TBM法隧道施工技术要点

【市政知识分享】TBM法隧道施工技术要点

TBM（Tunnel Boring Machine）法是通过全断面岩石掘进机进行岩石破碎、出渣、支护，实现连续作业的隧道施工方法。TBM集机、电、液、传感、信息技术于一体，掘进速度快、效率高，实现了工厂化施工。

TBM主要由以下部分组成：

• 破岩机构——刀盘及滚刀
• 推进机构——水平推进油缸
• 岩渣装运机构——出渣运输系统
• 导向调向机构——激光导向、姿态控制
• 吸尘通风装置——除尘及通风系统

一.TBM施工原理

1.1 破岩方式及原理

TBM破岩方式主要有挤压式和切削式两种：

• 挤压式：通过水平推进油缸使刀盘滚刀强行压入岩体，联合挤压与剪切作用破碎岩石。
• 切削式：利用岩石抗弯、抗剪强度低的特点，靠铣削与弯断破碎岩体。

滚刀类型及破岩原理：

• 圆盘型滚刀：刀尖集中力切入岩面形成破碎沟，沟间岩石受侧刃挤压力剪切破碎。
• 楔齿型滚刀：齿尖产生切向张力破坏岩石表面，楔入力继续引起剪切破坏。各齿环齿节不同，加大破岩效果。
• 球齿型滚刀：原理与楔齿型相同，适用于硬岩掘进。
• 削刀：挤压力和切割力形成切碎区与剪力破碎区，在岩壁上留下环状切削槽，两槽间岩石受侧向挤压力剪切破坏。

1.2 TBM主要形式

TBM施工基本流程：施工准备 → 全断面开挖与出渣 → 外层管片式衬砌或初期支护 → TBM前推 → 管片外灌浆或二次衬砌。

TBM主要分为敞开式和护盾式两大类：

（1）敞开式TBM

• 适用于硬岩，利用自身支撑机构撑紧洞壁承受推进反力及反扭矩
• 施工工序：TBM掘进 → 初期支护（钢拱架、锚杆、网片、喷射混凝土） → 再掘进 → 二次支护

（2）护盾式TBM

• 整机外围设有与机器直径一致的圆筒形护盾结构
• 单护盾TBM：多用于软岩和破碎地层，前推力靠推进油缸支撑在管片上获得，掘进与管片安装不能同步进行
• 双护盾TBM：由前护盾（刀盘及驱动）、后护盾（支撑装置）、伸缩部分、盾尾组成，可边掘进边安装管片，效率更高

二.TBM施工技术

2.1 TBM选型与辅助系统

TBM选型依据：

• 工程地质条件：围岩抗压强度、裂缝状态、涌水状态等。不良地质调查对能否采用TBM法具有决定性因素
• 地质因素影响：
• 隧道地压：很大地压使掌子面难以自稳，TBM掘进极为困难
• 涌水状态：极端涌水导致机体下沉，TBM优点丧失
• 岩石强度、硬度及裂隙：直接影响TBM切削效率
• 开挖直径约束：直径越大，刀头内外周速差越大，推力及支撑靴增大，带来运输和承载力问题

TBM附属设施：

• 运输方式（四种）：轨道方式、无轨方式、连续皮带运输、泥浆运输
• 通风除尘系统：排除粉尘、热量和有害气体，提供新鲜空气
• 超前钻探设备：掌子面前方地质钻孔调查，可兼作排水孔
• 排水设备：大容量水泵分阶段增设，防止掌子面浸水
• 喷射混凝土设备：搭接在后续台车上，作为一次支护使用

2.2 掘进循环与支护施工

TBM掘进依靠刀盘、机头架、支撑和推进装置组成的掘进系统，循环五步骤：

• 作业开始：主支撑撑紧洞壁，后支撑腿提起，刀盘转动，推进油缸伸出，TBM前移一个行程
• 准备换步：刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重
• 主支撑回缩：推进油缸回缩，自由态主支撑前拉回位
• 定位找正：主支撑再次伸出撑紧岩壁，后支撑提起，TBM定位（坡道上先定坡度）
• 返回步骤一：准备下一循环掘进

