1）掘进速度快。一般为钻爆法的3~10倍，目前TBM设计最高掘进速度已达6m/h,现有管理水平能使作业率达到50%。在花岗片麻岩中，月进尺可达500~600m/月，在石灰岩、砂岩中月进尺可达1000m/月，粉砂岩中月进尺可达1500~1800m/月，该速度远大于同等条件下钻爆法的施工速度。

2）施工安全。TBM开挖对隧道围岩扰动小，影响范围一般小于50cm，利于充分发挥围岩的自承能力，易于保持围岩的稳定性，且TBM自身带有局部或整体护盾，有利于保护人员的安全。

3）污染小，利于环境保护。TBM是利用机械能破岩，没有钻爆法炸药爆炸产生的有害气体和扬尘，易于保持空气清洁。采用TBM法施工可以减少辅助坑道数量，消除了辅助坑道增加引起的弃渣、空气污染、对地下水径流的扰动，从而减少了隧道施工对周围环境的影响。

4）大大节省劳动力，操作自动化程度高，体力劳动强度低，且作业人员少。

5）成洞质量高。超挖量少，可以控制在正负5cm范围内。TBM通过刀具挤压和切割洞壁岩石，所以洞壁光滑圆顺，洞壁糙率一般为0.019，比钻爆法的光面爆破的小17%，有利于支护结构和防排水系统的设置和质量控制。

6）综合经济和社会效益高。与钻爆法比较，其经济型主要表现在成洞的综合成本上，特别是对特长隧道，采用TBM施工的隧道独头掘进可达20km，与钻爆法施工采用长洞短打、支洞折打相比，大大减少辅助导坑道数量，只要选型合理、管理科学，TBM法施工的综合成本完全可以降低到与钻爆法竞争的程度；同时对于制约项目总工期的特长隧道及超特长隧道，采用TBM施工可以大大缩短工期，提前通车带来的经济及社会效益显著。

1）对地层变化和不良地质的适应能力差；TBM特别适合地层变化小，岩体完整性好、岩石强度中等的隧道施工。长大隧道中难免会遇到地层变化大，在软弱地层中变形大的地方容易卡机；在破碎地带容易塌方，对大的涌水、突泥没有比较有效的办法；在硬度大的岩层中刀具、刀盘的磨损大、换刀频繁等。

2) 断面适应性差；TBM开挖断面主要为圆形，断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难；而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3m～l 2m；对直径在1 2m～1 5m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于1 5m的隧道，则不宜采用TBM施工。

3）洞径变化不灵活；全断面掘进机一次施工只适用于同一个直径的隧道。虽然掘进机的动力推力等的配置可以使其掘进直径适用于某一范围，但结构件的更换是需要一定的时间和满足一定的规范，给施工带来很大的困难。

4）制造及安装周期长；一般制造周期需要9个月，因而使用TBM需要预留11~12个月的准备时间。

5）TBM运输及安装需要条件；TBM是一个庞然大物，虽然部分部件可以分块运输，但是一些主要部件如主轴承等不能分块运输，如7.6m-8.0m主驱动的重量约为450t-550t，运输尺寸为10.0m*9.0m*3.5m（长*宽*高），因而对运输经过的道路有严格的要求，在洞口组装需要场地条件，在洞内进行组装则需要采用钻爆法进行安装洞的施工。

6）设备购置及使用成本高。TBM施工需要高负荷的电力保证、需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。

7）使用寿命有限，目前一般认为TBM的合理使用寿命掘进为15000小时或20km，但是通过合理的修复、改造还能继续使用。

8）存储与维护保养成本高；绝大多数情况下，单台TBM的使用寿命远小于其固有寿命，普遍缺乏后续工程，导致旧TBM长期闲置，自然老化等带来的损失较大，甚至报废，造成资产浪费。

