2017.22中国水利
鄂北工程宝林隧涧TBM设备
选型及应用研究
刘怡、罗应贵袁潘亚辉2
(1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉;2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430070,武汉)
摘要：鄂北地区水资源配置工程宝林隧洞长13.84 km，中段10.56 km采用1台直径4 m
敞开式全断面岩石掘
进机施工，刷新了国内开敞式最小洞径TBM新纪录。结合具体的工程地质条件，系统介绍了宝林隧洞工程施工 方案选取及TBM选型方法，分析比较开敞式和护盾式TBM的适用性，探讨合理选择TBM机型的依据，并总结
TBM
在鄂北工程应用中取得的经验，以供类似工程TBM选型参考。
关键词院鄂北地区水资源配置工程；敞开式TBM曰输水隧洞；选型
Selection of Tunnel Boring Machine for Baolin Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province and its application study//Liu Yi, Luo Yinggui, Pan YahuiAbstract:
Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province has a length of 13.84
km. An open-type Tunnel Boring Machine(TBM) with a diameter of 4m was adopted for constructing 10.56 km middle section of the tunnel that set the record of minimum tunnel diameter of China. In the light of geological conditions of the project, a systematic introduction is made on the selection of construction options and TBM for Baolin Tunnel. The suitability of open-type and shield -type TBM are compared so as to provide a base for rational selection of TBM type. Practical experiences of TBM utilization obtained from this project have been summarized so that other similar projects can take it as reference.
Key words: Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province; open-type Tunnel Boring Machine; water-conveyance tunnel; model selection中图分类号:TV68+TV554.2 文献标识码：B 文章编号院1000-1123(2017)22-0055-04
Baolin
鄂北地区水资源配置工程为域 家森林公园，地势高，山体厚，无合适 的施工支洞布置条件。隧洞沿线埋深 较大，洞室围岩多以
TBM与钻爆法联合施工方案。
