工程科技隧道施工机械发展

工程科技隧道施工机械发展

目 录 一、我国隧道施工技术的发展 二、隧道施工机械化作业线 三、全断面隧道掘进机的分类 四、隧道施工机械化发展 五、高速铁路简介 一、我国隧道施工技术的发展 追溯我国隧道施工的历史，首先要提到 1890 年在台湾基隆至新竹窄轨铁路上建成的 216m 长的狮球岭隧道，这是我国最早修建的一条铁路隧道。 1908 年，由工程师詹天佑博士主持，在北京至张家口的铁路上用 18 个月的时间修建了长 1091m 的八达岭隧道，在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。然而，大规模地修建各种用途的隧道还是从新中国成立开始的。 在 50 年代初，为了避免修建长隧道，常常尽可能地采用迂回展线来克服地形障碍，使线路靠近地表。宝成铁路翻越秦岭的一段线路就是采用短小隧道群迂回展线的一个实例。在这段线路上有 34 座隧道，最长的秦岭隧道其长度仅为 2363m 。但是，根据当时的技术水平，修建这样一座长度在 2km 以上的隧道也并不是一件容易的事。由于在施工中首次使用了风动凿岩机和轨行式矿车，使得宝成铁路秦岭隧道的修建成为从“人力开挖”过渡到“半机械开挖”的标志。 隧道工程技术发展第二个阶段的代表性工程是 60 年代中期修建的成昆铁路。成昆铁路全长 1085km ，隧道占全线长度的 31% 。其中关村坝隧道和沙马拉打隧道长度均在 6km 以上。在这批隧道的施工中采用了轻型机具，分部开挖的“小型机械化”施工，修建速度达到了每月“百米成洞”的水平。 我国修建长度 10km 以上的铁路隧道的实践是从中铁隧道集团修建 14.295km 长的双线隧道 — 大瑶山隧道开始的。在这座隧道的施工中，采用液压凿岩台车，衬砌钢模板台车和高效能的装运机械等机械化配套作业，并实行全断面开挖。大瑶山隧道是我国山岭隧道采用重型机械综合机械化施工的开端，将隧道工程的修建技术和修建长大隧道的能力提高到一个新的阶段，缩短了同国际隧道施工先进水平的差距。 在此以后修建的许多长大隧道中，基本上都是按“大瑶山模式”施工的。由中铁隧道集团与中铁二局共同修建的南昆铁路上长度为 9392m 的米花岭隧道，采用了门架式液压凿岩台车，创造了单口月成洞 502.2m 的成绩。 1999 年 8 月，我国最长的铁路隧道 —— 秦岭隧道贯通 。 40 年前修建的 2km 长的秦岭隧道差不多是用人力艰难地修成的。那时，手持式凿岩机和小型矿车几乎是仅有的施工机具。 40 年后的今天，在西康铁路上 18.457km 长的秦岭隧道的修建中使用了 TBM （全断面隧道掘进机）现代隧道施工机械，实现了隧道施工工厂化。 TBM 法是一种投资大，但施工速度快、工期短的施工方法。与钻爆法相比， TBM 法具有快速高效、优质安全的显著特点。瑞士弗莱娜（ Vereina ）隧道、台湾新武界引水隧道等工程均采用 TBM 法施工；连接英法两国的英吉利海峡隧道，隧道总长 148km ，采用 11 台双护盾式 TBM 施工，只用了三年半就全部贯通，最高月进度达 1487m 。用于 18.46km 的西康铁路秦岭隧道施工的开敞式 TBM ，最高月进度达 528.1m 。在 6.113km 长的西安南京铁路磨沟岭隧道的施工中，开敞式 TBM 创造了最高日掘进达 41.3m ，最高月掘进达 573.9m 的国内新记录。 随着科学技术的进步和生产管理水平的不断提高，隧道和地下工程的修筑技术和能力也在不断提高，修筑手段不断更新。我国隧道机械化施工经历了从手工作业、半机械化作业、部分机械化作业并逐步走上综合机械化配套的发展过程。从人工开挖到盾构与 TBM 的使用，我国目前隧道机械化施工的综合水平与 50 年代相比已经产生了质的飞跃。 隧道施工的发展史，也折射出我国机械工业发展历程。 二、隧道施工机械化作业线 （一）隧道开挖作业线 （二）装运设备 （三）支护衬砌设备 （四）辅助施工设备 （一）隧道开挖作业线 在钻爆掘进中常使用的大型液压凿岩台车、风动凿岩机、液压凿岩机，还有电动及内燃凿岩机，但较少采用。 采用液压凿岩台车开挖钻孔作业效率高，劳动强度大低，劳动环境条件好，但一次性投入相对较大。由于技术性及专业性较强，最好采用专业公司管理模式来使用液压凿岩台车才能取得最大的效益。 