施工资料

开敞式TBM在铁路长隧道

特硬岩、软岩地层的施工技术

王梦恕

北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京100044

摘要: 本文主要论述了开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术，并与当前国内外同类研究、同类技术进行了综合比较。重点研究了施工过程中的主要技术难点和关键技术，其中:TBM施工组织技术、刀具耗损、施工进度与围岩特性关系、TBM刀具国产化研究、TBM在不良地质段的施工技术、TBM施工中的测量控制技术、仰拱预制块的制作及安装工法、内层衬砌和整体道床快速施工、TBM施工的有轨快速运输系统、TBM施工通风及水电供应系统等的研究达到或超过了国际水平；具有很高的研究和学术价值。 关键词: TBM ,铁路隧道,施工,特硬岩，软岩，关键技术

一、Φ8.8mTBM施工的秦岭特长隧道的工程概况

秦岭隧道(见图1)位于安康铁路线上，是我国最长的单线铁路隧道，全长18.46km，进出口高差约155m，也是国内外铁路应用TBM施工的第三座长隧道（第一座是英法海峡隧道，第二座是瑞士费尔爱那铁路隧道）。 (1)地质条件：

秦岭隧道横穿秦岭东西向构造带，历经多期构造运动、变质作用、岩浆活动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性都很复杂。岩性以混合花岗岩、

混合片麻岩等坚硬岩石为主，干抗压强度78～325MPa。岩体完整,节理不多。断层带裂隙多、裂隙水发育。存在地热、高地应力及岩爆等不良地质。

图 1 秦岭地区卫星图片 图2 TB880E型TBM掘进机

(2)断面设计隧道设计为圆形断面，开挖直径8.8m，成洞直径7.7m。

(3)施工方法：秦岭I线隧道采用2台敞开式全断面TBM(TB880E型,见图2)掘进、有轨运输、全圆穿行式模板台车进行二次模筑混凝土衬砌的施工方案。单工序作业，先开挖、后衬砌。

二、施工中存在的六大难题

（1）TBM制造难（五大技术难点）

施工资料

①大直径（φ＝8.8m）；②大扭矩（5500kN·m）；③大推力（21000kN）；④大功率（刀盘功率3440kW、总功率5400kVA）；⑤寿命长（主轴承＞10000h、密封圈＞12000h ），备轴 承1个，可开挖40km寿命。从制造到实用,均承担机械设备设计、制造风险和施工风险。国外成熟的TBM掘进机的直径均在3～6m范围，占生产总数的95%左右，大于6m直径的很少，真正用于铁路隧道的更少，因为铁路隧道控制掘进方向比其他用途的隧道要严得多。

（2）岩石硬度很大

主要在混合片麻岩和混合花岗岩中掘进，岩石抗压强度大于100MPa，最高达200MPa以上，石英含量均在10～35%，节理少、整体强，有岩爆（1000m埋深）。所以刀具的磨耗也很严重，这个风险在国外也是少有的。

（3) TBM施工系统性强、配套严密

首次使用TBM,存在使用、维护等系统管理的问题。如何用好、管好、养好、修好、组装好、调试好、配套好这条长256m、重3000t的庞然大物,是关系到工程施工成败的关键。

（4）用高精度的定位系统和掘进过程中高精度快速调整方向的能力（±30mm）

（5）施工中如何确定不同掘进参数以适应各种不同地质特点，实现安全、快速、经济掘进

（6）工期紧

在施工中不允许出现失败和差错，所以在进度上、质量上、安全上压力很大。加之，开挖和衬砌过程中,不能也不允许平行作业，所以在整体道床衬砌施工月突破超千米的记录的同时，设备的投入也是非常大，成本相对增加不少。

三、主要研究内容（9大技术难点、31项关键技术）

施工过程中包括的主要技术难点和关键技术有:(1) TBM施工组织技术（4项）；(2) 刀具耗损、施工进度与围岩特性关系 （3项）；(3) TBM刀具国产化研究（4项）；(4) TBM在不良地质段的施工技术（5项）；(5) TBM施工中的测量控制技术（3项）；(6) 仰拱预制块的制作及安装工法（3项）；(7) 内层衬砌和整体道床快速施工（4项）；(8) TBM施工的有轨快速运输系统（3项）；(9) TBM施工通风及水电供应系统（2项）。下面就分别逐一地阐述如下:

(1) TBM施工组织技术研究

从规划、设计、制造、运输、拼装、调试到施工完成拆卸全过程进行研究，共提出了九项主要配套技术。根据TBM施工的协调性、连续性和密集性特点,研究出了一套TBM的设备管理(其中包括运输管理)；配件管理(维修保养是TBM成功掘进的保证，对重要部件如:主轴承、刀具、除尘风机等，须定期检修)；TBM拼装调试管理(TBM施工中维修保养管理)；TBM拆卸维修管理等五种施工组织管理程序，这是正常施工的前提条件和要件。

