陳曉東，陳居乾

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

全斷面巖石隧洞(隧道與巷道)掘進(jìn)機(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)有別于盾構(gòu)機(Shield)，是指在常壓情況下全斷面開挖巖石的高度機械化刀盤式機頭掘進(jìn)機，是集機械、電氣、液壓、激光導(dǎo)向、自動控制、傳感、信息等多項高新技術(shù)為一體，高度機械化及自動化的隧洞(隧道與巷道)開挖掘進(jìn)與襯砌專用大型成套裝備，主要由主機和后配套兩大系統(tǒng)構(gòu)成，依靠大推力、高扭矩旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤，通過盤型滾刀以機械能破巖而使隧洞(隧道與巷道)全斷面一次成型，是世界上最先進(jìn)的隧洞(隧道與巷道)施工機械，其最大技術(shù)特性是安全、優(yōu)質(zhì)、高效、快速、環(huán)保、高自動化，是對傳統(tǒng)化學(xué)能破巖施工法的徹底革新。TBM通常主要有開敞式(敞開式、支撐式，Open Type TBM)及護(hù)盾式(套筒式，Shield Type TBM)兩種基本類型，護(hù)盾式相對結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要分為單護(hù)盾及雙護(hù)盾兩類。

我國是幅員遼闊的多山國家，地形、地貌與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是世界上隧洞(隧道與巷道)工程建成最多、穿越多類型復(fù)雜地層，以及建設(shè)發(fā)展最快的國家。自20世紀(jì)90年代以來，我國TBM設(shè)備研發(fā)及其施工技術(shù)迅猛發(fā)展，并形成大量科研成果和技術(shù)資料，但全面系統(tǒng)研究總結(jié)性文獻(xiàn)資料相對匱乏。全面研究總結(jié)20世紀(jì)我國全斷面巖石隧洞(隧道與巷道)TBM設(shè)備研制及其工程應(yīng)用成效，存史資治，留存文獻(xiàn)，借鑒成功，技術(shù)傳承，對于新時期我國TBM設(shè)備研發(fā)及其施工技術(shù)的進(jìn)一步持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

1 世界TBM發(fā)展歷程

1953年美國人設(shè)計制造出世界首臺現(xiàn)代意義上的軟巖開敞式TBM。1956年發(fā)明硬巖盤型滾刀，是TBM發(fā)展歷程中的重要標(biāo)志及轉(zhuǎn)折點；同年設(shè)計制造出世界首臺中硬巖開敞式TBM，成功通過工業(yè)性試驗。1960年在結(jié)構(gòu)設(shè)計上首次將支撐與推進(jìn)機構(gòu)組合為整體全浮動及鉸接式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過靴板支撐于洞壁獲取推進(jìn)反力。1965年設(shè)計制造出世界首臺單護(hù)盾TBM。1973年與意大利Sell公司聯(lián)合設(shè)計制造出世界首臺雙護(hù)盾TBM，TBM從此進(jìn)入全面快速發(fā)展時期，并在全世界地下工程界逐步得到廣泛應(yīng)用。

2 我國TBM研制歷程

我國20世紀(jì)TBM設(shè)備的獨立自主研究、設(shè)計、制造、工業(yè)性試驗，以及工程應(yīng)用發(fā)展歷程總體分為三個階段[1- 13]。

2.1 第一階段——起步探索初創(chuàng)階段

我國TBM的獨立自主研究、設(shè)計與試制始于1964年，1965年列入國家重點科研項目，原水電部上?？睖y設(shè)計院為主設(shè)計，上海水工機械廠于1966年5月試制出首臺國產(chǎn)SJ- 34型開敞式TBM，刀盤直徑Ф3.4m，獲1978年度國家科技大會重大成果獎，并在杭州人防工程防空洞、云南西洱河一級水電站工程引水發(fā)電隧洞進(jìn)行工業(yè)性開挖掘進(jìn)驗證試驗，累計開挖掘進(jìn)總長969.5m，取得一定成效。代表機型為SJ- 34/53、EJ- 26與EJ- 35，代表性應(yīng)用工程包括杭州防空洞、云南西洱河一級水電站引水隧洞、江西青山與陜西銅川煤礦巷道。

圖1 上世紀(jì)國產(chǎn)TBM典型主機

2.2 第二階段——工業(yè)性試驗階段

20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗階段，由中科院(后調(diào)整至國家科委)牽頭，原水電部、煤炭部及鐵道兵等部門參與，共53個單位進(jìn)行了多課題研究攻關(guān)，設(shè)計制造及改裝出多臺不同直徑的新一代TBM，并結(jié)合多項工程實踐進(jìn)行工業(yè)性試驗，其技術(shù)性能與質(zhì)量較起步探索階段有所提升。代表機型為SJ- 58、JSJ- 55與EJ- 30，代表性應(yīng)用工程包括云南西洱河一級水電站與甘肅引大入秦引輸水隧洞，以及江西安源與山西小峪煤礦巷道。

