参数是个重要问题,事前应广泛调查研究并对TBM现场进行实地考察，对已有施工的同类TBM进行类比，根据TBM选型流程图来确定，要求参加投标的TBM及后配套质量优质可靠，保证设备在规定工期内完成工程；外购件及协作件应附有产品制造商的资质证明、用户意见及产品说明书；总报价及分部报价；服务条款的承诺等。 投标商根据招标书的要求编写投标书，投标书要积极响应招标书的各项要求，并一一作出应答,重要问题的遗漏,被视为不响应招标书的要求,将导致废标。 因是招投标方式采购，TBM的具体结构各品牌各有特色，当投标商已通过资格预审后，则招标商对TBM的结构型式就无法再选择，全凭最后中标而定。 3.4TBM选型依据 (1)TBM选型主要依据 TBM选型主要从①工程地质与水文地质条件；②隧洞设计；③工程特征等。 三方面考虑，参考上述TBM机型分析及TBM选型流程图，如图6所示。 (2)从国外TBM系列中选择主参数 生产TBM的公司很多，其结构基本上可归纳为上述的罗宾斯、佳伐和维尔特等三种机型。罗宾斯公司和维尔特公司根据长期生产经验，已把TBM产品在公司内部系列化，根据刀盘直径范围不同，统一了刀盘推力、刀盘转矩、刀盘驱动功率等主要参数，主要参数是基于岩石单轴抗压强度最大（约300Mpa）、工况最恶劣条件下确定的，国外公司介绍，如此考虑，出于TBM适用范围大些，岩石软硬皆可，当一隧洞工程完工后还可转移到另一不同岩性隧洞工程施工。对中软岩（地质资料充分）长隧洞，隧洞贯通，TBM已达到预期寿命，也就可以报废，如据以上考虑则参数选择是过大了一些，因此可在同一直径范围，选择低一档参数为宜,可使整机的重量减轻,费用降低。 4、自主产权新一代TBM产品研发 对自主产权新一代TBM产品的研发很有必要，要从基础抓起，务必做到如下5点：(1)总结我国过去发展TBM的经验与教训；(2)吸取国外先进TBM的优点，提出新机器的创新特点；(3)从理论、设计、工艺、装配及调试等方面全面研究；(4)主管领导、科研、院校、设计、工厂等部门结合起来，有一批稳定的专职科技队伍并有技术全面一流水平的领军人物共同攻关研制；(5)TBM研制要有依托工程,针对将要兴建的隧洞工程进行,研制经费要有保证。另要处理好两个关系，一是处理好吸取国外先进TBM的优点与自主创新之间的关系，只吸取国外先进TBM的优点，最好也不过是仿制，只有创新才能有自己的特点；二是处理好TBM国产化与全球化之间的关系，TBM是机械、电气、液压、激光、自控及计算机等于一体的高科技技术，是全球高科技设备的部分集成，其中许多设备、部件与系统在全球范围内已有很先进的成熟产品，所以没有必要再去一一研制，只要外购来装配调试用之即可，著名的TBM公司也都是如此做的，根据我国现有的工业基础及科技队伍水平，只要遵循一条正确的技术路线并能达到上述5点及处理好两个关系，我国完全可以研制出世界一流水平的TBM，将在我国南水北调西线长隧洞宏伟工程建设中发挥巨大作用。 5、小结 (1)TBM法与钻爆法相比较具有快速、优质、经济、安全及环保等优点，一般长隧洞施工如条件许可应优选TBM法； (2)对深埋长隧洞如采用钻爆法开挖时，必须开挖若干支洞以供主洞施工时出碴、通风等用，当地貌、地形条件不容许开挖支洞时，则TBM法是唯一选择； (3)TBM是高科技设备的集成，采用TBM法施工必须具备两条必备条件，即 ①熟练掌握TBM的高素质操作、管理人员；②保持TBM及后配套设备高度完好率。上述必备条件是相互作用的，有了掌握科学技术高素质的人员，才能保持设备的高度完好率，才能发挥TBM快速掘进的优势； (4)受条件所限，不宜采用TBM法施工的隧洞工程，应避免盲目采用，以免造成重大损失； (5)支撑式TBM与双护盾TBM之间的选择，主要根据工程地质与水文地质条件、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； (6)TBM结构选型及主要参数确定，应广泛调查研究并对TBM进行实地考察，对同类TBM进行类比，根据TBM选型流程图确定TBM结构及主要参数，在招标书中明确提出对整机及各部件、系统的功能要求、技术性能要求和设计要求，使采购的TBM设备技术性能先进、产品质量优等，保证能顺利完成工程施工； (7)自主产权新一代TBM产品的研发很有必要，只要遵循一条正确的技术路线，根据我国现有的工业基础及科技队伍水平，我国完全有能力研制出世界一流水平的TBM，将为我国长隧洞建设发挥巨大作用。 参考文献 1乔世珊茅承觉刘春等,全断面岩石掘进机,石油工业出版社2005.8 2茅承觉叶定海张照煌,全断面岩石掘进机概论,建筑机械1998(9) 3茅承觉叶定海董苏华张荣山,支撑式全断面岩石掘进机,建筑机械1998(11) 4李仕森茅承觉叶定海,护盾式全断面岩石掘进机,建筑机械1998(12) 5薛备芳，掘进机选型，见王梦恕主编，岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例，中国铁道出版社2004.9 6殷耀章高勇,深埋长大隧洞TBM施工设备选型的探讨,中国铁道建筑总公司2002.10 （本文图片、表格有略，详情请见《建设机械技术与管理》杂志2006年第8期）(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/8/2006)