2.2 TBM类型

TBM掘进技术经过半个多世纪的发展，目前已相当成熟，发展出多种类型。以不同分类的标准进行TBM分类，分类结果如图2.1示。对于全断面岩石TBM而言，主要有开敞式、护盾式，而护盾式又可分为单护盾、双护盾及三护盾等型式，分别介绍如下。

2.2.1 开敞式TBM

开敞式TBM［26］（open type TBM）又称敞开式或支撑式TBM（gripper TBM），早期的TBM基本上都是开敞式的。开敞式TBM是利用支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的推力及刀盘扭矩的全断面岩石掘进机，适用于岩石强度高、岩体完整性好的隧洞，其设备构造如图2.2所示。开敞式全断面岩石TBM是一种基本机型，各TBM制造商均生产此种机型产品，在1972年以前是唯一的机型，也是国内外应用最广泛的TBM。

各制造商生产的开敞式全断面岩石TBM，其结构型式虽有一些差别，但工作原理基本相同，整机由以下部分组成：包括刀盘部件、刀盘轴承及刀盘密封、刀盘支承壳体、机架、支撑及推进系统、刀盘回转机构、前后下支承及调向机构、出渣设备、激光导向装置、除尘装置和附属设备等。

开敞式TBM根据围岩条件不同可选择配置临时支护设备，如圈梁（环梁或钢拱架）安装机、锚杆钻机、钢丝网安装机、超前钻机、管棚钻机、喷混凝土机、灌浆机等。

如遇有局部破碎带及松散软弱围岩，则可由所配置的超前钻及灌浆设备预先固结围岩，然后再进行开挖。开敞式TBM适合洞径为3～9m，洞径3m以下及9m以上使用开敞式TBM一次全断面开挖的数量逐渐减少，因隧洞直径小于3m，TBM在洞内的空间小，通风、排水、电源、出渣、支护、衬砌等相互干扰严重、布置困难。另外，目前我国机械加工水平及部件外形尺寸比国外同类优质产品大，使得国产TBM最小刀盘直径不能小于3m。当洞径大于9m时，则掘进速度受到边刀允许线速度小于3.0m/s的制约，边刀滚压线速度大于3.0m/s且岩石强度大时，由于裂缝在岩石中产生和扩展没有充分的时间从起点向外扩散，破岩效率降低，所以TBM刀盘直径加大，则刀盘的转速相应要减少，这种掘进速度的损失，无法采用其他的方法予以补偿。

当遇到软弱围岩时，开敞式TBM有以下几个方面的弱点［55］：①主机部分和支护人员作业区域都是敞开的，没有护盾保护，人员和设备的安全性不能得到保障；②距掌子面约4m范围内的围岩，在没有出护盾之前由于空间所限不能及时施作锚喷支护；③软弱围岩不能为支撑靴提供足够的撑紧压力来满足掘进所需要的推力和扭矩。

开敞式全断面岩石TBM根据支撑方式的不同又可分为一对水平支撑TBM和两对X支撑的TBM［56］。

（1）一对水平支撑的TBM。

1）优点：结构简单，快速灵活，因只有一对水平浮动支撑，换步快，提高了掘进速度，转弯半径小，转向灵活。对岩质均匀、单轴抗压强度40～100MPa的岩石，此型结构有突出优势；利用水平浮动支撑、推进油缸、斜油缸、侧支撑进行水平、垂直调向，操作方便并可在掘进中调向。

2)不足：定向性与稳定性较差，单对水平浮动支撑，电机与回转传动系统前置，使整机重心靠前，远离水平支撑，掘进时机头振动大、噪声大。罗宾斯公司对中小型开敞式TBM采用了球面刀盘及增加前支撑来弥补上述不足，对大直径TBM，罗宾斯公司也采用平面刀盘，因前支撑不是基准点，前支撑易下沉，整机又是悬臂支撑，所以定向性、稳定性差，一旦机头下沉，纠正较难；单对水平支撑，支撑力不足，抗转矩小，易侧滚，虽可用扭力缸纠偏，如经常纠偏，盘形滚刀及大梁会因受力过大而受损；遇软岩时，由于单对水平支撑板与岩石接触面积所限，使接触比压大，岩壁易塌陷，TBM在洞中进退两难；掘进时，水平浮动支撑撑紧洞壁，前支撑落洞底分担机头部分重量，与洞底摩擦前进，侧支撑撑紧洞壁随导向壳体与洞壁摩擦前进，掘进时要克服前支撑和侧支撑与洞壁的摩擦阻力，所以消耗推力大；TBM推进油缸支撑在水平支撑板与大梁之间，水平面内有一夹角，产生侧向分力，推力受一定损失。

