TBM施工技术

2008-5-20 11:30 【大 中 小】【打印】【我要纠错】

1、TBM的发展历史

TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功

应用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。

美国罗宾斯（Robbins）公司自1952年开发制造出了现代意义上的第1台软岩TBM后，1956年又研制成功中硬岩TBM.从此，TBM进入了快速发展时期。目前，全世界范围内的TBM制造商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已经相当成熟，这

为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了技术保障。

2、TBM的分类及地质适应性目前，TBM主要分为以下3种类型，并分别适应于不

同的地质。

① 开敞式TBM.常用于硬岩，在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设

备，以适应地质的变化。当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。

② 双护盾TBM.适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。 ③ 单护盾TBM.常用于劣质地层。单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片2者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有2点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾

构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。

一般情况下，整条隧道地质情况都差的作业条件下使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。

3、国内使用TBM的情况介绍

我国最早使用TBM施工的是水利水电工程。早在20世纪70年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM。1985-1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，由于选型与地质不适应，进度较低，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m.1991-1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造。54m双护盾式TBM施工，应用比较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m.随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m 的纪录。其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工。125m； 南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造。94m.目前在建的工程还有辽宁大

伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台。03m开敞式TBM； 正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km，采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，拟采用1台德国海瑞克公司制造的。755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度约为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造。93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度约为19.94km.在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦

岭I线隧道开始的，至目前为止，仅有3个工程使用了开敞式TBM，具体如下： （1）秦岭I线隧道。全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进2台。8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进

尺为290.64m，最高月进尺为528.48m.

（2）桃花铺1号隧道。西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用。8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道出

口段）。最高月进尺为551.82m.

（3）磨沟岭隧道。磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用。8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m.通过施工，成功掌握

了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。

4、TBM施工的优点

（1）快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴 、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度

较快，效率较高。

（2）优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动

而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）高效。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消

耗。

（4）安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避

免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。

（5）环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境； 如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环

境保护和减少水土流失。

（6）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工

数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。

5、TBM施工的缺点

TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求

的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。

（1）地质适应性较差。

TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其

机动灵活的优越性。

一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧

道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。 （2）不适宜中短距离隧道的施工。

由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通

常在9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。

3.4.2铁路工程 （1）秦岭Ⅰ线隧道

西安～安康铁路秦岭隧道位于陕西省长安县与柞水县的交界处，在青岔车站、盘营车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距30m，其中Ⅰ线隧道全长18.460km，Ⅱ线隧道全长18.465km；西安端洞口(北口)高程约海平面以上871m；安康端洞口(南口)约海平面以上1025m，隧道两端高差155米，Ⅰ、Ⅱ线隧道纵坡基本相同，由西安端进洞后约14.7km范围为11‰的上坡，然后约3．2km范围以3‰的下坡出洞；Ⅰ线隧道较Ⅱ线隧道高O.24～0.56m；隧道基本为直线，仅两端洞口各有半径为500m的曲线地段(从北口进入隧道近2米和从南口进入隧道近130m在曲线上)。Ⅰ线隧道采用TBM法进行施工，断面成圆形，开挖直径为880cm。Ⅱ线隧道采用钻爆法施工，为马蹄形断面。在Ⅱ线隧道位置上先期旋工平导，辅助Ⅰ线施工，Ⅰ线隧道完工后，再将Ⅱ线隧道扩大【100-103】。

Ⅰ线隧道使用两台直径为880cm敞开式TBM由两端相向施工。该掘进机由铁道部引进，其配套机械的购置及相关费用73 187.9万元，其中2台TB880E型掘进机设备原值4．72亿元。

隧道衬砌采用初期支护为锚喷网，二次衬砌为模筑混凝土，隧道底部全部采用拼装式钢筋混凝土砌块，隧

道内道床类型为整体道床，在掘进机尚未抵达工地前，进出口曲线地段采用钻爆法，按掘进机施工的圆形断面尺寸施工一段，其目的一是解决曲线地段隧道加宽问题，二是先施工完洞口浅埋，地质较差地段，三是为掘进机安装进洞创造条件。Ⅰ线隧道两端洞口先期使用钻爆法施工长度，北口为100m，出口为200m。

TBM的一个行程按1.8m计，时间为1小时，开挖量为122立方米，松方系数取1.6，一个行程的总出碴量195立方米。运输工具有一辆机车和十辆碴车。碴车最大外形尺寸8×1.8×2.3m，最大重量53t。出渣装载方式为双股道平台装渣方式。卸碴设备是卸碴桥、螺栓固定的刚性结构，其原理为双车卸碴。通过4个液压驱动装置旋转机构，旋转180°达到卸碴，碴车夹持装置是自锁的。整套设备长16m，高6.5m，支撑轮子直径5.8m，旋转速度2m/min，卸碴时间最快为8min。

洞内运输轨道，双序双轨作业下，使用最外侧两根钢轨作为模板台车的轨道，一轨道作为衬砌作业，一轨道作为出渣运输，当轨道穿越模板台车时，采用单股道加浮动道岔，钢轨均用43kg/轨。

仰拱预制块，隧道全长铺设仰拱块与TBM施工同步进行。施工期间预制块上面铺设双线(四轨)运输轨道，最外侧两根轨之问的轨距是3050mm。隧道贯通后，再于仰拱预制块上面铺设永久性整体道床。每片仰拱预制块的总重量约12吨。

通风方式采用长管路压人式通风，采用大直径2.2m软风管，每节风管长度100m，百米漏风率1%， TBM掌子面风量为25～30m3，TBM配套主风管末端风量为30 m3风机采用进口的150xN型风机，在O～3km时洞口处设置一台风机，3～6km时洞口处设置二台风机串联，6～9km时除洞口设置二台风机串联外，在距洞口3.25km处和洞内设一台增压风机，TBM自身装备集尘、局扇、冷却系统，其所需风量及功率参考值为:集尘装置l0 m3/s，(90Kw)，冷却系统2×10 m3/s (约69OKW)。

秦岭隧道北口从开工至贯通共掘进444d，总掘进机时为4 054.4h，秦岭隧道南口从开工至贯通共掘进459d，总掘进机时为4029.55h。2台掘进机平均掘进451.5d，4042.0 h机时。平均l.27m/h，平均月进度为297m，最高月进度509m，Ⅲ类围岩平均速度1.56m/h，Ⅳ类围岩平均速度l.40m/h ，Ⅴ类围岩平均速度l.20m/h。打通后由洞内分别拆卸运出机器。

在TBM施工的费用组成中，人工费、机械费约占总费用的63.7％，刀具费用占16.0％，人工费和机械费总是随着掘进速度的变化而变化，当掘进速度提高一倍时，其费用减半。刀具的费用与岩石强度、完整性和石英含量有关。秦岭特长隧道是以混合片麻岩、混合花岗岩为主的硬质岩石，其中I、Ⅱ级围岩占45％，Ⅲ级占围岩45％，且围岩完整性好，石英含量为10％～35％。混合片麻岩岩石抗压强度79～325MPa．混台花岗岩岩石抗压强度117～92MPa。每把刀平均掘进距离：全隧道平均248m，片麻岩段140m，花岗岩段878m。每个刀圈平均掘进距离：全隧道平均2.80m，片麻岩段1.60m，花岗岩段9.40m。每m3岩体平均耗圈数量：全隧道平均0.0059个，片麻岩段0.0103个，花岗岩段0.0018个。多种不利因素的叠加，限制了掘进机优势的发挥，平均进度仅为9.03 m/日历天，低于350 m/月的设计进度，作业率29.65％。因而最终导致了掘进机施工费用的增加。

以秦岭特长隧道为例，掘进机的经常维修费用为(包括配件、液压油、润滑油)5 782．5 元/m，刀具费用更是高达7 523.2 元/m，经常维修费用、刀具费用占工料机费的42％。如果不计掘进机设备的折旧费，经常维修费用、刀具费用占工料机费的62％。由于当时进口配件价格高(一般为国产配件的3倍)、供货周期长，不利于降低掘进机施工的造价。

秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，2台TB880E型掘进机先后完成了秦岭特长I线隧道10 704 m、磨沟岭隧道5 488 m、桃花铺1号隧道970 m的施工任务，累计掘进长度22 162 m，平均每台掘进长度为11 081 m。折旧1．41亿元，尚保有价值为3．31亿元。2台TB880E型掘进机自2002年一直处于闲置状态。现正用于中天山隧道，该隧道是吐（鲁番）库（尔勒）二线铁路，于2007年4月25日开工，截止到2009年4月23日，中天山隧道已掘进突破5529m，TBM二次衬砌突破2427m。TBM月掘进554.6m，创该TBM国内施工新纪录。

刘孟山在《秦岭特长隧道TBM施工工程经济分析简介》一文中进行了详细的钻爆法与TBM法开挖的经济对比【14】。具体数据如下： 表3-41 TBM掘进工料机费用分析表

Table 3-41 TBM construction method materials, machine cost analysis quantity table 工程及费用名称 金额（元/m） 工程及费用名称 金额（元/m） 一、掘进 28887.79 3．碴车 80l.35 (一)工费 377.64 4．翻车机 285.30

1.人工费 377.64 5．客车、砼罐车、仰拱块车、平板车 243.08 (二)材料费 9117.60 6．通风机 415.62 1．刀具费 7523.23 7．水泵 59.43

2．TBM专用电缆 326.64 8．起重机械 186.13 3．其他电缆 74.9l 9．搅拌站 65.91 4．排水管 125.89 10．变压器 24.13 5．风管 397.93 11．修配机械 61.95 6．轨道 367.35 12．其他机械 252.51

7．照明用电 62.78 二、支护构件制作及材料 2569.75 8．其他材料费 238.87 (一)工费 313.67 (三)机械费 19392.55 (二)材料费 2072.63 1．TBM费 15348.70 (三)机械使用 183.45 2．机车 1648.44 以上合计 31457.54

注：1.TBM折旧费6285.33，大修费1865.33，修理费5782.52，电费1375.32； 2．机车折旧费839.73，大修费l73.63，修理费364.63；

3．碴车折旧费475.55，大修费148.07，修理费177.73； 4．翻车机折旧费129.17，大修费42.05，修理费105.13。 表3-42 TBM法与钻爆法工程量对比表

Table 3-42 TBM method and drilling and blasting method construction the amount of engineering comparative table 项目 开挖 （m2） 衬砌 (圬工方) 喷砼 （m3） 钢材 (kg)

