TBM在鐵路隧道施工中的應(yīng)用前景分析
2009-09-23 00:00
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(guó)人查理士·威爾遜開(kāi)發(fā)了一臺(tái)TBM，在花崗巖中試用，未獲成功。1881年波蒙特開(kāi)發(fā)了壓縮空氣式TBM，并成功應(yīng)用于英吉利海峽隧道直徑為2.1m的勘探導(dǎo)坑。
美國(guó)羅賓斯(Robbins)公司自1952年開(kāi)發(fā)制造出了現(xiàn)代意義上的第1臺(tái)軟巖TBM后，1956年又研制成功中硬巖TBM。從此，TBM進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。目前，全世界范圍內(nèi)的TBM制造商有30余家，最具實(shí)力的是德國(guó)的威爾特公司、美國(guó)的羅賓斯公司、德國(guó)海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。國(guó)外TBM技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，這為復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)提供了技術(shù)保障。
2、TBM的分類及地質(zhì)適應(yīng)性
目前，TBM主要分為以下3種類型，并分別適應(yīng)于不同的地質(zhì)。
?、匍_(kāi)敞式TBM。常用于硬巖，在開(kāi)敞式TBM上，配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設(shè)備，以適應(yīng)地質(zhì)的變化。當(dāng)采取有效支護(hù)手段后，也可應(yīng)用于軟巖隧道。
?、陔p護(hù)盾TBM。適用于各種地質(zhì)，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。
?、蹎巫o(hù)盾TBM。常用于劣質(zhì)地層。單護(hù)盾TBM推進(jìn)時(shí)，要利用管片作為支撐，其作業(yè)原理類似于盾構(gòu)，與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片2者不能同時(shí)進(jìn)行，施工速度較慢。單護(hù)盾TBM與盾構(gòu)的區(qū)別有2點(diǎn):一是單護(hù)盾TBM采用皮帶機(jī)出碴，而盾構(gòu)則采用螺旋輸送機(jī)出碴或采用泥漿泵通過(guò)管道出碴;二是單護(hù)盾TBM不具備平衡掌子面的功能，而盾構(gòu)則采用土壓力或泥水壓力平衡開(kāi)挖面的水土壓力。
一般情況下，整條隧道地質(zhì)情況都差的作業(yè)條件下使用單護(hù)盾TBM;在良好地質(zhì)中則使用開(kāi)敞式TBM;雙護(hù)盾TBM常用于復(fù)雜地層的長(zhǎng)隧道開(kāi)挖，一般適用于中厚埋深、中高強(qiáng)度、地質(zhì)穩(wěn)定性基本良好的隧道，對(duì)各種不良地質(zhì)和巖石強(qiáng)度變化有較好適應(yīng)性。
3、國(guó)內(nèi)使用TBM的情況介紹
我國(guó)最早使用TBM施工的是水利水電工程。早在20世紀(jì)70年代，云南西洱河一級(jí)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(jí)水電站引水隧洞工程使用了美國(guó)羅賓斯公司制造的TBM，直徑為?0.8m，由于選型與地質(zhì)不適應(yīng)，進(jìn)度較低，最低月進(jìn)尺為31m，最高月進(jìn)尺僅92m。1991-1992年，引大入秦工程30A號(hào)和38號(hào)輸水隧洞，總長(zhǎng)約17km，相繼采用了美國(guó)羅賓斯公司制造的?.54m雙護(hù)盾式TBM施工，應(yīng)用比較成功，平均月進(jìn)尺980m，最高月進(jìn)尺1400m。隨后，在引黃入晉工程中相繼使用了5臺(tái)羅賓斯、1臺(tái)法國(guó)法馬通公司制造的雙護(hù)盾TBM，開(kāi)挖了總長(zhǎng)為122km的隧道，創(chuàng)造了日掘進(jìn)113m、月掘進(jìn)1637m的紀(jì)錄。其中，總干6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)隧洞采用1臺(tái)美國(guó)羅賓斯雙護(hù)盾TBM施工，開(kāi)挖直徑為?.125m;南干4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)隧洞采用4臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工，其中3臺(tái)為羅賓斯、1臺(tái)為法國(guó)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(kù)引水工程，全長(zhǎng)85.32km，采用TBM法和鉆爆法施工，使用了3臺(tái)?.03m開(kāi)敞式TBM;正在施工的新疆大坂輸水隧洞工程線路總長(zhǎng)約32km，引水隧洞全長(zhǎng)30.68km，采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合的施工方案，擬采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克公司制造的?.755m雙護(hù)盾TBM施工，TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)度約為19.7km;正在施工的青海引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程將由中鐵隧道集團(tuán)引進(jìn)1臺(tái)德國(guó)維爾特公司制造的?.93m雙護(hù)盾TBM施工，引水隧洞全長(zhǎng)24km，TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)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(kāi)始的，至目前為止，僅有3個(gè)工程使用了開(kāi)敞式TBM，具體如下:
(1)秦嶺I線隧道。全長(zhǎng)18.456km，采用TBM法和鉆爆法施工，由鐵道部1996年引進(jìn)2臺(tái)?.8m開(kāi)敞式TBM，秦嶺北口TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為5.244km，秦嶺南口TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為5.621km，TBM施工中，1998年平均月進(jìn)尺為252.36m，1999年平均月進(jìn)尺為290.64m，最高月進(jìn)尺為528.48m。
(2)桃花鋪1號(hào)隧道。西安南京鐵路桃花鋪1號(hào)隧道全長(zhǎng)約7.234km，TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為6.2km，由中鐵十八局采用?.8m開(kāi)敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道出口段)。最高月進(jìn)尺為551.82m。
(3)磨溝嶺隧道。磨溝嶺隧道全長(zhǎng)6114m，軟巖占隧道總長(zhǎng)的70.5%，于2002年11月完工。該隧道由中鐵隧道集團(tuán)采用?.8m開(kāi)敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道進(jìn)段)，TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為4.653km，最高月進(jìn)尺為573.9m。通過(guò)施工，成功掌握了開(kāi)敞式TBM在軟弱地層中的掘進(jìn)技術(shù)。
4、TBM施工的優(yōu)點(diǎn)
(1)快速。TBM是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工廠化施工，掘進(jìn)速度較快，效率較高。
(2)優(yōu)質(zhì)。TBM采用滾刀進(jìn)行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會(huì)受爆破震動(dòng)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(jì)效益和社會(huì)效益;同時(shí)由于超挖量小，節(jié)省了大量襯砌費(fèi)用。TBM施工用人少，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了材料消耗。
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(4)安全。用TBM施工，改善了作業(yè)人員的洞內(nèi)勞動(dòng)條件，減輕了體力勞動(dòng)量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。
(5)環(huán)保。TBM施工不用炸藥爆破，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染小;減少了長(zhǎng)大隧道的輔助導(dǎo)坑數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境;如果使用雙護(hù)盾TBM還可以減少隧道內(nèi)水的流失，有利于環(huán)境保護(hù)和減少水土流失。
(6)自動(dòng)化、信息化程度高。TBM采用了計(jì)算機(jī)控制、傳感器、激光導(dǎo)向、測(cè)量、超前地質(zhì)探測(cè)、通訊技術(shù)，是集機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，具有自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。TBM具有施工數(shù)據(jù)采集功能、TBM姿態(tài)管理功能、施工數(shù)據(jù)管理功能以及施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳功能，可實(shí)現(xiàn)信息化施工。
