TBM施工技术.docx

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TBM施工技术

TBM施工技术在中国的发展及技术背景

2008-5-2011:

30　　【大中小】【打印】【我要纠错】

　　1、TBM的发展历史

　　TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。

1851年，美国人查理士·威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。

1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。

　　美国罗宾斯（Robbins）公司自1952年开发制造出了现代意义上的第1台软岩TBM后，1956年又研制成功中硬岩TBM.从此，TBM进入了快速发展时期。

目前，全世界范围内的TBM制造商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。

国外TBM技术已经相当成熟，这为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了技术保障。

　　2、TBM的分类及地质适应性目前，TBM主要分为以下3种类型，并分别适应于不同的地质。

　　①开敞式TBM.常用于硬岩，在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化。

当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。

　　②双护盾TBM.适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。

　　③单护盾TBM.常用于劣质地层。

单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片2者不能同时进行，施工速度较慢。

单护盾TBM与盾构的区别有2点：

一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。

　　一般情况下，整条隧道地质情况都差的作业条件下使用单护盾TBM；在良好地质中则使用开敞式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。

　　3、国内使用TBM的情况介绍

　　我国最早使用TBM施工的是水利水电工程。

早在20世纪70年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM。

1985-1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，由于选型与地质不适应，进度较低，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m.1991-1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造。

54m双护盾式TBM施工，应用比较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m.随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m的纪录。

其中，总干6号、7号、8号隧洞采用1台美国罗宾斯双护盾TBM施工。

125m；南干4号、5号、6号、7号隧洞采用4台双护盾TBM施工，其中3台为罗宾斯、1台为法国法马通公司制造。

94m.目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法施工，使用了3台。

03m开敞式TBM；正在施工的新疆大坂输水隧洞工程线路总长约32km，引水隧洞全长30.68km，采用TBM法与钻爆法相结合的施工方案，拟采用1台德国海瑞克公司制造的。

755m双护盾TBM施工，TBM总掘进长度约为19.7km；正在施工的青海引大济湟调水总干渠工程将由中铁隧道集团引进1台德国维尔特公司制造。

93m双护盾TBM施工，引水隧洞全长24km，TBM总掘进长度约为19.94km.在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭I线隧道开始的，至目前为止，仅有3个工程使用了开敞式TBM，具体如下：

（1）秦岭I线隧道。

全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进2台。

8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进尺为290.64m，最高月进尺为528.48m.

（2）桃花铺1号隧道。

西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用。

8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道出口段）。

最高月进尺为551.82m.

　　（3）磨沟岭隧道。

磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，于2002年11月完工。

该隧道由中铁隧道集团采用。

8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道进段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m.通过施工，成功掌握了开敞式TBM在软弱地层中的掘进技术。

　　4、TBM施工的优点

（1）快速。

TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。

（2）优质。

TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

　　（3）高效。

TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。

TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。

　　（4）安全。

用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。

　　（5）环保。

TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境；如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。

　　（6）自动化、信息化程度高。

TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。

TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。

　　5、TBM施工的缺点

　　TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。

（1）地质适应性较差。

　　TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的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、高地应力隧道、软岩大变形隧道、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。

　　一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。

（2）不适宜中短距离隧道的施工。

　　由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。

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9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。

3.4.2铁路工程O9（r{Vu7u 

（1）秦岭Ⅰ线隧道NDO\B,7 

西安～安康铁路秦岭隧道位于陕西省长安县与柞水县的交界处，在青岔车站、盘营车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距30m，其中Ⅰ线隧道全长18.460km，Ⅱ线隧道全长18.465km；西安端洞口（北口）高程约海平面以上871m；安康端洞口（南口）约海平面以上1025m，隧道两端高差155米，Ⅰ、Ⅱ线隧道纵坡基本相同，由西安端进洞后约14.7km范围为11‰的上坡，然后约3．2km范围以3‰的下坡出洞；Ⅰ线隧道较Ⅱ线隧道高O.24～0.56m；隧道基本为直线，仅两端洞口各有半径为500m的曲线地段（从北口进入隧道近2米和从南口进入隧道近130m在曲线上）。

Ⅰ线隧道采用TBM法进行施工，断面成圆形，开挖直径为880cm。

Ⅱ线隧道采用钻爆法施工，为马蹄形断面。

在Ⅱ线隧道位置上先期旋工平导，辅助Ⅰ线施工，Ⅰ线隧道完工后，再将Ⅱ线隧道扩大【100-103】。

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Ⅰ线隧道使用两台直径为880cm敞开式TBM由两端相向施工。