TBM 62.61 10.63 1.93 499.2 钻爆法 60.54 16.75 1.76 131.2

TBM/钻爆法（%） 103.4 63.5 109.7 380.5

表3-43 主洞工料机费用的比较表

Table 3-43 main tunnel hours, materials, machinery use of the cost comparison table 项目

单位：元/m 工费 料费 机械 使用费 工料机费合计

TBM 1329 17062 28572 46963 钻爆法 2326 10434 10797 23557

TBM/钻爆法（%） 57.1 163.5 264.6 199.3

秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，通过此隧道的实践，开辟了国内TBM的热潮，从此国产化TBM开始提上日程，施工单位和大型机械厂商都在探索如何降低TBM的造价，最终降低隧道施工成本。虽然在秦岭隧道中并未体现出TBM的经济型，但是其快速的掘进效率还是引起了隧道工程建设者的注意。

（2）桃花铺隧道、磨沟岭隧道

磨沟岭隧道、桃花铺隧道所采用的是秦岭隧道施工后的TB880E型掘进机。其基本参数和前面秦岭隧道一致。

西安～南京铁路的桃花铺1号隧道，全长约7.234kmTBM 掘进长度为6.2km 由中铁十八局采用直径8.8m 开敞式TBM 施工(该TBM曾施工秦岭I 线隧道出口段)最高月进尺为551.82m。

西安～合肥铁路的磨沟岭隧道，长6116m，在掘进中Ⅳ、Ⅴ级围岩设计时为1138m，占全隧的19%，而实际上总长为3416，占全隧的56%。断层面以小角度长距离近似平行隧道的方向，给掘进带来非常大的难题，而运用TB880E型掘进机后配套所具有可适应软弱围岩设备能及时支护的措施是成功的（加密钢拱、及时挂网喷射混凝土、注浆及管棚等）。该隧道于2002年11月完工，由中铁隧道集团施工(该TBM 曾施工秦岭I 线隧道进口段)。TBM 掘进长度为4.653km 最高月进尺为573.9m证明了开敞式TBM适应于硬岩的掘进，同时也具备了通过软弱围岩、破碎和断层地带的能力。

随着对TBM法施工的技术和管理的掌握以及刀具等配件设备的国产化，隧道开挖成本开始下降了。在秦岭Ⅰ线隧道出口段TBM法开挖成本是钻爆法的1.59倍，在桃花铺1号隧道TBM法开挖成本是钻爆法的1.23倍【103】。 （3）中天山隧道

中天山隧道位于新疆巴州和硕县境内，穿越中天山北支博尔托乌山，平均海拔1 100～2 950m，最高海拔为2 951.6m，是南疆铁路增建二线吐鲁番至库尔勒段的控制性工程。隧道全长22 467m，设计坡度11‰，通过地层岩性以变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩、片岩夹大理岩为主，其中Ⅱ、Ⅲ级围岩约占全隧长度的73.42％。隧道进口采用TBM法施工，施工长度13 982m；出口采用钻爆法施工，施工长度8 485m，设一长2 545m斜井辅助施工。中天山隧道于2007年4月25日开工，合同总工期46个月。进口TBM段设计开挖断面直径8.8m，成洞直径7.7m。

施工使用的TB880E掘进机，由于这台TBM是上世纪90年代的产品，经中铁十八局集团改造后，用于此隧道的施工。创造了国产化技术改造改进项目近20项，还修正了“洋设备”很多技术参数，经专家鉴定，掘进机整修质量合格率99.1%，TBM整修改进节约资金上千万元。刀盘面板加强两项专利技术已经通过国家审查，中心刀改进技术也正在申报专利。

该工程TBM施工已创国内新纪录月掘进554.6米。中天山隧道是第一条开展开敞式TBM掘进同步衬砌的工程，按600m/月进度计算，可节约工期14个月【104】。

国内铁路TBM施工最大直径最长隧再创新纪录

2011-12-29 15:49:47 来源: 中国路面机械网

导读：12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次...

12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次刷新中国铁建TBM施工新纪录。

被誉为兰渝铁路“天堑咽喉”的全长28.236公里的西秦岭隧道是目前国内采用钻爆法与TBM法相结合施工的最长大在建铁路隧道。作为新建兰渝铁路818.71公里中的咽喉控制性工程，该隧道进洞自然条件恶劣、Ⅴ级和Ⅳ级围岩段落长、交通极为不便、物资供应紧张、征地拆迁难度大，隧道最大埋深约1400米，隧道采用具有国际先进水平的全断面硬岩掘进机（简称TBM掘进机）和钻爆法相结合的施工方法，隧道出口段采用TBM掘进机施工。

TBM掘进机是由美国Robbins（罗宾斯）公司设计、提供技术支持，关键核心部件全球采购的国内铁路最大直径的TBM掘进机。该机主要分为三个部分：主机、连接桥和后配套，刀盘直径10.2米，整机全长180余米，重1800吨，采用美国罗宾斯公司拥有全球专利的19英寸滚刀等技术，减少了换刀频率，提高了换刀速度和掘进机的使用效率，确保了整机的质量和技术的先进性。该机最大的特点是安全、环保、快速，被称为“隧道内的机械化工厂”。

TBM掘进机的施工，一直备受兰渝公司和中铁十八局集团领导的高度重视。为确保2011年底前西秦岭隧道TBM掘进第一阶段的7963米贯通目标实现，中铁十八局集团兰渝铁路指挥长史振春、党工委书记江顺、隧道公司项目经理赵战欣、书记齐建锋等制定出了“60天攻坚战”，全体参建员工不断克服不良地质、设备磨合、设备改进、机械臂故障等诸多困难，积极与美国Robbins公司等单位联系，加大对TBM掘进机的掘进系统、初支系统、后配套系统的管理、调试，以及部分设备的改进、完善等工作，加大控制关键岗位操作、设备维修保养、机车整编组合、长距运输保障等重点环节，实现了TBM施工连续稳产高产掘进。 “60天攻坚战”期间，共计完成掘进1219米，创造了连续10天单日掘进超过30米的掘进纪录，继今年6月份完成TBM掘进620米高产纪录后，12月份创造了月掘进772.7米，再一次刷新中国铁建TBM月掘进纪录。

TBM在铁路隧道施工中的应用前景

2007/7/19 10:02:30 来源：www.cnteg.com 浏览：1217 次

TBM在铁路隧道施工中的应用前景

1 TBM的发展历史

全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、光、电、气、液、信息技术于一体的隧道施工成套专用设备。目前已广泛应用于地铁、公路、铁路、水电、市政等隧道工程，具有安全、快速、自动化程度高、对环境影响小、实现工厂化作业的特点。

隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，

用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。通常定义中的TBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。而盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM的主要方面。

现代的TBM采用了机械、电气和液压领域的高科技成果，运用计算机控制、闭路电视监视、工厂化作业，是集掘进、支护、出碴、运输于一体的成套设备。采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、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施工工法有了质的飞跃。

TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊于开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功使用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。

自美国罗宾斯（Robbins）公司1952年开发制造出了现代意义上的第一台软岩TBM后，1956年研制成功中硬岩TBM。从此，TBM进入了快速发展时期。目前，在世界范围内的TBM生产商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已经相当成熟，为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了坚实的基础。

2 TBM的分类及地质适应性

目前，TBM主要分为以下三种类型，并分别适应于不同的地质。

① 开敞式TBM。常用于硬岩；在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。

② 双护盾TBM。对地质具有广泛的适应性，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。

③ 单护盾TBM。常用软岩，单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有两点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵以通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土仓压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。

一般情况下，整条隧道地质情况都差的条件下（但掌子面能自稳）使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。

3 国内使用TBM的情况介绍

我国的水利水电工程最早使用TBM施工。早在七十年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM，直径为?.8m。1985年～1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，直径为?0.8m，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m。1991年～1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造的?.54m双护盾式TBM施工，TBM应用较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m。随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m 的纪录；其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工，

开挖直径为?.125m；南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造，直径为?.82m～?.94m。目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台?.03m开敞式TBM；正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km；采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，计划采用1台德国海瑞克公司制造的?.755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度计划为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造的?.93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度为计划为19 .94km。

在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭Ⅰ线隧道开始的，至目前为止，仅有三个工程使用了开敞式TBM，具体如下：

1）秦岭Ⅰ线隧道

全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台?.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。

2）磨沟岭隧道

磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ⅰ线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m。通过施工，成功掌握了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。

3）桃花铺1号隧道

西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用?.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ⅰ线隧道出口段）。最高月进尺为551.82 m。

4 TBM施工的优点 1) 快速

TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。

2) 优质

TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

3) 高效益

TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。

4) 安全

用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。

5) 环保

TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；施工沉降小，有利于地面建筑物的保护；掘进速度快，工期比较容易得到保证；TBM施工减少了长大隧道的辅助导坑数量，

保护了生态环境；如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。

6）自动化、信息化程度高

TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工。

5 TBM施工的缺点

TBM的地质针对性较强，不同的地质条件、不同的隧道断面，需要设计成满足不同施工要求TBM，需要配置适应不同要求的辅助设备。

1）地质适应性较差

TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。

一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用敞开式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。

2）不适宜中短距离隧道的施工

由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。但根据我国的国情，我国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多公里的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于大于10km的特长隧道，从科学发展观和生态环境的保护方面考虑，则宜优先采用TBM法施工。另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，则宜优先考虑采用盾构法施工。

3）断面适应性较差

断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难；而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3m～l 2m；对直径在1 2m～1 5m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于1 5m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。

4）运输困难，对施工场地有特殊要求

TBM属大型专业设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达2 00多米。洞外配套设施多，主要有混凝土拌和系统、管片预制厂，修理车间、各种配件、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，

TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，可能有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。

5）设备购置及使用成本大

TBM施工需要高负荷的电力保证、需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。

6 TBM的经济技术指标 1）进度指标

TBM施工在一定的地质条件下可实现快速施工，其施工进度一般是钻爆法的3～6倍。如引大入秦30A隧洞使用双护盾TBM施工时，从1991年3月开始，连续突破月进度1000m，最高月进尺达1300m，而钻爆法施工在同类地质条件下的月平均进度仅为140m。

表1 钻爆法施工的平均进度指标（参考指标） 围岩级别 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 循环进尺 3.5m 3.0m 1.2～1.5m 0.6～1.0m 月进度指标 200m 160 m 80 m 40 m 2）成本指标

