全断面掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)的施工具有快速、高效、安全可靠、施工质量好、成本低等优点，且集机械、电子、液压、雷射、控制等技术为一体,实现了高度机械化和自动化，作为当前最先进的大型地下隧道开挖衬砌成套装备，得到了广泛套用。引黄工程先后集中使用了6台双护盾全断面掘进机(其中5台为美国罗宾斯公司製造，1台为法国NFM公司製造)用于工程建设，成为国内乃至世界使用全断面掘进机最集中的地方之一。全断面掘进机累计完成隧洞开挖及衬砌长度125km，占整个隧洞长度的65%。

TBM由主机和后配套系统组成。主机由刀盘、刀头、主电机、传动系统、管片安装设备、超前钻探设备、操作室、超前支护设备等组成。

后配套系统由运输系统，支护系统，液压和控制系统，通风排尘系统，供电系统，排水系统，全装置，光导向系统(ZED系统) 等组成。

从技术和经济两个角度来说，并非所有地质情况的工程都适宜掘进机的施工。因此，是否选用掘进机施工，选用何种类型的掘进机以及如何确定主要技术参数和进行系统配置,需考虑以下几个方面的问题。

1) 地质因素分析：主要从工程的地质条件是否适宜掘进机和影响开挖效率的因素来加以考虑，分析有关地质资料。

2) 掘进性能的要求：衡量掘进性能的指标主要为纯掘进速率、完好率、利用率和刀具消耗等。

3) 主要技术参数的选择：影响掘进机的耐久性和性能的主要关键零部件为刀盘、刀具、刀盘轴承、刀盘驱动系统、主机体、推进系统和支撑系统等。

在引黄工程使用的双护盾全断面岩石掘进机中每台都结合各洞段的地质情况完成掘进机的选型。在长隧洞选线中，由于受技术、经济条件的制约，造成了对地质结构了解的局限性，常常在施工中遭遇未预见的地质灾害(如涌水、岩溶、瓦斯、断层破碎带、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等) ，造成掘进施工受阻或停工。在进行TBM选型时，应充分考虑以上可能碰到的不利情况。全断面岩石掘进机由于要穿越煤系地层、膨胀岩及地下水洞段，该机就装有瓦斯报警装置、超挖装置、自动排水设备、超前钻探及超前预注浆设备等。一旦探头检测到瓦斯的含量超过安全含量，自动装置就会及时切断电源停止掘进，确保施工人员及设备的安全; 同时该机还可适应膨胀岩洞段扩挖的要求等。

全断面岩石掘进机后配套设备主要由风、水、电供应和材料运输保障系统构成。据统计由于后配套系统的原因引起的掘进停工时间占总停工时间的比例较高，因此全断面岩石掘进机后配套技术及设备对保障全断面岩石掘进机的连续、均衡、高效运转至关重要。引黄工程后配套系统最长的达350m，其上安放有变压器、卷线机、压缩机、电器柜、除尘设备、灌浆机和液压动力设备及水泥浆拌和系统等，后配套系统和它上面的辅助设备都在设计和装配阶段进行了调整和改进，以适应在各种不同地质条件下掘进的需要。后配套系统带有用于双沖层的机车，在后配套系统尾部增加加利福尼亚道岔，以提高运输速度。

双护盾TBM在掘进过程中主要是由驱动电机带动刀盘旋转，刀盘的转动带动其上的滚动刀头切削岩石，其向前的推力来自TBM机头的夹盾与围岩的摩擦力及主推进油缸和机头尾部辅助推力缸对已安装管片的反力。通过出渣系统及运输系统运出开挖料，并运进管片、豆砾石、水泥及各种施工材料; 管片安装系统通过遥控安装管片，管片安装完毕后进行管片与围岩之间豆砾石回填，并在机尾进行水泥灌浆。

1. 掘进

TBM的掘进是依靠安装在刀盘上的滚刀旋转挤压破碎围岩来进行的。每天开始掘进前专业技术人员都要对TBM掘进机进行技术检查，主要检查刀盘及其部件的完整性，检查雷射导向系统及洞轴线的偏移情况，以便做出必要的调整，然后TBM启动工作。一般每隔2km对洞内基本导线进行检查。