该掘进机由铁道部引进，其配套机械的购置及相关费用73187.9万元，其中2台TB880E型掘进机设备原值4．72亿元。

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隧道衬砌采用初期支护为锚喷网，二次衬砌为模筑混凝土，隧道底部全部采用拼装式钢筋混凝土砌块，隧道内道床类型为整体道床，在掘进机尚未抵达工地前，进出口曲线地段采用钻爆法，按掘进机施工的圆形断面尺寸施工一段，其目的一是解决曲线地段隧道加宽问题，二是先施工完洞口浅埋，地质较差地段，三是为掘进机安装进洞创造条件。

Ⅰ线隧道两端洞口先期使用钻爆法施工长度，北口为100m，出口为200m。

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TBM的一个行程按1.8m计，时间为1小时，开挖量为122立方米，松方系数取1.6，一个行程的总出碴量195立方米。

运输工具有一辆机车和十辆碴车。

碴车最大外形尺寸8×1.8×2.3m，最大重量53t。

出渣装载方式为双股道平台装渣方式。

卸碴设备是卸碴桥、螺栓固定的刚性结构，其原理为双车卸碴。

通过4个液压驱动装置旋转机构，旋转180°达到卸碴，碴车夹持装置是自锁的。

整套设备长16m，高6.5m，支撑轮子直径5.8m，旋转速度2m/min，卸碴时间最快为8min。

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洞内运输轨道，双序双轨作业下，使用最外侧两根钢轨作为模板台车的轨道，一轨道作为衬砌作业，一轨道作为出渣运输，当轨道穿越模板台车时，采用单股道加浮动道岔，钢轨均用43kg/轨。

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仰拱预制块，隧道全长铺设仰拱块与TBM施工同步进行。

施工期间预制块上面铺设双线（四轨）运输轨道，最外侧两根轨之问的轨距是3050mm。

隧道贯通后，再于仰拱预制块上面铺设永久性整体道床。

每片仰拱预制块的总重量约12吨。

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通风方式采用长管路压人式通风，采用大直径2.2m软风管，每节风管长度100m，百米漏风率1%，TBM掌子面风量为25～30m3，TBM配套主风管末端风量为30m3风机采用进口的150xN型风机，在O～3km时洞口处设置一台风机，3～6km时洞口处设置二台风机串联，6～9km时除洞口设置二台风机串联外，在距洞口3.25km处和洞内设一台增压风机，TBM自身装备集尘、局扇、冷却系统，其所需风量及功率参考值为:

集尘装置l0m3/s，（90Kw），冷却系统2×10m3/s（约69OKW）。

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秦岭隧道北口从开工至贯通共掘进444d，总掘进机时为4054.4h，秦岭隧道南口从开工至贯通共掘进459d，总掘进机时为4029.55h。

2台掘进机平均掘进451.5d，4042.0h机时。

平均l.27m/h，平均月进度为297m，最高月进度509m，Ⅲ类围岩平均速度1.56m/h，Ⅳ类围岩平均速度l.40m/h，Ⅴ类围岩平均速度l.20m/h。

打通后由洞内分别拆卸运出机器。

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在TBM施工的费用组成中，人工费、机械费约占总费用的63.7％，刀具费用占16.0％，人工费和机械费总是随着掘进速度的变化而变化，当掘进速度提高一倍时，其费用减半。

刀具的费用与岩石强度、完整性和石英含量有关。

秦岭特长隧道是以混合片麻岩、混合花岗岩为主的硬质岩石，其中I、Ⅱ级围岩占45％，Ⅲ级占围岩45％，且围岩完整性好，石英含量为10％～35％。

混合片麻岩岩石抗压强度79～325MPa．混台花岗岩岩石抗压强度117～92MPa。

每把刀平均掘进距离：

全隧道平均248m，片麻岩段140m，花岗岩段878m。

每个刀圈平均掘进距离：

全隧道平均2.80m，片麻岩段1.60m，花岗岩段9.40m。

每m3岩体平均耗圈数量：

全隧道平均0.0059个，片麻岩段0.0103个，花岗岩段0.0018个。

多种不利因素的叠加，限制了掘进机优势的发挥，平均进度仅为9.03m/日历天，低于350m/月的设计进度，作业率29.65％。

因而最终导致了掘进机施工费用的增加。

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以秦岭特长隧道为例，掘进机的经常维修费用为（包括配件、液压油、润滑油）5782．5元/m，刀具费用更是高达7523.2元/m，经常维修费用、刀具费用占工料机费的42％。

如果不计掘进机设备的折旧费，经常维修费用、刀具费用占工料机费的62％。

由于当时进口配件价格高（一般为国产配件的3倍）、供货周期长，不利于降低掘进机施工的造价。

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秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，2台TB880E型掘进机先后完成了秦岭特长I线隧道10704m、磨沟岭隧道5488m、桃花铺1号隧道970m的施工任务，累计掘进长度22162m，平均每台掘进长度为11081m。