单线铁路隧道采用TBM施工或钻爆法施工的综合成本指标对比见下表。 表2 单线铁路隧道钻爆法与TBM法成本指标（参考指标）对比 运行速度 钻爆法施工（万元/延米） TBM施工（万元/延米） 比率 350km／h 3.81 5.2 1.36 250km／h 3.25 4.9 1.51 200km／h 2.97 4.8 1.65 7 TBM的施组特点

1）应充分考虑到TBM设备的采购周期较长（制造周期为11～12个月）的特点，按工期要求，有计划地合理组织好TBM及后配套设备的采购工作。

2）应充分考虑TBM对地质的适应性，根据隧道的围岩条件选用适应地质条件的TBM，合理组织好TBM及后配套设备的选型，并组织好TBM设备的监造工作。

3）应充分考虑到使用TBM的特殊性，作好施工现场的准备工作，包括用电线路的架设，通往施工现场的道路、桥梁的修筑和加固，临时工程的施工工作，组织好TBM大件的运输、安装、调试、掘进准备工作，并作好技术培训和材料、机具需要量计划；这些与TBM的购置同步进行。

4）应充分考虑TBM施工的特点和TBM通过特殊地质地段的设计方案、工程措施以及场地及水电情况对TBM的特殊要求。

8 几点建议

1）隧道断面越小或隧道长度越短，采用TBM施工相对越不经济，建议对于运行速度目标值较高的客运专线单线隧道可适当采用TBM施工。

2）铁道部在秦岭隧道施工时已引进了两台?.8m开敞式TBM，适用于时速160km/h的铁路单线隧道施工，目前每台使用不到15km，未达到每台20km的使用寿命，如果更换主轴承，使用寿命还可增加，这两台TBM可根据地质条件选择适当工点使用。

3）今年，作为铁路跨越式发展重要标志的客运专线也已拉开了序幕，并迅速掀起了

建设高潮，十一五期间，我国将修建客运专线10000km，其中隧道约占2000km。目前，铁路及客运专线隧道一般采用钻爆法施工。采用钻爆法施工，作业条件差、安全隐患多、施工噪声大、粉尘大、施工进度较慢、劳动强度较大。对于长大隧道，钻爆法难以达到快速、优质、安全、经济建成的目的。

4）对于开挖面积大于150m2的双线断面隧道，不适宜采用TBM施工。客运专线从隧道运营安全出发，压力波和真空度的存在不宜设一个大洞（单洞双线），宜分洞运行，设计成双洞单线。对于长大单线铁路隧道建议优先采用TBM施工，并根据地质情况选用开敞式TBM或双护盾TBM

1引言

锦屏二级水电站位于雅砻江下游四川省凉山州境内，装机容量4 800 MW，库容1.92x10 7 mj，调节库容4.96x 106m3，电站最大引用流量465 m3／s。

电站利用雅砻江下游河段150 km长大河湾的天然落差，通过长约16.7 km的4条引水隧洞，截弯取直，获得水头约310 m。引水系统由迸水口、引水隧洞、上游调压室、高压管道、尾水事故闸门室以及尾水隧洞等建筑物组成，为一低闸、长隧洞、高水头、大容量引水式电站。由于本工程引水隧洞属于深埋特长隧洞，经过可行性研究及招标设计阶段对采用TBM进行施工的可行性进行的研究与论证，决定其中2条引水隧洞将采用TBM进行施工。在同一工程中TBM和钻爆法的协调施工既可充分发挥TBM的高速掘进优势，又可利用钻爆法的灵活性特点，规避特殊地质条件下施工重大风险，从而优化整体施工方案，保证安全可靠、经济合理和快速施工。

锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋深大、洞线长的特点。 主要工程地质问题有高地应力和岩爆、涌（突）水、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。在即将完工的2条平行的锦屏辅助洞施工过程中，已遭遇到系列高压大流量突涌水、岩爆等问题，对施工造成了一定的影响。鉴于锦屏二级水电站引水隧洞施工所面临的难度，如何结合锦屏二级水电站引水隧洞特点确定TBM型式并量身进行设计制造成为一个关键性问题。同时，由于TBM在面对高地应力、岩爆、高压力水头及大流量涌水条件下的施工，目前世界上还缺乏经验可遵循。因此，尽早开展对TBM开挖穿越不良地质条件下的施工控制措施及对策研究，具有十分重要的现实意义。

2 引水隧洞区域工程地质与水文地质条件

2.1工程地质与水文地质条件

锦屏二级水电站地处青藏高原向四川盆地过渡的地貌斜坡地带。锦屏山以近SN向展布于河湾范围内，山势雄厚、重峰叠嶂、沟谷深切，主体山峰高程4 000 m以上，最高峰4 488 In，最大高差达3 000 tn以上。引水隧洞从东到西分别穿越盐塘组大理岩（T2y）、白山组大理岩（T20、三迭系上统砂板岩（T3）、杂谷脑组大理岩（T2z）、三迭系下统绿泥石片岩和变质中细砂岩（TD等地层。根据引水隧洞的地质围岩分类预测，隧洞大部分洞段以II\"-dll类围岩为主，约占82.8％，岩石坚硬完整致密，单轴湿抗压强度为55\"---114 MPa，弹性模量为（25～40）×103MPa，变形模量为（8～16）x l矿MPa。围岩的自稳承载能力强，成洞条件较好。

断层破碎带穿越洞段所属的IV～V类围岩约4.6％。区内断层构造按其形迹和展布方位分为4个构造

组：NNE，NNW，NE'--'NEE以及NVC'\"-'-'NWW向（均以陡倾角为主）。其中，以NNE和近EW（NWW和NEE）I向的张扭性节理较为发育，前者多呈闭合状，后者多呈张开，两者组成了本区的构造骨架。

受区域构造影响，区内褶皱发育，多表现为近SN向紧密褶皱，结构面主要表现为NNE向J顿层挤压和NWW向张扭性结构面，由此构成锦屏山地下水的集水和导水网络。根据岩体储水的孔隙类型，引水隧洞工程区存在裂隙水和岩溶水类型， 并以岩溶水为主，岩溶形态以溶蚀裂隙为主。

2.2主要工程地质问题

2.2.1岩溶地下水引水洞线全长约16.7 km，所在高程为1 568\"--,l 618 nl，穿越锦屏山“河间地块”，一般埋深为l 500--。2 000 m，最大埋深为2 525 111。其中包气带厚达数百米，饱水带厚达近千米。如此大埋深、长距离的可溶岩地区越岭输水隧洞为国内外所罕见。

引水隧洞洞线处于高山峡谷型岩溶区，工程部位总体岩溶发育微弱。岩溶发育程度以中部相对较强，两侧比中部较弱；上部较强，下部微弱。

根据工程区岩溶含水层组、岩溶水的牢卜给、运移、富集和排泄特点，工程区不同地带（地段）的水文地质条件有明显差异，其规律性受地形地貌、地质构造、含水介质类型、岩溶发育及气候条件的控制或影响，据此将大河弯内对隧洞涌水条件有影响的地区划分为以下4个水文地质条件有所差异的岩溶水文地质单元：

（1）中部管道一裂隙汇流型水文地质单元（包括l，V岩溶区）；（2）东南部管道一裂隙畅流型水文地质单元（等同IJ岩溶区）；（3）东部溶隙一裂隙散流型水文地质单元（等同III岩溶区）；（4）西部溶隙一裂隙散流型水文地质单元（等同IV岩溶区）。

工程区岩溶发育总体微弱，不存在层状岩溶系统， 高程2 000 m以下岩溶发育较弱并以垂直系统为主。引水隧洞穿越地层岩溶形态以溶蚀裂隙为主， 溶洞少，且规模不大。采用水文地质比拟法、水均衡法和三维渗流场计算综合分析，预测引水隧洞在不进行灌浆封堵情况下稳定涌水流量为8.48m3／裔。根据长探洞和辅助洞涌水情况并结合渗流计算， 预测引水隧洞掘进过程中单点最大突水量为5～7 m3／s。隧洞最大外水压力值为10 MPa左右。

根据大水沟长探洞揭露的情况及目前辅助洞东、西两端所揭露的涌水情况，在岩溶水文地质条件分析研究的基础上进行隧洞涌水预测，在不设防渗条件下，单条引水隧洞的稳定涌水量预测采用单位面积稳定流量方法获得。枯季～雨季时的稳定流量为6.91～8.48 m3／s，年平均稳定流量为7.52 m’／s；雨季时的稳定流量为8.48 m3／s。施工中按5～7 m3／s作为单点最大突水量的量级。 2.2.2高地应力及岩爆， ：

引水隧洞线路区处于我国西南高地应力区，实测地应力成果显示，地应力值随埋深增加而增加，目。自洞深600～3 000 m最大主应力由平行岸坡转变成近垂直向，即地应力从水平应力状态转变为以垂直应力为主的状态，实测最大应力值为42.11 MPa。

因此，随着埋深的进～步增加，地应力值也将有所增力Ⅱ，经回归分析，隧洞洞线高程的最大主应力值可达63 MPa，属高地应力区。预测今后累计发生岩爆的长度为8.0 km左右。其中，发生轻微量级、中等星：级的岩爆长度约6.0 km；发生强烈量级的岩爆长度约2.0 lan；发生极强量级的岩爆长度约0.3 km：无岩爆段长度约8.4 km。

3 TBM在国内外的发展、应用及存在的主要问题

3.1 TBM在国外的发展与应用

从20世纪50年代以来，TBM掘进技术在世界各国得到了广泛应用。经过半个世纪的发展，TBM掘进技术已相当成熟，被广泛应用于世界各国能源、交通、水利以及国防等部门的地下工程建设。

采用TBM掘进技术建成的世界着名大型隧道有英吉利海峡隧道、东京湾海底隧道、荷兰生态绿心隧道等。目前，国外拟建和在建的大型隧道项目包括日韩海底隧道（连接日本和韩国，长约120km）、白令海

峡隧道（连接亚洲和美洲，长约74.8 km）、阿尔卑斯山铁路隧道（从Rosenheim到Verona，总长大于500 km）等，其中绝大部分将优先采用TBM施工。

据不完全统计，截止到2007年年底，世界上长度大于10 km的隧道已超过100条，世界隧道总长度已远远超过10 000 km。近几年的隧道工程建设中，有30％～40％是采用TBM进行开挖的。

