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        我國TBM法隧道工程技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀及展望

        2021-11-29 08:23:00齊夢學(xué)
        隧道建設(shè)(中英文) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:進(jìn)尺隧道工程

        齊夢學(xué)

        (中鐵十八局集團隧道工程有限公司, 重慶 400700)

        0 引言

        隧道在我國歷史悠久,可上溯至約公元前700年東周初期,《左傳》記載了莊公與其母親武姜在隧道內(nèi)相見的故事,“……對曰: 君何患焉?若闕(通‘掘’)地及泉,隧而相見,其誰曰不然?公從之。公入而賦: 大隧之中,其樂也融融!……”。我國道路史上最早的行車隧道,是位于陜西省漢中市的石門隧道,長14 m,寬3.95~4.75 m,修建于漢明帝劉莊永平四年(公元61年),20世紀(jì)70年代淹沒在石門水庫之中[1];我國最早的城市地下隧道,是安徽省亳州市古地下通道,系曹操的運兵道,始建于東漢末年,因非一個朝代修筑使用,故結(jié)構(gòu)不一、寬窄不同、高低不等,全長逾8 000 m[2]。隧道技術(shù)隨著時代變遷、技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展,總結(jié)為5個發(fā)展階段: 古代的火焚法、近代的鋼釬大錘法、手風(fēng)槍鉆爆法、現(xiàn)代的鑿巖臺車鉆爆法、機械法(巖石隧道掘進(jìn)機(TBM)法、盾構(gòu)法、頂管法)。

        鉆爆法隧道大多遵循“新奧法”原理,其理論基礎(chǔ)是圍巖具有自承能力,隧道設(shè)計與開挖要充分發(fā)揮圍巖的自承能力[3]。

        機械法隧道,根據(jù)機型、施工工藝、支護技術(shù)不同,分為2種: 1)遵循“新奧法”原理的敞開式TBM施工的隧道,開挖后施作初期支護,必要時施作二次襯砌作為永久支護結(jié)構(gòu); 2)護盾式TBM、盾構(gòu)和頂管機施工的隧道,以預(yù)制管片或者管節(jié)作為永久支護結(jié)構(gòu)。

        目前,我國隧道修建規(guī)模和修建難度都是世界上最大的,TBM用于隧道施工的發(fā)展速度也是最快的[4-6]。以史為鑒,回顧我國TBM法隧道工程發(fā)展歷史,明晰TBM法隧道工程技術(shù)現(xiàn)狀,才能清晰認(rèn)識TBM法隧道工程技術(shù)面臨的問題,合理展望,未雨綢繆,為我國隧道工程技術(shù)進(jìn)步、基礎(chǔ)建設(shè)的更好發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

        1 我國TBM法隧道工程發(fā)展歷程

        我國于20世紀(jì)60年代開始研究與應(yīng)用TBM,近60年來發(fā)展歷程大致可以分為5個階段[7-8]。其中,每個階段,起始時間為里程碑式工程開始時間,結(jié)束時間為下一階段的開始時間,所以某一階段的部分工程完工時間會延續(xù)到下一階段。

        1.1 自力更生,研發(fā)探索(1964—1990年)

        1964年前,國內(nèi)很少有人了解TBM法隧道工程技術(shù),但其優(yōu)點通過科技圖書等媒體傳入中國,引起了國家的高度重視。經(jīng)周恩來總理批準(zhǔn),在國家科委領(lǐng)導(dǎo)下成立全斷面巖石隧道掘進(jìn)機攻關(guān)小組。受當(dāng)時國際背景和政治環(huán)境影響,我國無法引進(jìn)先進(jìn)的TBM設(shè)備及技術(shù)資料,只能被迫自力更生,封閉式研究探索。

        1964年,原水電部上海水電勘測設(shè)計院機械設(shè)計室和北京水電學(xué)院機電系等單位聯(lián)合研究設(shè)計了φ3.4 m的TBM,1965年被列為國家科委重點科研項目。1966年,原水電部上海水工機械廠制造了φ3.4 m的SJ34型TBM,用于杭州玉皇山、寶石山人防洞。20世紀(jì)70年代初,原水電部上海水工機械廠相繼研制了φ5.5 m、φ5.8 m和φ6.8 m的多臺TBM,但破巖能力弱、掘進(jìn)速度慢、故障率高、可靠性差、實用性差,經(jīng)過一段時期的實踐,多數(shù)不能使用[9-10]。

        20世紀(jì)70年代中期,針對TBM研制存在的關(guān)鍵問題,集中技術(shù)力量組織聯(lián)合攻關(guān)。通過出國考察、外國專家來華座談等技術(shù)交流活動搜集到大量技術(shù)資料,在總結(jié)之前產(chǎn)品經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上又研制出一批TBM,例如: 上海水工機械廠研制的φ5.8 m的TBM,1982—1984年在引灤入津工程新王莊和古人莊2座隧洞合計掘進(jìn)2 723 m,最高月進(jìn)尺213.4 m,最高日進(jìn)尺21.35 m,平均月進(jìn)尺92.5 m;煤炭科學(xué)研究院上海分院設(shè)計、上海第一石油機械廠制造的φ3.0 m的TBM,1977—1982年分別在江西萍鄉(xiāng)、河北遷西、山西懷仁合計掘進(jìn)2 633 m,最高月進(jìn)尺218.3 m,最高日進(jìn)尺14.5 m,平均月進(jìn)尺90 m(有水)、150 m(無水)。

        20世紀(jì)80年代中期,我國在TBM關(guān)鍵零部件的攻關(guān)研究方面取得一定進(jìn)展,進(jìn)一步研發(fā)并應(yīng)用。煤炭科學(xué)研究院上海分院在原有基礎(chǔ)上做了改進(jìn),由山西省5409廠制造了φ3.2 m的TBM,分別在云南省羊場煤礦(1988年開始,掘進(jìn)2 500 m)、貴州省南山煤礦(1990年開始,掘進(jìn)780 m)、北京十三陵抽水蓄能電站(1992年掘進(jìn)91.7 m)施工。1986—1990年,由煤科院上海分院設(shè)計、上海重型機器廠研制的φ5.0 m的TBM,在山西古交東曲煤礦掘進(jìn)3 654 m,最高月進(jìn)尺202 m,最高日進(jìn)尺12.7 m,月平均進(jìn)尺85 m;由原水電部杭州機械設(shè)計研究所設(shè)計、上海水工機械廠研制的φ4.0 m的TBM,在福建龍門灘工地現(xiàn)場將直徑改造為4.5 m。但上述應(yīng)用基本上以失敗告終。

        以上研究探索與工業(yè)性試驗表明,國產(chǎn)TBM還存在巨大差距,但是該階段為多年后的TBM繼續(xù)研發(fā)和應(yīng)用培養(yǎng)了一批基礎(chǔ)理論扎實的專業(yè)人才。

        1.2 引進(jìn)設(shè)備,外企施工(1990—1995年)

        20世紀(jì)90年代,隨著我國對外開放的深入,國外TBM設(shè)備和施工企業(yè)進(jìn)入我國隧道施工市場,如甘肅省引大入秦、山西省引黃入晉輸水工程隧洞分別由意大利CMC公司與英潑基諾(Impregilo)公司用Robbins雙護盾TBM施工。該階段以山西萬家寨引黃入晉工程南干線為典型代表,隧洞地質(zhì)以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主,采用Robbins 1617-290雙護盾TBM施工,最高月進(jìn)尺1 821.49 m,平均月進(jìn)尺784 m。

