韓偉亮

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家基礎(chǔ)建設(shè)邁入了高速發(fā)展階段，隧洞工程逐漸朝超特長方向發(fā)展。在超特長隧洞掘進(jìn)中，TBM施工技術(shù)占據(jù)主要地位。TBM設(shè)備及其施工技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的隧洞工程施工中。在其應(yīng)用過程中，同時(shí)也促進(jìn)了TBM施工技術(shù)的創(chuàng)新和完善，使得我國的TBM設(shè)備及施工技術(shù)從開始的跟隨國外腳步發(fā)展逐漸變?yōu)轭I(lǐng)跑世界，為其發(fā)展創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。但是在超特長隧洞集群TBM試掘進(jìn)階段，仍然存在一些問題以待研究和改進(jìn)，在TBM設(shè)備研制、施工技術(shù)等方面還需進(jìn)一步提升。

1 TBM及其施工技術(shù)概述

1.1 TBM概述

TBM是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的英文簡稱，主要分為敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)，其原理是利用旋轉(zhuǎn)刀片在推力的作用下擠壓剪切碎巖，并通過鏟斗收集石渣后利用皮帶輸送至洞外的過程，多應(yīng)用在硬質(zhì)巖石施工中。TBM是機(jī)械、液壓、電子、激光、控制等前沿科技技術(shù)于一體的具高度自動(dòng)化、機(jī)械化的大型流水線隧道施工設(shè)備，具有掘進(jìn)速度快、自動(dòng)化程度高、安全可靠、環(huán)保、不受氣候環(huán)境影響、綜合效益高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中。

1.2 TBM施工技術(shù)的發(fā)展

1851年，美國工程師制造出世界上第一臺(tái)TBM，但在設(shè)計(jì)上難以克服滾刀問題而導(dǎo)致試用失敗。后來研制的各種設(shè)備，在原來的基礎(chǔ)上均有所進(jìn)步，直至1884年由博蒙特設(shè)計(jì)的TBM設(shè)備在英法海峽水底隧道掘進(jìn)近10km，TBM施工的發(fā)展由此邁上了新臺(tái)階。我國1958年才開始研究TBM，受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，到1966年才研制出第一臺(tái)TBM設(shè)備，而且設(shè)備水平遠(yuǎn)落后于當(dāng)時(shí)的國際水平。改革開放之后，大量國外企業(yè)承接水利工程，引進(jìn)了先進(jìn)的TBM設(shè)備和施工技術(shù)并在國內(nèi)開始應(yīng)用，取得了一定的好成績。1998年后，國內(nèi)企業(yè)自主引進(jìn)TBM設(shè)備，建立了自主的施工和專家隊(duì)伍并迅速成長，掌握了TBM施工技術(shù)并積累了大量的施工經(jīng)驗(yàn)，為后期TBM自主研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。2010年后，國內(nèi)部分企業(yè)具備了TBM設(shè)計(jì)和制造能力，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力逐步提高，打破了國外對(duì)我國的技術(shù)封鎖，使我國擁有了自主的TBM知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著我國“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，國產(chǎn)的TBM設(shè)備開始走向世界。

1.3 TBM施工技術(shù)的應(yīng)用

TBM施工技術(shù)在國際上使用較為廣泛，最著名的莫過于英吉利海峽工程、荷蘭生態(tài)綠芯隧道工程、日本東京灣高速公路工程等。國內(nèi)TBM技術(shù)的使用，是從20世紀(jì)90年代的甘肅引大入秦水利隧道開始，是由國外施工企業(yè)使用國外TBM設(shè)備施工的成功案例；后來的引黃入晉水利工程、秦嶺隧道工程等均使用國外的設(shè)備施工；2002年結(jié)合遼寧東水西調(diào)、甘肅引洮工程等諸多水利隧道工程，國家開始對(duì)TBM設(shè)備技術(shù)加強(qiáng)研究與開發(fā)工作，次年2月新一代的雙護(hù)盾巖石掘進(jìn)機(jī)制造完成，并應(yīng)用于云南掌鳩河引水隧道工程等。

2 超特長隧洞集群TBM試掘進(jìn)階段存在的問題

2.1 超特長隧洞集群實(shí)例工程概況

文章依托的工程為北疆供水二期工程，研究超特長隧洞集群TBM試掘進(jìn)階段的問題及施工技術(shù)。該工程總長540km，主要由西二隧洞、喀雙隧洞、雙三隧洞組成，其中喀雙隧洞長度達(dá)283.27km，是世界上最長的輸水隧洞。工程采用以全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法為輔的施工方案，主洞施工采用了18臺(tái)TBM和3臺(tái)盾構(gòu)設(shè)備，支洞采用了2臺(tái)TBM設(shè)備施工，目前已基本完成隧洞掘進(jìn)工作。

2.2 TBM試掘進(jìn)階段存在的問題

在超特長隧洞集群TBM試掘進(jìn)施工階段，存在一些問題急需研究解決。

（1）主軸承密封漏油問題。在北疆供水工程的試掘進(jìn)施工階段，共有4臺(tái)TBM設(shè)備出現(xiàn)了不同程度的主軸承密封漏油問題。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，在其泄漏腔、壓緊環(huán)和密封內(nèi)均存在大量碎石和泥砂，而且隔環(huán)的銹蝕情況極其嚴(yán)重。為了保證TBM設(shè)備正常使用，對(duì)設(shè)備采取了主軸承內(nèi)密封系統(tǒng)檢修、更換部件以及注入油脂等措施保證其正常的狀態(tài)。

（2）錨桿鉆機(jī)缺陷問題。TBM設(shè)備搭載的錨桿鉆機(jī)主要存在能力不足、范圍不夠、角度不直等問題。在該工程Ⅲ和Ⅳ類圍巖中設(shè)計(jì)的錨桿數(shù)量較多，而每臺(tái)TBM設(shè)備僅配置2套錨桿鉆機(jī)，導(dǎo)致錨桿打設(shè)跟不上掘進(jìn)速度；另外，錨桿打設(shè)范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)270°的要求范圍，打設(shè)角度無法與巖面垂直，導(dǎo)致實(shí)際錨桿的作用效果與設(shè)計(jì)有較大的差距。這類缺陷問題主要需依靠TBM設(shè)備的改進(jìn)解決。

（3）噴射混凝土設(shè)備缺陷問題。噴射混凝土設(shè)備的缺陷主要表現(xiàn)為不能及時(shí)噴射混凝土和噴射范圍不夠。由于工程噴射混凝土運(yùn)輸距離較長，經(jīng)常出現(xiàn)混凝土堵管的現(xiàn)象，不能及時(shí)噴射混凝土，影響其正常使用；噴射設(shè)備的噴射范圍小于設(shè)計(jì)需要噴塑的290°的范圍，存在一定的差距。這些問題無法在現(xiàn)場得到妥善的解決，只能通過改善相關(guān)設(shè)備性能實(shí)現(xiàn)。

（4）撐靴打滑問題。在試掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的撐靴打滑主要包括在硬巖地層由于防滑釘難以嵌入巖石，使撐靴與巖壁的咬合力不足，出現(xiàn)撐靴打滑現(xiàn)象；另外，在軟弱破碎地層掘進(jìn)時(shí)，圍巖承載力不足導(dǎo)致?lián)窝ゴ蚧?。?duì)于硬巖地區(qū)采用增加撐靴與圍巖接觸面積，在軟弱圍巖地層設(shè)置枕木堆增大撐靴支撐面積或澆筑混凝土墻加固圍巖等措施，來改善撐靴打滑的問題。

（5）硬巖地層刀具磨損嚴(yán)重問題。TBM施工在硬質(zhì)巖石地層刀具磨損問題嚴(yán)重，掘進(jìn)效率低?？﹄p隧洞中圍巖等級(jí)為V類，單軸抗壓強(qiáng)度在110～170MPa，刀具磨損情況嚴(yán)重時(shí)，平均每3.3延米換1把刀。在現(xiàn)場施工中沒有有效的解決方法，因此需要加強(qiáng)在硬巖地層輔助破巖技術(shù)的研究與應(yīng)用。