3.2 TBM在国内的发展与应用

国内全断面岩石TBM制造始于20世纪60年代中期，目前共生产了14台，直径为2.5\"5.8 m，但国内生产的TBM在机械性能、配套设备、设计制造、施工操作、机械设备维修保养以及隧道施工适应性等方面均不能同国外引进的TBM相比，掘进速度缓慢，最高月进尺不超过300 m。但TBM制造技术己列入我国国家高技术研究发展计划（863计划）。

在引进全断面岩石TBM施工方面，已取得了长足的进展，广泛地运用于铁路、水利、水电等工程中，如贵州天生桥二级水电站引水隧道、西康铁路秦岭隧洞、西合铁路磨沟岭隧洞、辽宁大伙房水库输水工程、甘肃引大入秦工程、广州地铁、北京地铁以及成都地铁工程等。其中，天生桥二级水电站引水隧洞较早引进美国罗宾斯生产的直径10。8 m的全断面岩石TBM施工，取得了一定的经验。目前我国的大伙房引水工程正在使用TBM进行施工，工程采用敞开式TBM施工，连续皮带机运输，施工效果良好。

3.3 TBM施工的优点及主要问题

由于TBM广泛利用监测、遥控以及电子信息技术等对施工过程进行全面制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，因此相对于传统钻爆法具有高效、快速、优质和安全等优点。具体体现在施工速度远远超过其他施工方法，且施工质量好，围岩始终处于稳定状态；采用TBM旌工，长隧道施工综合造价低；此外，由于TBM机械化程度高，施工方便，有利于环境保护和节省劳动力，减轻工人劳动强度，便于施工管理。 采用TBM施工的不足之处在于：对不良工程地质条件的适应性较差，不如传统钻爆法灵活，特别是在遭遇溶洞、地下水等不良地质条件时；前期的一次性投入费用较大，设备的投资占工程投资的比重很大；由于一体化作业，工序衔接紧密，对施工人员的素质要求较高。

4锦屏二级水电站TBM选型

4.1影响TBM选择的因素

由于TBM施工过程是连续的，具有隧道施工“工厂化”的特点，而且具有机械化程度高、快速、安全、劳动强度小、对地层扰动小、通风条件好、衬砌支护质量好以及减少隧道开挖中辅助工程等优点。但是，TBM也有对地质条件的依赖性大、设备的型号一经确定后开挖断面尺寸较难更改以及一次性投资较大等劣势，在单位成本上，随掘进长度的增加而降低，地质资料直接影响到TBM的选型和施工造价。因此，TBM选型应该注意适应地质因素，要求质量可靠、功能齐配，并选择一支能力强、经验丰富的施工队伍11~6J。 4.1.1地质因素TBM选型必须同时考虑到如下地质因素：

（1）隧洞沿线地形、地貌条件和地质现象，进出口边坡的稳定条件；隧洞地质的岩性，包括软弱、膨胀、易溶和岩溶的分布，以及可能存在的有害气体及放射性元素。

（2）隧洞岩层的性状，主要断层、破碎带和节理裂隙密集带的位置、规模和形状。

（3）地下水位、水温和水的化学成分特别是涌水量丰富的含水层、汇水构造等，以预测掘进时突然涌水的可能性并估算最大涌水量。

㈤提供的围岩工程地质分类，以及各类岩体的物理力学性质、参数，和对不同围岩的稳定性给出的评价。

TBM性能的发挥在很大程度上依赖于工程地质和水文地质条件，如岩体的裂隙等级、岩石的单轴抗压强度和韧性将决定TBM掘进速率和工程成本；隧洞埋深、围岩的等级、涌水大小等涉及掘进后的支护方法、形式及种类。例如，硬岩的隧洞掘进应首选敞开式TBM，但是地质上的非同一性，需要敞开式TBM还具备

通过软弱围岩的能力。因为软弱地层岩体胶结性能差，开挖面自稳时间短。此时TBM上的支护设备就显得十分重要，如锚杆设备、临时喷射混凝土设备和架设圈梁设备等。若通过的软弱地层洞段多或较长时，应考虑是否加大上述设备的数量或能力：当通过断层或特殊困难地段时，应使用超前支护设备，对刀盘前部地层进行预加固处理。若隧洞工程中常遇瓦斯，当瓦斯浓度为5％～16％时，遇到火源具有随时发生爆炸的可能性。为此，需要在TBM上安装瓦斯测量和警示系统，当瓦斯体积浓度达到55％时，它发出声响或警示灯光，如果瓦斯体积浓度达到0.7％时应通知操作人员停止TBM掘进或立即启动通风设备，以保证安全【6~81。

4.1.2设备保障因素每台TBM都要根据地质条件、支护要求、工程进度和开挖洞径而制造。即使是同类型主机，尚需自主确认驱动型式、控制系统、测量系统、记录系统等规格和关键参数，特别是与之配合的后配套系统更是关系到TBM技术性能和效率的发挥。

4.1.3科学管理因素隧洞工程本身带有一定的不确定性，这方面取决于预测地质资料和实际地质状况的一致性；也取决于面对地质条件的变化，施工管理和施工组织的应变能力。有经验的、善于管理的施工承包商，可以降低由于地质条件的变化带来的风险。

TBM是由数十台设备组成的一个联动体，任何一台设备出现故障，都将影响TBM的正常工作，并直接影响掘进效率。每道工序、每个岗位的管理都是保证整机连续作业的关键。随时掌握地质变化，调整掘进参数和不同的支护要求，需要有合理判断。充分发挥管理上的优势并不断进行创新，配合项目设计单位、合格的TBM制造商以及有经验的施工承包商的共同研究和决策，是TBM施工成功的保证。

4.2 TBM选型

直径为1.5～15.0 m的圆型隧道都适合TBM施工，特别是水工隧道、铁路隧道等，它们在断面积上得到充分利用，圆形断面非常适用输水隧洞，特别是TBM掘进成型的光滑岩面，使得输水隧洞在输水中减少了水头损失，同样原因也有利于隧道的通风要求。\"IBM可以开挖较大坡度变化范围的隧道，以满足工程设计需要。隧洞的坡度受到所选择运输方式的限制，轨道运输时坡度不能大于1：6，采用无轨运输时的坡度受牵引车辆能力的限制，近年来国外广泛使用的连续皮带输送机可完成较大坡度条件下的渣料运输。 根据勘测设计成果及先期施工辅助工程揭露的地质情况，锦屏二级水电站引水隧洞工程的地质及水文地质条件较适合TBM施工，但采用何种型式的TBM，需要考虑岩石条件，并重点考虑高压大流量涌水段及破碎带的需要。

在TBM主机型式选择上，对敞开式、护盾式（单护盾、双护盾、三护盾）等各种类型的TBM进行了分析，不同的型式分别具有最适应的地质范围，同时对其他地层都有不同程度的局限性。就敞开式TBM而言，对于岩爆、高压水及十分破碎的岩体如断层、破碎带、局部软岩、高压水流或溶洞等可能难以应对。随着TBM辅助功能不断完善，如拱架安装机、锚杆安装设备、挂网机构、高效的喷混凝土系统等快速初期支护能力，超前预报及超前注浆功能等系统的采用，敞开式TBM具有了十分完善的功能和先进的技术性能，而将其发展成为一定意义上的复合式TBM，对围岩的适应性进一步加强。

例如，秦岭隧道是典型的TBM施工的硬岩铁路隧道，磨沟岭是以软岩为代表的铁路隧道，大伙房是以中硬岩为主的长大输水隧洞，以上都采用了敞开式TBM施工。由于支护技术和支护手段的进步，使得敞开式TBM施工的适应能力得到了很大的拓展。

对于护盾式TBM掘进，可以采用单护盾和双护盾和三护盾3种模式，在围岩较好时，可以采用只有顶护盾的敞开式TBM掘进。若果遇到局部围岩不稳，可以在TBM刀盘后进行临时支护，如锚杆、喷混凝土、加钢筋网、钢支撑等即可以确保围岩稳定；必要时采用超前灌浆加固前方围岩后再掘进。如遇高压大流量地下水，可以利用护盾阻挡地下水，不致伤害人员和设备。敞开式、双护盾及三护盾掘进机对比见表l。 锦屏二级水电站引水隧道洞身大部分埋深为2 000 m左右，最大埋深2 525 m，洞身大部分地下水水头700---800 m，最大水头l 000 m，最大地应力63 MPa，岩石单轴饱和抗压强度55～1 14 MPa。 水压力和地应力是影响成洞后隧道质量的主要因素。如果采用管片衬砌的双护盾TBM，可能在围岩尚未完全收敛前，管片已经安装和回填完毕，管片将抵抗围岩应力调整及收敛变形产生的荷载，可能导致管

片的破损。隧道建成后，地下水的处理采取“以堵为主，以排为辅”的原则，这也意味着地下水位将可能恢复到开挖前的水平，较大的外水压力将作用于管片，对管片的结构受力也提出了较高的要求。 经过多方面的分析和比较，综合工程的实际情况以及国内已有的施工经验等，结合锦屏二级水电站引水隧洞的地质条件分析，对锦屏二级水电站所适用的TBM型式进行了深入细致的研究，决定采用顶护盾适当加长的敞开式硬岩TBM。同时，要求刀盘具有扩挖功能，以便应对围岩变形卡盾的情况，并根据工程地质特点及水工隧洞要求，结合锦屏二级水电站引水隧洞地质情况及岩爆、涌水等特点，配置了具有相应功能的后配套。采用了超前钻灌、支护锚杆、喷混凝土以及钢拱架等支护措施。

本工程的TBM还在主机及后配套的设计上进行了特殊的改进，主机部位的刀盘底部设置了液压控制的大流量防水门，L1区设置了开闭可控的防岩爆顶棚及防止高压喷射地下水的钢瓦片安装器。为了预留足够的排水通道，将后配套及交通运输轨道进行架空布置，并在后配上设置紧急救助站等措施解决高压大流量地下水突涌对人员和设备的影响。

为使支护锚杆能够尽量适应岩层产状的变化，要求锚杆钻机能够旋转180。反向施钻。对电器设备的保护采取了提高防护等级、防水棚等措施，并在喷混凝土区域设置防护顶棚，防止回弹浆液对电器设备及工作平台造成污染。