5、TBM施工的缺點(diǎn)
TBM的地質(zhì)針對(duì)性較強(qiáng)，不同的地質(zhì)條件和隧道斷面，需要設(shè)計(jì)成滿足不同施工要求的TBM，同時(shí)配置適應(yīng)不同要求的輔助設(shè)備。
(1)地質(zhì)適應(yīng)性較差。
TBM對(duì)隧道的地層最為敏感，不同類型的TBM適用的地層也不同，一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用不同類型的TBM輔以必要的預(yù)加固和支護(hù)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)，但對(duì)于大型的巖溶暗河發(fā)育的隧道、高地應(yīng)力隧道、軟巖大變形隧道、可能發(fā)生較大規(guī)模突水涌泥的隧道等特殊不良地質(zhì)隧道，則不適合采用TBM施工。在這些情況下，采用鉆爆法更能發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)越性。
一般情況下，以II、Ⅲ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用開(kāi)敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用雙護(hù)盾TBM施工，對(duì)于V級(jí)圍巖為主和地下水位較高的城市淺埋隧道或越江隧道則較適合采用盾構(gòu)法施工。
(2)不適宜中短距離隧道的施工。
由于TBM體積龐大，運(yùn)輸移動(dòng)較困難，施工準(zhǔn)備和輔助施工的配套系統(tǒng)較復(fù)雜，加工制造工期長(zhǎng)，對(duì)于短隧道和中長(zhǎng)隧道很難發(fā)揮其優(yōu)越性。國(guó)外的實(shí)踐表明，當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí)，采用TBM施工是比較經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于一般的單線鐵路隧道，開(kāi)挖直徑通常在9m左右，按此計(jì)算，長(zhǎng)度大于5.4km的隧道就可以考慮采用TBM施工。
發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道施工，一般優(yōu)先考慮TBM法，只有在TBM法不適宜時(shí)才考慮采用鉆爆法。我國(guó)則相反，鉆爆法施工一直是我國(guó)的強(qiáng)項(xiàng)，采用鉆爆法已成功修建了5000多km的鐵路隧道，且鉆爆法施工的進(jìn)度仍在逐年加快。在我國(guó)，一般認(rèn)為，小于10km的隧道難以發(fā)揮TBM的優(yōu)越性，而鉆爆法則具有相對(duì)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于10～20km的特長(zhǎng)隧道，可以對(duì)TBM法和鉆爆法施工進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選擇適宜的施工方法。對(duì)于大于20km的特長(zhǎng)隧道，則宜優(yōu)先采用TBM法施工。另外，對(duì)于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位較高的隧道，考慮到施工安全和沉降控制等因素，不論隧道長(zhǎng)短，宜優(yōu)先考慮采用盾構(gòu)法施工。
(3)斷面適應(yīng)性較差。
斷面直徑過(guò)小時(shí)，后配套系統(tǒng)不易布置，施工較困難;而斷面過(guò)大時(shí)，又會(huì)帶來(lái)電能不足、運(yùn)輸困難、造價(jià)昂貴等種種問(wèn)題。一般地說(shuō)，較適宜采用TBM施工的隧道斷面直徑在3～l2m;對(duì)直徑在12～15m的隧道應(yīng)根據(jù)圍巖情況和掘進(jìn)長(zhǎng)度、外界條件等因素綜臺(tái)比較;對(duì)于直徑大于15m的隧道，則不宜采用TBM施工。另一方面，變斷面隧道也不能采用TBM施工。
(4)運(yùn)輸困難，對(duì)施工場(chǎng)地有特殊要求。
TBM屬大型專用設(shè)備，全套設(shè)備重達(dá)幾千噸，最大部件重量達(dá)上百噸，拼裝長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)200多m。同時(shí)洞外配套設(shè)施多，主要有混凝土攪拌系統(tǒng)、管片預(yù)制廠，修理車間、配件庫(kù)、材料庫(kù)、供水、供電、供風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)碴和翻碴系統(tǒng)，裝卸調(diào)運(yùn)系統(tǒng)，進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)道路，TBM組裝場(chǎng)地等。這些對(duì)隧道的施工場(chǎng)地和運(yùn)輸方案等都提出了很高的要求，有些隧道雖然長(zhǎng)度和地質(zhì)條件較適合TBM施工，但運(yùn)輸?shù)缆冯y以滿足要求，或者現(xiàn)場(chǎng)不具備布置TBM施工場(chǎng)地的條件。