269.67 km， 其中输水干渠宝林隧洞全长13.84 km，隧洞比降1:9 600,进口段2 890 m 以及出口段390 m，断面形式为城门 洞形，开挖断面尺寸5~5.8m采用钻 爆法施工;隧洞中部10.56 km，断面形 式为圆形，开挖洞径4 m，采用TBM
等大()型工程，线路全长
，
2
n、m类为主，进
二、掘进机型式选择
宝林隧洞确定米用TBM
出口断层破碎带和浅埋段为郁
、V
+钻爆法
类，成洞条件相对较差，需支护和衬 砌。根据宝林隧洞的工程特点，初步 选用全段钻爆法、TBM法种施工方案。
通过对这两种施工方案在技术、
施工后，对TBM掘进机具体型式进行 了选择。按照护盾型式的不同，TBM 可分为开敞式和护盾式，其中护盾式 又可分为单护盾和双护盾。这三种型 式的TBM有着不同的适用范围。
+钻爆法两
工法施工。
一、钻爆法与T的比较与选择
长（
BM
工法
经济、安全、环境影响等方面的综合 比较(见表
1.开敞式TBM适用范围
开敞式TBM主要适用于岩石整 体较完整、有较好自稳性的中硬岩地 层(单轴抗压强度
1)，TBM+钻爆法在多方面
要优于全段钻爆法，同时兼顾了钻爆 法可以机动灵活处理不良地质条件 的优势，因此宝林隧洞最终采用
宝林隧洞施工难点主要是洞线
50耀350 MPa)，当采
13.84 km)，洞径
小(
4 m)，上覆国1台
取有效支护手段后，也可适用于软岩
收稿日期= 2017-10-11作者简介:刘怡，工程师。
55水
工程施工
CHINA WATER RESOURCES 2017.22
表1
项目方案布置
TBM法与钻爆法施工方案对比表
全段钻爆法
TBM法+钻爆法
围岩段长10.56km，采用1台约45个月（其中
隧洞进出口岩石条件差的洞段采用钻爆法施工，中部域耀芋类 根据施工支洞布置原则，并考虑国家森林公园保护区、周边重要
TBM施工建筑物的要求，布置两处施工支洞，长度分别为1 343 m和572 m约64个月（其中钻爆44个月，衬砌20个月）
施工工期
TBM生产运输工期约17个月，掘进工期
17.5个月，衬砌收尾工期10.5个月）
2.64亿元渊其中建筑工程1.45亿元，临时工程0.39亿元，TBM 设备费0.80亿元）
扰动小，洞壁光滑，一次成洞，开挖、衬砌质量高，大量减少支 护工作量
工程投资2.16亿元(其中建筑工程1.54亿元，临时工程0.62亿元）
工程质量扰动大，超挖欠挖现象难以避免，增加混凝土回填用量
施工效率
各工序之间不能连续作业，出渣效率低，劳动强 开挖、初期支护、石渣运输、转运等各施工工序可同时进行，劳 需要通风散烟，动强度低，施工效率高
度高，增加超挖和支护工程量，施工效率低
则 因对洞室的围岩扰动小，减少了掉块、塌方、岩爆等事故的发 宝林隧洞局部地段可能发生轻微耀中等岩爆，若采用钻爆法，
安全性
易造成应力集中，引起岩爆的发生;无法避 生概率曰护盾的保护使人身安全得以保证曰通过配备集尘装 开挖断面凸凹不平，
置、供风系统使作业人员有了清洁的作业环境，同时封闭的操 免作业人员与掌子面的直接接触，有周期性的危险和不愉快的 作室更有利于提供安全保障
工作环境
施工临时道路、支洞数量较多，弃渣占地面积大，破坏植被量大， 对生态环境和自然景观也有影响，不利于国家森林公园的保护；
对环境影响
对生态环境和自然景观影响较小，有利于保护国家森林公园
弃渣防护工程量增加，临时占地面积加大曰施工期噪音、粉尘对 环境的污染更明显、持续时间更长曰施工弃渣中的残留炸药也对 环境有不利的潜在影响
对周边重要 建筑物影响作业场地
TBM工法依靠刀盘切削岩体，不产生地震波，利于保护周边
重点建筑物
设备重量大，转移和装卸运输较困难，配备人员较多，需要起 重设备配合以及水电来源等，对进出洞口场地要求较高
必须专题评价地震波对周边敏感建筑物的影响，同时必须采取 严格的爆破振动控制措施
运输搬迁方便，对洞口场地无特殊要求
机动灵活，可以开挖任何形状，对一般开挖直径、长度、坡度、岩