大型液压凿岩台车 （二）装运设备 隧道爆破后石碴，通过装运设备运出洞外。 装碴机械类型，按其装碴机构型式可分为：铲斗式、蟹爪式、立爪式、耙斗式、挖斗式。铲斗式装碴机为间歇式连续装碴机，有前翻后卸、前卸和侧卸式三个卸碴方式。 装碴机的行走方式有：轨行式、轮胎式和履带式三种。 水平运输设备 隧道洞内运输方式分为有轨和无轨两种运输方式，应根据隧道长度、开挖方法、机具设备、运量大小等选用运输方式。 （三）支护衬砌设备 1 、初期支护设备 在隧道施工中，采用喷射混凝土并配之以锚杆、挂网、钢拱架的方法，作为临时初期支护。 ★喷射机 混凝土喷射机有干喷及湿喷机，按结构形式分为转子式和活塞式，转子式结构简单，价格低，活塞式主要作为湿式混凝土喷射，喷射质量高，并可用于钢纤维喷射，价格高。 ★混凝土喷射机械手 采用人工手持喷射混凝土，喷射环境差，回弹量大。采用喷射机械手可实现自动控制，喷层均匀，工作效率高，如瑞士阿里瓦 AL285 、 AL385 等。 2 、二次支护设备 在隧道施工中，混凝土模注衬砌所采用的机械设备，根据不同的施工工艺，有多种配置方式，主要机械有混凝土拌合站、混凝土输送车、混凝土输送泵、衬砌模板台车等。 ★混凝土拌合站 混凝土拌合站用于连续混凝土生产，效率高，机械化作业程度高。根据配置方式可选择固定式或移动式拌合站。 ★混凝土输送车 混凝土输送车实现混凝土搅拌输送，根据隧道运输方式分为轨行式和轮胎式两种，滚筒容积从 3m3—8m3 。 ★混凝土输送泵 隧道采用混凝土泵与模板台车配合使用，可提高衬砌速度。对于混凝土泵泵送能力选择应根据隧道一次衬砌长度等选择。 ★模板台车 模板台车按结构形式可分为全园式、穿行式、针梁式等，模板台车的选择应根据隧道衬砌速度要求。 （四）辅助施工设备 当隧道开挖遇到不良地质，需要进行超前钻探、注浆，改善地质条件，其设备配置如地质钻机 、注浆机等。 三、全断面隧道掘进机的分类 （一）盾构 （二）盾构与 TBM 掘进机的区别 （三） TBM 掘进机 全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、光、电、气、液、信息于一体的隧道施工成套专用设备。具有自动化程度高、对交通和周围地层影响小、有利于环境保护的优点。 隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为 TBM ，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。 （一）盾构 1 、盾构的概念 2 、盾构的发展概要 3 、盾构的分类 4 、当前常用盾构 5 、盾构选型的影响因素 6 、盾构在城市地铁应用中的教训 盾构，是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。 1 、盾构的概念 盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以 Brunel 盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。 2 、盾构的发展概要 网格式盾构 ◆ 手掘式盾构 ◆ 半机械式盾构 ◆ 盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。具体划分见下图。 手掘式 半机械式 机械式 全敞开式 半敞开式 挤压式 泥水式 土压式 闭胸式 盾构 土压平衡式 加泥式土压平衡式 3 、盾构的分类 4 、当前常用盾构 目前，应用最广的是泥水加压平衡盾构和土压平衡盾构。 （ 1 ）泥水加压平衡盾构 （ 2 ）土压平衡盾构 （ 1 ）泥水加压平衡盾构 ① 泥水盾构的概念 ②结构原理 ③直接控制型泥水盾构工作原理 ④间接控制型泥水盾构工作原理 ⑤泥水盾构的工程应用 泥水加压平衡盾构（ slurry pressure balance shield ），简称 SPB 盾构。是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓 , 开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。 ① 泥水盾构的概念 ② 结构原理 ◆ 泥水盾构有两种体系。 泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为 : 直接控制型 间接控制型 ③ 直接控制型泥水盾构工作原理 日本一般采用 直接控制型 泥水盾构。 ● 直接控制型 泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。 ● 泥水仓中的泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应，不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。 ④ 间接控制型泥水盾构工作原理 德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。 地 层 刀盘 进泥管 排泥管 泥浆 压缩空气 连通管 压缩空气 泥模形成区 ⑤ 泥水盾构的工程应用 东京湾海底公路隧道 日本于 1998 年建成通车的东京湾公路工程，全长 15.1km ，其中海底隧道长 9.12km ，由两条外径 13.9m 的单向公路隧道组成，采用了 8 台直径 14.14m 的泥水盾构施工 . 在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛，从人工岛的竖井向东西两个方向推出 4 台盾构，在隧道的东端，也筑造了木更津人工岛，从此岛的竖井中向西推出 2 台盾构，这 2 台盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的 2 台盾构在东侧海底地层中对接，川崎岛竖井向西推出的 2 台盾构与浮岛竖井中向东推出的 2 台盾构在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形，中央最大海水深约 28m 。隧道段的土质，川崎侧以冲积粘性土、洪积粘性土为主体，木更津侧在冲积粘性土和洪积粘性土层中夹有洪积砂质土层；浮岛、木更津倾斜段为人造地基。 德国汉堡易北河第四隧道 易北河第四条隧道距原有隧道约 35 ～ 70m ，全长 3100.75m ，其中 2561m 采用  14.2m 泥水盾构施工。易北河第四条隧道 1995 年开工， 1997 年 11 月 27 日开始使用盾构，于 2003 年完工。 隧道掘进从南岸始发井开始，开始的 500m 段为填筑土（由砂、砾石和无级配回填物质结合各种垃圾组成）。中间的 1000m 为河下冰川物质层，由非常硬的粘土和砾石或砾岩混合而成。最后的 1000m 为易北河北部填筑层，土的状况与河中段相类似。  14.2m 泥水盾构 易北河第四隧道纵剖面示意图 北 荷兰绿心隧道 长 7,176m 的荷兰“绿心隧道”采用 NFM 公司制造的 14.87m 泥水盾构施工。穿越的地层为泥炭土、粘土和饱和砂层土 。“ 绿心隧道 ”于 2001 年 11 月 2 日始发推进 ，于 2004 年 1 月 7 日贯通。最高月进尺为 616m 。 （ 2 ）土压平衡盾构 ① 土压平衡盾构的概念 ②结构原理 ③土压平衡盾构的工程应用 ① 土压平衡盾构的概念 土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。 ② 结构原理 土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。 刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。 ③ 土压平衡盾构的工程应用 南京地铁 TA15 标 由玄武门站～许府巷站～南京站站两个区间隧道组成，全长 4.574km ，由中铁隧道集团采用 2 台  6.39m 土压平衡盾构 施工。 玄武门至许府巷站区间隧道主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土、粉土等地层。许府巷至南京站区间隧道主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂夹细砂、粉细砂、粉土等地层 。 