5不良地质洞段TBM施工方法

由于TBM设备庞大，对地质条件适应性没有钻爆法那样灵活，在没有预警的情况下遇到不良地质条件时，TBM掘进受到的影响远大于钻爆法开挖，往往导致掘进速度缓慢、效率低下以及工期拖延。如果处理不当，甚至会带来灾难性的后果。我国昆明掌鸠河引水供水工程、山西万家寨引黄工程、台湾坪林公路隧道以及荷兰南部的西斯凯尔特河隧道等，在TBM通过不良地质地段时均发生了诸如突水、塌方和卡机等工程事故，威胁着旌工人员和机械设备的安全，并造成长时间停机。为此，为确保锦屏二级水电站引水隧洞的顺利施工，必须根据TBM自身特点和工程地质条件采取相应的施工步骤及处理措施，以保证TBM安全、顺利地通过不良地质地段【8’91。

5.1超前地质探测

根据对锦屏二级水电站引水隧洞的前期勘探以及结合辅助洞的开挖分析表明，隧洞工程区存在地下水、高地应力和岩爆、有害气体、断层破碎带等不良地质问题，特别是地下岩溶裂隙水引起的涌、突水是引水隧洞的主要地质问题。TBM施工是一种机械化程度很高的全断面施工技术，若在施工中突遇地质灾害，在无支护之前产生大量塌方、涌水、掉块，使机器被埋、被淹、被卡，将会出现进退两难，难以处理的局面。为避免事故的发生，除提高勘察精度外，在隧道施工过程中，运用各种先进技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确地预测，可以提前采取预防措施，避免灾害的发生，保证隧道施工的安全。 根据国内外相关工程施工经验，做好地质超前预报对与TBM顺利施工意义重大。地质超前预报是勘测设计阶段工程地质工作的延续，结合实际地质状况与设计不一致的部分进行对比，有助于提高地下工程勘测质量，提高勘测设计资料的准确性。

超前预报提供有关隧道前方地质条件的变化信息，从而能够及时指导TBM施工，采取有效措施，安全通过不良区域。近年来一些出现了一些最新的技术，如空间技术（3S技术）、地球物理勘探技术（三维地震CT成像）、隧道地震预报（TSP探测技术）、地质雷达法（GPR法）、常规地质钻探技术等。本工程结合国内外TBM施工预报经验，决定采用beam系统实时探测的方法作为TBM掘进探测主要手段，重点查明掌子面前方的地质构造。在隧洞施工的不同阶段，可充分利用上述不同的方法，查明隧洞的地质情况以指导TBM的掘进【lo.1l】。

5.2不良地质段超前处理

根据国内以往工程的实践经验，在TBM施工中对于不良地质洞段采取超前处理，避免揭露之后在后期

处理，工程效果明显。锦屏二级水电站引水隧洞所在区域地质条件复杂，采取单一的超前处理措施不能满足工程需要，需要采取多种处理方法进行综合处理。

在锦屏二级水电站引水隧洞的施工中，TBM施工主要遇到的不良地质洞段的类型有溶蚀裂隙带、高压大流量涌水、高地应力引发的岩爆以及岩石流变等。根据超前预报判断可能遭遇的不良地质洞段，充分利用超前支护来确保施工安全，包括超前锚杆、超前灌浆等措施进行超前处理。遭遇特殊不良地质时，可采取钻爆法绕前处理。

（1）超前锚杆支护超前锚杆主要用于节理裂隙发育，但岩石较完整的洞段。在TBM护盾外侧，采用设备Ll区配置的钻进设备，向掌子面前方钻设超前锚杆，形成对前方围岩掌子面外围的围岩支护，并对前方围岩进行灌浆固结，形成锚固圈保护下的掘进作业。超前锚杆与钢支撑形成牢固连接；超前锚杆胶凝材料使用早强水泥砂浆或快速锚固剂。

在断层破碎带等洞段，由于围岩易产生塌方，故施工前应采用超前小导管注浆进行预支护。超前小导管采用热扎无缝钢管加工制成，前端加工成锥形，尾部焊接加劲箍，管壁同边钻注浆孔，施工时钢管沿隧洞开挖外轮廓线布置，环向间距视围岩情况进行布置。

（2）超前灌浆当超前预报及勘探判断地质条件较差或可能存在大量涌水的情况下，需进行超前灌浆处理。位置一般情况宜在TBM护盾外侧，采用设备L1区配置的钻进设备施钻，孔深需根据地质条件进行布设。 超前灌浆施工时可采用纯压式灌浆，孔深可达30--。

50 m，灌浆压力依据测定的地下水压力确定。灌浆材料水泥浆为主，根据实际情况添加环保型的速凝剂。

5.3地下突涌水处理

引水隧洞施工中对于施工突涌水的处理是隧洞在掘进过程中需要解决的关键技术问题。引水隧洞岩溶总体虽不发育，但其地下突涌水具有压力高、稳定流量大等特点，地下水涌水的处理将是工程安全、快速施工的关键。

如何应对地下突涌水问题是锦屏二级水电站引水隧洞TBM施工过程中必须解决的关键技术问题，也是锦屏二级水电站TBM施工成败的关键。在国内一些工程中曾有TBM施工中出现地下水的工程实例，但是其出水量和压力远小于锦屏二级水电站引水隧洞所在区域。针对锦屏二级水电站的地下水处理，必须针对性地提出处理和应对措施。

根据已经开挖的锦屏二级水电站辅助洞岩溶水文地质特征及类比分析，涌水量大于20 L／s的涌水点除个别地段为密集线状渗水外，一般为高压集中涌水。引水隧洞地下水处理思路为：根据地质超前预报成果，立足于超前注浆封堵，争取在开挖前封闭地下水通道；对意外揭露的突发性涌水，根据涌水量大小采取合适的施工方法将动水变成静水后再实施注浆封堵。

对于渗滴水型出水，因其量少、水压力低，可以不考虑注浆处理或在引水隧洞开挖过后再进行后注浆处理，不影响引水隧洞掘进进度。线状渗水一般出现在断层、破碎带或节理裂隙发育洞段，虽其涌水压力不高，但涌水量大，对引水隧洞施工也有一定的影响，宜作一般性处理。而高压集中涌水段涌水量大、压力高、突发性强、危害性大，一旦揭露后再行封堵难度加大。对高压集中涌水，原则上必须在涌水点未揭露前进行注浆封堵，即采用超前预注浆的施工措施，在静水条件下将其封堵。

当出现流量小于3 m2／s的低压大流量管道突涌水时，由于TBM设备的设计、制造已考虑应对措施，能够保证人员和设备是的安全，掘进可以照常进行，后处理工作及时跟进。当出现高压射流溶蚀裂隙管道水，将直接威胁人员、设备的安全。此时应充分利用TBM护盾后方安装的钢护盾进行导水、防护，降低人员及设备的风险。

当TBM掘进前方出现大于3 m2／s的大流量涌水时，由于TBM刀盘下部预留了可控制排水孔，为防止水流将岩渣带出刀盘，需适时控制液压防水门。以免设备Ll区堆集较多岩渣，增大清理难度。 在辅助洞开挖过程中取得了宝贵的超前预报相关资料和预报经验的基础上，结合TBM设备配置的超前预报设备，可更加准确地判断引水隧洞前方的地下水情况，判断出水位置，特殊情况下，可通过辅助导坑

进行掌子面前方的超前处理，确保TBM设备顺利通过该洞段11z-14]。

5.4高地应力及岩爆处理

依据三维初始应力场反演回归分析，在锦屏二级水电站引水隧洞线高程l 600 m处最大主应力值为63 MPa、最小主应力值为26 MPa，属高地应力区。其主应力值基本上是从上到下逐渐增大，断层穿过的岩体周围主应力值有明显的减小，等值线分布规律变化较大，说明断层对初始应力场分布有很明显的影响。因此，引水隧洞在施工开挖过程中，将产生轻微～中等强度的岩爆，部分洞段为强岩爆。

针对锦屏二级水电站引水隧洞的工程地质条件，TBM在设计阶段就已经充分考虑到岩爆对施工的影响，在设备制造中已经采取了相应的措施，增加了顶护盾。但面临如此高的地应力，在国内外TBM施工都没有现存的经验可遵循，需针对性的采取有效地预防措施。

（1）改变围岩的物理性能喷雾洒水卸压法：在干燥围岩的表面上洒水，或用高压水冲洗隧洞拱项、掌子面和侧壁，目的是增强岩石湿度，一定程度上可以降低表层围岩的强度，松弛岩体中积累的高构造应力。 超前钻孔卸压法：在可能发生岩爆的掌子面上方，钻数个孔径60一--80 mnl、孔深10 m的钻孔，释放岩体中的高构造应力，同时向岩体高压均匀注水。其目的有三：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向围岩深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。

（2）改变围岩应力条件；采取超前钻孔应力解除等方法，使岩体应力降低。

（3）加固围岩：对不同程度的岩爆一般采取不同的加固处理措施：主要措施于TBM护盾后方实施，对轻微岩爆段，采用快速锚杆加固，必要时局部挂网喷混凝土；中等岩爆段，采用合适的锚杆、钢筋网及网喷混凝土措施。锚杆均要求带垫板，呈梅花型布置，钢筋网多采用长钢筋帮扎，要求锚杆垫板可靠压连、紧贴洞壁围岩布置，喷射混凝土或纳米混凝土，必要时增设钢架支撑；强岩爆段，常在掘进时发生，容易砸坏机件，掌子面中部易出现爆塌坑，掌子面凹凸不平损坏滚刀严重，将对TBM设备造成损伤。该工程辅助洞西端钻爆掘进过程中遇到了少量类似情况，及时采用了快速锚杆、挂网、钢肋及喷混凝土支护。

5.5溶洞的处理

溶洞是TBM施工中较为复杂的工程问题之一。

溶洞处理与其分布位置、规模大小、充填物性质与充填程度、岩溶水等有关。因此，在隧洞掘进过程中必须加强超前钻探，以便尽早了解将遇到的溶洞特性，制订合理的处理措施。根据掘进机的施工特点和结合国内外对于溶洞处理的类似经验，采取如下具有针对性的施工对策【15~17J： （1）对无充填或少量充填的溶洞，进行基础回填和支顶处理。

（2）对较大的已充填溶洞或充填物含水量高、物理力学指标较差的溶洞，需进行全洞周超前注浆，同时紧跟工作面进行回填灌浆，以便TBM通过时减少或防止下沉。此外，为了避免洞底沉陷，也可采用纵向槽钢将若干环管片连接起来。