TBM工法容易因不良地质条件遭遇淹机和卡机事故，但本工
施工难易性
不十分发育，岩石强度较大等特点，十分适于TBM工法施工
比较结果
程具有洞线长、埋深大且连续无出露，围岩条件较好，地下水并 石抗压强度等能适应;方便处置，尤其适用于涌水量大、地质条
件极其破碎的洞段
TBM+钻爆法在多方面要优于全段钻爆法
隧洞，其中永久性的衬砌待全线贯通 后集中进行。
那些工期比较紧张、前期成本投入较 为充裕的隧洞工程，选用双护盾具有更大的优势。
结合隧洞的具体情况经计算确定合 理的总体技术参数与性能，如总推 力、扭矩、刀具的型式、数量和布置方 式、一次掘进行程、刀具的切深、刀盘 转速和回转功率、出渣方式和出渣运 输能力、吊装件最大重量、运输件最大 尺寸以及排水、供电、通风、支护、衬 砌、方向控制能力、安全保护措施等。 这些主要技术参数必须合理匹配才能 使整个系统得以顺利地制造、运输、安 装并发挥满足工程要求的预期效果。
经过对变频电机驱动、液压驱动 和双速电机驱动这3种刀盘驱动方 式的综合比较，宝林隧洞最终选择具 有较低能源消耗、较高传动效率、针 对不同围岩具有良好调速性能的变 频电机驱动方式。
TBM
2. 单护盾TBM适用范围
对于地质条件较为复杂的隧洞， 单护盾
4.宝林隧洞TBM机型选择
分析以上3种
TBM较
为适用。尤其是当岩石
TBM掘进机适用
TBM
抗压强度较低（岩石单轴抗压强度小 于50 MPa)，隧洞以软弱围岩为主，且 大多数情况下都采用单护盾模式工 作，无法充分发挥双护盾势情况时，采用单护盾
范围，对比宝林隧洞的地质条件和 施工条件，可基本排除单护盾
的适用性，进一步从对地质条件的 适应性、初期支护与混凝土衬砌、不 良洞段的处理方式、施工占地、环境 影响及施工地质描述等方面对开敞 式
TBM作业优
TBM更合适。
3. 双护盾TBM适用范围
双护盾
TBM主
要适用于围岩软
TBM和
双护盾式
TBM进TBM机
行充分
硬变化频繁、同时又有较多断层破碎 带的隧洞。因为双护盾
比较(见表2)。通过综合比较，宝林 隧洞最终选用开敞式
型。
TBM不仅能 MPa最
为理
有效地切削单轴抗压强度5耀250
MPa的
岩石（30耀120
三、掘进机技术参数选择
在
想），还能有利于缩短工期，因此对于
TBM的基本型式确定后，还需
水56
工程施工
2017.22中国水利
宝林隧洞不仅洞线长，而且洞径 小，根据这个特点最终选用出渣运输 能力强、能够持续运输且洞内转运方 便、有利于施工安全的连续皮带机作 为出渣运输方式，皮带宽度输送能力
推力扭矩转速行程
:P=D-a(a=1 800耀2 200) kN :M=D2.6(b=50耀60) kNm :n=c/D(c=40~50) r/min ：1.5~2.0 m
:N=Mxn衣9.55衣浊，浊取0.95TBM开挖直径4.03
30 t，刀盘尺寸
根据刀盘刀具参数以及上述经 验公式，复核计算宝林隧洞技术参数如表所选
TBM主要
3所示，证明宝林隧洞
TBM掘进机主要技术参数能够
650mm，
驱动功率满足本工程施工需求。
250t/h。
宝林隧洞
TBM的主要技术参数如推力、刀
盘扭矩、刀盘转速、掘进行程长度、安装 功率等，主要取决于
m，刀盘型式采用面板式硬岩刀盘，不
含刀具的刀盘重量约
四、探讨T
理依据及流程
基于对开敞式
BM
选型的合
TBM制造业的不 4 030 mm，刀具共28把，分别为中心 4把双刃滚刀、12把正滚刀、8把边滚
刀
TBM在鄂北工程
TBM选型
断发展。根据相关研究结果及工程经 验，一台高效的
宝林隧洞的应用以及国内外使用掘 进机的情况研究，笔者认为
TBM(开挖直径为D)的 ，滚刀直径均为432 mm，刀具额定 225kN，最大荷载250kN。
技术参数通常按如下规律进行选择院荷载应遵循以下四个原则：①按照安全
