TBM在鐵路隧道施工中的應(yīng)用前景分析

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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(lèi)及地質(zhì)適應(yīng)性

目前，TBM主要分為以下3種類(lèi)型，并分別適應(yīng)于不同的地質(zhì)。

①開(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。

②雙護(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。

③單護(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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?chē)鷰r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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