隧道名称 土压平衡盾构 台数 盾构直径 掘进距离 工程重难点 广州地铁二号线 【 越秀公园～三元里 】 区间 2 Φ6.25m 3926m 穿越 65m 广从断裂带。 下穿广州火车站 14 股轨道。 穿越各类建筑物 145 栋，管线 56 条。 广州地铁三号线 【 大石南～汉光 】 区间 2 Φ6.25m 7397m 穿越富水断裂带。 地层软硬不均，地层差异大 (30 ～ 156MPa) 。 广州地铁四号线 【 小～新 】 区间 2 Φ6.25m 3180.2m 隧道坡度大，最大为 5 ％。 下穿 510m 的新造海，水深 5 ～ 17m ，最小覆土厚度 8.5m 。 地质复杂，地层差异大 (3 ～ 120MP a ) 。 5 、盾构选型的影响因素 （ 1 ）盾构类型与渗透性的关系 （ 2 ）盾构类型与颗粒级配的关系 （ 3 ）盾构类型与水压的关系 （ 1 ）盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于 10 -7 m/s 时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在 10 -7 m/s 和 10 -4 m/s 之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于 10 -4 m/s 时，宜选用泥水盾构 。 （ 2 ）盾构类型与颗粒级配的关系 一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。 盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中蓝色区域为淤泥粘土区，为土压平衡盾构适应范围，绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，黄色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。 盾构类型与颗粒级配的关系 卵石 砂砾 粗砂 细砂 淤泥 粘土 粒径 粒 径 比 例 （ 3 ）盾构类型与水压的关系 当水压大于 0.3MPa 时，适宜采用泥水盾构。如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。 当水压大于 0.3MPa 时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机。 6 、盾构在城市地铁及铁路地下线应用中的教训 盾构在北京地铁、广州地铁、深圳地铁、成都地铁、西安地铁、北京铁路地下直径线的教训： （ 1 ）、无水地段、降水不产生、少产生沉降的砂卵石地层不应采用土压平衡盾构，应改用无刀盘开敞式网格盾构。刀具、刀盘磨耗严重、大石头出不来，严重影响进度。 （ 2 ）、盾构线路设在软土和弱风化岩交界面处，形成上软下硬，施工相当困难，选线标高应改，隧道最忌选在交界面标高，深圳最突出。 （ 3 ）、泥水平衡盾构在稳定工作面方面优于土压平衡盾构，气垫式泥水平衡盾构最好。土压平衡盾构泥土不可能在全断面形成压力，造成下沉量增大 。 如右图所示： （ 4 ）、土压平衡盾构刀盘应采用幅条式；泥水平衡盾构可采用面板式， TBM 必须采用面板式。 （ 5 ）、 管片衬砌寿命年限只有 30~40 年，不是永久衬砌，应增设二次模筑混凝土衬砌，增大盾构直径。 （ 6 ）、小直径盾构的开发应配合采用压缩混凝土衬砌，这也是共同沟的发展方向。 （ 7 ）、大直径盾构不是方向，将导致人为增加风险，长距离掘进（＞ 2km ）条件下，深埋盾构施工是发展方向（如琼州海峡隧道）。 （ 8 ）、 TBM 掘进机不是盾构，两者原理、构造相差很大。开敞式 TBM 可以通过各种围岩，而双护盾（单护盾） TBM 有很多局限性，不能采用，建议今后不予生产，卡死现象很多，（如台湾雪山隧道、中国引大济秦遂洞、入黄入晋工程、昆明掌鸣河隧洞等），且造价很高，铁路隧道论证后已取消应用。 （ 9 ）、科学发展观反映在工程建设中的四大错误： 1 、不合理工期； 2 、不合理造价； 3 、不合理合同； 4 、不合理施工方案。