（3）若溶洞过大难以回填，可在TBM后盾附近开挖一个通向前方溶洞的旁洞，采用现浇桥、拱或桩基渡槽、箱涵结构进行跨越处理。

（4）只有在隧洞前方条件极端复杂难以穿越的情况下，必要时才进行TBM局部改线施工。

5.6高温、有害气体的处理

鉴于隧洞埋深较大，即将贯通的辅助洞施工过程中，测试温度均较预计的温度，平均温度小于11℃。引水隧洞TBM设备仍然配置了喷淋、通风系统等措施以备解决可能遇到的地温升高问题。

根据辅助洞施工经验，引水隧洞即将穿越的地层中未发现有害于人体的高浓度有害气体，依据岩性成分判断，岩体中可能存在分散和零星的有毒或易燃气体，但其缓慢积聚仍将会对工程施工造成不良影响。因此，在凝灰岩、侵入岩及断层等易发部位应进行超前探测、有害气体引排和气体含量监测，并保证通风情况良好，确保施工安全。

5.7断层破碎带洞段处理

根据地质资料，引水隧洞沿线主要为碳酸盐岩及少量砂岩、板岩、绿泥石片岩，成洞条件较好的碳酸盐岩约占洞长的92％。在引水隧洞施工过程中，将会通过F5，F6，F25等断层破碎带，虽其与初选的引水隧洞洞线呈大角度相交，但由于破碎带宽一般在5 m以内，其与锦屏二级水电站特有的水文地质相组合，必定会带来较为严重的地质问题，在TBM施工中必须引起高度重视。根据已有的断层破碎带处理经验，结合锦屏二级水电站的特点，需采取各种临时支护措施进行处理。

对于规模较小且破碎不很强烈的断层，当断层面产状与隧洞轴线大角度相交时，不必进行超前钻探；当断层面产状与隧洞轴线小角度相交或近乎平行时，应进行超前钻探；若断层陡倾或虽平缓但位于隧道顶时，要进行必要的超前固结灌浆。

对于规模较大的断层带，要视其产状和掘进机所处的构造部位不同具体处理：

（1）对于陡倾断层，无论断层与洞线的关系如何，当掘进到断层强烈影响带时都应进行超前钻探，并通过不同部位的钻孔进行超前固结灌浆。

（2）对于缓倾断层，若断层面走向与洞线轴线交角较小，当进入断层影响带时就应进行超前钻探，并对破碎带及强影响带固结灌浆。若交角较大，则分为两种情况，当断层倾向与掘进方向相同时，掘进至断层影响带时，就应进行超前钻探，并对破碎带及强影响带固结灌浆；当断层倾向与掘进方向相反时，要注意围岩的变化情况，进入强影响带时要进行超前钻探，并对不同方向的钻孔固结灌浆。若断层破碎规模大，且围岩破碎强烈，则需要多次钻孔和灌浆，以确保TBM顺利施工。

6结论与建议

锦屏二级水电站引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋深大、洞线长的特点，主要工程地质问题有高地应力和岩爆、突涌水、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。 由于选用技术先进、质量可靠、量身制造的TBM设备，采取有序的施工组织，利用TBM施工是完全可行的。通过对锦屏二级水电站TBM选型及施工关键技术研究可知：

（1）TBM集地质、施工、电气、机械、液压于一身，属于知识密集型生产项目施工，具有快速、高效、优质、经济、安全、环保的优势和特点。结合锦屏二级水电站的实际情况，量身进行设计制造的TBM，在遇突涌水的情况下人员、设备的安全性大大高于钻爆法。通过TBM配备的支护和超前处理设备对围岩稳定性较差的洞段或赋存大量地下水的洞段进行处理，可有效地规避施工风险。全断面TBM施工对锦屏二级水电站引水隧洞围岩的适应性和解决不良工程地质问题的能力，均优于其他施工方式。因此，采用TBM进行施工是合适的。

（2）锦屏二级水电站引水隧洞线路区的地质条件复杂，施工时将不可避免地遇到地质灾害性问题，主要是突涌水和岩爆，施工中需遵循“先探后掘”的原则，及时准确地进行超前地质预报，并采用多种地质预报手段相结合的综合方法，提高信息解译精度。对于不良地质洞段，做出相应的应对措施，以保证TBM在深埋特长隧洞施工中的高效、安全，确保引水隧洞的安全施工。

（3）TBM施工是世界上最先进的地下洞室施工方法，锦屏二级水电站TBM施工是国内乃至世界上施工难度最大、不确定因素最多的世界级工程，对TBM施工关键技术问题的研究以及对策分析具有重要的现实意义。

引洮工程刷新世界隧洞建设纪录 全面进入冲刺阶段

2011-12-21 阅读：15

2011-12-21

引洮工程7#隧洞运输及通风系统

衬砌成型的引洮工程7#隧洞

上岗前安全教育

工程技术人员在操控7#隧洞TBM控制室的设备

引洮工程7#隧洞管理人员在检查安全生产

建国以来甘肃最大的水利工程——引洮工程在世界水利工程建设史上写下了浓墨重彩的一笔，并进入全面攻坚阶段。在刚刚过去的11月，引洮供水一期工程总干渠7号隧洞创造了世界单护盾TBM(隧洞掘进机英文简称)掘进建设史上的新纪录，为引洮供水一期工程实现2012年底通水目标提供了有力保障。

7号隧洞，是引洮工程总干渠第二条长隧洞。它贯穿洮河与渭河两流域分水岭至秦祁河右岸阶地陈家咀,全长达17.29公里，地质条件复杂多变，施工难度大，被称为控制工期的“咽喉工

程”。

为此，中铁隧道股份有限公司专门引进一台单护盾式全断面隧道掘进机(TBM)，这一目前世界最先进的大型岩石隧洞掘进机设备于2009年12月29日从7号隧洞出口向进口方向开始施工。不料,去年4月在TBM从隧洞出口顺利掘进2549米后，进入含水疏松细砂岩洞段,由于围岩软弱,洞段坍塌,在出口掘进到3000米处发生严重的涌沙地质灾害，使得TBM这个长380多米、直径约

5米的庞然大物三次卡机，被困并栽头663毫米，无法继续掘进，施工暂时中断。 7号隧洞遭遇这一困境，直接影响着引洮工程的工期。面对严峻形势，甘肃省引洮项目协调领导小组广泛咨询省内外专家意见，及时果断决策，调整施工方案，除了在7号隧洞中段新增开4个斜井、1个竖井，采用常规施工方法对付复杂地层外，又决定将隧洞出口被困的TBM解体，并重新加工盾体和刀盘，将其搬运至7号隧洞进口处组装，从而形成双面夹击的态势，攻克难关。 智慧与科学决策使7号隧洞建设迎来新的转机。今年8月17日，TBM正式掉转车头从7号隧洞进口处掘进施工。在甘肃省引洮建设管理局和中铁隧道股份公司的共同努力下，9月份月掘进完成1515米，单日最高进尺80.8米，创下国内单护盾TBM日掘进的最高纪录。10月，TBM掘进完成1718.6米，月进尺又刷新单护盾TBM月掘进的国内纪录。11月，TBM掘进完成1868米，

刷新了世界单护盾TBM月掘进纪录。截至12月20日，7号隧洞已累计完成主洞掘进 10722.3米，衬砌9049.9米，主洞二衬8639米，标志着这一大型跨流域调水工程按计划顺利推进，并全面进

入冲刺阶段。

据介绍，备受社会关注的引洮工程，是从根本上解决甘肃省中部地区水资源短缺问题的大型跨流域调水工程,被誉为圆梦工程、民生工程和德政工程。它将有望解决以定西、会宁为代表的甘肃中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇及工业用水、农村人畜饮水、生态环境用水，同时兼有灌溉、发电、防洪等综合功能。引洮工程分九甸峡水利枢纽和引洮供水工程两部分。受益区

总面积为1.97万平方公里，受益总人口约405万人。

该工程有关负责人接受记者采访时表示，目前，引洮总干渠累计完成主洞掘进及一次支护89.58公里，占总干渠隧洞长度96.35公里的93 %；完成总干渠主洞衬砌 68.13公里，占已掘

进隧洞 公里的70.7％。总干渠18座隧洞已贯通 15 座，完成隧洞衬砌 11座。

隆冬季节，记者走进引洮供水一期工程，一个个施工工地呈现出如火如荼的繁忙景象，所见所闻无不令人振奋憧憬。在渭源县庆坪乡总干渠7号隧洞进口附近的调度中心，全方位、多角度的视频图像清晰地显现着隧洞中各个施工环节的实时画面，工程技术人员有条不紊地跟踪每一项工程进展。当记者一行搭乘7号隧洞运输系统穿越幽长的隧洞，来到施工地段，只见先进的大型机械与精密仪器在昏暗的光线下配合作业，施工掘进在建设者井然有序的操控中不断向前推进。TBM控制室就像一个神经中枢，判断各个程序的精准度。施工人员娴熟地操作着TBM设备，皮带机不断向外运送着渣料。隧洞中通风条件欠佳，地质条件复杂，行走不便，可是无论怎样的困难，

都挡不住建设者前进的脚步。奇迹，就在这里创造。

为了确保引洮供水一期工程能于2012年年底前顺利通水，甘肃省引洮工程建设管理局以“管理一流、施工一流、质量一流、效益一流”为总体目标，强化管理，组织参建各方集中力量，配置资源，不畏艰险，迎难而上，昼夜奋战，努力拼搏，全力攻克剩余6.77 公里隧洞掘进和 28.22公里衬砌任务。引洮人奏响了嘹亮强劲的进军冲锋号，在陇原大地上谱写着一曲曲撼天动地的壮

歌。

在建设者们夜以继日的奋战下，甘肃人民期盼了半个多世纪的“引洮河清流、解陇中之渴”

的梦想将变成现实，引洮工程也将作为甘肃经济社会发展的里程碑而载入史册。

解陇中之渴 引洮供水一期工程总干渠7号隧洞攻坚纪实

【字号：大 中 小】【背景色

】 新华网 2011-11-08 17:25 来源：中铁隧道股份公司

2011年9月，引洮供水一期工程总干渠7#隧洞创造了月进尺1515米、日进尺80.8米的单护盾TBM掘进全国新纪录。10月份，7#隧洞进口掘进达1718.6米，再次刷新施工纪录。良好的生产形势，为引洮工程2012年底通水节点目标实现提供了有力保障，当地人民期盼已久的“引洮河清流，解陇中之渴”梦想更近了一步。