TBM支护利用后配套设备（锚杆钻机、超前钻机、混凝土喷射机械手、钢筋网安装器、环形梁安装器等）完成：

• 常规系统支护：利用TBM自带设备在掘进同时完成
• 特殊地质支护：根据地质条件变化及时调整，必要时增加其他设备

支护顺序与围岩自稳时间关系密切：

• 围岩破碎软弱、自稳时间短时：超前小导管 → 钢拱架加钢筋网 → 锚杆加钢筋网 → 喷射混凝土
• 围岩条件良好、可自稳时：按设计顺序进行锚杆、钢筋网、喷射混凝土系统支护

三.TBM施工安全技术控制要点

• 人员资质：施工人员必须经过专业培训，持证上岗，责任心强
• 防护装备：佩戴安全帽，禁止使用尼龙、化纤或混纺工作服；特殊环境配备防护镜、呼吸器具
• 安全设备：相关人员必须熟悉所有安全保障设备及使用方法
• 紧急处置：发生紧急故障或事故时立即按下急停按钮
• 警示系统：熟悉所有警示灯、警报器的含义，警示系统不单表示故障，也警示设备运转情况
• 通信设备：熟悉主控室、人舱、拖车/注浆泵站等各部位通话设备，定期检查
• 防火系统：定期检查防火系统完整性和火灾报警器，根据火源类型（电气/液体）选择灭火器
• 气体监测：监测螺旋输送机底部的二氧化碳、一氧化碳浓度，以及管片安装区氧气浓度
• 备用设备：内燃空压机每周运行≥0.5小时，确保断电时立即启动
• 操作禁令：严禁泵类设备空转；禁止移动、损坏安全保障设备；禁止改变控制程序；TBM内严禁吸烟
• 人舱使用：使用前宜排空土仓渣土，确保刀盘和螺旋输送机停止并关闭出料口

四.TBM施工质量控制要点

4.1 始发推进与轴线控制

始发控制：

• 复核主撑靴撑力，确保钻爆段初支有足够强度和平整度
• 对始发环进行加固处理
• 严格控制始发导轨安装精度，确保TBM始发姿态与设计线路重合
• 系统和整机调试经监理工程师验收认可后方可掘进

推进控制：

• 采取自动测量先行、人工测量随时校核的双重测量措施
• 根据围岩特点，合理控制推进速度与推力关系，保证刀盘完好
• 根据前方地质适时改变掘进模式
• 按制造商指南制定检修周期（日检、月检），保证TBM最佳工作状态

轴线控制：严格TBM姿态控制，实际轴线与设计轴线偏差量小于设计要求，定期人工测量及时纠正。

4.2 不良地质段与防水控制

不良地质段控制：

• 采用物探与钻探相结合的综合超前地质预报，探明涌水、瓦斯、断层破碎带等
• 认真做好洞内衬砌与回填灌浆，严格按设计做固结灌浆
• 必要时施作隧洞排水孔，防止衬砌受力过大而受损
• 加强隧道监控测量，及时反馈调整施工参数

防水控制（以管片衬砌自身防水为根本、接缝防水为重点）：

• 管片衬砌自身防水：
• 合理选材，配制以抗裂、耐久为重点的高性能混凝土
• 选用合适外加剂，确定合理配合比参数
• 蒸汽养护严格控制升温梯度、恒温时间、降温梯度和相对湿度，脱模后水中养护
• 连接缝防水：
• 止水条安装前清除凹槽灰尘，精确粘贴在凹槽正中位置
• 敞开式TBM仰拱预制块地段，可采用现浇混凝土仰拱实现整体防水
• 护盾式TBM管片与现浇混凝土接触部位，采用缓膨型遇水膨胀止水条 + 注浆防水
• 双衬砌特殊地段，内层浇筑前须先引排或封堵外层渗漏水

总结

• TBM法是集机械、电气、液压、传感、信息技术于一体的高效隧道施工方法
• 分为敞开式（硬岩）和护盾式（软岩/破碎地层）两大类
• 施工核心：合理选型 → 科学掘进参数控制 → 及时支护
• 安全底线：严守安全操作规程，确保人员与设备安全
• 质量关键：始发到达、轴线控制、不良地质段处理、隧道防水
• 通过施工监测优化掘进参数，实现安全、高效、优质的隧道施工