2.3 第三階段——國產(chǎn)實用與國外引進(jìn)并存階段

20世紀(jì)80—90年代初期為國產(chǎn)TBM實用與國外引進(jìn)并存階段。隨著我國機械制造工藝水平及材料質(zhì)量的提高，在大軸承與齒圈、驅(qū)動推進(jìn)、刀具與刀圈、支撐及后配套等關(guān)鍵技術(shù)方面取得一定進(jìn)展，并結(jié)合第二階段工業(yè)性試驗及其工程實踐，設(shè)計制造及優(yōu)化改裝出多臺不同直徑的第三代TBM。其技術(shù)性能與質(zhì)量進(jìn)一步提高，在工程應(yīng)用實踐中取得較好成效，代表機型為SJ- 58A、SJ- 45、EJ- 32與EJ- 50，其中：SJ- 58A型獲1985年度國家科技進(jìn)步三等獎及原水電部重大科技成果二等獎；EJ- 32型獲1986年度國家科技進(jìn)步三等獎及原煤炭部科技進(jìn)步一等獎；EJ- 50型獲1988年度國家科技進(jìn)步二等獎。代表性應(yīng)用工程包括河北引灤入唐與福建龍門灘二級水電站引輸水隧洞，以及云南羊場、貴州南山與山西東曲煤礦巷道，完成開挖掘進(jìn)長度較大，其中引灤入唐新王莊隧洞成為我國首座采用TBM開挖掘進(jìn)貫通的隧洞(隧道與巷道)工程。

我國TBM的獨立自主研究、設(shè)計與制造經(jīng)25年三個階段的發(fā)展，經(jīng)多項工程應(yīng)用實踐，至20世紀(jì)80年代末，國產(chǎn)TBM設(shè)備在總體技術(shù)性能、可靠性、質(zhì)量及工效等方面與國外仍存在很大差距，難以適應(yīng)不斷增加的工程建設(shè)之需。為此，水利水電行業(yè)在國內(nèi)率先于20世紀(jì)80年代后期自美國引進(jìn)TBM全套設(shè)備及其施工技術(shù)，分別用于甘肅引大入秦及廣西天生橋二級水電站工程引輸水隧洞開挖掘進(jìn)，并在甘肅引大入秦工程獲得全面成功，取得引人矚目的成就，國產(chǎn)TBM研發(fā)隨之停止。

3 國產(chǎn)TBM及其主要技術(shù)性能

20世紀(jì)60—80年代我國研發(fā)制造TBM總計52臺，多為樣機，具實用性及工業(yè)性試驗條件的共計19臺，其中2臺未工程應(yīng)用，改裝6臺，刀盤直徑Ф2.5～6.8m，全部為開敞式，整體結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能存在差異，17臺工程應(yīng)用25項，開挖掘進(jìn)總長18.36km。20世紀(jì)國產(chǎn)TBM制造廠、數(shù)量與工程應(yīng)用及典型主機主要技術(shù)性能參數(shù)分別見表1、表2[1- 13]。

典型主機及整機分別如圖1、圖2所示。

圖2 上世紀(jì)國產(chǎn)TBM典型整機

4 國產(chǎn)TBM工程應(yīng)用成效

17臺國產(chǎn)TBM分別應(yīng)用于云南西洱河一級、北京下葦?shù)?、貴州紅林與福建龍門灘二級水電站、北京十三陵水庫、河北引灤入唐(包括引灤入還與引還入陡兩段)、甘肅引大入秦與山東引黃濟(jì)青引輸水隧洞，杭州防空洞，以及北京鳳凰山、貴州老羅堡與南山、江西青山與安源、山西小峪及王坪與東曲、云南羊場、陜西銅川、遼寧老虎臺、廣西桂林煤礦巷道(平硐)等25項工程，完成開挖掘進(jìn)總長18.36km。工程應(yīng)用成效見表3。

表1 20世紀(jì)國產(chǎn)TBM制造廠及數(shù)量與工程應(yīng)用

注：改裝型未重復(fù)統(tǒng)計，19臺中Ф<3.0m小型2臺，3.0≤Ф≤8.0m中型17臺，工程應(yīng)用17臺。

5 總結(jié)及展望

5.1 總結(jié)