引洮工程是为了解决甘肃中东部干旱地区生活用水问题，是圆梦工程、民心工程。引洮供水一期工程总干渠7＃隧洞工程位于甘肃省渭源县境内，隧洞全长17286米，周边地质复杂，施工组织困难，在国内首次采用单护盾TBM施工，没有任何经验可借鉴。TBM穿越洮河流域与渭河流域，最大埋深368.00米，是引洮总干渠控制性工程。 精心策划 善谋全局

引洮7#隧洞地表地貌沟壑交错，隧洞周边地质复杂。其中出口段有5532米为砂质泥岩、泥质粉砂岩，局部为砂岩、砂砾岩，泥质胶结为主，胶结程度差，遇水易膨胀，饱水后易崩解，失水干缩，具有一定的膨胀性。该类围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重。TBM通过该段时容易造成刀盘前面坍塌和围岩大的变形，严重时可能因围岩变形严重造成盾体被抱死的被动局面。同时，项目长距离独头掘进风险很大，进度指标很高，但通过不稳定围岩段，又要求TBM施工进度必须放缓。

针对可能发生的地质灾害和施工风险，施工方中铁隧道认真谋划工程重难点和掘进关键环节，制定了科学的施工组织方案。为了实现隧洞长距离独头快速掘进，项目部要做好TBM掘进导向，把好测量关。掘进过程中不断根据地质变化优化掘进参数，防止刀盘刀具被糊，同时避免TBM异常长时间停机，围岩收敛造成主机被抱死。

他们加强隧道排水，特别是尾盾开口处保持排水通畅，防止积水。对于含砾砂岩段，技术人员进行补充地质勘探，控制掘进速度，达到掘进速度均匀、TBM连续、快速地通过次地层的目的。

中铁隧道股份公司引洮工程项目经理王国安介绍：引洮工程7#隧洞施工，不仅对施工技术，而且对管理经验、设备性能、安全质量等都有着很高的要求。

2010年4-6月期间，为确保高风险重难地段施工安全，甘肃省引洮工程建设管理局多次组织参建各方召开了7#隧洞TBM通过含水疏松砂岩洞段施工方案专题研讨会，缜密策划部署施工方案，确保工程施工方案万无一失。为提高TBM对地层适应性能，项目部技术人员对掌子面进行超前灌浆加固试验，并对设备进行前盾延伸改造，优化掘进参数，减少出渣量和控制刀盘掘进扭矩，确保工程顺利进展。引洮供水一期工程总干渠7#隧洞TBM于2009年1月29日首次始发，曾创下月掘进986米的施工纪录。

超前谋划 思变则通

“尽管项目部已经考虑到隧洞地质的复杂性，并在各方面提前进行了准备，但是地质灾害还是不期而遇。”中铁隧道股份公司引洮工程项目经理王国安介绍。

2010年4月份，7#隧洞TBM施工进入饱水疏松砂岩洞段，由于围岩软弱，坍塌严重，导致TBM先后三次卡机，后根据专家咨询意见，实施TBM盾体改造，并于9月底完成TBM脱困处理，10月1日恢复掘进，5天后，由于地下水突然增大，实测围岩含水率高达21.5%，掌子面围岩液化，大量流沙涌出，造成TBM主机四分之三被埋，经全体参建者昼夜抢险，于11月8日基本完成淤泥清理及设备维修工作并恢复掘进，但由于地质条件差，发生涌砂灾害后，隧洞底板软化承载力明显下降，导致TBM盾体失稳，出现“栽头”现象。截至2010年10月，主洞累计掘进3070米（其中钻爆法250米），占隧洞总长度17286米的18%。原设计合同工期58个月，2007年9月底开工，完工应在2012年7月。合同工期只剩19个月，进度欠账严重，形势极为严峻。

作为时刻关注工程进展的建设单位，甘肃省引洮工程建设管理局多次召集各方专家来到引洮7#隧洞，对TBM掘进机在含水疏松砂岩地层施工中出现的各种问题进行把脉、会诊。多次主持进行施工方案的调整研究工作，邀请水利部水规总院、水利厅、设计院、中铁隧道集团等各方面的专家，集中各方智慧，经过深入方案论证，将施工方案调整如下：将原TBM主机及后配套拆卸与重新加工制作的刀盘和盾壳组装形成一台新的TBM转至进口实施掘进；已经探明的分散分布的8段不良地质洞段通过增设斜井、竖井、平支洞多开工作面进行人工钻爆发施工处理。

2011年1月11日，中铁隧道股份有限公司对刀盘、盾体加工工期及适应性做出书面承诺，并确定刀盘及盾体加工周期为7个月。2011年1月24日，甘肃省水利厅正式批复7#隧洞调整后的施工方案，并且确定了对7#隧洞刀盘的改造和加工方案。

2011年1月24日施工方案调整后，甘肃省引洮工程管理局局长路泽生、副局长吴天临、徐崇峰等多次到河南郑州、四川德阳等TBM改造场地进行过程督促和指导。经过多方努力，新加工刀盘和盾体提前2个月出厂。

施工方案的变更，关系重大，但为了实现引洮工程如期通水的最终目标，甘肃省引洮工程局深入论证，毅然作出了改变生产现状的重要决定。此次方案的调整和变更为引洮7#隧洞带来了希望，改造后的TBM对地层适应性大大提高，设备的生产能力得到了充分发挥，TBM重新焕发了生机和活力。2011年8月17日，甘肃省副省长李建华出席了引洮供水7#隧洞进口的掘进仪式，引洮7#隧洞进口正式掘进，并于9月份创下月掘进1515米，单日最高进尺80.8m的国内施工纪录；10月份，TBM掘进完成1718.6米，再次刷新单护盾施工纪录。实践证明，这是一次成功的施工方案的重大调整，为引洮工程实现省委、省政府决定的2012

年年底总干渠通水奠定了坚实的基础和创造了良好的条件。 精细管理 强化执行

为保证TBM正常推进，针对地层承载力弱，且TBM推进时容易栽头的情况，项目部不断尝试新的施工工艺和工法，通过减少和改变掘进过程中的推力，同时盾体底部实施注浆加固处理，为TBM调向控制创造条件。

项目部深入做好TBM施工技术和组织管理工作策划，并选派技术人员到其他TBM施工项目学习，进行技术深化和升级。他们发动技术人员开展了TBM施工技术和组织管理策划大讨论活动，选定了设备维修保养、刀盘刀具管理、掘进参数选择与姿态控制、管片安装质量控制、施工运输组织与工序管理、TBM施工安全管理等12项研讨课题，根据研讨结果制定了各种单护盾TBM施工技术方案和管理措施。

为保证设备运转过程可控，项目部在施工过程中加强设备维护保养，建立完善的管理体系，机械、液压、电气分项落实责任到人。每天坚持2个小时的停机保养，对关键部位、易损件、消耗件逐一检查，杜绝设备带病作业，保证了掘进机安全、稳定运行。为确保安全这跟绳不松懈，项目部还制定了三级安全卡，对不同的层次、岗位定位了不同的职责，每个关卡都做到了责任承包和责任到个人，使项目的安全情况无纰漏、安全事故无空可钻。

在机械化隧道施工中，运输系统对施工进度影响很大。项目部在TBM施工之前进行详细的规划，从洞外运输轨线布置到矿车翻渣自动化，从动力机车的选型到交通枢纽的设计，施工细节无一不考虑到位。同时，对运输系统工作人员进行了系统的培训，从使用到维修逐一讲解，提高工作效率。TBM掘进实现了运输系统零事故。激烈的建筑市场竞争，既是综合实力的竞争，也是技术人才和管理人才的竞争。为把引洮7#隧洞工程干好干优，项目部通过岗前培训和过程考核的方式，对职工进行定岗定位，同时对各个岗位竞争上岗，每个月进行岗位技能擂台赛，大大提高了操作人员的业务水平，也提升了工作效率。管片的安装从原来的每环25分钟，到现在每环12分钟，效率提升逾50%，为TBM施工节约了大量的宝贵时间。

自TBM二次始发掘进后，中铁隧道股份公司采取了积极有效的措施，施工现场热火朝天，天天有新变化，日掘进连续5天都在50米以上，9月24日，日进尺更是达到80.8米的骄人成绩，再次刷新项目部TBM单护盾日掘进的最高纪录。9月份，项目迎来了单护盾史上掘进的新高，月掘进1515米；10月份，项目部月掘进1718.6米，再次刷新单护盾史上的纪录。甘肃省引洮工程建设管理局数据显示，引洮总干渠7＃隧洞开工以来，已累计完成主洞开挖6910.57米，主洞二衬6579.3米。参建各方正在加足马力，日夜奋战，向实现2012年引洮总干渠全线通水目标冲刺。（王冰炎 孔垂晓）

全断面掘进机法施工组织与费用分析

全断面掘进机法施工组织与费用分析

我国引进全断面掘进机技术(TBM)已有二十多年的历史，但至今还没有形成一套实用的 施工组织设计和费用分析方法。笔者近些年搜集研究了一些有关TBM的资料和工程实例，同 时也参与了山西省万家寨引黄工程TBM法施工隧洞(前后共投入5台TBM，计划掘进109km)的设 计、概算、招标和现场设代工作，