(5)設(shè)備購(gòu)置及使用成本大。
TBM施工需要高負(fù)荷的電力保證以及其高素質(zhì)的技術(shù)人員和管理隊(duì)伍，其前期購(gòu)買設(shè)備的費(fèi)用較高，這些都直接影響到TBM施工的適用性。
6、TBM的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
(1)進(jìn)度指標(biāo)。
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TBM在一定的地質(zhì)條件下可實(shí)現(xiàn)快速施工，其施工進(jìn)度一般是鉆爆法的3～6倍。如引大入秦30A隧洞使用雙護(hù)盾TBM施工時(shí)，從1991年3月開(kāi)始，連續(xù)突破月進(jìn)度1000m，最高月進(jìn)尺達(dá)1300m，而鉆爆法施工在同類地質(zhì)條件下的月平均進(jìn)度僅為140m(見(jiàn)表1)。
(2)成本指標(biāo)。
單線鐵路隧道采用TBM施工或鉆爆法施工的綜合成本指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。
7、TBM的施工組織特點(diǎn)
應(yīng)充分考慮到TBM設(shè)備采購(gòu)周期較長(zhǎng)(制造周期為11～12個(gè)月)的特點(diǎn)，按工期要求，有計(jì)劃地合理組織好TBM及后配套設(shè)備的采購(gòu)工作。
應(yīng)充分考慮TBM對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，根據(jù)隧道的圍巖條件選用適應(yīng)地質(zhì)條件的TBM，合理組織好TBM及后配套設(shè)備的選型，并組織好TBM設(shè)備的監(jiān)造工作。
應(yīng)充分考慮到使用TBM的特殊性，作好施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作，包括用電線路的架設(shè)，通往施工現(xiàn)場(chǎng)的道路、橋梁的修筑和加固，臨時(shí)工程的施工工作;組織好TBM大件的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、掘進(jìn)準(zhǔn)備工作，并作好技術(shù)培訓(xùn)和材料、機(jī)具需要量計(jì)劃;這些應(yīng)與TBM的購(gòu)置同步進(jìn)行。
應(yīng)充分考慮TBM施工的特點(diǎn)和TBM通過(guò)特殊地質(zhì)地段的設(shè)計(jì)方案、工程措施以及場(chǎng)地和水電情況對(duì)TBM的特殊要求。
8、長(zhǎng)大隧道應(yīng)用TBM的建議
鐵路部已引進(jìn)了2臺(tái)?.8m開(kāi)敞式TBM，適用于時(shí)速160km/h的鐵路單線隧道施工，可根據(jù)地質(zhì)條件選擇適當(dāng)工點(diǎn)使用。
2006年，作為鐵路跨越式發(fā)展重要標(biāo)志的客運(yùn)專線也已拉開(kāi)了序幕，并迅速掀起了建設(shè)高潮，“十一五”期間，我國(guó)將修建客運(yùn)專線1萬(wàn)km，其中隧道約占2000km。目前，鐵路及客運(yùn)專線隧道一般采用鉆爆法施工。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，鉆爆法難以達(dá)到快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)建成的目的。
客運(yùn)專線從隧道運(yùn)營(yíng)安全出發(fā)，由于壓力波和真空度的存在，不宜采用單洞雙線的模式，而宜分洞運(yùn)行，設(shè)計(jì)成雙洞單線。對(duì)于長(zhǎng)大單線鐵路隧道建議優(yōu)先采用TBM施工，并根據(jù)地質(zhì)情況選用開(kāi)敞式TBM或雙護(hù)盾TBM。
建議表3所列鐵路隧道可經(jīng)專家論證后優(yōu)先采用TBM施工，使用TBM施工會(huì)使工期提前，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
9、適宜采用盾構(gòu)法施工的鐵路隧道
目前，廣深港客運(yùn)專線10.8km長(zhǎng)的獅子洋隧道(雙洞單線)，擬采用4臺(tái)?1.12m大型泥水盾構(gòu)施工。北京鐵路北京站至北京西站地下直徑線隧道擬采用2臺(tái)?1.93m大型泥水盾構(gòu)施工。位于浦東鐵路下穿黃浦江段的黃浦江隧道，隧道建筑長(zhǎng)度8.18km，隧道內(nèi)徑9.24m，可采用1～2臺(tái)盾構(gòu)施工。位于新建鐵路上海至南通段的滬通鐵路長(zhǎng)江隧道，現(xiàn)正在進(jìn)行橋梁方案和隧道方案論證階段，如果采用隧道方案，則該隧道的建筑長(zhǎng)度達(dá)21.35km，可采用2～4臺(tái)盾構(gòu)施工。