在掘进的同时，渣料通过刀盘上的料斗传输到皮带上,渣车停放在加利福尼亚道岔上并通过液压装置移动，期间通过视频装置监视装渣情况，机车总是在渣车的最前面以改善其安全性和提高运输速度，机车由柴油发动机驱动，每列车由一个装水泥的车厢、九个渣车、一个豆砾石车、一个载人车和四个管片车组成。渣车装满以后运出洞外，再通过翻渣机卸到转渣场，最后用自卸汽车运到永久弃渣场，在返回的时候运回管片、水泥、豆砾石等。

洞内外运输採用按列编组柴油机车牵引，火车运输。此外，在TBM掘进的同时确定开挖隧洞的围岩类别。地质工程师主要通过对TBM开挖渣料和有无地下水等方面的观测，并在TBM停机时通过侧窗和进入掌子面对围岩的岩性、构造发育情况等方面进行观察，同时参考TBM掘进参数的变化进行综合分析，确定出开挖隧洞的围岩类别。

2. 衬砌

管片衬砌是与TBM掘进的配套技术，可使TBM在複杂的地质条件下安全、快速掘进并使隧洞及时得到支护。管片由小火车运到TBM后配套系统上，一个掘进冲程结束后立即在后护盾内进行安装。每个衬砌环由四片管片组成，包括两片侧管片和底拱、顶拱管片各一片，由异步液压起重机进行安装。安装顺序为操作手通过遥控装置安装底片- 顶片-左片- 右片，环与环之间用定位销和导向桿加以连线，如此不断循环进行。

3. 豆砾石回填与水泥灌浆

由于管片外侧与围岩之间不可避免地存在空隙(护盾的厚度、衬砌安装间隙、刀头磨损量及超挖等) ，豆砾石回填与水泥灌浆显得尤为必要，一方面通过豆砾石回填灌浆层传递围岩压力；一方面填充围岩与管片之间的间隙增加衬砌的稳定性和防渗性。

为了防止TBM开挖和洞内运输车辆振动对管片稳定的影响，对围岩与管片之间的间隙必须及时进行豆砾石回填。

管片豆砾石通过豆砾石泵→管道→喷嘴从混凝土管片的预留孔灌入管片与围岩的间隙中。次序为从底拱到侧拱再到顶拱，目的是为管片环提供一个适当的支撑力。为防止豆砾石进入衬砌与尾盾之间的间隙，在TBM尾盾装配了一个封闭垫片。豆砾石填料应是经过筛选、清洗乾净和坚固的细骨料,粒径为5～10mm的专用料。

水泥灌浆相对要滞后一些，大约距离掌子面有200m左右，水泥为425# 普通硅酸盐水泥。回填灌浆的水灰比为0.7:1( 重量比) ，孔口灌浆压力为0.3～0.4MPa。灌浆原则是：横向自下而上灌，纵向呈阶梯状，在下排孔灌完之后才能灌上排孔，不允许浆液由上排孔串至下排孔漫灌。

在不良地质条件的洞段实施灌浆时，如果单孔的吃浆量较大，应採取间断性灌浆的方法，进行多次灌浆，直到串浆孔出浆为止。

水泥灌浆从底管片到顶管片按次序进行，底、侧管片的灌浆基本在TBM掘进过程中及时进行灌浆，大部分顶管片的灌浆工作待隧洞贯通后实施。为防止浆体外渗，进行管片接缝间的勾缝工作。灌浆结束后28d进行钻探取芯以检查灌浆的效果，主要检查灌浆的密实性、水泥结石的强度及渗透性。部分洞段进行了压水试验用来检查灌浆的效果。

4. 管片生产

使用管片体形基本相同，均为六边形。底片内拱设有道轨安装平台，平台上预留道钉孔。管片外侧安装橡胶止水条,侧面贴上沥青缓冲片。

为了保证TBM的快速掘进，管片预製厂的生产线能力应能满足施工的需求。一般1 条生产线的计画产量为每天96片预製管片(1.4m宽) ，可满足33m长的隧洞衬砌。管片养护部分分为预热窑和蒸养窑，其中预热窑可容纳5个模具，蒸养窑可容纳16个模具。

管片贮存在预製厂前面的露天场地，每4片为一组，按底片、侧片、侧片、顶片自上而下叠放，中间分别用两根方木支撑。场地可以存放至少是16天的生产量。