（2）两对X型支撑的TBM。

1）优点：两对X型支撑，回转电机及传动系统中置或后置，整机重心在两对X型支撑之间，定向性好、稳定性好，避免了侧滚与机头下沉现象；维尔特机型的两对X型支撑，如TB880E型TBM有8块支撑板，每板4个油缸，共32个油缸，针对岩石软硬，支撑力的大小可以调节，调节支撑油缸的压力和行程可以调整方向；回转电机及传动系统中置或后置，留出刀盘后部空间，使圈梁安装机、锚杆钻机、混凝土喷射机前置，能及时支护。

2）不足：两对X型支撑，结构复杂，一旦遇故障，维护较困难，转弯半径较大，转向欠灵活；多轴驱动，占空间大，4m直径以下TBM更显突出；掘进中不能调向，只能换步时调向；X型支撑液压缸活塞杆受弯矩的不利影响较大。

我国自广西天生桥二级水电站引水隧洞引进两台Robbins生产的开敞式TBM施工后，有多项工程采用了开敞式TBM施工，主要包括西康铁路秦岭隧道、辽宁大伙房水库输水隧洞、锦屏二级水电站引水隧洞、吉林省中部城市引松供水工程隧洞、陕西引汉济渭工程输水隧洞、西藏旁多水利枢纽引水隧洞、云南那邦水电站引水隧洞、宁西铁路磨沟岭隧洞、宁西铁路桃花铺隧道、中天山铁路隧道、兰渝铁路西秦岭隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道、重庆地铁6号线地期工程TBM试验段、河南洛阳故县引水工程6号隧洞等。

2.2.2 双护盾式TBM

双护盾式TBM［26］（double shields TBM或telescopic shields TBM），又称伸缩护盾式TBM。它既可用于硬岩，又可用于软岩，常用于混合地层施工，其设备构造如图2.3所示。双护盾TBM主要由刀盘部件及驱动机构、前护盾及刀盘支承壳体、刀盘轴承及密封、支撑机构、主推进系统、伸缩护盾、后护盾、辅助推进系统、激光导向机构、通风除尘系统、及出渣用皮带输送系统等组成。双护盾TBM具有以下两种掘进模式。

（1）双护盾掘进模式。在围岩稳定性较好的地层掘进时，位于后护盾的支撑靴撑紧洞壁，为刀盘和前护盾提供反力，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。在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度较快。

（2）单护盾掘进模式。单护盾掘进模式适用于不稳定及不良地质洞段。在软弱围岩地层中掘进时，洞壁不能提供足够的支撑力。这时，不再使用支撑靴与主推进系统，收回支撑靴及伸缩护盾，双护盾TBM相当于一台单护盾TBM。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在已安装好的管片上提供，TBM的掘进与管片安装不能同步进行。作业循环为：掘进→辅助推进油缸回收→安装管片→再掘进。