(2) 刀具损耗、施工进度与围岩性质的关系研究

掘进速度一般随扭矩的增加而增加，但对特硬且裂隙不发育的围岩的曲线增长量较小，软岩的曲线增长较大，中硬岩呈直线增长。掘进速度一般随推力的增加而有减少趋势，尤其

施工资料

对软而裂隙多的围岩更明显。所以TBM操作时，应注意下几个方面的内容：应减少增大推力的做法。掘进速度随贯入度的增加而有明显增大，这是影响进度的重要参数。开挖硬岩的性能较差。贯入度大多 < 4mm，掘进速度也 < 20mm/min，功率利用率<50%。对于Ⅱ、Ⅲ级硬岩，因抗压强度较高，盘刀切入困难，切槽深度随推力增加而增加，但所需扭矩值不大，故将扭矩值预先设定为某一合理数值，然后取最大推力来适应围岩的变化，以提高贯入度。相反，对于抗压强度较低的Ⅲ、Ⅳ级围岩，采取预先设定一合理推力，而不是最大推力，然后设定最大扭矩。运用掘进速度与扭矩、掘进速度与推力和掘进速度与贯入度的性能关系曲线，可以根据相应的围岩类别与裂隙发育程度来预测可能达到的掘进速度值，这就为编制施工计划，组织施工生产，调度与选配设备物资提供了参考依据。

另外，根据不同的岩石硬度节理情况，研究切割机理、断切力和断切深度、切割中的摩擦系数、刀具的稳定性分析、刀具的磨耗规律等也是十分必要的；在 TBM切割过程中利用了PLC系统，对六种主要参数进行了监测分析研究：①刀盘掘进速度监测；②刀盘转速监测；③刀盘推力监测；④刀盘扭矩监测；⑤刀具贯入点监测；⑥功率利用率监测，为分析研究提供了可靠的数据；根据监测系统所采集的数据，通过回归分析建立了不同围岩、不同裂隙各个参数之间的关系曲线，得出了很有指导施工价值的结论。

(3) TBM刀具国产化研究

研制了秦岭隧道TBM用的国产17“盘形刀(图3)。从现场试验结果：国产刀圈的性能已达到进口刀圈的水平，在某些方面已超过进口刀圈（如：国产刀圈的冲击韧性明显高于进口刀圈，国产刀圈断刀率为40%，进口刀圈断刀率达83%）。通过对刀圈磨损量的试验：国产刀圈组的平均耐磨性是进口刀圈组的91.3％。从而取得了施工单刀工作143.3小时进尺153.4m、磨损量只有25mm的成绩。经济效益上看，国产刀圈价格

为进口刀圈的60～70%，为进口整刀价格的50%。

为了寻找刀具磨耗和岩石单轴抗压强度的回归方程、磨耗原因、破损机理及盘形滚刀刀圈失效分析；对刀圈材质进行了分析和冶炼；研究了刀盘设计和研制工艺技术；通过现场试验证明：虽然国产刀圈组平均磨损量相当于进口的1.09倍，但国产刀圈韧性却好于国外，且费用仅为进口整刀的一半。刀具在掌子面上切削的轨迹见图4。

图3 17“盘形滚刀的剖面图 图4 刀具在掌子面上切削的轨迹

(4) TBM在不良地质段的施工技术研究

施工资料

开敞式TBM通过软岩(实质是裂隙很多的花岗岩和部分风化的窝状黄斑岩)，采用了先锚后喷及先喷后锚（见图5），并架设16工字钢的一次支护，以平均月进尺约200m左右顺利通过软岩区段。开敞式有利于及时支护，充分发挥施工中时空效应。

这种方法在磨沟岭砂页岩含水软弱地层的试验也获得了成功。实现了日掘进快支护41.3m和月掘进快支护574m快速施工水平（磨沟岭）。

TBM所配的HL-300锚杆机及注浆泵应用方便；喷射机AL-277适用于潮喷，机型并不先进，超前钻机3HG1200双动头安装位置有碍工作，不具备跟管钻功能,又不具备冲击型钻孔功能，所以不能应用。

（5） TBM施工中的测量控制技术研究

在秦岭隧道的施工测量中改变了常规的方法，首次利用了洞外GPS网测量；高程为一等水准，洞内为一等光电测距和三等水准控制的先进技术，并结合TBM的ZED导向系统，确保掘进方向控制符合设计要求，确保秦岭隧道贯通精度，同时大量的减少了工作量，缩短了测量周期。贯通误差分析及洞内控制测量技术的技术研究包括：ZED—260激光导向系统控制应用技术；TBM在施工中的准确调向技术。