（如：双向六车道盾构法施工的方案是错误的。） （二）盾构与 TBM 掘进机的区别 TBM 是“ Tunnel Boring Machine” 的英文缩写，一般指全断面硬岩隧道掘进机，通常定义中的 TBM 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。 盾构施工主要由稳定开挖面、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，也是盾构区别于 TBM 及比 TBM 复杂的主要方面。 （三） TBM 掘进机 1 、 TBM 的分类 2 、开敞式 TBM 3 、双护盾 TBM 1.TBM 的分类 TBM 根据支护形式分为三种类型： ①开敞式 TBM ，常用于纯质岩； ②双护盾式 TBM ，常用于混合地层； ③单护盾式 TBM ，常用于劣质地层及地下水位较高的地层。 2 、开敞式 TBM 工作原理 （ 1 ）开敞式 TBM 结构特点 开敞式 TBM 的主要特点是使用内外凯氏（ Kelly ）机架。内凯氏机架的前面安装刀盘及刀盘驱动，后面安装后支撑。 外凯氏机架是 2 个独立的总成，前后外凯氏上装有 X 型支撑靴，外凯氏机架连同支撑靴一起能沿内凯氏机架作纵向滑动，支撑靴将外凯氏机架牢牢地固定在掘进后的隧道内壁上，以承受刀盘扭矩和掘进时的反力。前后外凯氏机架上各有其独立的推进油缸，后外凯氏机架的推进油缸将推力传到内凯氏机架上。掘进循环结束时，内凯氏的后支撑伸出，支撑 到隧道底部上，外凯氏的支撑靴缩回，推进油缸推动外凯氏机架向前移动，为下一循环的掘进准备。 （ 2 ）开敞式 TBM 工作原理 1 ） 撑靴撑紧在洞壁上，前支撑和后支撑缩回，开始掘进。 2 ） 刀盘向前掘进一个循环后，掘进停止。 3 ）前支撑和后支撑伸出，撑紧在洞壁上，撑靴缩回，外凯向前滑移一个行程长度。 4 ）利用前、后支撑进行方向调整 5 ）前后外开撑靴重新撑紧在洞壁上，前支撑和后支撑缩回，开始新的掘进循环。 （ 3 ）开敞式 TBM 工程应用 中铁隧道集团使用开敞式 TBM 施工的隧道 18.46km 的西康铁路秦岭隧道，最高月进度达 528.1m 。 6114m 的西安南京铁路磨沟岭隧道施工中，创造最高日掘进达 41.3m ，最高月掘进达 573.9m 。 大伙房输水工程 TBM2 标，最高月掘进 613m 。 秦岭 I 线隧道 西康铁路秦岭 I 线隧道 , 长 18.46km, 为我国目前最长的单线铁路隧道。采用  8.8m 开敞式 TBM 施工， 2000 年 8 月铺通。获中国建筑工程鲁班奖、中国土木工程詹天佑大奖。 磨沟岭隧道 中铁隧道集团承建的磨沟岭隧道全长 6114m ，围岩主要为大理岩类、云母类、片岩，由于隧道受区域性 F2 大断裂带的构造挤压、揉皱影响严重，岩体破碎，隐性节理和节理发育，挤压结构面与隧道小角度相交，长大节理密集带及挤压破碎带发育，围岩软弱破碎，稳定性差。软岩占隧道总长的 70.5% 。该隧道采用  8.8m 开敞式 TBM 施工，通过该隧道的施工，成功掌握了开敞式 TBM 在软弱地层中的掘进技术。 使用开敞式 TBM 施工的磨沟岭隧道 大伙房水库输水工程 中铁隧道集团在建的辽宁省大伙房水库输水工程 TBM2 标全长 22462.25m ，其中 TBM 施工段长 20369.25m ，采用  8.03m 开敞式 TBM 施工。 地质：角闪斜长片麻岩，花岗片麻岩、二云斜长片麻岩、云英闪长质片麻岩、花岗闪长片麻岩、斜长角闪岩、变粒岩夹磁铁石英岩，局部伟晶岩脉或伟晶岩株发育。单轴干抗压强度为 51 ~ 119MPa ，一般为 71MPa ，饱合抗压强度 45 ~ 109MPa ，一般为 60 MPa 。 （ 4 ）开敞式 TBM 软岩适应性 开敞式 TBM 一般适用于硬岩施工 在 TBM 上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，能适应软岩施工。 开敞式 TBM 通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护 。 