我國TBM自主研究、設(shè)計與制造，基本處于獨立封閉式研發(fā)狀態(tài)。國內(nèi)多家科研設(shè)計單位與機械廠合作，制造出TBM總計52臺，具實用性及工業(yè)性試驗條件的17臺TBM分別應(yīng)用于水利水電引輸水隧洞、防空洞及煤礦巷道(平硐)等不同類型工程25項，無鐵路隧道工程，完成開挖掘進(jìn)總長18.36km，月均進(jìn)尺一般20.0～150.0m、最高202.1m；最高進(jìn)尺31.5m/d、315.0m/月。單項工程應(yīng)用開挖掘進(jìn)長度大于1.0km的8項，最長3.65km，長度介于500.0～700.0m的6項，其余11項均小于400.0m，最短僅為78.2m；單臺工程應(yīng)用開挖掘進(jìn)長度大于1.0km的8臺，最長3.65km，長度介于0.5～1.0km的4臺，其余5臺均小于500.0m，最短僅為80.0m。

表2 20世紀(jì)國產(chǎn)TBM典型主機主要技術(shù)性能

我國TBM設(shè)計研究與生產(chǎn)制造起點較高，全部配裝盤型滾刀，部分配裝鋼拱架、錨桿與噴混凝土等支護(hù)設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)與國外同期設(shè)備相近，但實際工程應(yīng)用成效差距很大，且均為開敞式，機型單一。經(jīng)大量工程調(diào)試運行、工業(yè)性試驗及應(yīng)用實踐，主要存在工程應(yīng)用成效差，技術(shù)性能與適應(yīng)性差，可靠性低；構(gòu)造不盡完善合理；鋼材材質(zhì)差；驅(qū)動推進(jìn)、刀具與刀圈、大軸承與齒圈、機架、支撐等關(guān)鍵系統(tǒng)機構(gòu)部件技術(shù)與制造工藝不過關(guān)，質(zhì)量差，故障率高，壽命短，工效與利用率低；后配套不健全，以及操作、維修保養(yǎng)與管理技術(shù)落后等諸多問題，未能進(jìn)入實用性批量生產(chǎn)。開挖掘進(jìn)速度為同期國外TBM的1/5～1/10，設(shè)備利用率一般為10.0%～25.0%，最大約30.0%，停機率高于70.0%，單刀圈壽命一般小于150.0m，最長約210.0m，而同期國外TBM開挖掘進(jìn)月均進(jìn)尺一般500.0m以上，最高超越2.0km，日進(jìn)尺最高大于100.0m，設(shè)備利用率為40.0%以上，停機率小于50.0%，單刀圈壽命大于300.0m。國產(chǎn)TBM相對差距很大，難以適應(yīng)工程建設(shè)之需。

國產(chǎn)TBM雖存在諸多問題，但仍在8項工程應(yīng)用中開挖掘進(jìn)長度大于1.0km，實際施工曾達(dá)到月均進(jìn)尺202.1m，最高進(jìn)尺31.5m/d、315.0m/月的同期世界開敞式TBM施工中等水平。特別是在山西東曲煤礦巷道(平硐)完成開挖掘進(jìn)巷長達(dá)3.65km，同時，引灤入唐新王莊輸水隧洞也成為我國首座采用TBM及其技術(shù)開挖掘進(jìn)貫通的隧洞(隧道與巷道)工程。并結(jié)合多項工程實踐，對整機性能與配置、機架與支撐、刀盤及其驅(qū)動推進(jìn)、刀具與刀圈、大軸承與內(nèi)齒圈及其密封、齒輪減速、油缸與閥門、支護(hù)、減震、通風(fēng)除塵、激光導(dǎo)向、高壓供電、鋼材材質(zhì)，以及后配套與運輸?shù)汝P(guān)鍵系統(tǒng)、機構(gòu)與部件進(jìn)行了大量調(diào)試運行、工業(yè)性試驗研究、技術(shù)攻關(guān)，取得一定技術(shù)成果與成效。

理論研究及重要部件研制也取得一定技術(shù)成果與成效。建立了刀具試驗臺，對刀具設(shè)計、材質(zhì)、布設(shè)與破巖機理等進(jìn)行研究，上海水工機械廠編纂了GB 4025—83《全斷面巖石掘進(jìn)機名詞術(shù)語》，杭州機械設(shè)計研究所編制了《掘進(jìn)機分類和技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)。刀盤面板刀具配置及其布設(shè)與國外先進(jìn)主流機型一致，采用定軸盤型滾刀，分為中心區(qū)雙刃刀、正刀區(qū)及過渡區(qū)(邊刀)單刃刀等三類。刀具材質(zhì)及其熱處理研究攻關(guān)取得較大進(jìn)展，韌性與硬度大為提升，刀盤面板每盤Ф280.0～300.0mm刀圈理論壽命提高至310.0m，Ф350.0mm刀圈平均理論壽命達(dá)到460.0m。刀盤大軸承理論壽命達(dá)6000.0h，基本滿足開挖掘進(jìn)長6.0km要求，密封圈運轉(zhuǎn)近3000.0h基本完好。35SiMnMo材質(zhì)、模數(shù)18.0mm與硬度240.0～280.0HB的大內(nèi)齒圈理論壽命超4000.0h，能夠加工模數(shù)18.0mm與硬度320.0HB的大內(nèi)齒圈，行星齒輪減速器與末級小齒輪運轉(zhuǎn)近4000.0h基本正常，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤機構(gòu)，工作效率大為提高，油缸與閥門等部件性能基本滿足需要。采用浮動全密封機頭架及其支撐機構(gòu)系統(tǒng)，支持隧洞(巷道)曲線開挖掘進(jìn)，鋼拱架安裝機與錨桿鉆機等支護(hù)機構(gòu)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，有效提高了穿越斷層及其破碎帶地層的能力，減震、通風(fēng)除塵、激光導(dǎo)向等措施與設(shè)備構(gòu)件取得顯著進(jìn)展。6.0KV高壓電纜及移動式變壓器隨主機前行，基本滿足施工供電需求，后配套系統(tǒng)平板車、皮帶轉(zhuǎn)載機、梭式礦車、翻車機與換車平臺等主要設(shè)備研制成功，生產(chǎn)效率大為提升。