表2
项目
开敞式TBM与双护盾TBM对宝林隧洞特点的适应性对比表
双护盾TBM
宝林隧洞特点
开敞式TBM
围岩完整性要求相对较高，围岩自稳能力强曰因 对围岩条件的适应性较好，但换步
围岩稳定性
为盾壳短，可有针对性地简化对围岩的支护曰因 行程短，管片安装所需时间长，且辅 域类围岩占宝林隧洞全长约 换步行程长，在中、硬岩中可减少支护或不支 助工序复杂;较适合芋、芋类围岩占比约为17.56%，郁类围岩为 66.47%，护;较适合域、芋类围岩为主的隧洞
断层数量及宽度埋深及地应力
适用于断层少、宽度小于1m深浅均可，大小均可
主的隧洞
适用于断层多、宽度大于1m
深浅均可;小为好，过大则盾壳易被 宝林隧洞平均埋深为239m，最大 箍紧
埋深为 647m
宝林隧洞围岩整体情况较好
连续作业
只在更换撑靴时停止开挖，因此整体来说开挖 硬岩时同开敞式，遇软岩需安装完管 宝林隧洞作为鄂北工程工期控制 效率高、开挖速度快
片后方能开挖，开挖速度不如开敞式
性关键工程，工期较为紧张
开敞式TBM初期支护完全遵循“新奥法”来确 双护盾TBM采用管片支护，不进行
初期支护
定，配备有功能齐全、可适用各类围岩辅助施工 初期支护，因为它的初期衬砌和最 设备，使初期支护更加及时、有效、简单、灵活
终衬砌是一体的
因无法有效了解管片衬砌外围岩地
可根据地质情况进行复合式混凝土的二次衬 砌，更易于控制浇筑速度以及防水质量
质情况，影响了采用轻型管片或重 型管片选取的合理性曰管片间易错 位、破碎，且纵、环向缝间止水的可 靠性普遍较差，不利于控制质量
处理塌方难易程度
施工成本渗水处理方式
较易低
难高
若能根据宝林隧洞的地质条件有 选择地进行衬砌支护，可大大节省 投资
混凝土衬砌
顶、侧护盾短，可根据施工需要对主梁进行改进， 由于盾壳长、无效钻孔距离长，全环 配备液压凿岩钻机以满足预灌浆孔钻孔要求
封闭栓塞式的超前预灌浆暂不可行需要占用大片的土地来建设混凝土
隧洞下穿中华山国家森林公园，进 出口施工条件差，没有大片的场地 可供预制管片生产和存放
占地面积
因为无须预制管片，减少了预制管片的生产用 管片的生产厂房，存放管片、储存水 地，因此施工临时占地小
泥钢筋材料等也需占用大量土地， 因此施工临时占地较大
环境影响总体对周围环境影响小
管片的生产、存放等占地面积大，总 体对环境影响大
在掘进过程中，开敞式TBM可直接通过观测洞 不能直接观测洞壁岩性变化，无法 宝林隧洞洞线长，洞径相对较小，上
施工地质描述
地势高，山体厚， 壁岩性变化进行地质图描绘。当地质勘测资 系统地进行施工地质描述，也难以 覆国家森林公园，
料不详细时，施工风险较小，有利于保障施工 对收敛变形进行量测。当前期地质 埋深较大，直接、系统的施工地质描 安全
勘测资料不详细时，施工风险较大
1
1.4~1.5
开敞式TBM比双护盾式TBM更适应宝林隧洞的施工需求
述更有利于保障施工安全
TBM设备价格比
比较结果
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性、可靠性、经济性、先进性的顺序考 虑，并取得相对统一；②与隧洞开挖 长度、直径、埋深、围岩条件、周围地 形以及洞口施工条件等相匹配;③满 足工程在质量、安全、工期、环保、文 明施工以及经济投资等方面的要求； ④所选配套设备应满足能耗小、效率 高的特点，确保与主机工作性能相匹 配、工作状态相适应，不仅要满足生产 能力和掘进速度的要求，还应具有施 工安全、结构简单、布置合理和易于维 护保养等优点。
综合以上，在
项目
表3
TBM技术参数计算结果汇总表
TBM技术参数
11 360kN1 385 kNm0~12.5 rpm1 600 mm1 400 kN
经验公式计算结果