3 超特長隧洞集群TBM施工技術(shù)發(fā)展方向

3.1 研發(fā)適應(yīng)性更廣的TBM設(shè)備

在特長隧洞集群試掘進(jìn)的施工過程中，會(huì)遇到塌方、突涌水、斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖爆等地質(zhì)問題，為了提高隧洞施工效率，對(duì)不良地質(zhì)作用實(shí)現(xiàn)提前預(yù)測預(yù)警等，需要加強(qiáng)研發(fā)適應(yīng)性更廣的TBM設(shè)備。例如，在前支護(hù)系統(tǒng)、超前注漿系統(tǒng)、及時(shí)可靠的混凝土噴射系統(tǒng)和鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)等方面的研發(fā)，有助于應(yīng)對(duì)斷層破碎帶等地質(zhì)問題；超前注漿系統(tǒng)方面的研發(fā)，有助于應(yīng)對(duì)圍巖突涌水等地質(zhì)問題；在多功能撐靴、大尺度的刀盤擴(kuò)挖系統(tǒng)等方面的研發(fā)，有助于應(yīng)對(duì)軟弱圍巖導(dǎo)致的卡機(jī)、撐靴打滑等問題；加強(qiáng)探索智能機(jī)器人安裝錨桿、鋼架等支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面的研究，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，確保人員和設(shè)備的安全，也是未來TBM設(shè)備研發(fā)方向。

3.2 研發(fā)更加智能化的TBM設(shè)備

在北疆供水二期工程隧洞試掘進(jìn)過程發(fā)現(xiàn)，在相同的地質(zhì)條件和施工環(huán)境下，掘進(jìn)效果存在明顯的差異，對(duì)刀具的消耗差別也十分明顯。究其原因，主要是地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確及時(shí)了解地質(zhì)信息，而且操作人員在不同的地質(zhì)環(huán)境中無法做出及時(shí)的調(diào)整。為了解決這類問題，必須加強(qiáng)TBM設(shè)備的智能化程度，通過分析掘進(jìn)過程中采集的數(shù)據(jù)，研究其內(nèi)在聯(lián)系，建立科學(xué)有效的自主決策機(jī)制，提高TBM設(shè)備的智能化。對(duì)于TBM智能化設(shè)備的研究重點(diǎn)在于：（1）利用高精度的傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)過程中的刀具受力、刀盤振動(dòng)、開挖面穩(wěn)定性、圍巖擾動(dòng)等方面實(shí)施監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境與掘進(jìn)狀態(tài)感知與獲取；（2）對(duì)地質(zhì)環(huán)境與掘進(jìn)數(shù)據(jù)的挖掘與分析，利用計(jì)算機(jī)模型及智能分析，自動(dòng)匹配和決策最優(yōu)施工方案，建立遠(yuǎn)程信息化管理控制平臺(tái)；（3）加強(qiáng)設(shè)備智能化程度，解決人機(jī)協(xié)作交互性差等問題，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)狀態(tài)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)控；（4）構(gòu)建智能化決策控制系統(tǒng)（見圖1），強(qiáng)化掘進(jìn)過程智能化決策控制，以實(shí)現(xiàn)TBM隧洞的安全高效掘進(jìn)。

圖1 智能化決策控制系統(tǒng)流程圖

3.3 研發(fā)和改善TBM掘進(jìn)輔助破巖技術(shù)

為了解決隧洞掘進(jìn)中的刀具磨損嚴(yán)重問題，提高TBM設(shè)備施工效率，需要研發(fā)和改善TBM掘進(jìn)輔助破巖技術(shù)。當(dāng)下，應(yīng)用廣泛的有水壓破巖、微波破巖以及激光破巖等技術(shù)。其中，水壓破巖技術(shù)是利用超高壓水射流與滾刀形成的環(huán)痕有效疊加，提高滾刀的貫入速度和破巖效率（見圖2），這種輔助破巖技術(shù)已成功搭載到福建榮巖隧道TBM設(shè)備上用于水工隧洞施工；微波破巖是利用巖石礦物對(duì)微波吸收差異特性進(jìn)行破巖，使巖石產(chǎn)生損傷和微裂紋的技術(shù)；激光破巖是利用激光照射巖石表面，使巖石發(fā)生熱應(yīng)力破碎的技術(shù)。

圖2 水壓破巖刀盤結(jié)構(gòu)形態(tài)圖

4 結(jié)束語

改革開放以后，隧洞工程需求逐漸提升，對(duì)TBM設(shè)備提出了更高的考驗(yàn)。我國的TBM行業(yè)緊抓機(jī)遇迅速發(fā)展，雖已在TBM設(shè)計(jì)、制造和施工等方面取得了巨大的成就，但仍存在一些問題亟需解決，希望通過加強(qiáng)對(duì)TBM設(shè)備研制、施工技術(shù)等方面研究工作，促進(jìn)TBM行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。