        該階段一直延續(xù)到2005年結(jié)束。昆明掌鳩河供水工程上公山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,主要為斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、軟巖大變形、巖溶、突涌水、突泥(砂)等,第1年平均月進(jìn)尺388.46 m,第2年停機時間占70%,2005年9月決定拆除TBM改用傳統(tǒng)鉆爆法施工。這一階段由國外制造商和承包商主導(dǎo)TBM設(shè)計和施工,但施工過程中鍛煉、培養(yǎng)了一批國內(nèi)TBM操作人員,這些人大部分仍在參與TBM設(shè)計制造與施工工作。據(jù)不完全統(tǒng)計,該階段外企施工的TBM法隧道工程見表1。

        1.3 引進(jìn)設(shè)備,自主施工(1995—2013年)

        1995年,為了修建全長18.45 km的西康鐵路秦嶺隧道,原鐵道部從德國引進(jìn)2臺敞開式TBM,該工程由鐵道部第十八工程局和隧道局2家國企承建。這是我國首次獨立使用和管理TBM,實現(xiàn)了自主施工,TBM最高月進(jìn)尺分別為509 m和531 m,平均月進(jìn)尺310 m。TBM在該工程的成功應(yīng)用奠定了我國推廣應(yīng)用TBM的堅實基礎(chǔ),之后的西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、引大濟湟工程、大伙房水庫輸水工程、錦屏二級電站引水洞、遼西北供水工程等,全部采用國外的TBM設(shè)備,國內(nèi)企業(yè)自主施工。施工中克服了一系列地質(zhì)難題,也取得了較好業(yè)績,如遼西北供水工程TBM進(jìn)度普遍較好,2段4標(biāo)TBM平均月進(jìn)尺616 m。

        該階段,培養(yǎng)、鍛煉了一大批TBM技術(shù)和管理人才,能獨立駕馭TBM法隧道工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工和管理,為我國大規(guī)模隧道建設(shè)打下了基礎(chǔ),為國內(nèi)科研院所及企業(yè)深入研究TBM提供了有利條件并取得了豐碩成果,TBM法隧道工程技術(shù)逐步得到推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計,該階段TBM法隧道工程見表2。

        表2(續(xù))

        期間,原鐵道部曾效仿高鐵技術(shù)發(fā)展路徑,以市場換技術(shù),計劃引進(jìn)100臺TBM用于鐵路隧道修建,先期招標(biāo)采購20臺,由于國外制造商報價過高而放棄。

        實際上,該階段前期是與引進(jìn)設(shè)備、外企施工并存的。

        1.4 強強聯(lián)合,自主研發(fā)(2013—2016年)

        隨著我國各類隧道規(guī)模的快速增長,為了提高我國掘進(jìn)裝備的設(shè)計制造水平,發(fā)展核心競爭力,我國在2006年就將隧道掘進(jìn)機列入國家重大裝備產(chǎn)業(yè)。近十余年來,國家積極推動掘進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)展,不斷增加科技研發(fā)投入。2007年,科學(xué)技術(shù)部組織了國內(nèi)的地質(zhì)勘探單位、科研院校、設(shè)計制造單位和施工單位,以國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)的形式積極推進(jìn)隧道掘進(jìn)裝備的理論創(chuàng)新和設(shè)計攻關(guān)。2012年,由鐵建重工和中鐵裝備牽頭,開展了國家高技術(shù)研究計劃(863計劃)“大直徑硬巖隧道掘進(jìn)裝備(TBM)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”研究。

        2013年和2014年,浙江大學(xué)和武漢大學(xué)分別作為牽頭單位,先后開展了973項目“硬巖掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題”和“深部復(fù)合地層圍巖與TBM相互作用機理及安全控制”研究。2014年國家再次批準(zhǔn)大連理工大學(xué)牽頭的國家2011協(xié)同創(chuàng)新中心第二批計劃——遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心,以區(qū)域合作的形式再次向大直徑敞開式硬巖掘進(jìn)機攻堅克難。在國家這一系列的科技計劃投入下,國內(nèi)TBM的基礎(chǔ)理論、設(shè)計制造和施工水平有了大幅提高。

        2013年,中信重工率先研制了國內(nèi)首臺敞開式TBM,開挖直徑5 m,于2015年10月開始應(yīng)用于洛陽故縣水庫引水工程全長6.64 km的洛寧段1號隧洞,2017年7月貫通。

        2015年1月和3月,鐵建重工和中鐵裝備2家制造企業(yè),在中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)的鼎力支持下,聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所,自主研發(fā)設(shè)計制造了2臺φ7.93 m的敞開式TBM(見圖1),并應(yīng)用于吉林省中部城市引松供水工程。2017年8月28日,在洞長22.6 km的吉林省中部城市引松供水工程2標(biāo)段,TBM提前14個月貫通,平均月進(jìn)尺643 m,最高月進(jìn)尺1 209 m; 2018年1月22日,在洞長22.955 km的4標(biāo)段,TBM提前9個月貫通,平均月進(jìn)尺546 m,最高月進(jìn)尺1 318.7 m,見圖2。這在我國TBM領(lǐng)域具有里程碑式的意義,標(biāo)志著國內(nèi)自主研制的TBM從無到有。此后,自主品牌TBM陸續(xù)研發(fā)出不同規(guī)格的產(chǎn)品,應(yīng)用于重慶軌道交通5號線、重慶軌道環(huán)線、新疆ABH輸水隧洞、蘭州水源地、神東補連塔煤礦巷道等工程。

        (a) 鐵建重工-中鐵十八局敞開式TBM

        (b) 中鐵裝備-中鐵隧道局敞開式TBM

        (a) 鐵建重工-中鐵十八局TBM貫通

        (b) 中鐵裝備-中鐵隧道局TBM貫通

        1.5 自主品牌,推廣應(yīng)用(2016年至今)

        以吉林引松工程為代表的自主品牌TBM的成功應(yīng)用,為TBM設(shè)備獨立設(shè)計制造奠定了基礎(chǔ),也使自主品牌TBM贏得了建設(shè)單位、施工企業(yè)的信賴,進(jìn)而在國內(nèi)外迅速推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計,鄂北水資源配置寶林隧洞、重慶地鐵、深圳地鐵、青島地鐵、新疆某輸水隧洞、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經(jīng)采用自主品牌TBM 70余臺套;并且,自主品牌TBM已經(jīng)走出國門,出口數(shù)量為16臺(截至2020年6月底),標(biāo)志著中國TBM已經(jīng)走向世界。

        2016年4月,新疆EH工程一次性集中采購18臺TBM,用于全長516 km的引水隧洞施工。2018年10月10日,習(xí)近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第三次會議,全面啟動川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)。川藏鐵路建設(shè)項目不良地質(zhì)多且集中,需要面對崇山峻嶺、地形高差大、地質(zhì)復(fù)雜等建設(shè)難題;隧道總長占線路總長的70%以上,且多為長大隧道,其中4座隧道計劃采用10臺TBM施工。

