2.1 TBM选型的原则

TBM法与钻爆法相比，施工过程是连续的，具有隧洞施工“工厂化”的特点，其机械化程度高、快速、安全、劳动强度小、对围岩扰动小、通风条件好、衬砌支护质量好、可减少隧洞开挖中辅助工程等优点。但它也有对地质条件的依赖性大、设备型号一经确定后开挖断面尺寸难以更改、一次性投资大等劣势。在单位成本上，TBM施工随掘进长度的增加而降低，近期国内一些工程的投标单价已接近或低于钻爆法，但不可忽视的是地质条件的准确性，因为围岩的地质条件直接影响到TBM的正确选型及施工造价，因此应特别关注［26］。

通常需要对某一隧洞工程的施工方法（TBM法和钻爆法）进行比选，在工期、质量、投资等方面进行对比，经过比选后选择是TBM法还是钻爆法。一旦选定TBM施工，应针对工程特点和工程地质条件，提出TBM的型式、应配置的设备、整机及所具备的功能和参数，目的是发挥出TBM的在工程中的高效作用。

2.1.1 工程地质条件

提供详细而准确的工程地质与水文地质资料是十分必要的，这些资料应包括：隧洞沿线地形地貌条件和地质现象，过沟段、傍山浅埋段和进出口边坡的稳定条件；隧洞的地层岩性、地质构造、水文地质、不良地质条件等；提供围岩的工程地质分类，确定各类围岩的物理力学参数，对围岩的稳定性做出评价，提供围岩的可掘性等。

TBM的性能发挥在很大程度上依赖于工程地质条件和水文地质条件，岩体的节理、裂隙发育程度、岩石的单轴抗压强度和硬度等将决定了TBM的掘进效率和工程成本；隧洞埋深、围岩的类别、涌水大小等涉及掘进后的支护方法、形式和种类。适应地质条件的需要和可能的变化，是对TBM设备的基本要求。

例如，面对硬岩的隧洞掘进应首先选择开敞式TBM，但当围岩具有非均一性时，需要开敞式TBM还应具备通过软弱围岩的能力，因此TBM上的支护设备就显得十分重要，如使用锚杆设备、临时喷混凝土设备、架设钢拱架等；若通过的软弱地层的洞段或距离较长时，应考虑是否加大上述设备的数量和能力；当通过断层或特殊困难洞段时，也可以使用超前支护设备，对刀盘前部地层进行预加固处理。

明确的地质资料以及必要的预处理措施，是TBM掘进成功的基础和保证。国内外的TBM施工中，由于地质条件不清导致的TBM事故不胜枚举［54］，如印度Dul Hasti 水电工程引水隧洞，总长7.58km，开挖直径7.70m，采用一台开敞式TBM施工，历时12年，平均进尺仅为36m/月，施工期间，断层破碎带塌方、岩爆、突水、突泥等地质灾害频繁发生，导致多次停机，最长一次停机长达3年；我国台湾北宜高速公路雪山隧道，总长12.9km，开挖直径11.74m，采用两台双护盾TBM施工，北上线TBM仅掘进456m，遭遇突水、塌方，TBM被掩埋，最终TBM拆除，改为钻爆法施工，南下线仅掘进了654m，遭遇泥层，无法正常掘进；我国云南昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞，隧洞总长13.77km，开挖洞径3.665m，采用一台双护盾TBM施工，施工期间发生了8次事故，TBM卡机，突水、管片破裂和护盾损坏，每次停工2～10个月，最终掘进不到一半时，TBM拆除，改用钻爆法。这三项工程均处于现代构造活动强烈地区，地质条件极其复杂，前期的勘察中未完全查清不良地质条件和分布范围、规模及特征，低估了不良地质条件对TBM的影响程度，当TBM施工中遇到这些不良条件时，依靠现有的技术手段无法有效地解决问题，三项工程的地质条件均不适合采用TBM施工，在没有论证清楚的情况下错误地采用了TBM法，造成了工期延误、施工投资剧增的严重后果。

2.1.2 设备保障

针对工程地质条件和工程特点，选择适合的机型是首要条件，TBM属于典型的非标准设备，没有适合任何地质条件的“全能”TBM，生产厂家也不可能提前制造或批量生产，每一台TBM都要由用户根据地质条件、支护要求、工程进度等提出所需要的技术性能和参数。因为要开挖洞径不同、所面临的地质条件不同、可选择的机型不同，即使是同类型主机，尚需确定驱动类型、控制系统、测量系统、记录系统等规格和关键参数，特别是与之配合的后配套系统更是关系到TBM技术性能和效率的发挥。实际上国内外曾出现过TBM选型不当而被迫更换设备的案例，即使最终工程得以完成，但也造成了工期严重延误、工程成本急剧上升等不良后果。

例如美国静水（Stillwater）隧洞工程［26］，隧洞长13km，开挖直径3.5～4.0m，是美国垦务局在犹他州中部穿越斯特别罗山的输水工程的一个组成部分，也是使用TBM并用混凝土管片作为初始支护和最终衬砌的第二个岩石隧洞。隧洞位于美国落基山系尤因塔山脉的西南侧，隧洞走向S57°W，近似平行于岩层走向。隧洞进口至洞内约800m为前寒武纪尤因塔组的砂岩与泥质岩，随后为宽70m的陡倾的南弗兰克断层扰动带，过此断层以后的隧洞岩层全是较上述地层年轻的前寒武纪页岩夹粉砂岩薄层。隧洞于1976年开工，开始选用双护盾TBM开挖，由于不适应地质条件，掘进过程中不断停机，掘进到4.3km，被迫放弃此双护盾TBM施工，分析其原因，主要是因为页岩在大埋深条件下产生了大的挤压变形。另外，这台双护盾TBM的护盾长度达到了7.3m，当围岩产生大的塑性变形时，往往会卡住护盾，处理起来十分困难。之后更换了一台开敞式TBM继续掘进，可在距掌子面4m的范围内迅速安装岩石锚杆和钢拱架作为初期支护，这台开敞式的TBM在所有地层条件下均可顺利地掘进，施工取得了成功。这个工程实例说明了选择合适类型的TBM也是施工成败的关键。