采用以下辅助支护设备： █ 锚杆机 █ 混凝土喷射机 █ 钢拱架安装机 █ 超前钻机 TBM 刀盘后作业平台有条件安装辅助设备及观察、测量围岩变化情况。 开敞式 TBM 上安装的超前钻机 开敞式 TBM 上安装的锚杆钻机 开敞式 TBM 上安装的钢拱架安装器 开敞式 TBM 上安装的湿喷砼机械手 3 、双护盾 TBM （ 1 ）双护盾 TBM 结构简介 双护盾式 TBM 又称伸缩护盾式 TBM ，由主机、连接皮带桥、后配套三大部分组成。主机主要由装有刀盘的前盾、装有支撑装置的后盾、连接前后盾的伸缩部分及安装管片的盾尾组 成。 1 3 2 6 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 双护盾 TBM 结构示意图 1— 刀盘 2— 主轴承 3— 主推进油缸 4— 多功能钻机 5— 管片安装机 6— 盾尾密封 7— 超前钻机 8— 皮带机 9— 前盾 10— 伸缩油缸 11— 刀盘驱动 12— 辅助推进油缸 13— 支承盾 14— 管片输送机 （ 2 ）双护盾 TBM 工作原理 双护盾 TBM ，又称伸缩护盾式 TBM ，具有两种掘进模式。 1 ） 双护盾掘进模式 在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘掘进提供反力，在主推进油缸的作用下，使 TBM 向前推进。此时 TBM 作业循环为：掘进与安装管片→撑靴收回换步→再支撑→再掘进与安装管片，具体见下图。双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快。 ① 掘进与安装管片 ② 撑靴收回 换步 ③ 再支撑 ④再掘进与安装管片 双护盾掘进模式 2 ）单护盾掘进模式 单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段。在软弱围岩地层中掘进时，洞壁不能提供足够的支撑反力。这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护盾处于收缩位置，双护盾 TBM 就相当于一台简单的盾构。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供， TBM 掘进与管片安装不能同步。作业循环为：掘进→辅助油缸回收→安装管片→再掘进。 （ 3 ）双护盾 TBM 工程应用 1 ） 引大入秦工程 我国最早使用双护盾 TBM 施工的隧洞是位于甘肃永登县境内的引大入秦工程水磨沟隧洞（也称 30A 隧洞），这座无压输水隧洞是一条软、硬不均的长洞，长 11649m ，采用 1 台美国罗宾斯公司制造的  5.54m 双护盾 TBM 施工。地层自进口至出口依次为前震旦系结晶灰岩、板岩夹千枚岩。隧道内径 4800mm ，每环采用 4 块 六边形预制钢筋混凝土管片衬砌 ，管片与隧道间的空隙回填豆砾石和灌注砂浆。从 1991 年 3 月开始，连续突破月进度 1000m ，最高月进尺达 1300m ，最高日进度 65.6m 。水磨沟隧洞于 1992 年 1 月 20 日全线贯通。 在引黄入晋工程中相继使用了 5 台罗宾斯、 1 台法国 NFM 公司制造的双护盾 TBM ，开挖了总长为 122km 的隧道，创造了日掘进 113m 、月掘进 1637m 的纪录。其中，总干 6 号、 7 号、 8 号隧洞穿过的地质大部分为石灰岩地层，局部夹有 N 2 红土层；采用 1 台美国罗宾斯双护盾 TBM 施工，开挖直径为  6.125m 。南干 4 号、 5 号、 6 号、 7 号隧洞穿过的地层主要为灰岩和砂岩、泥页岩互层； 6 号隧洞有溶洞、地下水和局部软弱层； 7 号隧洞有地下水、煤层、膨胀岩和摩天岭大断层。采用 4 台双护盾 TBM 施工，其中 3 台为罗宾斯、 1 台为法国 NFM 公司制造，直径为  4.82m ～  4.94m 。 2 ）引黄入晋工程 正在建设的新疆伊犁大坂输水隧洞工程，线路总长 31887.577m ，包括隧洞 1 条，长 30680.296m ；隧洞进、出口埋涵各 1 座，长 52m ；隧洞进、出口明渠各 1 条，长 1155.281m 。隧洞为无压输水隧洞，采用 TBM 法与钻爆法相结合施工。 