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TBM是在1846年由意大利人Maus發(fā)明的。1851年，美國(guó)人查理士·威爾遜開(kāi)發(fā)了一臺(tái)TBM，在花崗巖中試用，未獲成功。1881年波蒙特開(kāi)發(fā)了壓縮空氣式TBM，并成功應(yīng)用于英吉利海峽隧道直徑為2.1m的勘探導(dǎo)坑。
美國(guó)羅賓斯(Robbins)公司自1952年開(kāi)發(fā)制造出了現(xiàn)代意義上的第1臺(tái)軟巖TBM后，1956年又研制成功中硬巖TBM。從此，TBM進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。目前，全世界范圍內(nèi)的TBM制造商有30余家，最具實(shí)力的是德國(guó)的威爾特公司、美國(guó)的羅賓斯公司、德國(guó)海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。國(guó)外TBM技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，這為復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)提供了技術(shù)保障。
2、TBM的分類及地質(zhì)適應(yīng)性
目前，TBM主要分為以下3種類型，并分別適應(yīng)于不同的地質(zhì)。
?、匍_(kāi)敞式TBM。常用于硬巖，在開(kāi)敞式TBM上，配置了鋼拱架安裝器和噴錨等輔助設(shè)備，以適應(yīng)地質(zhì)的變化。當(dāng)采取有效支護(hù)手段后，也可應(yīng)用于軟巖隧道。
?、陔p護(hù)盾TBM。適用于各種地質(zhì)，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。
?、蹎巫o(hù)盾TBM。常用于劣質(zhì)地層。單護(hù)盾TBM推進(jìn)時(shí)，要利用管片作為支撐，其作業(yè)原理類似于盾構(gòu)，與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片2者不能同時(shí)進(jìn)行，施工速度較慢。單護(hù)盾TBM與盾構(gòu)的區(qū)別有2點(diǎn):一是單護(hù)盾TBM采用皮帶機(jī)出碴，而盾構(gòu)則采用螺旋輸送機(jī)出碴或采用泥漿泵通過(guò)管道出碴;二是單護(hù)盾TBM不具備平衡掌子面的功能，而盾構(gòu)則采用土壓力或泥水壓力平衡開(kāi)挖面的水土壓力。
一般情況下，整條隧道地質(zhì)情況都差的作業(yè)條件下使用單護(hù)盾TBM;在良好地質(zhì)中則使用開(kāi)敞式TBM;雙護(hù)盾TBM常用于復(fù)雜地層的長(zhǎng)隧道開(kāi)挖，一般適用于中厚埋深、中高強(qiáng)度、地質(zhì)穩(wěn)定性基本良好的隧道，對(duì)各種不良地質(zhì)和巖石強(qiáng)度變化有較好適應(yīng)性。
3、國(guó)內(nèi)使用TBM的情況介紹
我國(guó)最早使用TBM施工的是水利水電工程。早在20世紀(jì)70年代，云南西洱河一級(jí)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(jí)水電站引水隧洞工程使用了美國(guó)羅賓斯公司制造的TBM，直徑為?0.8m，由于選型與地質(zhì)不適應(yīng)，進(jìn)度較低，最低月進(jìn)尺為31m，最高月進(jìn)尺僅92m。1991-1992年，引大入秦工程30A號(hào)和38號(hào)輸水隧洞，總長(zhǎng)約17km，相繼采用了美國(guó)羅賓斯公司制造的?.54m雙護(hù)盾式TBM施工，應(yīng)用比較成功，平均月進(jìn)尺980m，最高月進(jìn)尺1400m。隨后，在引黃入晉工程中相繼使用了5臺(tái)羅賓斯、1臺(tái)法國(guó)法馬通公司制造的雙護(hù)盾TBM，開(kāi)挖了總長(zhǎng)為122km的隧道，創(chuàng)造了日掘進(jìn)113m、月掘進(jìn)1637m的紀(jì)錄。其中，總干6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)隧洞采用1臺(tái)美國(guó)羅賓斯雙護(hù)盾TBM施工，開(kāi)挖直徑為?.125m;南干4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)隧洞采用4臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工，其中3臺(tái)為羅賓斯、1臺(tái)為法國(guó)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(kù)引水工程，全長(zhǎng)85.32km，采用TBM法和鉆爆法施工，使用了3臺(tái)?.03m開(kāi)敞式TBM;正在施工的新疆大坂輸水隧洞工程線路總長(zhǎng)約32km，引水隧洞全長(zhǎng