        2 我國TBM法隧道工程現(xiàn)狀

        自1990年引大入秦工程開始,我國TBM法隧道工程技術(shù)進(jìn)入成功應(yīng)用階段,應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀分析如下。

        2.1 TBM法隧道工程規(guī)模

        30年來,我國TBM法隧道工程規(guī)模發(fā)展趨勢如圖3所示,總體上呈現(xiàn)小幅波動、持續(xù)上升狀態(tài),大致可以分為2個階段。第1階段為1990—2012年,基本上呈持續(xù)應(yīng)用狀態(tài),約1/3年份無新項目開工,其他年份每年的TBM法隧道也較少,在前半段波動范圍為0~1; 1997年,山西引黃入晉和西康鐵路秦嶺隧道采用TBM施工,出現(xiàn)小高峰; 2009年,TBM法隧道工程包括2項水利工程、1項鐵路工程和1項市政工程,出現(xiàn)第2個小高峰。第2階段為2012—2020年,TBM法隧道工程總體呈上升趨勢,其中,2012—2016年,新疆EH工程(支洞采用2臺二手TBM施工、主洞全線集中招標(biāo)采購18臺TBM)、青島地鐵及深圳地鐵全面開工建設(shè),TBM法隧道規(guī)??焖贁U張,出現(xiàn)高峰;之后回歸并保持較高水平,后續(xù)將呈波動發(fā)展、波浪式增長態(tài)勢,并且會出現(xiàn)新的應(yīng)用規(guī)模高峰。

        如無特殊說明,文中數(shù)據(jù)統(tǒng)計截至2020年6月底,包含已完工工程和在建工程。

        概要分析國內(nèi)TBM法隧道工程發(fā)展,主要受到5方面的影響: 1)國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展水平,隨著國內(nèi)經(jīng)濟能力的提升,TBM法隧道工程規(guī)模穩(wěn)步攀升; 2)對TBM的認(rèn)可程度不斷提升,TBM應(yīng)用經(jīng)歷了由少到多的歷程; 3)隨著技術(shù)水平的提升,隧道建設(shè)規(guī)模增大、長度增長,TBM法隧道工程數(shù)量顯著增加; 4)環(huán)境保護、勞動保護的不斷規(guī)范,促進(jìn)了TBM法隧道工程修建; 5)國內(nèi)勞動力成本的增加和國產(chǎn)TBM的成功應(yīng)用,讓長期居高不下的TBM施工成本顯著降低,促進(jìn)了TBM法隧道工程技術(shù)的推廣。

        2.2 TBM法隧道工程分布區(qū)域

        我國TBM法隧道工程分布區(qū)域如圖4所示(以TBM應(yīng)用數(shù)量作為統(tǒng)計依據(jù))。大多集中于西部地區(qū),占比高達(dá)約60%,主要是由于西部地區(qū)多山,并且是大江大河的發(fā)源地,水利水電與鐵路工程規(guī)模大,深埋長隧居多,且近年來西北和西南區(qū)域水利水電工程、城市軌道交通工程建設(shè)時間相對集中;華東地區(qū)TBM法隧道工程約占20%,主要原因是TBM法在重慶軌道交通6號線和青島地鐵2號線成功應(yīng)用后得以大范圍推廣;東北地區(qū)TBM法隧道工程主要集中在遼寧和內(nèi)蒙古水利工程;華南地區(qū)TBM法隧道工程主要分布于深圳地鐵。

        圖4 我國TBM法隧道分布區(qū)域統(tǒng)計

        2.3 TBM法隧道工程分布領(lǐng)域

        我國TBM法隧道工程分布領(lǐng)域如圖5所示。其中,水利水電隧洞占比約50%,居首位,主要原因是: 1)TBM開挖斷面為圓形,是水利水電隧洞最合理的斷面型式; 2)水利水電隧道建設(shè)規(guī)模大、單洞長度長、埋深大的隧道居多; 3)TBM在水利水電隧洞開始應(yīng)用早,市場認(rèn)可度高。市政領(lǐng)域占比約40%,居第2位,主要是由于青島、重慶、深圳等巖石地層城市的軌道交通隧道不適合鉆爆法施工,TBM法成了最佳選擇[11-12];鐵路隧道引進(jìn)TBM法施工雖然較早,但發(fā)展緩慢。

        圖5 我國TBM法隧道分布領(lǐng)域統(tǒng)計

        2.4 TBM法隧道開挖直徑

        我國TBM法隧道開挖直徑分布統(tǒng)計如圖6所示。3 m及以下小直徑TBM法隧道工程較少,主要是由于斷面空間小,難以實現(xiàn)長距離連續(xù)掘進(jìn)施工,TBM法長距離連續(xù)快速施工的優(yōu)勢難以體現(xiàn)。10 m及以上大直徑TBM法隧道工程較少,主要是由于大斷面隧道穩(wěn)定性差、刀盤轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致掘進(jìn)速度慢,應(yīng)用于交通領(lǐng)域存在巨大的空間浪費。TBM法隧道開挖直徑以3~10 m為主,約占95%,其中6~8 m直徑系列占比最大,約占70%,主要集中于市政和水利領(lǐng)域;6 m直徑系列數(shù)量最多,占比約40%,主要是城市軌道交通隧道; 7 m和8 m直徑系列中,絕大部分用于水利水電工程隧洞。

        圖6 我國TBM法隧道開挖直徑統(tǒng)計

        2.5 TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工

        我國TBM法隧道工程全部是采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合修建的,這是隧道施工工法選擇的現(xiàn)狀,也是工法選擇的必然,其能夠更好地發(fā)揮2種工法的優(yōu)勢,最大程度實現(xiàn)快速、低價修建隧道工程的目標(biāo)。

        圖7和圖8對比分析了部分工程2種工法的施工長度及其占比,同一隧道工程中TBM法施工合計長度及單臺TBM施工長度呈上升趨勢。一方面是TBM裝備與施工技術(shù)進(jìn)步的影響,以往受技術(shù)水平的制約無法規(guī)劃設(shè)計長大隧道工程,即便存在長大隧道也只能被迫采用“長隧短打”的方式;另一方面是TBM技術(shù)進(jìn)步讓更長隧道修建成為現(xiàn)實,單洞長度增加,相應(yīng)地TBM法施工長度增加。例如: 20世紀(jì)90年代開工建設(shè)的西康鐵路秦嶺隧道全長18.456 km,Ⅰ線隧道采用TBM與鉆爆法相結(jié)合施工,洞口段采用鉆爆法施工TBM預(yù)備洞,為趕工期臨時決定中間通過平導(dǎo)采用鉆爆法施工,其余洞段采用TBM施工,2臺TBM合計掘進(jìn)長度10.8 km,單臺TBM掘進(jìn)長度分別為5.2 km和5.6 km; 2010年代開工建設(shè)的引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段全長81.8 km,嶺脊段采用2臺TBM施工,合計掘進(jìn)長度34.5 km,單臺TBM掘進(jìn)長度16~18 km;新疆EH工程XE引水1#隧洞全長72.9 km,3臺TBM計劃掘進(jìn)總長度63.9 km,單臺TBM掘進(jìn)長度15~24 km;新疆EH工程KS隧洞全長283 km,11臺TBM計劃掘進(jìn)總長度212 km。