（6）隧道用仰拱预制块制作及安装工法研究

在秦岭隧道的施工中研究出了一套仰拱预制块制作及安装工法。其特点：速度快、全部17套进口钢模每天周转一次；质量好：起吊强度达设计强度的50%，其R28全部达设计C38要求；工艺简单：采用“干式排管分阶段供热养护”方法(见图6)，其组织合理，技术含量高，与传统蒸养工艺相比，大大节省了投资和工序循环时间；安装精度高：操作简便、速度快、精度高，仰拱块通过经纬仪、水准仪、激光指向仪和水平尺进行定位检查，仰拱块安装精度可控制在5cm以内；节能节材：与传统施工方法相比，每循环平均节省时间5h，每立方混凝土可节约用煤20～30kg，每立方混凝土可节约水泥30kg左右。

另外，还研究出了钢筋、灌注、脱模制造工艺流水线配套技术；仰拱块加热恒温养护不产生微裂缝工艺配套技术；仰拱块精确安装工艺等，该技术已评为国家级工法。

图5 喷锚支护情况 图6 隧道用仰拱预制块制作

（7）内层衬砌和整体道床快速施工技术研究

在内层衬砌施工时，利用自制的穿行模板台车，并创造一套相应的衬砌施工工法，实现了衬砌的快速施工，创造了衬砌34m／d的国内最高水平。在弹性整体道床施工时，同样建立了一套先进的工法，实现快速施工，创弹性整体道床日施工50m的全国最高纪录。

施工资料

（8）TBM有轨运输系统的研究

通过对国内外TBM施工隧道的有轨运输系统的研究，以及对有轨运输相关作业的分析，在此基础上，确定了秦岭隧道TBM施工有轨运输系统的机车车辆选型及其线路设置，并研究出一套有效的有轨运输系统管理办法。

（9）TBM施工通风、水、电供应保障研究

独头9km的通风系统中采用长管路压入式通风方式和蜗轮式风机，大直径（φ＝2.2m）漏风率＜1%的软风管，实现在工作面有30m3/s的风量供给，工作环境各项指标达到除尘、降温的规定要求。供水按100 m3/h，供电用35kV/10Kv变电

所的高压电进洞，风、水、电随TBM不断前进而采用卷式铺设，快速接头以实现不间断供给。

通过以上九项配套技术研究开发，31个关键技术的攻关，实现了TBM安全快速掘进的目标，创造了TBM日掘进40.5m，月掘进528.1m的全国最高纪录，平均月掘进为288m；创造了TBM日最高机时利用率78%，月最高机时利用率58%，平均机时利用率42%，达到了TBM综合管理世界先进水平（40%）；在测量方面首次试用洞外GPS测量，高程为一等水准，洞内为一等光电测距和三等水准控制的先进技术，确保秦岭隧道贯通误差精度横向10mm，纵向13mm，高程4mm 的世界先进水平；利用ZED—260导向系统实现TBM掘进过程中偏差控制在±30mm；创造了衬砌快速施工34m/d，弹性整体道床50m/日的全国最高纪录；实现了刀具国产化，节约刀具成本50%；仅用23天在隧道内实现了拆卸刀盘、主轴承（φ＝5.2m）更换密封圈，使这一技术成为技术领域的创举；快速预制大吨位仰拱块方面创造了17套钢模每天周转一次的最高纪录等 。

四、Φ8.8mTBM在磨沟岭、桃花铺铁路隧道成功掘进的案例

磨沟岭隧道长6116m，在掘进中，Ⅴ、Ⅵ级围岩设计时为1138m，占全隧的19％，而实际上总长为3416m，占全隧的56％。断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TBM后配套所具有的软弱设备能及时支护的措施是成功的（加密钢拱、及时挂网喷射砼、注浆及管棚等）。通过开敞式TB880E掘进机两个工地的应用看出：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。

TB880E开敞式掘进机是为秦岭隧道购置的，它主要适应硬岩地质掘进，但在购置它的后配套时，同时已注意到岩石也不是均质的事实。表现在该台TBM上加装了锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，而且在确定刀间距、推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上，都考虑了能适应软岩、硬岩的切削特性。

五、应用、推广情况及在国内外相关领域的作用影响

国外自20世纪50年代开始，就已经运用TBM修建隧道。随着科学技术的进步，TBM采用的高新技术在不断增加，制造技术日臻完善。尽管如此，国外很少对TBM施工技术进行系统的研究，侧重的是TBM制造技术的高科技含量。我国对于TBM的研究制造起步于20世