)30.68km，采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合的施工方案，擬采用1臺(tái)德國(guó)海瑞克公司制造的?.755m雙護(hù)盾TBM施工，TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)度約為19.7km;正在施工的青海引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程將由中鐵隧道集團(tuán)引進(jìn)1臺(tái)德國(guó)維爾特公司制造的?.93m雙護(hù)盾TBM施工，引水隧洞全長(zhǎng)24km，TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)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(kāi)始的，至目前為止，僅有3個(gè)工程使用了開(kāi)敞式TBM，具體如下:
(1)秦嶺I線隧道。全長(zhǎng)18.456km，采用TBM法和鉆爆法施工，由鐵道部1996年引進(jìn)2臺(tái)?.8m開(kāi)敞式TBM，秦嶺北口TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為5.244km，秦嶺南口TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為5.621km，TBM施工中，1998年平均月進(jìn)尺為252.36m，1999年平均月進(jìn)尺為290.64m，最高月進(jìn)尺為528.48m。
(2)桃花鋪1號(hào)隧道。西安南京鐵路桃花鋪1號(hào)隧道全長(zhǎng)約7.234km，TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為6.2km，由中鐵十八局采用?.8m開(kāi)敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道出口段)。最高月進(jìn)尺為551.82m。
(3)磨溝嶺隧道。磨溝嶺隧道全長(zhǎng)6114m，軟巖占隧道總長(zhǎng)的70.5%，于2002年11月完工。該隧道由中鐵隧道集團(tuán)采用?.8m開(kāi)敞式TBM施工(該TBM曾施工秦嶺I線隧道進(jìn)段)，TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為4.653km，最高月進(jìn)尺為573.9m。通過(guò)施工，成功掌握了開(kāi)敞式TBM在軟弱地層中的掘進(jìn)技術(shù)。
4、TBM施工的優(yōu)點(diǎn)
(1)快速。TBM是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工廠化施工，掘進(jìn)速度較快，效率較高。
(2)優(yōu)質(zhì)。TBM采用滾刀進(jìn)行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會(huì)受爆破震動(dòng)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(jì)效益和社會(huì)效益;同時(shí)由于超挖量小，節(jié)省了大量襯砌費(fèi)用。TBM施工用人少，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了材料消耗。
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(4)安全。用TBM施工，改善了作業(yè)人員的洞內(nèi)勞動(dòng)條件，減輕了體力勞動(dòng)量，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，事故大大減少。
(5)環(huán)保。TBM施工不用炸藥爆破，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染小;減少了長(zhǎng)大隧道的輔助導(dǎo)坑數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境;如果使用雙護(hù)盾TBM還可以減少隧道內(nèi)水的流失，有利于環(huán)境保護(hù)和減少水土流失。
(6)自動(dòng)化、信息化程度高。TBM采用了計(jì)算機(jī)控制、傳感器、激光導(dǎo)向、測(cè)量、超前地質(zhì)探測(cè)、通訊技術(shù)，是集機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，具有自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。TBM具有施工數(shù)據(jù)采集功能、TBM姿態(tài)管理功能、施工數(shù)據(jù)管理功能以及施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳功能，可實(shí)現(xiàn)信息化施工。
5、TBM施工的缺點(diǎn)