TBM的主要宏观组成部分如下图所示。

图4-1 TBM的主要组成

主要系统如下：

刀盘刀具：全断面岩石掘进机破碎岩石的工具，是掘进机主要研究的关键部件。

主轴承及其密封：是掘进机最关键的部件，是决定掘进机使用寿命的机构。

主驱动系统：驱动刀盘用于掘进、安装调试和换刀。

主变速箱：主要受力的钢结构件。其前部与主轴承固定圈相连接，通过主轴承传递刀盘的巨大破岩力，通过回转大齿圈传递刀盘的巨大破岩回转力矩。其中心部分有出渣胶带机通过。

TBM主机：包括护盾、撑靴、推进等（开敞式还有主梁和后支承等）

TBM掘进时，头部振动激烈，主变速箱的四周连接了一圈护盾，起保护机头、稳定机头和辅助调向的作用。开敞式TBM护盾由顶护盾、侧护盾、下支承及其相关的油缸组成。双护盾掘进机头部是上下支撑体；后部直接与前护盾相连，底部与洞壁接触，顶部和两侧都不接触洞壁，配置了左右各一的稳定器。

侧护盾缸可以辅助掘进机的左右调向，下支承缸可以辅助掘进机的抬头式或低头式作业。

主控室：TBM主机集中操作和监控的场所。

出渣系统：由主机部分的溜渣斗、皮带机和转载溜渣槽（矿车出渣切换编组用）、皮带机机架子延伸系统（正洞采用皮带机出渣时用）组成。

润滑系统：是TBM最关键的系统，其中主轴承的润滑如果出现故障，则后果非常严重。

液压系统：除刀盘回转外，几乎控制了极大部分的运动，包括用油缸实现的直线运动和用油马达实现的转动。

水系统：由进、排水部分组成。进水主要起降温、除尘、清洗的作用，排水主要根据隧道坡度和隧洞最大涌水量设计。

空气系统：分为压缩空气、新鲜风和除尘风机三个系统。

电气系统：其特点为耗电量大、负荷波动大、电动机单机功率大。因此，使用掘进机的地方，首先必须保证有足够大的电源容量。另外，掘进机的工作环境是在阴暗潮湿的山洞中，潮湿、粉尘、振动等恶劣的工作环境对电气设备及其保护系统都提出了更高的要求。

定位导向系统：为了确保TBM在长隧道施工中能连续的按设计的洞线进行施工，都配置有定位导向装置。

信息处理系统（也可称为控制系统）：TBM是一个由许多子系统组合成的复杂的机械系统。数十个信息同时汇送到司机室，有些经计算机进行处理，再经操作人员综合判断识别后，及时作出相应的操作处理。信息处理系统包含：信息的采集、传递、处理、显示及相关处理措施的再传递的全过程。信息及时、正确的采集、传递和处理是确保TBM正常工作的必要条件。

超前地质预测系统：正确的地质预测和采取相应的预处理措施对指导TBM避免盲目掘进，保护TBM安全是至关重要的。

衬砌、支护系统：根据预报的地质资料，对断层、破碎带、岩浆、溶洞等不良地层，掘进机都配备有支护、衬砌设备。这些设备主要通过采取：锚、撑、衬、灌、喷、冻等方法，使掘进机通过不良地层，并获得所需的隧洞断面。开敞式掘进机和护盾式掘进机由于洞壁裸露情况不一而配置各自不同的衬砌、支护系统。

物料倒运系统：在TBM检修过程中，更换的新刀具必须运入到刀盘内，被更换出来的废刀具必须运出；支护材料、用于维修的机电设备配件必须运入，相关更换下来的损坏件要运出；润滑油脂、液压油液要运入，空桶需要运出。因此随机必须布设相关的吊装运输设备。

简单来说TBM就是具有掘进、出渣、导向、支护四个基本功能的岩石隧道挖掘机器。

（1）掘进功能

掘进功能分为破碎掌子面岩石的功能和不断推进掘进机前进的功能。为此掘进机必须配置合适的破岩刀具并给予足够的破岩力,即推力和转动刀盘变换刀具破岩位置的回转力矩，还必须配置合适的支撑机构将破岩用的推力和刀盘回转力矩传递给洞壁，同时推进和支撑机构还应具有步进作用以实现掘进机前进的功能。