表3 20世紀(jì)國產(chǎn)TBM工程應(yīng)用成效

5.2 展望

隨著人類社會開發(fā)利用地球資源技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)利用地下空間的高潮時代來臨，地下工程施工機械及其技術(shù)將迅猛發(fā)展。大量隧洞(隧道與巷道)工程常規(guī)鉆爆法及TBM法施工建設(shè)實踐表明，正常情況下，TBM法施工效率為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，對于長及特長隧洞(隧道與巷道)，TBM法在安全、效率、技術(shù)、質(zhì)量、生態(tài)環(huán)保等諸多方面效益顯著。在受工期制約、穿越生態(tài)與自然保護(hù)區(qū)、注重綠色發(fā)展理念、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，TBM法施工技術(shù)更具優(yōu)越性。TBM法將是21世紀(jì)隧洞(隧道與巷道)工程施工建設(shè)的主要技術(shù)方案，而TBM設(shè)備是TBM法施工技術(shù)的關(guān)鍵核心。

展望未來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，在水利水電、長距跨流域引調(diào)水、鐵路、地鐵、軌道交通、公路、礦山、人防、地下管廊等諸多領(lǐng)域有大量工程亟需建設(shè)，隧洞(隧道與巷道)規(guī)模更大，工程地質(zhì)環(huán)境更趨復(fù)雜，工程建設(shè)技術(shù)要求更高，集機、電、液、光技術(shù)于一體，安全、高效、環(huán)保及高度機械自動化的TBM具有廣闊的應(yīng)用前景。借鑒20世紀(jì)國產(chǎn)TBM研制及其工程應(yīng)用及施工技術(shù)的快速發(fā)展所積累的技術(shù)成果、實踐經(jīng)驗，未來我國TBM及其施工技術(shù)將朝著獨立自主研發(fā)、持續(xù)創(chuàng)新、全面掌握核心技術(shù)、核心關(guān)鍵部件全面國產(chǎn)化、擁有完全知識產(chǎn)權(quán)方向發(fā)展，實現(xiàn)高端智能化、全自動化、信息化、數(shù)字化、可視化、模塊化，并在多類型模式集成復(fù)合型、多功能、強地質(zhì)適應(yīng)性、仿真、優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)、大直徑、長壽命、非圓異型斷面、大尺度變徑、大斷面公路隧道、微型、總體技術(shù)性能方面進(jìn)一步全方位發(fā)展進(jìn)步。

TBM高端重型掘進(jìn)裝備是“國之重器”，其研發(fā)制造涉及機械、結(jié)構(gòu)、材料、動力、電氣自動化、傳動、信息與測控等諸多領(lǐng)域。建立我國自主TBM產(chǎn)業(yè)體系，是國家總體科技與工業(yè)技術(shù)水平的具體體現(xiàn)，對推動相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)全方位發(fā)展，提高我國綜合國力具有非常重要的意義。21世紀(jì)以來，我國TBM重型裝備研發(fā)迅猛發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新，大批國產(chǎn)TBM應(yīng)用于國內(nèi)長大隧洞(隧道與巷道)工程建設(shè)，并有多臺應(yīng)用于國外工程。

6 結(jié)語

我國TBM獨立自主研制及其工程應(yīng)用實踐歷經(jīng)25年三個階段，取得的成效、積累的技術(shù)成果和實踐經(jīng)驗，為我國新世紀(jì)TBM及盾構(gòu)機重型裝備的自主研發(fā)、開拓創(chuàng)新、工業(yè)發(fā)展與廣泛應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)，加快實現(xiàn)了我國TBM重型裝備由中國制造到中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，為我國長大隧洞(隧道與巷道)工程建設(shè)提供了質(zhì)優(yōu)價廉的國產(chǎn)TBM設(shè)備，全面提升了我國地下工程建設(shè)技術(shù)水平。