折旧1．41亿元，尚保有价值为3．31亿元。

2台TB880E型掘进机自2002年一直处于闲置状态。

现正用于中天山隧道，该隧道是吐（鲁番）库（尔勒）二线铁路，于2007年4月25日开工，截止到2009年4月23日，中天山隧道已掘进突破5529m，TBM二次衬砌突破2427m。

TBM月掘进554.6m，创该TBM国内施工新纪录。

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刘孟山在《秦岭特长隧道TBM施工工程经济分析简介》一文中进行了详细的钻爆法与TBM法开挖的经济对比【14】。

具体数据如下：

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表3-41TBM掘进工料机费用分析表\nrP$ 

Table3-41TBMconstructionmethodmaterials,machinecostanalysisquantitytable02JL* 

工程及费用名称    金额（元/m）    工程及费用名称    金额（元/m）!

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一、掘进    28887.79    3．碴车    80l.35[LM^）,J?

（一）工费    377.64    4．翻车机    285.30^a9oKI9n 

1.人工费    377.64    5．客车、砼罐车、仰拱块车、平板车    243.08TBaVW 

（二）材料费    9117.60    6．通风机    415.62"L&k）J 

1．刀具费    7523.23    7．水泵    59.43~H@+D}J?

2．TBM专用电缆    326.64    8．起重机械    186.133mt%!

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3．其他电缆    74.9l    9．搅拌站    65.91cm>E[SHr 

4．排水管    125.89    10．变压器    24.13farDaS[\VY 

5．风管    397.93    11．修配机械    61.95#$'"cfRxc 

6．轨道    367.35    12．其他机械    252.516DSH`-; 

7．照明用电    62.78    二、支护构件制作及材料    2569.75ySNV^+ 

8．其他材料费    238.87    

（一）工费    313.67IvBGpT"（I 

（三）机械费    19392.55    

（二）材料费    2072.63XbvDi+R2A 

1．TBM费    15348.70    （三）机械使用    183.45fJ80tt?

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2．机车    1648.44    以上合计    31457.54!

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注：

1.TBM折旧费6285.33，大修费1865.33，修理费5782.52，电费1375.32；zDBD.5R; 

2．机车折旧费839.73，大修费l73.63，修理费364.63；j=sBq.S 

3．碴车折旧费475.55，大修费148.07，修理费177.73；+QqH

}=M 

4．翻车机折旧费129.17，大修费42.05，修理费105.13。

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表3-42  TBM法与钻爆法工程量对比表7|D|4!

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Table3-42TBMmethodanddrillingandblastingmethodconstructiontheamountofengineeringcomparativetableB1T5f1;uY 

项目    开挖Xza4iV 

（m2）    衬砌]VG?

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（圬工方）    喷砼X.J 

（m3）    钢材j]>uZalr 

（kg）]if;A）' 

TBM    62.61    10.63    1.93    499.2/mbCP>bcG 

钻爆法    60.54    16.75    1.76    131.2wLeHQ] 

TBM/钻爆法（%）    103.4    63.5    109.7    380.5{OxWcK\2@h 

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表3-43主洞工料机费用的比较表Xem|o& 

Table3-43maintunnelhours,materials,machineryuseofthecostcomparisontableG1_Nd2w 

项目zA{8C];~ 

单位：

元/m    工费    料费    机械EzP#Mnz^ 

使用费    工料机费合计ER

TBM    1329    17062    28572    46963xii$e 

钻爆法    2326    10434    10797    23557syFI$rf_ 

TBM/钻爆法（%）    57.1    163.5    264.6    199.3（v;A'BjN 

秦岭特长隧道是我国第一次采用掘进机施工的铁路隧道，通过此隧道的实践，开辟了国内TBM的热潮，从此国产化TBM开始提上日程，施工单位和大型机械厂商都在探索如何降低TBM的造价，最终降低隧道施工成本。

虽然在秦岭隧道中并未体现出TBM的经济型，但是其快速的掘进效率还是引起了隧道工程建设者的注意。

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（2）桃花铺隧道、磨沟岭隧道（5（fd.m+_ 

磨沟岭隧道、桃花铺隧道所采用的是秦岭隧道施工后的TB880E型掘进机。

其基本参数和前面秦岭隧道一致。

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西安～南京铁路的桃花铺1号隧道，全长约7.234kmTBM掘进长度为6.2km由中铁十八局采用直径8.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道出口段）最高月进尺为551.82m。

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西安～合肥铁路的磨沟岭隧道，长6116m，在掘进中Ⅳ、Ⅴ级围岩设计时为1138m，占全隧的19%，而实际上总长为3416，占全隧的56%。