刀具、刀盘、刀盘驱动机构、推进机构、支撑机构是实现掘进功能的基本机构。

图4-2 掌子面情况及切削的渣石

（2）出渣功能

出渣功能细分为导渣、铲渣、溜渣、运渣。

导渣：掌子面上被破碎的岩石受重力的作用顺掌子面会下落到洞底,在刀盘上设

铲渣：刀盘四周设置有足够数量的铲斗,铲斗口缘配置铲齿或耐磨铲板,将每转落入洞底的岩渣铲入铲斗。置耐磨的导渣条,既可增加刀盘的耐磨性,又可将岩渣导向铲斗。

溜渣：随着刀盘的回转铲斗将岩渣运至掘进机的上方,超过岩渣堆积的安息角时,岩渣靠自重下落,通过溜渣槽溜入运渣胶带机。

运渣：最后胶带输送机将岩渣向机后运出。

掘进机具有破、导、铲、溜、运一气呵成连续进行的特点。导渣条、铲斗、溜渣槽、胶带输送机是出渣的基本装置。

整体出渣过程如下：

图4-3 TBM出渣

主驱动电机驱动刀盘旋转，推进缸通过主梁向前推进刀盘切入岩石，切入一定深度后刀尖岩石处破裂，裂纹扩展后从掌子面剥落，形成片状石渣，掌子面留下滚刀同心圆破岩轨迹；随刀盘旋转，石渣被刀盘周边上的铲斗自动铲起，通过溜渣槽滑落在皮带机的受料斗，由皮带机运出洞外。

其完整过程如下：

刀盘铲斗铲起渣石通过刀盘溜渣槽—TBM主机皮带机—连接桥皮带机—后配套皮带机—隧洞连续皮带机—洞外转渣皮带机—临时堆渣场—自卸汽车倒运—永久弃渣场

在一次掘进完成后需要进行换步，具体过程如下：

ⅰ、将后支腿伸出支撑到底板上。

ⅱ、将撑靴缩回，通过推进缸使撑靴连同支撑缸和鞍架在主梁上向前滑移。

ⅲ、再将撑靴撑紧到洞壁上，完成换步，准备下一个掘进循环。

后支腿

   撑靴

图4-4 TBM换步

（3）导向功能

导向功能又可细分为方向的确定、方向的调整、偏转的调整。采用先进的激光导向装置来确定掘进机的位置。当掘进机偏离预期的洞线时,采用液压调向油缸来调整水平方向和垂直方向的偏差。当掘进机受刀盘回转的反力矩作用,整体发生偏转时,采用液压纠偏油缸来纠正。

（4）支护功能

支护功能又可分为掘进前未开挖地质的预处理、开挖后洞壁的局部支护和全部洞壁的衬砌。对已预报的掘进机前方未开挖段不良地质的预处理,主要采用混凝土灌浆、化学灌浆和冰冻固结。对开挖后局部不良地质的处理,主要采用喷混凝土、锚杆、挂网和设置钢拱架。对开挖后的洞壁接触空气不久全线水解、风化的隧洞采用全洞混凝土预制块衬砌、密封、灌浆的方法。采用不同的支护方法应配置相应不同的设备,如:锚杆机、钢拱架安装机、混凝土管片安装机、喷混凝土机、混凝土灌浆机、化学注浆泵等。