初步掌握了TBM法施工组织内容，并摸索出费用分析的方 法。下面作一简要介绍。

一、TBM法施工组织设计 1.TBM法施工组织设计内容

采用TBM法施工隧洞(或隧道)，除按各阶段的编制规程规定，对工程施工进行一般的研 究、论证、比较、

设计外，还要针对TBM施工的特点进行以下工作。

(1)TBM设备选型。

(2)配合工程总体布置，确定有利TBM法施工的隧洞布置方案。

(3)隧洞施工工期确定。

(4)与TBM配套的其他项目的施工方法设计。

(5)施工工厂生产工艺及规模确定。

(6)现场施工人员组合。 (7)施工场区规划。

(8)施工主要动力、材料消耗估算。

(9)临建工程量估算。 (10)进口设备、材料统计。

2.TBM机组选型

TBM的主机总体结构(特殊用途的除外)大致相同，但因类型不同，适用条件有一定的差 别(见如下说明)。

后配套为主机提供服务和供应，主要配置大致相同。

护盾型式，有开趟式、单护盾、双护盾几种。开趟式对围岩自稳能力要求较高，护盾式 适用范围较广。

开挖断面，形状以圆形为主，近年又开发出方形(割圆角)断面的TBM，适用于交通隧道。

支护结构，有适用喷锚的，有适用管片衬砌的以及其他支护结构。

对TBM的其他技术要求(如超前勘探等)可与厂家联系。有关TBM更详细的资料可参考有关文献。

3.配合工程总体布置

隧洞长度不宜过小，否则选择TBM法的经济效益差。当利用国内已有设备，隧洞长度不 宜小于4～5km；

若由外国承包商带机施工，长度不宜小于10km。

洞口位置应满足TBM安装、施工的基本要求。隧洞线路布置要顺直，洞身的纵坡、平竖 曲线应满足TBM掘进运行的要求。纵坡大小主要受运输方式影响，但当纵坡过大时，将影响 机组中一些设备的正常运行。一般情况下，使用开趟式TBM，曲线半径不宜小于300m；使用 护盾式TBM且管片衬砌，曲线半径不宜

小于1500m。同一台TBM掘进的隧洞，开挖断面必须相 同，支护结构也应尽量一致。

4.掘进效率和工期

TBM法施工总工期由下列工作控制。

(1)施工准备期：由国外制造的TBM主机或整机，制造、运输周期约12～14个月。后配套 及配套设备若由国内设计、制造和装配，周期与主机大至相同。若利用国外已有设备，应考 虑设备的大修、运输时间，

周期不应低于6～8个月。

施工场区的各种临时设施修建可与设备制造、运输同期进行。主要生产设施为管片加工 厂、砂石加工厂

(如果需要的话)约需6～8个月。

TBM安装周期(不计安装场准备)需2～3个月。

因此施准备工期需14～17个月。当使用国内现有设备，施工准备期不应少于8个月。

(2)掘进效率和工期：TBM掘进效率主要受隧洞断面大小、TBM性能、岩石性质、支护方 式以及运输、供应的配套性有关。80年代中期以后生产的各类型TBM，切岩速度有了很大飞 跃，岩性已不再是控制性的因素，TBM开挖小时的生产率可达3～5m／h。而支护方式和运输 、供应有配套性可能成为控制性因素，

综合掘进效率约2.0～3.7m／h。

TBM的日掘进进尺由掘进时间利用率控制。TBM正常施工期间，每日24小时需有4～8小时 维护、保养、管线安装及其他作业时间。此外TBM掘进时还有设备移动等必要的辅助作业。 因此TBM日纯掘进时

间利用率约40％～45％。

影响TBM月进尺的因素很多，如节假日停工、新机组(包括劳动组织)的“磨合”、水电 供应的中断、机械

故障、特殊地质现象、工作疏漏及校正等。

通过对国内外近些年TBM施工程统计，隧洞掘进平均进尺约550～750m／月。据此可计算 隧洞掘进工

期。

(3)TBM大修和拆除工期：BTM大修期无明确的规定。一般情况下，TBM掘 进13～20km需进行大修，在长度不大的隧洞施工中，应避免中途大修(更避免洞内大修)。有条件时可将大修提前或滞后(只要设备未

出现大故障)。

TBM完成预定工作量后应尽量在洞外拆除。洞外拆除可按1.5～2个月计算(包括各种管线拆除及洞内清

理)。若在洞内拆除应考虑机组及管线拆除顺序，同时还应计入洞室扩挖及恢复工期。

(4)洞口工程施工期：一般工程洞口还有其他建筑物，因基础被TBM施工占压，须待TBM拆除后施工。

该工期应计入总工期。 5.施工人员配备

正常掘进期间，TBM法施工现场人数相对稳定，所有施工人员的职务、等级及数量可按岗位逐一确定。

TBM正常掘进期间现场人员如下：

(1)现场管理人员：负责现场组织调度以及工程、财务、合同等管理工作。 (2)机上岗位工：指TBM开挖时所有机组运行人员和为开挖服务的机上工种。

(3)机上其他工种：与工程项目划分有关，当喷锚、衬砌等单独列项，且包括该工种时可列“机上其他工种”，

否则，作为机上岗位工。

(4)机外作业工：系指TBM作业时，在机外从事出碴、供料、运输等作业的工种。该工种与工程项目划

分有关。

(5)TBM日常维护工：从事TBM日常维护、修配、保养等。 (6)加工厂人员：从事砂石料、管片、钢筋、锚杆等材料生产人员。 (7)修配厂人员：维护、保养TBM机组以外的各种施工设备。

(8)其他辅助生产人员：负责工地水、电、路、讯、场地等的维护及材料保管。

(9)杂勤人员：负责后勤等杂项工作。

6.施工方法及加工工艺设计

施工方法是指除TBM以外为完成隧洞施工所必须的机外辅助作业的方法，如出碴、转渣 、材料运输等。施工方法设计应综合考虑现场条件和TBM的性能，不因施工方法选择不当而 影响TBM的正常使用，或造

成设备的闲置。

加工工艺是指砂石料、管片、钢筋、锚杆等的生产工艺设计。同时提出加工厂的规模及 有关技术指标。

7.施工场区规划

施工场区规划主解决以下问题：

(1)洞口安装场：要求布置在洞轴线延长线上偏向一侧，底部与洞底同高程并尽量水平 。底宽为3～4倍

TBM直径(含洞宽)，长度最好为主机＋后配套总长。

(2)转碴场：与洞内出渣方式有关。当采用机车出渣时，应有卸渣、贮渣和转载以及列 车调车的条件。铁

路布置应满足列车运行要求。

(3)上料站台：方便材料的贮存、装车与列车调车(机车运输时)。

(4)加工厂、修配保养厂、仓库等布置。

(5)生活营地及管理区布置。 (6)弃碴砀布置及防护。 (7)防洪及排水设施布置。 (8)供水、供电、交通等设施布置。

(9)临建工程量计算。 二、TBM法施工费用分析

1.费用构成

TBM法施工费用可划分为直接费、间接费和关税、增值税三类。

2.基础价格

(1)人工费单价：人工费按等级划分。国内人工费等级应与国内各行业等级划分一致， 以利于费用类比。国内人工费除按现行的工资标准计取工资外，还应计入企业支配的费用和 国家提取的税费。外方人工费标

准应与国外相应等级或国内类同工程人工费标准相当。

(2)材料费：材料(包括水、电等)价格计算与现行计算方法相同。对于进口的材料，考 虑今后工程开工后

的变化，关税、增值税可不计入材料费中。

3.直接费

(1)项目划分：项目划分可按我国通常的划分方法划分。但因TBM是一个综合性的施工设 备(称作TBM机组)，设备台时费、机上人工费在各项目中摊销困难，因此可将TBM机组台时费 和机上人工费计入开挖费用中。当然也可根据工程施工特点采用其他的划分方法。如以延米 为单位计算开挖价格或综合支护价格

或综合成洞价格。但这种划分不利于与其他工程进行价 格水平的对比。

(2)设备台时费：TBM法是高度机械化施工的方法，设备台时费在总费用中所占比例较大 。设备包括TBM机组和常规或通用设备两类：①常规或能通用设备台时费可按照国际上通常 采用的以经济运行小时为基础编制的设备台时费手册计算，但在使用手册时应熟悉它的计算 条件；②TBM机组台的时费计算是TBM法

施工费用分析的重点。TBM机组台时费＝折旧费＋大 修理费＋日常维护保养费＋动力燃料费。 (3)TBM机组预算价格和折旧费：TBM机组预算价格由出厂价(一般为离岸价)、海运费(含 海保费)、进口

关税和增值税、目的港口岸费、内陆运杂费、保管费、现场安装费等组成。

TBM机组经济运行小时，尚未找到权威性的依据。通过对代理商和使用者等方面了解，T BM折旧可按30～40km的隧洞工作量折旧。若按每日掘进30m，日运行16～18小时计，则折旧 台时为16000～24000小时。综合各方面实际运用资料表明，正常情况下TBM机组折旧台时可 按16000～24000小时计。

TBM机组折旧费即为机组预算|考试大|价格除以折旧台时。

(4)TBM机组大修理费：TBM主机大修应由生产厂家来人进行。根据掌握的工程资料，TBM 主机终身一

般进行一次大修。一次大修理费约为主机价格的1／3。其他设备则可按类似设备 的大修费计取。 (5)日常维护保养费：日常维护保养费计算范围与机组的构成一致，包括①修理人工费 ；②修理部件费；

③修理设备费。

(6)动力燃料费：动力燃料费计算范围应与机组的构成一致，其费用应按实际消耗量计 算，包括：①电费；

②燃油；③水；④液压油；⑤润滑油。

(7)直接费分析：直接费由人工费、材料费和施工设备使用费构成。在按“实物量法” 进行人工、材料、设备实际消耗量计算时，材料费和施工设备使用费还应分别计入其他费用 。其他费用的计取与材料、设备(台

时)消耗量计算详细程度有关，一般可各取其|考试大|合计的0～5 ％。

1)TBM开挖。TBM机组台时费全部计入开挖费中。机上人工按施工组织配备并与机组构成 一致。

2)TBM机组的其他作业。如喷混凝土、锚杆、管片衬砌、豆石灌浆等项目不应包括TBM台 时费和机上人工费(TBM开挖中已计入的则不再重计)。与此类作业有关的专职人工但未包含 在TBM开挖费中则应计

入。

3)独立的作业项目。如石渣转运、管片倒运等，这些项目大部分可与TBM机组不同步作 业。若TBM机

组及机上人工未计入此费用，则应单独进行直接费分析。

4)加工材料。如砂石料、钢筋、锚杆、管片等按加工厂生产工艺设计进行直接费分析。

4.间接费

间接费包括内容很多，除直接费、关税和增值税外，所有本工程施工所发生的一世费用 均计入间接费中。间接费率因计费范围不同而有很大的差别。若按本文所述范围取费，间接 费率可控制在直接费的50％～

65％

5.关税、增值税计取办法同一般工程。

综上所述，TBM法施工组织与费用分析是两个相互配合的工作。尤其是费用分析，绝大 部分数据来源于施工组织设计。因此，工程投资计算的可靠、准确，必须有合理、严密、详细的施工组织设计。

来