断层面以小角度长距离近似平行隧道的方向，给掘进带来非常大的难题，而运用TB880E型掘进机后配套所具有可适应软弱围岩设备能及时支护的措施是成功的（加密钢拱、及时挂网喷射混凝土、注浆及管棚等）。

该隧道于2002年11月完工，由中铁隧道集团施工（该TBM曾施工秦岭I线隧道进口段）。

TBM掘进长度为4.653km最高月进尺为573.9m证明了开敞式TBM适应于硬岩的掘进，同时也具备了通过软弱围岩、破碎和断层地带的能力。

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随着对TBM法施工的技术和管理的掌握以及刀具等配件设备的国产化，隧道开挖成本开始下降了。

在秦岭Ⅰ线隧道出口段TBM法开挖成本是钻爆法的1.59倍，在桃花铺1号隧道TBM法开挖成本是钻爆法的1.23倍【103】。

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（3）中天山隧道

中天山隧道位于新疆巴州和硕县境内，穿越中天山北支博尔托乌山，平均海拔1100～2950m，最高海拔为2951.6m，是南疆铁路增建二线吐鲁番至库尔勒段的控制性工程。

隧道全长22467m，设计坡度11‰，通过地层岩性以变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩、片岩夹大理岩为主，其中Ⅱ、Ⅲ级围岩约占全隧长度的73.42％。

隧道进口采用TBM法施工，施工长度13982m；出口采用钻爆法施工，施工长度8485m，设一长2545m斜井辅助施工。

中天山隧道于2007年4月25日开工，合同总工期46个月。

进口TBM段设计开挖断面直径8.8m，成洞直径7.7m。

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施工使用的TB880E掘进机，由于这台TBM是上世纪90年代的产品，经中铁十八局集团改造后，用于此隧道的施工。

创造了国产化技术改造改进项目近20项，还修正了“洋设备”很多技术参数，经专家鉴定，掘进机整修质量合格率99.1%，TBM整修改进节约资金上千万元。

刀盘面板加强两项专利技术已经通过国家审查，中心刀改进技术也正在申报专利。

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该工程TBM施工已创国内新纪录月掘进554.6米。

中天山隧道是第一条开展开敞式TBM掘进同步衬砌的工程，按600m/月进度计算，可节约工期14个月【104】。

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国内铁路TBM施工最大直径最长隧再创新纪录

2011-12-2915:

49:

47 来源:

中国路面机械网

导读：

12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次...

12月25日下午六点整，从中国铁建十八局集团施工的国内铁路TBM施工最大直径最长隧、兰渝铁路西秦岭隧道传来喜讯，该隧道月掘进772.7米，再次刷新中国铁建TBM施工新纪录。

被誉为兰渝铁路“天堑咽喉”的全长28.236公里的西秦岭隧道是目前国内采用钻爆法与TBM法相结合施工的最长大在建铁路隧道。

作为新建兰渝铁路818.71公里中的咽喉控制性工程，该隧道进洞自然条件恶劣、Ⅴ级和Ⅳ级围岩段落长、交通极为不便、物资供应紧张、征地拆迁难度大，隧道最大埋深约1400米，隧道采用具有国际先进水平的全断面硬岩掘进机（简称TBM掘进机）和钻爆法相结合的施工方法，隧道出口段采用TBM掘进机施工。

TBM掘进机是由美国Robbins（罗宾斯）公司设计、提供技术支持，关键核心部件全球采购的国内铁路最大直径的TBM掘进机。

该机主要分为三个部分：

主机、连接桥和后配套，刀盘直径10.2米，整机全长180余米，重1800吨，采用美国罗宾斯公司拥有全球专利的19英寸滚刀等技术，减少了换刀频率，提高了换刀速度和掘进机的使用效率，确保了整机的质量和技术的先进性。

该机最大的特点是安全、环保、快速，被称为“隧道内的机械化工厂”。

TBM掘进机的施工，一直备受兰渝公司和中铁十八局集团领导的高度重视。

为确保2011年底前西秦岭隧道TBM掘进第一阶段的7963米贯通目标实现，中铁十八局集团兰渝铁路指挥长史振春、党工委书记江顺、隧道公司项目经理赵战欣、书记齐建锋等制定出了“60天攻坚战”，全体参建员工不断克服不良地质、设备磨合、设备改进、机械臂故障等诸多困难，积极与美国Robbins公司等单位联系，加大对TBM掘进机的掘进系统、初支系统、后配套系统的管理、调试，以及部分设备的改进、完善等工作，加大控制关键岗位操作、设备维修保养、机车整编组合、长距运输保障等重点环节，实现了TBM施工连续稳产高产掘进。

“60天攻坚