        已完工和在建鐵路工程10 km以上長大隧道中,TBM法施工長度占比相對較小,平均51%,最高60%(吐庫二線鐵路中天山隧道),最低36%(大瑞鐵路高黎貢山隧道)。其中,全長34.538 km的高黎貢山隧道,1臺TBM的計劃掘進(jìn)長度為12.5 km,主要是由于復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,部分洞段TBM工程適應(yīng)性不足。水工隧洞TBM法施工長度占比相對較大,平均70%,最高95%(XE引水4#隧洞),最低42%(引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段),原因是: 1)部分洞段TBM工程適應(yīng)性差; 2)工程造價的影響; 3)工法選擇受綜合因素影響。全長92 km的EH工程SS隧洞,2臺TBM計劃掘進(jìn)長度41 km,占隧洞總長的44%,主要原因是可行性研究和設(shè)計階段認(rèn)為存在較多洞段不適合采用TBM施工。

        圖7 部分工程TBM法與鉆爆法施工長度

        圖8 部分工程TBM法與鉆爆法施工長度百分比

        2.6 TBM法隧道施工進(jìn)度與工期

        縱觀我國TBM法隧道工程,施工進(jìn)度總體上存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象,波動較大,其中月進(jìn)尺以200~700 m為主,占3/4; 700~900 m以及200 m以下各占1/9。掘進(jìn)工期受平均月進(jìn)尺和掘進(jìn)長度的影響,同樣差異巨大,以1~4年為主,占70%以上; 1~3年占60%以上,4~6年占1/9。部分工程TBM平均月進(jìn)尺及工期統(tǒng)計見圖9。

        圖9 部分工程TBM施工進(jìn)度與工期

        例如: 西康鐵路秦嶺隧道及西南鐵路采用敞開式TBM施工,平均月進(jìn)尺約300 m,最高月進(jìn)尺逾500 m;山西引黃入晉工程采用雙護盾TBM施工,總干線月進(jìn)尺約700 m、最高月進(jìn)尺約1 100 m,南干線平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 800 m,南干聯(lián)絡(luò)段平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 600 m;中天山隧道采用敞開式TBM施工,前期平均月進(jìn)尺約400 m,后期平均月進(jìn)尺約100 m;蘭渝鐵路西秦嶺隧道采用敞開式TBM施工,平均月進(jìn)尺約400 m;遼西北供水工程采用敞開式TBM施工,平均月進(jìn)尺約600 m。這些進(jìn)度數(shù)據(jù),讓人眼花繚亂,為增強可比性,以同一工程不同標(biāo)段、同一施工單位不同項目的同機型TBM施工進(jìn)度為例分析。

        吉林省中部城市引松供水工程(以下簡稱引松供水)采用3臺敞開式TBM施工,開挖直徑7.93 m,連續(xù)皮帶機出渣,TBM基本參數(shù)和施工進(jìn)度相關(guān)信息見表3和圖10。TBM 1平均月進(jìn)尺643 m,最高月進(jìn)尺1 209.8 m;TBM 2平均月進(jìn)尺500 m,最高月進(jìn)尺1 423.5 m;TBM 3平均月進(jìn)尺652 m,最高月進(jìn)尺1 318.7 m。地質(zhì)原因、設(shè)備完好率、施工技術(shù)、施工理念和組織管理的差異是影響施工進(jìn)度均衡性的主要因素。

        表3 引松供水TBM法隧道施工信息

        圖10 引松供水3臺TBM月進(jìn)尺對比

        遼西北供水工程2段4標(biāo)和新疆ABH輸水隧洞,均為敞開式TBM施工,TBM開挖直徑分別為8.53 m和6.53 m,由同一個TBM團隊負(fù)責(zé)施工(主要的TBM技術(shù)與管理人員從遼西北整體調(diào)遣至ABH)。2項工程TBM月進(jìn)尺對比見圖11(遼西北折線斷開部分為TBM中間轉(zhuǎn)場)。ABH第1個月份TBM掘進(jìn)只有2 d,計算平均月進(jìn)尺時將其扣除;TBM平均月進(jìn)尺根據(jù)圍巖條件選取第2—7個月的平均值。ABH項目TBM月進(jìn)尺嚴(yán)重不均衡且后期持續(xù)較低,主要原因是惡劣的地質(zhì)條件和施工干擾。自第7個月開始遭遇嚴(yán)重蝕變巖和極度破碎圍巖,涌泥涌砂現(xiàn)象非常嚴(yán)重,TBM對于該洞段的地質(zhì)適應(yīng)性極差,說明不適合采用TBM法施工,若選用機械法則應(yīng)該考慮土壓平衡盾構(gòu)。實際揭露的圍巖與施工圖地勘成果相去甚遠(yuǎn),該工程的極度破碎圍巖洞段在地勘報告中無顯示,揭露后調(diào)整為“節(jié)理密集帶”,給掘進(jìn)施工造成了很大的誤導(dǎo)。此外,建設(shè)單位的盲目指揮、不當(dāng)指導(dǎo),施工單位未能及時強制采取合理措施處理等也是導(dǎo)致施工進(jìn)展緩慢的因素。

        2.7 TBM機型

        我國TBM機型統(tǒng)計如圖12所示,以敞開式為主,約占50%,主要原因是采用敞開式TBM施工的隧道支護結(jié)構(gòu)為初期支護與二次襯砌相結(jié)合,綜合成本較低;但工法選擇時不僅要充分考慮TBM的工程適用性,還需兼顧施工措施的靈活性;敞開式TBM總體風(fēng)險可控性較好。其次,雙護盾TBM應(yīng)用較多,占比約40%,大多數(shù)應(yīng)用于青島地鐵、深圳地鐵和山西引水工程等,主要是受建設(shè)環(huán)境、地質(zhì)條件和綜合成洞速度的影響。單護盾TBM應(yīng)用較少,主要集中在重慶地鐵,其主要影響因素為建設(shè)環(huán)境和地質(zhì)條件。

        圖11 2項工程TBM月進(jìn)尺對比

        圖12 我國TBM機型統(tǒng)計

        2.8 TBM品牌

        我國所使用的TBM品牌較多,已完工工程所使用的TBM以國外品牌為主;自吉林引松供水工程之后的新增市場份額中,TBM應(yīng)用品牌相對集中,主要被中國鐵建旗下的鐵建重工、中國中鐵旗下的中鐵裝備2家公司占有,市場占有率高達(dá)90%以上,并且均擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。主要原因有3個方面: 1)2家公司的設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)與美國羅賓斯公司、德國海瑞克公司基本保持了同等水平; 2)技術(shù)溝通便捷,TBM設(shè)計方案能夠充分融合施工單位的經(jīng)驗; 3)價格優(yōu)勢。在建工程所使用的TBM以國產(chǎn)品牌為主。截至2020年6月底,我國已完工和在建工程中各品牌TBM市場占有率統(tǒng)計見圖13。