TBM的地質(zhì)針對(duì)性較強(qiáng)，不同的地質(zhì)條件和隧道斷面，需要設(shè)計(jì)成滿足不同施工要求的TBM，同時(shí)配置適應(yīng)不同要求的輔助設(shè)備。
(1)地質(zhì)適應(yīng)性較差。
TBM對(duì)隧道的地層最為敏感，不同類型的TBM適用的地層也不同，一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用不同類型的TBM輔以必要的預(yù)加固和支護(hù)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)，但對(duì)于大型的巖溶暗河發(fā)育的隧道、高地應(yīng)力隧道、軟巖大變形隧道、可能發(fā)生較大規(guī)模突水涌泥的隧道等特殊不良地質(zhì)隧道，則不適合采用TBM施工。在這些情況下，采用鉆爆法更能發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)越性。
一般情況下，以II、Ⅲ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用開(kāi)敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主的隧道較適合采用雙護(hù)盾TBM施工，對(duì)于V級(jí)圍巖為主和地下水位較高的城市淺埋隧道或越江隧道則較適合采用盾構(gòu)法施工。
(2)不適宜中短距離隧道的施工。
由于TBM體積龐大，運(yùn)輸移動(dòng)較困難，施工準(zhǔn)備和輔助施工的配套系統(tǒng)較復(fù)雜，加工制造工期長(zhǎng)，對(duì)于短隧道和中長(zhǎng)隧道很難發(fā)揮其優(yōu)越性。國(guó)外的實(shí)踐表明，當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí)，采用TBM施工是比較經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于一般的單線鐵路隧道，開(kāi)挖直徑通常在9m左右，按此計(jì)算，長(zhǎng)度大于5.4km的隧道就可以考慮采用TBM施工。
發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道施工，一般優(yōu)先考慮TBM法，只有在TBM法不適宜時(shí)才考慮采用鉆爆法。我國(guó)則相反，鉆爆法施工一直是我國(guó)的強(qiáng)項(xiàng)，采用鉆爆法已成功修建了5000多km的鐵路隧道，且鉆爆法施工的進(jìn)度仍在逐年加快。在我國(guó)，一般認(rèn)為，小于10km的隧道難以發(fā)揮TBM的優(yōu)越性，而鉆爆法則具有相對(duì)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于10～20km的特長(zhǎng)隧道，可以對(duì)TBM法和鉆爆法施工進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選擇適宜的施工方法。對(duì)于大于20km的特長(zhǎng)隧道，則宜優(yōu)先采用TBM法施工。另外，對(duì)于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位較高的隧道，考慮到施工安全和沉降控制等因素，不論隧道長(zhǎng)短，宜優(yōu)先考慮采用盾構(gòu)法施工。
(3)斷面適應(yīng)性較差。
斷面直徑過(guò)小時(shí)，后配套系統(tǒng)不易布置，施工較困難;而斷面過(guò)大時(shí)，又會(huì)帶來(lái)電能不足、運(yùn)輸困難、造價(jià)昂貴等種種問(wèn)題。一般地說(shuō)，較適宜采用TBM施工的隧道斷面直徑在3～l2m;對(duì)直徑在12～15m的隧道應(yīng)根據(jù)圍巖情況和掘進(jìn)長(zhǎng)度、外界條件等因素綜臺(tái)比較;對(duì)于直徑大于15m的隧道，則不宜采用TBM施工。另一方面，變斷面隧道也不能采用TBM施工。
(4)運(yùn)輸困難，對(duì)施工場(chǎng)地有特殊要求。
TBM屬大型專用設(shè)備，全套設(shè)備重達(dá)幾千噸，最大部件重量達(dá)上百噸，拼裝長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)200多m。同時(shí)洞外配套設(shè)施多，主要有混凝土攪拌系統(tǒng)、管片預(yù)制廠，修理車間、配件庫(kù)、材料庫(kù)、供水、供電、供風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)碴和翻碴系統(tǒng)，裝卸調(diào)運(yùn)系統(tǒng)，進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)道路，TBM組裝場(chǎng)地等。這些對(duì)隧道的施工場(chǎng)地和運(yùn)輸方案等都提出了很高的要求，有些隧道雖然長(zhǎng)度和地質(zhì)條件較適合TBM施工，但運(yùn)輸?shù)缆冯y以滿足要求，或者現(xiàn)場(chǎng)不具備布置TBM施工場(chǎng)地的條件。