双护盾TBM对地质条件适应性强，既能适应于硬岩，也能适应于软岩，当采取相应措施时，能适应断层破碎带、高地应力、岩爆、岩溶、涌水等不良地质。

双护盾TBM在地质条件复杂时，存在着以下不足，在施工时应慎重采取对策及处理措施［57］：①在深埋软岩隧洞施工时，高地应力可能引起软岩塑性变形，易卡住护盾；②对深埋硬岩隧洞，地应力较大，由于TBM掘进的围岩表面比较光滑，因此地应力不容易释放，与钻爆法相比，更容易诱发岩爆；且双护盾TBM施工多采用刚性管片衬砌，这与高地应力条件下的支护原则是不相符的，相对于柔性支护来说，管片衬砌更容易受损；③通过膨胀岩时，由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性，易发生膨胀岩因含水量损失而发生崩解或软化而造成TBM机头下沉事故；④在断层破碎带，因松散岩层对TBM护盾的压力较大，易发生卡机事故，在岩溶地段，易发生TBM机头下沉事故；⑤由于隧洞管片接缝多，在不良地质洞段的防水性能差；⑥由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面的观察窗了解围岩情况，不能系统地进行施工地质描述，也难以进行收敛变形量测；⑦双护盾TBM掘进时产生的岩粉，易沉积在隧洞底部120°范围内，且岩粉被主机自重压得十分密实，水泥灌浆难以灌入岩粉层，易形成强度低于灌浆后豆砾石层的一个弱层。

在20世纪90年代，我国甘肃引大入秦工程引进一台罗宾斯生产的双护盾TBM后，多项工程采用了双护盾TBM施工，创造了多项施工速度纪录。采用双护盾TBM施工的国内工程主要有：山西万家寨引黄入晋工程、甘肃引洮工程9号隧洞、云南昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞、陕西引红济石工程输水隧洞、青海引大济湟工程引水隧洞、新疆达坂隧洞、兰州水源地建设工程输水隧洞、山西中部引黄工程、青岛地铁5号线、青岛地铁2号线等。

2.2.3 单护盾式TBM

单护盾式掘进机［26］（single shielded TBM）主要由护盾、刀盘部件及驱动机构、刀盘支承壳体、刀盘轴承及密封、推进系统、激光导向机构、出渣系统、通风除尘系统和衬砌安装系统等组成，其系统组成如图2.4所示。为避免在隧洞覆盖层较厚或围岩收敛挤压作用较大时护盾被挤住，单护盾沿隧洞轴线方向的长度应尽可能短些，这样也可使机器的方向调整更为容易。

单护盾掘进机只有一个护盾，因此不采用像开敞式TBM的支撑靴。在隧洞开挖时，机器的作业和隧洞衬砌是在护盾的保护下进行。由于不使用支撑靴板，机器的前推力是依靠护盾尾部的推进油缸支撑在衬砌管片上获得的，即掘进机的前进要靠衬砌管片作为“后座”。在软岩或破碎地层中和单护盾TBM配套的衬砌方法一般采用洞外预制的钢筋混凝土的衬砌管片，用单护盾掘进机内的管片安装机来进行安装。衬砌管片可设计成最终衬砌，也可设计成初步衬砌随后再进行混凝土现场浇筑。

由于单护盾TBM掘进需衬砌管片来承受推力，因此在安装衬砌管片时必须停止掘进，即掘进和管片安装不能同时进行，从而限制了掘进速度。但由于隧洞衬砌紧接在机器后部进行，避免了开敞式TBM停机支护所耽误的时间，因此掘进速度可以有所补偿。

国内采用单护盾TBM施工的隧洞较少，主要有甘肃引洮工程7号隧洞及重庆轨道交通六号线二期工程铜锣山隧道，其中在引洮工程7号隧洞单护盾TBM施工中，创造了月进尺1868m的国内最高月进尺纪录及连续三个月均超过1500m的掘进速度纪录。

2.2.4 三护盾式TBM

三护盾式掘进机［26］（triple shields TBM）是由罗宾斯曾尝试过的一种机型。它由三个护盾（前护盾、中护盾、后护盾），两套支撑靴（前支撑靴、后支撑靴），两套推进油缸系统和三套稳定靴（前、中、后稳定靴）组成。掘进时，前后两套支撑系统交替使用，取消了机器原有的换步顺序，实现了机器的连续掘进，但三护盾掘进机的结构较为复杂，造价高昂，未能推广，只进行了技术尝试。

2.2.5 三种常用的岩石全断面TBM比较

目前国内外三种常用的岩石全断面TBM（开敞式、单护盾式及双护盾式）都有其自身的特点和一定的适用条件，现进行综合比较，结果见表2.1。

在对TBM主机型式选择上，分别对开敞式、护盾式等各种类型的TBM进行了分析，不同类型的TBM分别有最适应的地质条件范围，同时对其他地层都有不同程度的局限性［58］。