        2.9 TBM零部件來源

        圖13 各TBM品牌在我國的市場占有率統(tǒng)計

        表4 TBM主要零部件來源

        2.10 TBM法隧道施工企業(yè)

        TBM法隧道工程規(guī)模的擴張,帶動了國內(nèi)施工企業(yè)的迅猛發(fā)展,從原來意大利公司負(fù)責(zé)施工、僅從國內(nèi)雇用部分勞務(wù)人員,發(fā)展到中鐵十八局和中鐵隧道局首次在西康鐵路秦嶺隧道自主施工,目前我國具有TBM法隧道施工業(yè)績的企業(yè)約30家,大多集中于建筑央企,其中60%以上集中于中國鐵建和中國中鐵。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2020年6月底國內(nèi)TBM施工企業(yè)使用TBM數(shù)量見圖14和圖15。

        3 我國TBM法隧道工程技術(shù)展望

        3.1 TBM法隧道工程規(guī)模、區(qū)域與領(lǐng)域分布

        我國TBM法隧道工程規(guī)模在今后一定時期內(nèi)仍將保持較快增長,之后趨于平穩(wěn)并保持較長時間,最終會下降到較低水平,發(fā)展過程中大部分時段會小幅波動,也不排除偶爾大幅波動的可能性。預(yù)計未來10年各類隧道修建長度20 000 km、掘進(jìn)裝備需求量600臺,未來5年我國潛在工程規(guī)劃的TBM需求量會達(dá)到200臺。

        我國TBM法隧道工程仍將集中于西部地區(qū),以水利水電工程為主;華北地區(qū)山東省、華南地區(qū)深圳市、西南地區(qū)重慶市等多山城市的軌道交通隧道對TBM的需求量呈上升趨勢;華南、華北、東北等地區(qū)TBM應(yīng)用數(shù)量將會明顯受到區(qū)域性調(diào)水、海底隧道等工程建設(shè)的影響。

        圖14 我國TBM法隧道施工企業(yè)(截至2020年6月底)

        圖15 國內(nèi)TBM法隧道施工企業(yè)集團分布

        預(yù)期未來一段時期內(nèi),TBM法隧道工程分布領(lǐng)域仍將以水利水電和市政工程為主,前者保持較高速度發(fā)展的勢頭較為強勁,后者增長勢頭高速發(fā)展的可能性較小,但短期內(nèi)明顯下降的可能性較小。在鐵路工程領(lǐng)域中川藏鐵路將是短期內(nèi)的峰值,此后大規(guī)模應(yīng)用的可能性較小。從川藏鐵路隧道施工工法論證、比選過程中可見一斑,受制于TBM對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性、造價、對TBM工法的認(rèn)知、決策機制等因素,TBM從原計劃的36臺減少為32臺、18臺,進(jìn)而減少為10臺[13]。TBM法隧道工程技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角并呈較高速度增長趨勢。隨著樂西高速大涼山1號隧道、新疆烏蔚高速天山勝利隧道TBM的成功應(yīng)用[14-15],TBM法隧道工程技術(shù)在公路領(lǐng)域?qū)瓉硇碌陌l(fā)展機遇,一定范圍內(nèi)推廣的概率較大。礦山、軍工、核工業(yè)等特種行業(yè)將會陸續(xù)開啟TBM的應(yīng)用之路。若TBM破巖技術(shù)、斷面型式等出現(xiàn)重大變革,上述應(yīng)用領(lǐng)域分布態(tài)勢將會發(fā)生較大改變。

        3.2 TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工且TBM施工占比逐步增加

        TBM法與鉆爆法隧道施工各有優(yōu)劣,優(yōu)勢互補是最佳選擇。受地質(zhì)適應(yīng)性、斷面適應(yīng)性、進(jìn)度與工期、造價等多方面因素影響,在今后的隧道建設(shè)中,TBM法仍將與鉆爆法聯(lián)合施工。TBM裝備技術(shù)與施工技術(shù)不斷進(jìn)步,其工程適應(yīng)性不斷增強,TBM法施工成本在國產(chǎn)化大規(guī)模推廣應(yīng)用的影響下得到較好控制,而鉆爆法施工成本呈上升趨勢,因而TBM法施工占比會逐步增加。

        山嶺隧道已完工的工程中,單臺TBM在同一工程中掘進(jìn)長度為20 km以上的隧道僅5座;在建工程中單臺TBM在同一工程中計劃掘進(jìn)長度為20 km以上的隧道有13座,最大長度26 km(實際施工過程中下調(diào)的概率較大)。后續(xù),單臺TBM在同一工程中掘進(jìn)長度達(dá)到20 km的概率將會繼續(xù)增大,并且,預(yù)計在不久的將來會突破30 km,甚至達(dá)到40 km,這將為在西部大山中修建隧道工程提供巨大支撐,也讓以往不具備可行性的工程變?yōu)楝F(xiàn)實,例如: 煙大海底隧道、臺灣海峽海底隧道、南水北調(diào)大西線工程等[16-19]。

        3.3 TBM法隧道支護技術(shù)

        3.3.1 TBM支護系統(tǒng)

        目前TBM支護系統(tǒng)功能越來越完善,性能也不斷提升,但仍然存在一些問題,主要是支護效率、質(zhì)量與TBM掘進(jìn)效率的匹配性差,特別是在復(fù)雜地質(zhì)段尤為突出,在一定程度上制約了TBM掘進(jìn)速度優(yōu)勢的發(fā)揮,從而影響工程整體進(jìn)展。

        敞開式TBM由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的制約,支護設(shè)備的工作范圍與支護質(zhì)量存在一定的局限性。錨桿鉆機的鉆孔方向難以達(dá)到與隧道法線重合的要求,只能呈發(fā)散狀;普遍采用的Atlas COP 1838型鉆機本身鉆孔能力很強、效率很高,但在TBM上難以發(fā)揮出應(yīng)有的效率,主要問題是鉆機環(huán)向與軸向的移動速度和定位速度較慢。這些方面和鉆機本身性能無關(guān),主要受限于TBM結(jié)構(gòu)及設(shè)備空間的設(shè)計局限。錨桿鉆機布置方式在部分TBM裝備上已有新的嘗試,今后將努力實現(xiàn)錨桿小角度入巖、便捷安裝、作業(yè)效率與掘進(jìn)速度匹配、長度調(diào)整方便的目標(biāo)。中鐵十八局聯(lián)合鐵建重工在廣州北江引水工程、十堰水源工程已經(jīng)實現(xiàn)了小斷面TBM徑向錨桿支護,見圖16。

        后來,他又做了幾件讓人哭笑不得的調(diào)皮事,其中一件震驚了整個幼兒園。你知道為什么嗎?小烏龜啊,真的是一個小傻瓜。他在幼兒園結(jié)交了一個好吃懶做的壞朋友大黑貓。大黑貓心眼壞,他想吃掉小烏龜,可是小烏龜有防身的鎧甲。遇到危險的時候,小烏龜會躲到殼里一動不動,殼就是小烏龜?shù)募?,非常安全。大黑貓就想出一個壞點子,他不僅想吃掉小烏龜,還要吃烤熟的烏龜肉呢。

        圖16 敞開式TBM徑向錨桿支護系統(tǒng)

        噴射混凝土系統(tǒng)通常布置在連接橋后方,甚至1#拖車后方,距離掌子面50~70 m,不符合及時噴射混凝土的要求。在施工單位的主導(dǎo)和制造商的積極配合下,引綽濟遼供水工程有2臺敞開式TBM已經(jīng)實現(xiàn)了常規(guī)噴射混凝土系統(tǒng)前置。該設(shè)計理念已經(jīng)推廣到北江引水工程、十堰水源工程等,并將進(jìn)一步推廣應(yīng)用。噴射混凝土系統(tǒng)方面,護盾后方已經(jīng)可以實現(xiàn)機械化施工,但配套的混凝土供應(yīng)、設(shè)備防護等方面仍存在較大的提升空間。配置更加合理、完善的TBM隧道支護體系,操作會更加便捷,安全性將不斷提升。

