论文部分内容阅读
摘要：本文概括地介绍了隧道掘进机的发展、工作原理、在地下工程中的选型及应用情况。
关键词：隧道掘进机，发展，工作原理，地下工程，选型，应用；
The Selection And Application Of The Tunnel Boring Machine In The Underground Work
XU Shuxia
（Jiangsu Transportation Research Institute Co.,Ltd，Nanjing，Jiangsu 210019，China）
[Abstract] This paper briefly describes the development of the tunnel boring machine, working principle and the selection and application in the underground works.
[Key words] Tunnel boring machine；Development；Operational principle；Selection；Application。
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号
1. 引言
隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高科技施工装备，具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。
目前，主要用于水底公路隧道、地铁区间隧道、市政管线隧道等地下工程。本文主要讨论的是隧道掘进机中的盾构掘进机。
2. 可选用的隧道掘进机型式
2.1盾构掘进机的发展
随着研究的深入，盾构法施工得到了不断发展、改进，技术日趋完善、成熟。许多城市进行地下铁道及市政公用设施的施工，均在不同程度上采用盾构掘进机开挖。
盾构作为一种安全、快捷的掘进技术，经历了四个发展阶段：
（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；
（2）以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；
（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；
（4）以大直径、大推力、大扭矩、多样化为特色的第四代盾构。
2.2盾构掘进机工作原理
以目前在地铁区间隧道工程中运用比较广泛的闭胸式盾构（土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构）为例。
土压平衡盾构即前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。其适用于变形较大的淤泥、软弱粘土、粘土、粉质粘土、粉砂、粉细砂等土层。
泥水加压盾构即在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入泥水室，由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面，把送出的浓泥水进行水土分离，然后把分离后的泥水再送入泥水室，不断循环使用，其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。其适用于以砂性土为主的洪积地层，也较适用于以粘性土为主的冲击地层，但泥水处理费用较高。
土压平衡盾构 泥水加压盾构
3. 不同地层隧道掘进机的选择
3.1盾构掘进机的选择
少水地层、砂卵石地层及少水或无水地层，宜选择开敞式盾构网格盾构。
土压平衡盾构应同时考虑选用土压盾构与泥水盾构。不稳定的粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机。
泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面具有优越性。其缺点在于盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态，需要较大的泥水处理场地。
3.2隧道掘进机刀盘的选择
带刀盘的隧道掘进机有：士压平衡式盾构、泥水平衡式盾构、泥水加局部气压平衡式盾构；常见的刀盘结构有面板式刀盘和辐条式刀盘。
刀盘特性比较
刀盘形式
比较项目 面板式 幅条式 备注
开挖面水土压控制 一般存在三个压力：
P1：开挖面～面板之间；
P2：面板开口进出口之间；
P3：面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。 只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制。
砂、土适应性（粒径＜15 cm） 由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。 仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。
砂卵石适应性（粒径＞15cm） 适应性强，必要时可加滚刀。 不能加滚刀，刀头形式及数量较少。
刀盘扭矩 刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。 刀盘扭矩阻力小，设备造价低
隧道内刀头更换安全性 由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠。 在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。 由于是城市隧道，每段长度有限，可避免隧道内更换刀头。
4. 支护形式的选择
通常采用的支护形式有：管片衬砌、喷砼衬砌、压缩砼衬砌、复合式衬砌；
管片衬砌广泛应用于软土地层盾构隧道的支护，管片接头部位是防水薄弱环节，应研究接头型式及防水材料；
喷混凝土衬砌应用于开敞式TBM隧道，能及时支护，很好地适应软弱破碎围岩，在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了成功应用。
压缩混凝土衬砌即就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。压缩混凝土衬砌具备以下特点：筑造的衬砌质量高；极大地抑制了地层沉降，无须降低地下水；采用全机械化施工，节省人员、安全性高，作业环境好；采用一次衬砌，材料用量少；不需要同步注浆；施工阶段工序少，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期。
复合衬砌结构采用薄管片加二次模筑，该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道和重要通道。
参考文献：
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)
[2] 隧道掘进机施工技术[J]岩土力学，2009
[3] 王效文、王金龙、吕延豪、王文辉，地铁盾构隧道设计要点参考手册[M]，2006.08
[4] 王梦恕，不同地层条件下的盾构与TBM选型[R]，2007.06
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：隧道掘进机，发展，工作原理，地下工程，选型，应用；
The Selection And Application Of The Tunnel Boring Machine In The Underground Work
XU Shuxia
（Jiangsu Transportation Research Institute Co.,Ltd，Nanjing，Jiangsu 210019，China）
[Abstract] This paper briefly describes the development of the tunnel boring machine, working principle and the selection and application in the underground works.