ⅰ、打锚杆

TBM主梁两侧布置2台锚杆钻机，用于临时和系统锚杆支护作业。锚杆钻机可纵向移动移动、周向240°范围作业。锚杆作业与掘进作业可同时进行。

图4-5 锚杆作业

ii、钢筋网作业

图4-6 安装好的钢筋网片

利用护盾后的钢拱架安装器进行钢拱架安装。安装要点：

A.保证与洞轴线的垂直精度；

B.保证连接点的焊接质量；

C.封闭节点的短联接应与钢拱架截面强度相匹配；

D.大塌方地带密排拱架。

图4-7 钢拱架安装

ⅳ、喷射混凝土

混凝土喷射系统由两套布置在连接桥上的喷射机械手和台车上的砼输送泵组成，可在环向330°、纵向移动范围内喷射砼作业。

图4-8 喷射混凝土

TBM曾经发展出很多种机型，有些机型应用不广，如扩孔式、摇臂式TBM等，目前运用最广的机型为开敞式TBM和护盾式TBM（单护盾、双护盾）。

（a）开敞式TBM

（b）单护盾

（c）双护盾

图3-1 几种不同的TBM 

相对于护盾式TBM，开敞式TBM主要的特点为：

（1）前面的护盾较短，且护盾组成的机头直径可以变小，能适应围岩收敛性较强的情况；

（2）不用安装管片，采用钢拱架、钢筋网、锚杆和喷浆的措施来进行初期支护；

图3-2 开敞式TBM支护模式

（3）TBM前进所需的推力由撑靴撑在围岩上产生的摩擦力来提供；撑靴的结构目前应用较广的为罗宾斯的单水平支撑和维尔特双X形支撑结构。

（a）单水平撑靴

（a）双X撑靴

图3-3 不同形式撑靴 

（4）有一个很长的主梁（内机架）；

图3-4 TBM主梁

（5）后期支护为衬砌台车来实施。

相对于开敞式TBM，护盾式TBM主要的特点为：

（1）没有主梁，

（2）有管片安装机和盾尾

图3-5 管片安装机及盾尾

（3）没有钢环梁、钢筋网、锚杆和喷浆等初期支护设备，但需有在管片后注砾石和水泥浆的设备。

相对于单护盾TBM，双护盾TBM主要的特点为：

（1）单护盾TBM只有一套推进系统（由管片提供推进力），而双护盾TBM有两套推进系统（一套由撑在围岩上的撑靴来提供，一套由管片来提供）；

（2）单护盾TBM安装管片时是不能推进的，而双护盾TBM可以在围岩好的情况安装管片的同时进行推进，因而效率要高一些。

三种类型TBM对比如下表。

表5-1 三种类型TBM对比情况

TBM施工中，掘进效率的高低、在很大程度上取决于出碴运输和运料是否及时到位。运出对象主要是TBM开挖所产生的大量石碴，运进对象为隧道支护、隧道延伸所需的材料和刀具等维修器材。

出碴运输与进料设备的选型，首先要考虑与TBM的掘进速度相匹配，其次须从技术经济角度分析，选用技术上可靠，经济上合理的方案。设备的具体规格、数量由开挖洞径、掘进循环进尺、隧道长度和坡度等因素决定。

出碴运输与进料设备主要分为有轨出碴及进料与连续皮带机出碴和轻轨进料两种类型。

图5-6 有轨运输

有轨运输特点：效率相对较低。一般仅承担隧道支护材料和掘进机维修人员和器材等运输。

图5-7 皮带输送机

皮带运输特点：

1.连续，高效出碴，TBM使用效率高，

2.运距远，运量大，可直接运至指定弃碴场所或直接装车，

3.低能耗，低污染，低噪声，

4.运行安全可靠，维护简单，故障率低，

5.节省作业空间，增加有效使用面积，

6.可与TBM设备集中监测与控制。

皮带运输已经成为目前TBM运输的主流方式。

（1）建设模式

TBM设备采购费用庞大，且施工直接成本较高，需要在施工招标当中明确采用TBM的施工方式。

考虑到TBM设备的采购周期较长（制造周期为11～12个月）的特点，按工期要求，业主需在项目工可或初设阶段就着手TBM及后配套设备的采购工作。目前国内主要有两种TBM采购模式：

①施工单位自行采购，该种方式主要适用于拟投标项目隧道尺寸与施工单位已有TBM尺寸相同或接近。

②业主先行签订购买合同并且提前制造TBM，但不付款，最终设备的出资及后期养护由中标承包商完成。

（2）地质条件

TBM对隧道的地质条件比较敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，大多数地层及一般的硬岩、软岩、断层破碎带，可采用TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、极高地应力隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。

（3）隧道长度

国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9～10m左右，按此计算，大于6km的隧道就可以考虑采用TBM施工。发达国家的隧道施工，一般优先考虑TBM法，只有在TBM法不适宜时才考虑采用钻爆法。我国则相反，根据我国的国情，我国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多公里的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。在我国，一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于10km～20km的特长隧道，可以对TBM法和钻爆法施工进行经济技术比较，选择适宜的施工方法；对于大于20km的特长隧道，则宜优先采用TBM法施工。