        護盾式TBM通常以預(yù)制混凝土管片作為最終支護結(jié)構(gòu),管片背后吹填豆礫石并注漿回填。對豆礫石粒徑、外形要求較高,獲得合適的料源難度大、成本高,這些影響設(shè)備效率的發(fā)揮且設(shè)備損耗較大?;靥钭{嚴(yán)重滯后,影響施工安全與質(zhì)量。此外,管片襯砌結(jié)構(gòu)的壽命可靠性尚未得到實踐驗證,近期有管片襯砌的引水隧洞出現(xiàn)較大范圍滲漏水問題,修復(fù)難度較大。其作業(yè)效率與質(zhì)量、及時性與操作便捷性方面仍待改進(jìn),業(yè)內(nèi)正在思考和研發(fā)新的管片支護與回填技術(shù),研究管片用于巖爆洞段支護的可行性。

        3.3.2 TBM支護技術(shù)

        隧道施工已經(jīng)形成了一系列相對成熟的規(guī)范,但大多基于鉆爆法施工。相比其他斷面型式,TBM法隧道圓形斷面更有利于洞室穩(wěn)定,且機械法破巖對圍巖擾動小,因而支護體系設(shè)計的初始條件已經(jīng)發(fā)生了改變,需要相應(yīng)轉(zhuǎn)變設(shè)計理論,選擇更加科學(xué)合理的支護方式,形成新的TBM法隧道支護體系。這是技術(shù)發(fā)展的需要,是節(jié)能降耗的需要,也是可持續(xù)發(fā)展的需要。

        目前,敞開式TBM在Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下的工程適應(yīng)性強,既能保證隧道施工安全、質(zhì)量與速度,又能節(jié)約隧道建設(shè)成本;近年來,隨著初期支護技術(shù)的發(fā)展,合理使用鋼拱架(又稱作鋼支撐)與鋼筋排綜合支護技術(shù)以及相應(yīng)的施工工藝,敞開式TBM在Ⅳ類圍巖條件下的工程適應(yīng)性大大加強,在確保安全與質(zhì)量的前提下,掘進(jìn)速度大幅提升;然而,在Ⅴ類圍巖、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下,敞開式TBM的工程適應(yīng)性尚無突破性進(jìn)展,往往月進(jìn)尺只有數(shù)十m甚至數(shù)m,嚴(yán)重影響隧道施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度與成本,是困擾敞開式TBM施工的一大難題。其中,圍巖從護盾尾部出露后嚴(yán)重坍塌是重要制約因素之一,特別是圍巖極破碎,存在涌水、涌泥、涌砂等情況下,即便采用鋼筋排也無法起到較好的支護效果,并且后期注漿操作困難。開發(fā)一種安裝便捷、支護可靠的用于敞開式TBM法施工隧道的鋼管片/鋼瓦片支護系統(tǒng)[20-21],能夠在很大程度上解決上述問題,可以考慮將其與型鋼拱架相結(jié)合設(shè)計,采用改進(jìn)的鋼拱架拼裝器安裝而不必配置傳統(tǒng)的管片拼裝機。

        為了應(yīng)對巖爆,錦屏二級電站引水洞TBM施工過程中探索了柔性防護網(wǎng)支護技術(shù);波紋板具有剛度大、質(zhì)量小、耗材少的特點,已經(jīng)成功應(yīng)用于涵洞、管廊等工程,同樣可以應(yīng)用于TBM法隧道支護。

        3.4 復(fù)雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)

        TBM法隧道地質(zhì)呈多樣化發(fā)展趨勢,面對諸多復(fù)雜地質(zhì)條件,如極強巖爆、極高地溫、強蝕變、嚴(yán)重破碎圍巖、大變形等,TBM施工安全、進(jìn)度、成本都會受到極大影響。

        TBM法隧道施工過程中,希望TBM能夠在其適用的地質(zhì)條件下發(fā)揮快速的優(yōu)勢;在復(fù)雜地質(zhì)條件下也能夠持續(xù)穩(wěn)步施工,避免長時間停機,盡量不采取礦山法等處理措施。因此,非常有必要研究復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù),從地質(zhì)勘查與施工規(guī)劃、施工技術(shù)、施工管理3方面展開研究。開工前地質(zhì)勘查盡量詳細(xì)、準(zhǔn)確;施工過程中輔以超前地質(zhì)預(yù)報,科學(xué)認(rèn)識TBM的工程適應(yīng)性并合理選型;合理規(guī)劃施工區(qū)段劃分,及時合理初期支護,必要時實施超前加固(目前仍需系統(tǒng)、深入研究);參建單位各司其職、通力合作,合理控制工期與投資,建立健全復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM法隧道工程建設(shè)規(guī)范[22]。

        3.4.1 TBM超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

        受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平、工期、投資的影響,存在前期地勘成果有偏差,甚至因缺乏有效的勘察手段而無法準(zhǔn)確判斷地質(zhì)的情況。鑒于地質(zhì)條件對TBM施工的直接影響,施工過程中非常有必要實施超前地質(zhì)預(yù)報,這是隧道施工地質(zhì)勘查工作的必要補充,特別是在可能存在復(fù)雜地質(zhì)的情況下,應(yīng)該增加超前地質(zhì)預(yù)報的頻次和方法,采用多種方法相互印證,盡可能準(zhǔn)確詳細(xì)地探明前方地質(zhì)條件。開工前的地質(zhì)勘查成果、TBM掘進(jìn)施工過程中實際揭露的圍巖狀態(tài)、超前地質(zhì)預(yù)報相結(jié)合,物探、鉆探、地質(zhì)素描相結(jié)合,可大大提高對前方地質(zhì)條件判斷的準(zhǔn)確性,為TBM施工提供很好的指引。

        TBM施工中的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)存在如下主要影響因素: TBM結(jié)構(gòu)龐大,作業(yè)空間狹小,特別是難以接近掌子面;大量金屬結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)形成強大的電磁干擾。鉆爆法施工中應(yīng)用良好的超前地質(zhì)預(yù)報方法在TBM法施工中不一定適用,即便有可行的方法,其準(zhǔn)確度仍有巨大的提升空間。慎重選擇有潛力的超前地質(zhì)預(yù)報方法,研發(fā)新的預(yù)報方法,多種方法相融合,取長補短,綜合評價,提升預(yù)報的準(zhǔn)確性。搭載式超前地質(zhì)預(yù)報將會成為主流的設(shè)備配置方式,借助于網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù),現(xiàn)場解析或者遠(yuǎn)程實時解譯,融入專家知識,及時為現(xiàn)場施工提供相對準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報成果。

        3.4.2 及時可靠的支護

        護盾式TBM施工采用管片支護,圍巖不出露,用于破碎圍巖、軟弱圍巖具有較好的效果,但如果遭遇大變形、強巖爆等復(fù)雜地質(zhì),其適應(yīng)性、可靠性不足;敞開式TBM施工支護方式靈活,但通常比較滯后,需要圍巖從盾尾出露后施作,容易引起塌方等現(xiàn)象。