8 866 kN974 kNm9.9~12.4 rpm1 500~2 000 mm1 331kN
TBM推力P
刀盘扭矩M刀盘转速RPM
掘进行程驱动功率
注:驱动总推力还应考虑盾体的摩擦阻力，因此总推力较经验公式计算偏大具有决定作用。
⑤
基本达到国际先进水平，除查刀、换刀、
隧洞的平均埋深、最大埋深正、 常维护外无事故停机发生。
从目前的应用情况来看，所选
地应力大小、围岩收敛性。主要影响
TBM扩挖量的设计。
TBM的设备选型过
⑥
考虑围岩的瓦斯含量，TBM电气系统
TBM基本适应宝林隧洞的掘进需要，
但160MPa)及完整 隧洞沿线穿越煤系底层时，要 因实际岩石硬度（
性高于初期勘探情况，不利于破岩， 导致掘进速度低于预期，下一步需针 对地质情况研究调整
程中，以下因素应予以重点考虑院
①
隧洞断面形状与大小。隧洞断 按照要求采取防爆措施，配备气体 应
面形状不仅对
TBM的设备型式以及
监控装置等有关设备。
⑦
TBM相关技术
■
刀盘、护盾、撑靴、主梁(或内外机架） 等主要部件的结构与尺寸产生直接影 响，还对配套的布置形式、施工材料运 输方式以及出渣等具有较大影响。
② 自稳能力对
参以提高掘进速度。 围岩地质条件、掘进长度、工 数，
期要求都是影响的因素。
TBM掘进速度设计
参考文献：
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[5] 琚时轩.全断面隧道岩石掘进机 (TBM)选型的探讨[J].隧道建设， 2007,27(6).
综合考虑以上选型基本原则及
围岩地质条件。围岩的岩性与 点影响因素，形成了 TBM选型的 重
TBM型式选择具有决定
合理依据。
性的作用。其中岩性、抗压强度、石英 含量等地质特征决定了刀盘的设计 结构、选材、开口率，以及刀具的布置、 规格、数量、驱动功率的参数等；围岩 的裂隙、节理、断层、破碎带等地质条 件则决定了 TBM的支护方式以及支 护设备的选型、数量、布置方式等。
③ 主要对
五、应用情况
宝林隧洞于
2017年4月5日正 2017年7月15日，
式开始试掘进，至
TBM总进尺为1313 m，日平均进尺 13.54m，最高日进尺32.9m(6月4日），
平均月进尺
381m，最高月进尺520 m。
4月5日至6
隧洞坡度、曲线半径等因素根。 据统计结果，2017年
月
TBM主机、连接桥及配套的结
30日，宝林隧洞TBM因电气、液压、
30日系统调试基本结束，
构设计具有较大影响。
④
机械等系统设备处于调试期，停机时间
隧洞掘进长度。 主要对掘进机 长曰6月较
的供电方式和关键部件的寿命计算
TBM进入正常掘进阶段后设备利用率责任编辑韦凤年
(上接第61页）
③
方式施工，当渗水清澈时应加强抽
[3] 臧守杰.强岩溶区隧道施工中隧 底最小安全厚度分析研究[J].隧道建 设,2007(5).
[4] 谢举.岩溶隧道施工突水突变机 理与防治对策研究[D].重庆交通大学, 2013.
[5] 黄雄军.岩溶隧道突水突泥影响因 素及对策[J].铁道工程学报,2013(1).
岩溶地质突水突泥的防治应排 ，当渗出物含有大量泥沙时应及时
封堵。
■
首先加密超前预报和安全监测频次， 当溶腔较大时采用注浆小导管配合 强支护的处理方案可能带来较大安 全风险，此时应采用管棚处理，并及 时封闭掌子面。
④
参考文献：
[1] 李利平，等.地下工程突水机理及 其研究最新进展[J].山东大学学报 (工学版),2010(3).
机制研究[J].公路交通科技,2017(5).
[2] 等.岩溶隧道侧部岩盘突水 不良地质段施工中应采取短 张军伟，
进尺、强支护、弱爆破、分台阶开挖的
责任编辑 韦凤年
水58
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