施工资料

纪60年代，由于工业基础的薄弱，技术力量的差距等诸多因素，一直处于比较低水平的研究状态。曾经在水电工程中引进的TBM，由于技术力量的不足等原因，在工程实践中也遭到了严重挫折。究其原因，除了工程实践因素外，在高新技术的了解、消化、开发、运用等方面均存在着不足，对机械、液压、电子电气、自动控制、高新材料、光导向技术、计算机等多学科的综合掌握能力方面存在着较大的欠缺和差距。

该项目与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较《TBM施工技术研究》课题成果与国内外同类技术研究比较，具有以下特点：

⑴ 研究范围广泛：该项目结合TBM施工的特点，对五大技术难题、九项关键技术，三十一个技术难点分别进行了深入的研究，而国外类似同样的综合性研究鲜见报道。⑵ 研究目的明确：该项目紧密结合工程实际，对于首次采用TBM实施目前国内第一、国际第六长度的秦岭隧道建设，如何掌握、消化、吸收以及开发先进设备和技术，作出了比较详尽的研究，为保证TBM的顺利施工提供了可靠的技术支持。

⑶ 理论联系实际：如对TBM刀具破岩机理的研究以及刀具损耗率的研究，直接指导TBM刀具国产化的开发研究工作；对TBM通过不良地质地段技术的研究等，都直接运用于工程实践，并取得了多项具有自主知识产权的成果。而国外虽然也有类似的研究，但不能做到理论联系实际，对工程的指导性较低。

⑷ 成果内容丰富：由于有大量、详尽、可靠的工程基础数据做支撑，研究成果不仅内容丰富，而且真实可靠。为TBM的推广应用奠定了坚实的基础。而国外不具备此类成果。

⑸ 成果水平比较：我国的研究成果侧重于施工技术的研究和应用；国外则侧重于TBM本身适用性（即制造）方面的研究；从施工技术的角度相比，尽管国外已经具有50年的工程实践，但因没有系统的研究成果，其水平不比我国的研究水平高；从TBM制造的角度相比，由于国外的工业基础及高新技术产业优势明显，我国尚具有一定的差距。

⑹ 存在问题及改进措施：TBM施工技术研究成果是着眼于硬岩隧道施工技术，在软岩隧道能否成功应用，能否广泛应用于铁路以外的公路、水利、水电、矿山、穿越江河等工程，能否进一步提高TBM的使用效率、降低工程造价等，尚待研究并经过工程实践验证。

TBM在我国铁路隧道的成功应用，引起了国内外的巨大反响。德国TBM著名制造商Wirth公司、盾构机著名制造商海瑞克公司、美国TBM著名制造商罗宾斯公司、加拿大罗瓦特公司等均寻求与我们合作；国内正在设计阶段的宜昌～万县铁路亦在策划TBM施工的长大隧道设计；沈阳市长达260多公里的东水西调工程亦将采用TBM施工方案等。TBM由于其具有施工速度快、施工质量优、机械化程度高、技术含量高、劳动强度低、施工环境好、造就人才快等特点，可广泛应用于铁路、公路、矿山、水利、水电、市政、地铁、穿越江河等领域的隧道和地下工程建设，推广前景非常远大。相信在21世纪我国的基本建设中，将会大量采用该项技术。

1．该项目的经济效益分析(见表1)

项目总投资额146万元，为铁道部在该项目投入的科研经费；经济效益总额3200万元

施工资料

是为国家节约的投资额。该项目未立项前，国家拟投资400万美元（折合人民币3400万元），

表1 经济、社会效益情况表 单位（万元）

请国外咨询公司对TBM施工进行全程技术指导；立项后该笔投资就节约了；新增产值是指采用TBM施工当年实现的产值。本表所列效益额的计算依据及社会效益说明：新增利税是指采用TBM施工当年实现的利税。

2．社会效益分析

⑴ 隧道施工技术实现了里程碑式的跨越；

⑵ 由于TBM的成功运用，使得我国隧道建设水平又迈上了一个新的台阶，为突破20km以上隧道的设计、施工奠定了坚实的基础。

⑶ 施工速度快。正常情况下，TBM施工速度是钻爆法施工速度的2倍以上，特别适用于长大、特长隧道工程，可以缩短工期一倍以上；

⑷ 工程质量优。秦岭隧道工程质量一次验收合格率和优良率均为100%，获评为铁道部优质工程一等奖，国家建筑工程质量最高奖——建筑工程鲁班奖，国家建筑工程科技含量最高奖——詹天佑工程大奖；⑸ 环保效益明显。采用TBM施工可以大大减少噪声、粉尘污染等。

备注 本文为2002年第12届隧道及地下工程年会报告。