掘进机施工优点及局限性与其应用

      隧道掘进机(Tunneling Boring Machine,简称TBM)是一种集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械。掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层挖掘隧道的一种施工方法。

     随着我国大规模基础设施建设的开展,铁路、公路、调水工程、水电工程、城市地铁、市政供水供电和排污等重大工程越来越多,需要修建的长、大隧道也越来越多。由于工程规模大,地质条件复杂,工程施工速度、环保、质量和效益要求高,传统钻爆破法施工技术已经难以应对这一艰巨挑战。因此,全断面隧道掘进机技术必将在我国得到长足发展。

     掘进机问世于1952年,由美国Robbins公司生产,发展至今,技术上已经很成熟。根据工程对象的变化,其类型也呈现出系列化和多样化的特点。实践证明:当隧道长度与直径之比大于600时,采用掘进机进行隧道施工比较经济。国外3 m以上的隧道,使用掘进机开挖已相当普遍。掘进机直径随工程对象的需要而变化,一般来说,水工隧洞直径为3～10 m;铁路隧道直径为6～10 m;公路隧道,一般断面较大,采用的施工方法有两种:一种是采用直径8～12 m的掘进机一次成洞;另一种是采用小直径的掘进机进行导洞施工,然后进行钻爆法扩挖成形。截至21世纪初,国外采用掘进机施工的隧道长度达4 000 km以上,掘进机施工技术已逐渐成为一种成熟并具高竞争力的隧道施工技术。

     掘进机与盾构的区别主要有:全断面隧道掘进机主要是通过盘形滚刀破碎岩石,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,一般用在山岭隧道或大型引水工程,掘进机主要采用皮带机出渣;盾构主要用于软土层的挖掘,一般用在城市地铁及小型管道工程。盾构由稳定开挖面、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,这也是盾构区别于TBM及比TBM复杂的主要方面。盾构在刀盘上除切刀外还布置一定数量的滚刀,以适应遇到的短距离岩石段。盾构采用螺旋输送机或泥浆管路出渣。

1、掘进机法简介

1)TBM法与钻爆法比较

      在隧道施工方法上,TBM法和钻爆法都是隧道施工的成熟工法。钻爆法较TBM法工序多、施工组织复杂、工期较长、超欠挖量大、安全性差,但地质适应能力较好。TBM法与钻爆法相比的优势在于工序简单、施工速度快、安全性好。从技术上比较,TBM法适用于工期要求紧、且以硬质岩为主的圆形长隧道,而钻爆法则适用于短隧道、地质条件较复杂的且不适合TBM法快速施工的工程。

2)TBM施工的优点

      掘进机是山岭隧道高度机械化的开挖设备。与钻爆法相比,掘进机法虽然投资多,但具有施工快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。

(1)快速

      掘进机掘进效率高,其掘进速度为常规钻爆法的3～5倍。掘进机开挖时,可实现连续作业,从而可保证破岩、出渣、支护流水化作业。而钻爆法施工,钻眼、爆破、通风、出渣等作业是间断性的,因而开挖速度慢、效率低。

(2)优质

      掘进机开挖施工质量好。采用掘进机开挖的隧道内壁光滑,从而可以减少支护工程量,降低工程费用。而钻爆法开挖的隧道内壁粗糙、凹凸不平,且超欠挖量大,衬砌时处理困难,支护费用高。掘进机开挖隧道的洞壁粗糙率一般为0.019,比钻爆法光面爆破的粗糙率还小17%。掘进机开挖洞径尺寸精确、误差小,可控制在±2 cm范围内。

(3)安全

      TBM法对岩石的扰动小,影响范围一般小于50 cm,可大大改善开挖面的施工条件,且周围岩层稳定性较好,从而得到安全的边界环境。掘进机自身带有局部护盾或整体护盾,有利于施工人员的安全。同时,机器上配置一系列的支护设备,在不良地质处可及时支护,确保施工安全。且由于掘进机自动化程度高,并配置电视监控和通信系统,作业人员少,便于安全管理。

(4)环保

      开挖时采用机械进行破岩,无钻爆法用的炸药等化学物质爆炸及污染,人员劳动强度低、数量少,作业环境好,有利于作业人员的健康。另外,掘进机采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通信技术,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。掘进机具有施工数据采集功能、姿态管理功能、施工数据管理功能、施工数据实时远传功能,实现了信息化施工。

3)TBM施工的局限性

      掘进机施工法与钻爆法相比,具有以下局限性:

①掘进机的经济性问题。由于掘进机结构复杂,对零部件的耐久性要求较高,因此制造的价格较高,前期一次性投资成本费用较高,工程建设投资高。

②设计制造周期长。根据目前市场情况,采购周期一般需要12～15个月,主要是关键部件,如主轴承、大排量液压泵,目前只有少数生产厂商生产。

③掘进机针对性强,对多变的地质条件(如断层、破碎带、溶洞、挤压带、涌水及坚硬岩石等)的适应性较差。不同地质条件需要不同种类的掘进机及相应的配置,因此其适应性没有钻爆法灵活。

④开挖断面只限于圆形,每台掘进机只能用于一种开挖断面。

⑤要求施工人员的技术水平和管理水平高,施工短隧道时不能发挥其优越性。

⑥运输困难,对施工场地有特殊要求。

2、掘进机法的应用

1)TBM的应用范围

      掘进机和辅助施工技术的日臻完善,以及现代高科技成果的应用(液压新技术、电子技术和材料科学技术等),大大提高了岩石掘进机对各种复杂地质条件的适应性。如果简单地从开挖可能性上看掘进机的适用范围是不全面的,必须根据岩石的抗压强度,裂隙、节理发育状态,涌水状态等地层岩性条件的实际状况、机械构造,以及隧道的断面、长度、埋深、选址条件等进行判断,综合考虑。