（4）场地条件

TBM属大型专用设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度都超过200多米。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，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM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，有的隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件，则无法采用TBM施工。

影响掘进机工作的主要地质因素：

（1）岩石的坚硬程度(单轴抗压强度Rc）

岩石的单轴抗压强度越低，掘进机的掘进速度越高，掘进越快，岩石的单轴抗压强度越高，掘进机的掘进速度越低，掘进越慢。但是，岩石的单轴抗压强度太低，掘进机掘进后围岩的自稳时间极短甚至不能自稳。岩石的单轴抗压强度值在一定范围内时，掘进机的掘进既能保持一定的速度，又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数掘进机适用于岩石的单轴抗压强度（Rc）值在30至150MPa之间的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。不同类型、型号的掘进机有其各自适用的最佳岩石单轴抗压强度范围值。在硬岩中的掘进机施工，遇到的主要问题是刀具、刀圈及轴承的严重磨损以及上述部件的频繁更换，费时且耗资较大。

（2）岩石结构面的发育程度

一般情况下节理较发育和发育的，掘进机掘进效率较高，因为节理不发育，岩体完整，掘进机破岩困难；节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，掘进机支护工作量增大，同时岩体给掘进机撑靴提供的反力低，造成掘进推力不足，因而也不利于掘进机效率的提高。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，掘进机掘进速度有越高的趋势。必须指出的是，当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧道工程岩体已不具自稳能力，在此类围岩中进行掘进施工，其掘进速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低。

（3）岩石的耐磨性

岩石的耐磨性对刀具的磨损起着决定作用。岩石坚硬度和耐磨性越高，刀具、刀盘的磨损就越大。掘进机换刀量和换刀时间的增大，势必影响到掘进机应用的经济效益和掘进效率。刀具、刀圈及轴承的磨损，对掘进机的使用成本起很大的影响，而仅仅根据岩石的单轴抗压强度来判断不同单轴抗压强度的岩石对掘进机刀具、刀圈及轴承的磨损是不够的。岩石的硬度、岩石中矿物颗粒特别是高硬度矿物颗粒如石英等的大小及其含量的高低，决定了岩石的耐磨性指标。一般来说，岩石的硬度越高，对掘进机的刀具等的磨损越大、掘进机的掘进效率也越低。

（4）岩体主要结构面的产状与隧道轴线间的组合关系、围岩的初始地应力状态、岩体的含水出水状态等其它因素。

当岩体主要结构面或称优势结构面的走向与隧道轴线间夹角小于45°,且结构面倾角较缓（≤30°），隧道边墙拱脚以上部分及拱部围岩因结构面与隧道开挖临空面的不利组合而出现不稳楔块，常发生掉块和坍塌，影响掘进机的工作，降低掘进机的工作效率，甚至危及掘进机的安全。

当围岩处于高地应力状态下，且围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时，极有可能发生岩爆灾害，灾害严重时，将危及掘进机及施工人员的安全；若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形。二者均将给掘进机的掘进施工带来极大的困难。

岩体的含水出水状态对掘进机工作效率的影响视含水量和出水量的大小及含、出水围岩的范围，同时还要视含、出水围岩是硬质岩还是软质岩。一般地说，富含水和涌漏水地段，围岩的强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度降低要大得多，致使围岩的稳定性降低，影响掘进机法的工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，必将恶化掘进机的工作环境，降低掘进机的工作效率。

表5-2 围岩分级表

依据岩石单轴饱和抗压强度、岩体的完整程度（裂隙化程度）、岩石的耐磨性和岩石凿碎比这四个影响掘进机工作条件（工作效率）的主要地质参数指标，将隧道掘进机工作条件分成：A（工作条件好）、B（工作条件一般）、C（工作条件差）三级。

表5-3 工作条件分级表

在TBM初步选型时可参考下图：

掘进机的选型应按下列步骤进行：

（1）根据地质条件确定掘进机的类型；

（2）根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主要技术参数；

（3）根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。

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