(5)設(shè)備購(gòu)置及使用成本大。
TBM施工需要高負(fù)荷的電力保證以及其高素質(zhì)的技術(shù)人員和管理隊(duì)伍，其前期購(gòu)買設(shè)備的費(fèi)用較高，這些都直接影響到TBM施工的適用性。
6、TBM的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
(1)進(jìn)度指標(biāo)。
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TBM在一定的地質(zhì)條件下可實(shí)現(xiàn)快速施工，其施工進(jìn)度一般是鉆爆法的3～6倍。如引大入秦30A隧洞使用雙護(hù)盾TBM施工時(shí)，從1991年3月開(kāi)始，連續(xù)突破月進(jìn)度1000m，最高月進(jìn)尺達(dá)1300m，而鉆爆法施工在同類地質(zhì)條件下的月平均進(jìn)度僅為140m(見(jiàn)表1)。
(2)成本指標(biāo)。
單線鐵路隧道采用TBM施工或鉆爆法施工的綜合成本指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。
7、TBM的施工組織特點(diǎn)
應(yīng)充分考慮到TBM設(shè)備采購(gòu)周期較長(zhǎng)(制造周期為11～12個(gè)月)的特點(diǎn)，按工期要求，有計(jì)劃地合理組織好TBM及后配套設(shè)備的采購(gòu)工作。
應(yīng)充分考慮TBM對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，根據(jù)隧道的圍巖條件選用適應(yīng)地質(zhì)條件的TBM，合理組織好TBM及后配套設(shè)備的選型，并組織好TBM設(shè)備的監(jiān)造工作。
應(yīng)充分考慮到使用TBM的特殊性，作好施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作，包括用電線路的架設(shè)，通往施工現(xiàn)場(chǎng)的道路、橋梁的修筑和加固，臨時(shí)工程的施工工作;組織好TBM大件的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、掘進(jìn)準(zhǔn)備工作，并作好技術(shù)培訓(xùn)和材料、機(jī)具需要量計(jì)劃;這些應(yīng)與TBM的購(gòu)置同步進(jìn)行。
應(yīng)充分考慮TBM施工的特點(diǎn)和TBM通過(guò)特殊地質(zhì)地段的設(shè)計(jì)方案、工程措施以及場(chǎng)地和水電情況對(duì)TBM的特殊要求。
8、長(zhǎng)大隧道應(yīng)用TBM的建議
鐵路部已引進(jìn)了2臺(tái)?.8m開(kāi)敞式TBM，適用于時(shí)速160km/h的鐵路單線隧道施工，可根據(jù)地質(zhì)條件選擇適當(dāng)工點(diǎn)使用。
2006年，作為鐵路跨越式發(fā)展重要標(biāo)志的客運(yùn)專線也已拉開(kāi)了序幕，并迅速掀起了建設(shè)高潮，“十一五”期間，我國(guó)將修建客運(yùn)專線1萬(wàn)km，其中隧道約占2000km。目前，鐵路及客運(yùn)專線隧道一般采用鉆爆法施工。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，鉆爆法難以達(dá)到快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)建成的目的。
客運(yùn)專線從隧道運(yùn)營(yíng)安全出發(fā)，由于壓力波和真空度的存在，不宜采用單洞雙線的模式，而宜分洞運(yùn)行，設(shè)計(jì)成雙洞單線。對(duì)于長(zhǎng)大單線鐵路隧道建議優(yōu)先采用TBM施工，并根據(jù)地質(zhì)情況選用開(kāi)敞式TBM或雙護(hù)盾TBM。
建議表3所列鐵路隧道可經(jīng)專家論證后優(yōu)先采用TBM施工，使用TBM施工會(huì)使工期提前，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
9、適宜采用盾構(gòu)法施工的鐵路隧道
目前，廣深港客運(yùn)專線10.8km長(zhǎng)的獅子洋隧道(雙洞單線)，擬采用4臺(tái)?1.12m大型泥水盾構(gòu)施工。北京鐵路北京站至北京西站地下直徑線隧道擬采用2臺(tái)?1.93m大型泥水盾構(gòu)施工。位于浦東鐵路下穿黃浦江段的黃浦江隧道，隧道建筑長(zhǎng)度8.18km，隧道內(nèi)徑9.24m，可采用1～2臺(tái)盾構(gòu)施工。位于新建鐵路上海至南通段的滬通鐵路長(zhǎng)江隧道，現(xiàn)正在進(jìn)行橋梁方案和隧道方案論證階段，如果采用隧道方案，則該隧道的建筑長(zhǎng)度達(dá)21.35km，可采用2～4臺(tái)盾構(gòu)施工。
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