(1)对地质条件的要求

      掘进机适用于隧道长度6～7 km以上,围岩的单轴抗压强度为50～200 MPa。从地层岩性条件来看,掘进机一般只适用于圆形断面隧道,隧道开挖直径为3.0～12 m,一次性连续开挖隧道长度不宜短于6 km,通常6～15 km比较经济。若隧道施工太短,则掘进机的折旧费用和待机准备时间占工程的总费用和时间的比例必然增加。但如果一次性连续开挖施工的隧道太长,掘进机维修及辅助工序时间长,自然要增加费用和延长施工时间。

      掘进机适用于中硬岩层,需注意的是,岩层的地质情况对掘进机进尺影响很大。在良好岩层中,掘进机月进尺可达500～600m,而在破碎岩层中,月进尺只有100 m左右,在塌陷、涌水、暗河、溶洞地段甚至要通过安全停机处理故障后才能掘进。鉴于掘进机对不良地质条件十分敏感,选用掘进机开挖施工隧道时应尽量避免复杂地层,或增加较多的辅助设备,才能处理不良地质段(但增加辅助设备会增加设备的成本)。

以下地质条件一般不适宜掘进机的施工:塑性地压大的软弱围岩;类砂性土构成的软弱围岩和具有中等以下膨胀性的围岩;断层破碎带,岩溶发育带,严重涌水地段,岩石单轴抗压强度超过250 MPa的极硬岩,且节理不发育、高硬度或高拉伸强度及高磨蚀性岩石。

(2)对工期的要求

     掘进机的工期应包括掘进机的前期准备、掘进衬砌、拆卸转场全过程的工期。掘进机的工期应满足工程施工要求:

①掘进机前期工作:设计、制造、运输、场地、安装、调试、步进等应满足预定的隧道掘进工期要求。

②掘进机掘进工期满足预定的隧道开挖所需的工期。

③对于隧道衬砌成洞总工期应满足预定工期要求。

④掘进机的拆卸转场应满足预定的后续工期要求。

(3)对经济适应性的要求

      采用掘进机一次性连续开挖隧道长度不宜小于6～7 km,以8 km以上为最佳。隧道施工太短,掘进机的制造费用和待机准备时间占工程的总费用和时间的比例必然增加。如果一次性连续开挖施工的隧道太长,超出掘进机大修期限(一般8～10 km)则会增加费用和延长施工时间。

掘进机成洞总费用由系统运行费、衬砌止水费、掘进机等设备折旧费三部分组成。

就目前国内掘进机使用测算情况看,掘进机施工的成洞费用一般高于钻爆法成洞的总费用,主要由以下原因造成:

①掘进机系统的折旧费从理论上分析一般应按20 km的掘进长度分摊,而实际操作时,隧道承包人会比较现实地将掘进机系统的折旧费分摊到现有的承包长度上,因为后续工程无法确定。这样就造成每延米设备的折旧成本的提高,大大地增加了掘进机成洞的总费用。

②与钻爆法相比,掘进机开挖对隧道围岩的扰动较小,因此掘进机开挖隧洞时,其钢筋混凝土衬砌厚度可较钻爆法薄。根据新奥法原理,有的可以不衬砌。这样可以大大降低衬砌费用,从而降低掘进机的成洞费用。但由于目前我国尚无掘进机成洞混凝土衬砌规范,所以隧道衬砌仍然沿用钻爆法施工的衬砌,造成掘进机施工成洞成本的增加。

③掘进机系统运行费的组成为:掘进机系统运行费=电耗费+水气费+刀具、备件费+人工费+管理费+利润+税金。由此可见,掘进机系统运行费与掘进成洞速度直接相关联,工程管理好、掘进速度快的工程,每延米掘进机运行费用就相应降低。因此,掘进机施工需要高素质的管理人员和熟练的技术工人,这样可确保掘进机的完好率,提高掘进速度。

      综上所述,正确的选型、合理使用、优化衬砌以及设备的合理摊销,是降低掘进机成洞费用的主要措施。对于长度大于8 km以上的隧道使用掘进机,施工成洞总费用小于或等于钻爆法总费用是完全可以做到的。

      另外,采用掘进机开挖与钻爆法相比,隧道总体设计时常用洞线裁弯取直的方法而大量节约工程费用;同时,掘进机施工比钻爆法进尺速度快,可使工程提前完工产生可观的社会、经济效益。

(4)对机械条件的要求

      掘进机的适用性还受机械条件的限制,如使用刀盘旋转掘削时有开挖直径的问题。直径加大,会产生因切削刀盘周边的线速度加大而影响开挖,以及没有能承受巨大推力的轴承等问题。挖掘机械是采用压碎方式还是切削方式,对实际应用的适用范围也有差别。

(5)对作业场地和运输方案的特殊要求

      掘进机属大型专用设备,全套设备重达几千吨,最大部件的质量达上百吨,拼装长度最长达200多m。同时,洞外配套设施多,主要有混凝土搅拌系统、管片预制厂、修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统、装卸调运系统、进场场区道路、掘进机组装场地等。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,有些隧道虽然长度和地质条件较适合掘进机施工,但运输道路难以满足要求,或者现场不具备布置掘进机施工场地的条件。

      当掘进机开挖直径过大时,会带来运输困难、造价昂贵、电能不足等一系列问题,因此可采用小直径掘进机先行,后部钻爆法扩大到设计断面的混合套打法。由于掘进机开挖小直径的洞室,形成临空面,可使钻爆法开挖速度提高2～3倍。

(6)对企业自身实际能力的要求

      对企业自身能力的要求包括:制造维修能力,经济能力,施工队伍的技术、管理水平以及传统的施工习惯等。