        目前,TBM法隧道支護技術(shù)正在得到更多關(guān)注,研發(fā)新的支護理念、支護技術(shù),以應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì),前文有所涉及,不再贅述。

        3.4.3 超前處置技術(shù)

        隧道施工中圍巖出露后的處理屬于事后處置,有效但仍存在不足,超前加固、超前封堵等措施屬于事前預(yù)防,是極其重要的手段,并且在鉆爆法施工中應(yīng)用相對成熟,然而由于作業(yè)條件的限制在TBM施工中難以實現(xiàn)。面對復(fù)雜地質(zhì)條件,TBM施工迫切需要可靠、及時的超前處置措施,大幅減少處理斷層、破碎帶等不良地質(zhì)的時間和難度。

        TBM法隧道施工超前處置技術(shù)是應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件的關(guān)鍵措施,雖然開展了很多TBM超前支護、超前封堵等事前預(yù)防技術(shù)攻關(guān),但施工安全、超前處置質(zhì)量、施工效率等方面的應(yīng)用效果還需要大幅提升,難題主要集中在2點: 1)超前鉆孔,目前所能想到的所有超前處理措施都離不開超前鉆孔,如超前小導(dǎo)管、超前管棚、超前灌漿、超前錨桿、超前應(yīng)力釋放孔、超前鉆探等,但由于作業(yè)空間所限,鉆孔深度、間距、工效無法適應(yīng)施工需求。2)超前灌漿,目前還沒有開發(fā)出廣泛適用的TBM止?jié){、灌漿施工技術(shù)?!兑环N敞開式TBM超前支護加固系統(tǒng)》《一種用于TBM隧道施工的超前小導(dǎo)管》等專利技術(shù)進(jìn)行了有益探索,經(jīng)現(xiàn)場試驗已經(jīng)取得了較為明顯的效果[23-24]。結(jié)合面臨的地質(zhì)難題,相關(guān)單位需積極創(chuàng)造條件,鼓勵創(chuàng)新,保證安全的前提下勇于試驗,在摸索中實踐,在實踐中提升,是TBM研發(fā)、制造、工程規(guī)劃、施工的發(fā)展趨勢。

        3.4.4 其他

        TBM在極端破碎、嚴(yán)重蝕變、大變形等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工,存在卡機風(fēng)險,因而防卡脫困技術(shù)一直以來都被廣泛關(guān)注。大量研究與實踐取得了較為顯著的效果,但仍需進(jìn)一步深入研究,并將研究重點側(cè)重于“防卡”。突泥涌水是TBM施工過程中無法完全規(guī)避的,在已有研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,還需要繼續(xù)深入研究新材料、新技術(shù),開發(fā)新工法,力爭在防控技術(shù)上取得突破性進(jìn)展;隨著深埋、高地應(yīng)力地質(zhì)條件下隧道修建的需要,巖爆防控與監(jiān)測技術(shù)研究提上了日程,并且已經(jīng)取得了初步成效,但還需繼續(xù)深入研究,為川藏鐵路等后續(xù)工程提供更好的防控解決方案;完整硬巖中TBM破巖效率低、施工成本高,該地質(zhì)條件下TBM施工降本增效,需要從系統(tǒng)破巖和輔助破巖2方面著手創(chuàng)新。

        3.5 新型TBM研發(fā)與應(yīng)用

        由于待開挖隧道的地質(zhì)環(huán)境、施工環(huán)境和工程建設(shè)需求對TBM提出了更高的技術(shù)要求,采用原有的TBM裝備設(shè)計理念無法適應(yīng)今后的需求,必須研發(fā)、改進(jìn)和完善現(xiàn)有成熟機型、拓展功能、提升性能,同時也要研發(fā)新型TBM以擴展其適用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域[8,25],例如: 斜井TBM、豎井TBM、橫通道TBM、異形斷面TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復(fù)合式TBM(雙模式TBM、多模式TBM)等。

        復(fù)合式TBM已經(jīng)有了初步研究和應(yīng)用,例如: 早期的重慶軌道交通6號線銅鑼山隧道采用了2臺基于單護盾的復(fù)合式TBM,在單護盾TBM的基礎(chǔ)上,增加了土壓平衡功能,但實際施工實踐中并未真正使用土壓平衡功能;近年,雙模式盾構(gòu)已經(jīng)相對成熟,有過很多成功的工程應(yīng)用實例。

        交通領(lǐng)域、水利水電工程和采礦領(lǐng)域存在很多大坡度斜井與豎井工程,斜井TBM的設(shè)計制造與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。補連塔煤礦巷道坡度9.5%,長2 745 km,采用1臺單護盾TBM施工;北京冬奧管廊隧道長5.5 km,進(jìn)口段坡度4.5%,采用1臺敞開式TBM施工。但是,仍需繼續(xù)加大斜井TBM的研發(fā)和應(yīng)用力度,以適應(yīng)更多更嚴(yán)苛的斜井隧道施工。

        地下空間開發(fā)利用以及深部地下資源開采都離不開豎井,特殊的地質(zhì)環(huán)境與施工環(huán)境對豎井TBM施工技術(shù)提出了更加迫切的需求。國內(nèi)外一次成型正井法施工的豎井TBM裝備與施工技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)和前期準(zhǔn)備,少量已經(jīng)成功應(yīng)用,但很多機型仍停留在概念設(shè)計或者初級產(chǎn)品研發(fā)階段。預(yù)期TBM法深豎井施工即將成為現(xiàn)實。

        鐵路隧道、地鐵隧道以及特殊功能隧道所需的大量橫通道、設(shè)備間等輔助洞室,以往只能采用礦山法施工,開挖效率低,且大多無法和正洞同步施工。隨著TBM裝備和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步,將有望解決該問題,這也是TBM裝備技術(shù)和施工工法研發(fā)的一個重要方向。

        目前TBM開挖斷面均為圓形,但鐵路、公路等工程適宜的斷面型式為城門洞等型式,異形斷面TBM存在大量市場需求,但尚無相應(yīng)裝備,下一步需要深入研究破巖方法、刀盤規(guī)劃與設(shè)計、驅(qū)動技術(shù)、出渣技術(shù)等。

        TBM開挖直徑將向兩極化發(fā)展,超大斷面(尤其是超大異形斷面)TBM和長距離施工微型TBM,開挖直徑15 m的超大斷面單護盾TBM、開挖直徑2.5 m的微型TBM已經(jīng)完成設(shè)計制造,即將分別在格魯吉亞南北走廊Kvesheti至Kobi段公路隧道(簡稱“KK公路隧道”)、十堰水源馬百支線隧洞應(yīng)用,微型TBM見圖17。