（1）对软弱、破碎地层适应性的比较。在软弱、破碎地层中掘进，岩体胶结性能差、围岩破碎、开挖面自稳时间短。双护盾式TBM可利用已安装的管片来提供推力完成掘进；而开敞式TBM在通过此地层时，不但初期支护需花费较长时间，围岩也不能为撑靴提供足够的支撑反力推进机器掘进，显然，双护盾式 TBM对软岩的及破碎围岩的适应能力更强。同开敞式TBM比较，双护盾式TBM的作业人员处于一个由盾壳和管片保护的封闭空间，无论是掘进还是管片安装，作业环境更好，安全性更高。

（2）对中、硬岩地层适应性的比较。在中、硬岩地层中掘进，岩体相对完整，围岩自稳能力强。开敞式TBM以其盾壳短、岩面暴露早，可尽早对已开挖隧洞做地质描述和围岩分类（级），从而有的放矢地优化对暴露围岩的支护。同时较完整的围岩也为支撑系统提供了足够的支撑反力，推进刀盘掘进。虽然双护盾式 TBM 在后盾上也设置了支撑靴，也具备了在中、硬岩地层中的掘进能力，但只能依靠判断岩渣和掘进参数的变化，间接地了解刀盘前方掌子面围岩变化来指导使用不同配筋率的管片安装，其随意性比较大，容易造成支护强度过高或不足。与开敞式TBM的换步行程长以及在中、硬岩中可不支护或少支护相比较，双护盾式TBM存在换步行程短、管片安装用时长和辅助工序复杂的不足。

（3）对涌（渗）水洞段处理方式的比较。采用钻爆法开挖隧洞，即使发生大的涌水，也很容易得到处理。但采用TBM开挖隧洞，当开挖工作面出现大量涌水时，会降低围岩稳定性、淹没TBM设备等。

对于开敞式和双护盾这两种机型，当地质勘察或超前地质预报探明前方可能会出现较大规模的涌(渗)水时，解决此问题的最有效方式就是用最少的钻孔，对刀盘前方做全环封闭栓塞式的超前预灌浆处理。双护盾式TBM由于盾壳长、无效钻孔距离长，不仅钻孔成本高、角度大，机器内部也难布置钻机设备，无法做到全环封闭式超前预灌浆。而开敞式TBM的顶、侧护盾只有3.0～4.5m长，如工程需要，可以加长主梁，配备1～2台超前钻机来满足预灌浆孔的钻孔要求。

（4）对松散、挤压性围岩适应性的比较。松散、挤压性围岩，由于岩层的脆性和塑性变形所产生的断裂、坍塌、挤压等围岩收敛现象，虽然均属于比较极端的地层条件，但在长隧洞的开挖施工中遭遇的概率仍很大。施工中由于盾壳周围岩体的变形，导致侵占开挖断面和盾壳被卡住的现象，在使用过TBM的工程中都曾有发生。TBM被卡住的后果，无论是对开敞式还是双护盾式，仅依靠加大油缸推力都不能使TBM前移，因为变形的围岩和管片强度都不足以提供足够的支撑反力，刀盘顶不住掌子面，将使前方的坍塌面无法控制。

（5）TBM脱困的处理方式的比较。双护盾TBM通常是采用在顶护盾上方扩挖上导洞，再按由顶到边、由前到后的施工处理顺序进行脱困。开敞式TBM与双护盾式TBM相比较，在处理方式上有下列优势：①开敞式TBM的顶、侧护盾较短，只有双护盾式TBM护盾长度的1/4～1/3，只要拆除保护作业安全的指型护盾，就可以开挖上导洞做相应的超前处理；②开敞式TBM的边护盾，除了用油缸控制盾壳伸缩外，大都装有楔块锁紧装置，使护盾在受到岩体挤压后不至于进一步缩小开挖半径；③对那些超出有效开挖洞径的拱顶和边墙的岩体变形，开敞式TBM只要在二次混凝土衬砌之前，都容易对其进行处理；但双护盾式TBM的管片衬砌，会由于管片和隧洞开挖洞壁间隙的缩小，使豆砾石无法充填，回填灌浆无法实现，隧洞衬砌容易出现质量问题。