TBM 施工段使用 1 台德国海瑞克公司制造的  6.755m 双护盾 TBM 自隧洞出口向上游掘进，总掘进长度为 19714m 。采用六边形预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌后内径为 6.0m ，管片宽 1.6m ，管片厚度 28cm ，每块管片重量约 5.6t 。管片在洞内拼装后 4 片组成一环，管片与围岩之间的空隙用豆砾石充填并进行水泥灌浆。 3 ）新疆伊犁大坂隧洞工程 4) 青海引大济湟工程 正在建设的青海引大济湟调水总干渠工程由中铁隧道集团引进 1 台德国维尔特公司制造的  5.93m 双护盾 TBM 施工。引大济湟工程是青海省内一项引大通河水穿越大坂山补给水资源紧缺的湟水河长距离调水工程，由石头峡水利枢纽、调水总干渠、黑泉水库、湟水北干渠、湟水南岸提灌工程组成，引水隧洞是调水总干渠的重要组成部分。引水隧洞全长 24165.83m ，沿线分布下元古界至第三系地层，有变质岩、火成岩、沉积岩，岩性复杂。调水总干渠工程具有长距离隧洞施工通风、长距离隧洞施工运输、断层破碎带施工、高压富水地层施工、煤系瓦斯地层施工、高地应力施工、环境保护、工程测量与补勘等重点和难点。 四、隧道施工机械化发展 1. 钻爆法掘进的机械化与自动化 暗挖法中钻爆法掘进具有灵活性、适应性、机械成本低的优势，对于中硬以上的岩石，为提高掘进速度减少超欠挖，国外已采用全自动电脑台车，它由计算机控制钻孔位置和方向，并及时记录各种掘进数据，共技术人员分析。 目前国内在大型台车制造上仍不成熟，由于操作人员技术素质等问题，电脑台车使用不理想。 2. 国内出碴运输机械的发展 国内出碴运输机械的发展不快，如 250m3/h 的隧道挖掘装载机的开发，产品仍不过关。国外已经开始试用无人驾驶电瓶车运输和卸碴自动化。 3. 混凝土喷射作业机械化 是作业环境最差和劳动强度最大的作业项目，国外普遍采用喷射机械手和湿喷机，来降低劳动强度，减少喷射回弹。国内开发的湿喷机、机械手产品质量有待进一步提高。 4. 隧道二次衬砌质量要求越来越高。 对于高速铁路要求错台小于 2mm 。因此混凝土拌合站要求采用全自动计量，并自动记录。衬砌台车制造质量要求较高。 5. 隧道防水板自动铺设设备 有待进一步开发。 6. 高速铁路无碴轨道生产设备、施工设备 有待进一步开发，如滑模摊铺机等。 7. 掘进机国产化开发需要进一步加强。 五、高速铁路简介 我国客运专线隧道统计 其他：郑武、合宁、哈大、广珠、新广州站等项目隧道 约 50 km 特殊隧道统计 序号 隧道名称 线别 长度 备注 1 太行山隧道 石太线 27839m 双单线 2 大别山隧道 合武线 13256m 双线隧道 3 霞浦隧道 温福线 13099m 贯通平导 4 南梁隧道 石太线 11526m 半双单线 5 金寨隧道 合武线 10766m 双线隧道 6 大瑶山一号 武广线 10081m 双线隧道 7 狮子洋隧道 广深港 9009m 水下隧道 8 函谷关隧道 郑西线 7851m 最长黄土 9 秦东隧道 郑西线 7684m 缓冲结构 截止 04 年底国家已批复客运专线隧道统计 线别 线路长度 隧道数量 隧道长度 隧线比 设计速度 武汉 — 广州 874 km 232 座 164 km 18.77 ％ 350 km/h 郑州 — 西安 485 km 38 座 77 km 15.88 ％ 350 km/h 石家庄 — 太原 190 km 27 座 73 km 38.58 ％ 250 km/h 宁波 — 温州 274 km 58 座 89 km 32.48 ％ 250 km/h 温州 — 福州 298 km 72 座 163 km 54.8 ％ 250 km/h 福州 — 厦门 263 km 31 座 33 km 14 ％ 250 km/h 合肥 — 武汉 356 km 37 座 64 km 18 ％ 250 km/h 合计 2740 km 495 座 663 km 24.2 ％ 客运专线隧道的特点 围岩类别差距大，从 I 级到 V 级都有，且岩性不均，硬度不一。 地质不良地段较多，如断层破碎带、岩爆、膨胀岩、岩溶、有害气体，浅埋偏压段等，容易形成灾难性地质灾害，如大规模突水涌泥等。 谢谢大家