        圖17 十堰水源馬百支線隧洞微型TBM

        3.6 TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化

        進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國的綜合實力、科技水平、技術(shù)研發(fā)能力有了巨大提升,部分技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入國際領(lǐng)先水平,但很多技術(shù)、產(chǎn)品仍然需要依賴進(jìn)口。全球化影響下,TBM零部件可以通過全球采購保障供給,但采購周期長、采購成本高。大直徑主軸承、減速機、大功率變頻器、重要液壓部件等,都屬于TBM的關(guān)鍵部件,實現(xiàn)其國產(chǎn)化是必然趨勢,部分產(chǎn)品已經(jīng)有了突破性進(jìn)展,有些仍然存在技術(shù)瓶頸,迫切需要做好技術(shù)儲備,避免出現(xiàn)類似高端芯片的斷供危機,導(dǎo)致TBM關(guān)鍵部件供應(yīng)制約TBM制造。為此,包括產(chǎn)學(xué)研用在內(nèi)的TBM設(shè)計制造全產(chǎn)業(yè)鏈需要繼續(xù)加大對關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制的重視。目前,TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展,液壓油缸已經(jīng)全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化,部分盾構(gòu)及少量TBM已經(jīng)開始使用國產(chǎn)主軸承,3 m直徑主軸承已經(jīng)研制成功[26],可用于直徑≤5 m的TBM。十堰水源馬百支線隧洞應(yīng)用的微型TBM(φ2.53 m)主軸承、主驅(qū)動電機和減速機均采用國產(chǎn)件。TBM零部件國產(chǎn)化占比越來越高,主軸承、主軸承密封、主驅(qū)動電機、主驅(qū)動減速機、液壓系統(tǒng)泵閥與馬達(dá)、大功率變頻器等關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口的局面將會逐步改變,我們急切需要實現(xiàn)TBM零部件全面國產(chǎn)化的目標(biāo)[8]。

        3.7 TBM法隧道施工信息化與智能化技術(shù)

        人工操作—機械化施工—自動化施工—智能建造是隧道施工技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)和5G時代的到來,使TBM法隧道施工實現(xiàn)信息化管理、自動化操作和智能建造成為可能。

        TBM法隧道施工具有相應(yīng)的大數(shù)據(jù)積累、分析、計算基礎(chǔ),大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)應(yīng)用于TBM法隧道施工,將在風(fēng)險防控、提高設(shè)備完好率、純掘進(jìn)時間利用率、指導(dǎo)TBM掘進(jìn)與支護、降低人員勞動強度和提高掘進(jìn)效率等方面發(fā)揮積極作用。目前,已經(jīng)有部分產(chǎn)品在應(yīng)用,但技術(shù)還不夠成熟,功能不夠完善,融入地圖導(dǎo)航式設(shè)計理念、電子處方式操作理念的TBM施工大數(shù)據(jù)綜合管控平臺等系統(tǒng)將會廣泛應(yīng)用,將具備數(shù)據(jù)采集、自動分析、綜合預(yù)判、預(yù)警管理、指導(dǎo)操作、多樣化適應(yīng)性報表輸出、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能學(xué)習(xí)、考核考評、自主總結(jié)等功能,服務(wù)于現(xiàn)場TBM施工、綜合管理、設(shè)備改進(jìn)與研發(fā)。中鐵十八局集團開發(fā)的一種TBM施工大數(shù)據(jù)平臺見圖18,中鐵裝備研發(fā)的TBM輔助智能掘進(jìn)系統(tǒng)見圖19[25]。利用TBM施工大數(shù)據(jù),可開展掘進(jìn)性能評價等工作,為TBM選型、設(shè)計制造和施工生產(chǎn)服務(wù)。

        TBM法隧道工程智能建造將成為隧道工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和未來行業(yè)競爭熱點[27],目前已經(jīng)起步并取得了一定進(jìn)展,今后將會在智能感知、智能分析、智能決策、智能操作方面取得更多成果。智能感知前方地質(zhì)、TBM設(shè)備運行參數(shù)、掌子面巖體、狀態(tài)監(jiān)測、已開挖洞段圍巖、巖渣、隧道軸線、支護結(jié)構(gòu)等;智能決策掘進(jìn)策略、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、調(diào)向策略、支護結(jié)構(gòu)等;操作方面,智能掘進(jìn)、智能導(dǎo)向調(diào)向、智能支護、智能出渣、智能狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。例如: 國家重點研發(fā)計劃項目“面向TBM施工的機器人智能作業(yè)系統(tǒng)”,在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了“一種獲取TBM隧洞形貌三維點云數(shù)據(jù)的裝置及方法”、“基于輕量級模型的隧道巖性快速識別方法”等成果[27-29]。

        圖18 TBM施工大數(shù)據(jù)平臺

        圖19 TBM輔助智能掘進(jìn)系統(tǒng)

        4 結(jié)語

        1)我國TBM法隧道施工經(jīng)過5個階段的發(fā)展,正在廣泛推廣,并且實現(xiàn)了以采用國產(chǎn)品牌TBM自主施工為引領(lǐng)的良好局面,從規(guī)模上將呈現(xiàn)升—平—降—穩(wěn)的波動發(fā)展過程;從分布區(qū)域、分布領(lǐng)域上近期仍將保持以西部地區(qū)、水利水電工程和軌道交通工程為主的發(fā)展態(tài)勢,同時,在鐵路、煤礦、抽水蓄能、礦山、公路等新興領(lǐng)域也將得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用;開挖直徑方面,在中等直徑TBM大范圍應(yīng)用基礎(chǔ)上,將呈現(xiàn)兩極化發(fā)展態(tài)勢,超大直徑TBM、微型TBM也會迎來發(fā)展機遇。

        2)隧道施工中,TBM法與鉆爆法各有優(yōu)劣,取長補短、聯(lián)合施工的方法將會長期存在,并且TBM法占比及單臺TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢;由于建設(shè)環(huán)境、施工條件等因素影響,部分短隧道也將采用TBM法施工。

        3)TBM法隧道施工技術(shù)的推廣應(yīng)用,機遇中伴隨著挑戰(zhàn),TBM設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù),已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步,但仍然面臨著許多問題,并且會不斷涌現(xiàn)出新的需求和問題,解決的唯一出路是科技創(chuàng)新。今后一段時期。TBM法隧道施工技術(shù)創(chuàng)新將主要集中在以下幾個方面: 改進(jìn)現(xiàn)有支護技術(shù),通過“四新”完善支護系統(tǒng);復(fù)雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)正在全面研發(fā)與實踐,掘進(jìn)策略、超前地質(zhì)預(yù)報、合理可靠支護、超前處置等措施相結(jié)合,即將實現(xiàn)巨大突破;斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復(fù)合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經(jīng)開始研發(fā)、應(yīng)用,正在取得長足進(jìn)步,技術(shù)成熟后將得以大力推廣;TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制與應(yīng)用已經(jīng)取得了階段性成果,TBM零部件必將全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。

        4)大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G技術(shù)是當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展熱點,智能建造已經(jīng)提上日程,TBM法工程技術(shù)需要緊跟時代脈搏,充分吸納先進(jìn)的理念和技術(shù),以信息化、大數(shù)據(jù)大幅提升TBM施工技術(shù)與施工管理水平,結(jié)合5G技術(shù)努力實現(xiàn)TBM智能化施工,這是提升TBM適用空間、解放勞動力、適應(yīng)時代發(fā)展的需要。

        文中關(guān)于現(xiàn)狀的分析和技術(shù)展望,還不全面、不深入,希望能夠和行業(yè)專家、學(xué)者、同仁的研究成果形成互補,共同促進(jìn)我國TBM法隧道工程技術(shù)進(jìn)步。

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