随着国民经济的发展和隧洞施工技术的不断进步，一些长大公路、铁路及水工隧洞工程突破理论设计难题开始投入建设，这类隧洞往往具有大断层、大变形、强岩爆、突涌水、极硬岩等复杂地质特征，给隧洞施工带来了很大的技术难度和风险，而全断面岩石隧洞掘进机（TBM）以其安全、高效和机械化配套设施完善等优势被广泛的应用于国内外复杂地质条件隧洞的建设。

图1  我国自主研发生产应用于大瑞铁路高黎贡山隧洞的“彩云号”TBM

TBM 是什么？

    TBM（Tunnel Boring Machine）,全断面岩石隧洞掘进机，是一种依靠硬岩刀盘旋转破岩推进，隧洞支护与出渣同时进行，并使隧洞全断面一次成形的大型专用装备。TBM采用了机械、电气和液压等领域的高科技成果，运用计算机控制、闭路电视监视、工厂化作业，是集掘进、支护、出渣、运输于一体的成套设备。采用TBM施工，无论是在隧洞的一次成型、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钻爆法施工有了质的飞跃。

TBM有哪些类型？

    TBM传统机型主要分为敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM三种，主要区别在于：敞开式TBM采用锚、网、喷围岩初期支护工艺，现浇混凝土二次衬砌，不采用全环管片衬砌，由撑靴提供推进反力；单护盾TBM掘进过程中同步安装全环衬砌管片，依靠已安装的管片提供推进反力；双护盾TBM护盾包括前护盾、伸缩护盾、支撑护盾和尾护盾，可由撑靴和管片两种提供掘进推力形式，在双护盾模式下可实现掘进和管片拼装同时进行。对于敞开式和护盾式TBM，在围岩塌方、收敛和变形条件下存在卡机的风险。护盾式TBM与敞开式TBM相比，盾体长度更长，卡机的几率更高，脱困难度相对更大些。针对TBM施工大断层、大变形的问题，目前多选用敞开式TBM。

图2 敞开式TBM

图3 单护盾TBM

图4 双护盾TBM

运用更广的敞开式TBM有哪些特点？

    敞开式TBM主要由主机、支护系统和后配套组成，其中主机主要由刀盘、机头架、护盾、驱动系统、主梁、推进系统、后支撑等组成，负责隧洞开挖与支护。支护系统包括L1区支护系统和L2区支护系统，主要为主机掘进完成后岩壁提供初期支护和衬砌。后配套布置有液压动力站、变压器、配电柜、电缆水管卷筒、除尘通风设备等，为主机的施工提供动力、风、水、电、气等保障，并提供其他的辅助施工。

图5   敞开式TBM结构图

探秘：敞开式TBM高效运转背后的工作原理？

    敞开式TBM隧洞掘进时，装有滚刀的刀盘在推力、扭矩作用下抵紧掌子面，盘形滚刀绕着刀盘中心公转，同时也绕自身中心自转，当推力超过岩石的抗压强度时，滚刀贯入岩石，掌子面被滚刀挤压碎裂而形成隧洞同心圆沟槽。随着沟槽深度的増加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石渣，刀盘旋转通过刮渣板把石渣铲入溜渣槽，并因此落入集渣斗和主机皮带机接料口，并通过主机皮带机和后配套皮带机运输至TBM设备尾部，最终通过列车编组或连续皮带机运输至洞外。通过破碎地带等不良地层时，需要对刀盘之后的围岩实施临时支护，主要利用锚杆、钢筋网和钢支撑实现围岩临时支护。利用超前钻机，可以探测机器前方的岩土条件，并在必要时实施地质改良。围岩渗水可利用掘进机底部的排水系统抽排。在设备桥区，使用喷射混凝土对已开挖隧洞内壁进行支护。撑靴作为开敞式TBM的支撑、换步的结构，同时也用作开敞式TBM的导向。TBM掘进施工中，需不断对TBM的位置姿态进行监测，根据掘进中TBM的姿态决定是否对TBM进行调向。

   除此之外，敞开式TBM的掘进循环由掘进作业和换步作业交替组成。在TBM掘进作业时，伸出水平支撑，撑紧洞壁，收起后支撑，起动皮带机，TBM刀盘进行沿隧洞轴线的直线运动和绕轴线的单方向回转运动复合而成的螺旋运动，被破碎的岩石由刀盘的铲斗落入皮带输送机向机后输出。当主推进油缸达到最大掘进行程时，TBM需要停机换步。此时刀盘停止转动，放下后支撑和刀盘底护盾支撑，将撑靴慢慢收回并前移一个行程，撑靴前移到位后再次撑紧岩壁并收回后支撑和底护盾支撑，最后通过操作后配套伸缩油缸牵引后配套走行一个循环。

（1）TBM掘进准备              （2）TBM掘进

图6   TBM掘进示意图

（1）TBM换步准备              （2）TBM换步

图7   TBM换步示意图

焦点：为什么说敞开式TBM是复杂地质中的“掘进利器”？

    敞开式TBM在岩石完整地段掘进能够最大限度的发挥其高效、快速的施工优势，支护量小，掘进-换步为直线工序作业，一旦围岩条件差，无法自稳的情况下，支护量大大增加，撑靴无法有效撑紧提供反力，支护、换填模筑混凝土将成为直线工序作业，掘进效率大打折扣。敞开式TBM施工由于开挖和支护分开进行，刀盘附近有足够空间安装超前地质探测设备及临时、初期支护设备如锚杆钻机、超前钻机、钢支撑安装设备、应急喷射混凝土设备等，如遇局部不稳定围岩、不良地质，通过超前地质探测设备探明不良地质类型、规模后制定应对施工方案，可通过TBM护盾后安装的临时支护设备打设锚杆、安装钢支撑、应急喷砼加强支护或超前钻孔灌浆固结后再掘进。

   TBM施工遭遇断层破碎带，节理裂隙受扰动后垮塌形成块状堆积体堆积在刀盘周边及前方，不规则交错岩体卡在滚刀与掌子面、刮渣口与周边完整岩体之间，或软弱围岩受扰动后呈泥沙状包裹在刀盘面板上，致使刀盘无法转动。TBM护盾范围断层破碎带形成垮塌，同样会造成TBM护盾抱死，使TBM无法推进。TBM被卡主要利用刀盘刀孔、人孔、刀盘周边或对护盾进行开孔通过人工使用工具对破碎岩体进行清理，对刀盘、护盾周边进行环向扩挖完成刀盘脱困。TBM遭遇前方较大规模破碎体时则通过施工绕洞至TBM前方，采用人工开挖对断层破碎带进行施工处理，然后TBM步进通过。一般情况下，相较于护盾式TBM，敞开式TBM不容易在不良地质地段卡机、且能够根据地层灵活配置支护设备，地质适应性较强。

   目前在国内外隧洞施工中，TBM施工技术已经高度成熟，TBM施工表现也得到了广泛的认可，越来越多的TBM设备被投入到各类隧洞施工建设中，大大提高了隧洞施工效率和集成化、自动化水平，也提高了隧洞施工安全、环境条件，TBM必然成为未来隧洞施工的主流选择。在滇中引水工程建设中，对于控制性工程香炉山隧洞也将应用TBM进行施工。

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