[Key words] Tunnel boring machine；Development；Operational principle；Selection；Application。
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号
1. 引言
隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高科技施工装备，具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。
目前，主要用于水底公路隧道、地铁区间隧道、市政管线隧道等地下工程。本文主要讨论的是隧道掘进机中的盾构掘进机。
2. 可选用的隧道掘进机型式
2.1盾构掘进机的发展
随着研究的深入，盾构法施工得到了不断发展、改进，技术日趋完善、成熟。许多城市进行地下铁道及市政公用设施的施工，均在不同程度上采用盾构掘进机开挖。
盾构作为一种安全、快捷的掘进技术，经历了四个发展阶段：
（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；
（2）以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；
（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；
（4）以大直径、大推力、大扭矩、多样化为特色的第四代盾构。
2.2盾构掘进机工作原理
以目前在地铁区间隧道工程中运用比较广泛的闭胸式盾构（土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构）为例。
土压平衡盾构即前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。其适用于变形较大的淤泥、软弱粘土、粘土、粉质粘土、粉砂、粉细砂等土层。
泥水加压盾构即在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入泥水室，由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面，把送出的浓泥水进行水土分离，然后把分离后的泥水再送入泥水室，不断循环使用，其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。其适用于以砂性土为主的洪积地层，也较适用于以粘性土为主的冲击地层，但泥水处理费用较高。
土压平衡盾构 泥水加压盾构
3. 不同地层隧道掘进机的选择
3.1盾构掘进机的选择
少水地层、砂卵石地层及少水或无水地层，宜选择开敞式盾构网格盾构。
土压平衡盾构应同时考虑选用土压盾构与泥水盾构。不稳定的粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机。
泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面具有优越性。其缺点在于盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态，需要较大的泥水处理场地。
3.2隧道掘进机刀盘的选择
带刀盘的隧道掘进机有：士压平衡式盾构、泥水平衡式盾构、泥水加局部气压平衡式盾构；常见的刀盘结构有面板式刀盘和辐条式刀盘。
刀盘特性比较
刀盘形式
比较项目 面板式 幅条式 备注
开挖面水土压控制 一般存在三个压力：
P1：开挖面～面板之间；
P2：面板开口进出口之间；
P3：面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。 只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制。
砂、土适应性（粒径＜15 cm） 由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。 仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。
砂卵石适应性（粒径＞15cm） 适应性强，必要时可加滚刀。 不能加滚刀，刀头形式及数量较少。
刀盘扭矩 刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。 刀盘扭矩阻力小，设备造价低
隧道内刀头更换安全性 由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠。 在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。 由于是城市隧道，每段长度有限，可避免隧道内更换刀头。
4. 支护形式的选择
通常采用的支护形式有：管片衬砌、喷砼衬砌、压缩砼衬砌、复合式衬砌；
管片衬砌广泛应用于软土地层盾构隧道的支护，管片接头部位是防水薄弱环节，应研究接头型式及防水材料；
喷混凝土衬砌应用于开敞式TBM隧道，能及时支护，很好地适应软弱破碎围岩，在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了成功应用。
压缩混凝土衬砌即就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。压缩混凝土衬砌具备以下特点：筑造的衬砌质量高；极大地抑制了地层沉降，无须降低地下水；采用全机械化施工，节省人员、安全性高，作业环境好；采用一次衬砌，材料用量少；不需要同步注浆；施工阶段工序少，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期。
复合衬砌结构采用薄管片加二次模筑，该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道和重要通道。
参考文献：
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》(GB50446-2008)
[2] 隧道掘进机施工技术[J]岩土力学，2009
[3] 王效文、王金龙、吕延豪、王文辉，地铁盾构隧道设计要点参考手册[M]，2006.08
[4] 王梦恕，不同地层条件下的盾构与TBM选型[R]，2007.06
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。