鞏江峰，王 偉，周俊超

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 中國鐵路盾構(gòu)隧道概況

我國1953年東北阜新煤礦首次開發(fā)與應(yīng)用盾構(gòu)，與國外相比晚了128年。直到2007年廣深港鐵路獅子洋隧道第一次采用盾構(gòu)法施工[1-2]，隨后除2011年外每年均有鐵路隧道采用盾構(gòu)法施工，并且盾構(gòu)的應(yīng)用數(shù)量在不斷攀升。截止2021年底，已運(yùn)營及在建的鐵路盾構(gòu)隧道達(dá)到31座，總長303 km，各年開工的盾構(gòu)隧道數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 鐵路盾構(gòu)隧道年度數(shù)量統(tǒng)計(jì)(單位：座)

對歷年來已實(shí)施的盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均進(jìn)度為168 m/月，最高進(jìn)度為560 m/月，為溫州市域鐵路S2線甌江隧道(盾構(gòu)外徑14.5 m)。不同管片外徑的盾構(gòu)對應(yīng)平均進(jìn)度及最高進(jìn)度如圖2所示。

圖2 不同外徑的鐵路盾構(gòu)隧道掘進(jìn)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

1.1 運(yùn)營鐵路盾構(gòu)隧道概況

截止2021年底，14個已運(yùn)營鐵路項(xiàng)目中的19座隧道采用了盾構(gòu)法施工，隧道總長141 km，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值涵蓋100～350 km/h各個標(biāo)準(zhǔn)，其中占比最大的為120 km/h，達(dá)到32%，共6座，見表1。

表1 已運(yùn)營的鐵路盾構(gòu)隧道統(tǒng)計(jì)

其中長度10 km以上的特長隧道5座，長度共計(jì)67 km；直徑10 m以上的大盾構(gòu)隧道共計(jì)10座，長度共計(jì)60 km；最大直徑盾構(gòu)管片外徑12.8 m，為廣深港高鐵益田路隧道[3]。

1.2 在建鐵路盾構(gòu)隧道概況

截止2021年底，16個在建鐵路項(xiàng)目中的17座隧道采用了盾構(gòu)法施工，隧道總長234 km，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值涵蓋120～350 km/h各個標(biāo)準(zhǔn)，其中占比最大的為160 km/h，達(dá)到47%，共8座，見表2。

表2 在建鐵路盾構(gòu)隧道統(tǒng)計(jì)

其中10 km以上的特長隧道10座，長度共計(jì)192 km；直徑10 m以上的大盾構(gòu)隧道共計(jì)10座，長度共計(jì)130 km；最大直徑盾構(gòu)管片外徑14.5 m，為溫州市域鐵路S2線甌江隧道[4]。

1.3 鐵路盾構(gòu)隧道規(guī)劃建設(shè)情況

截止2021年底，27個規(guī)劃鐵路項(xiàng)目中的40座隧道擬采用盾構(gòu)法施工，隧道總長387 km，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值涵蓋80～350 km/h各個標(biāo)準(zhǔn)，其中占比最大的為200 km/h，達(dá)到30%，共12座，見表3。

表3 規(guī)劃鐵路盾構(gòu)隧道統(tǒng)計(jì)

長度10 km以上的特長隧道16座，共計(jì)266 km；直徑10 m以上的大盾構(gòu)隧道共計(jì)38座，長度共計(jì)358 km，最大直徑盾構(gòu)管片外徑14.8 m，為滬蓉高鐵滬寧合段崇太長江隧道[5]。

2 鐵路TBM隧道概況

我國1966年在云南下關(guān)西洱河水電站開始開發(fā)并應(yīng)用TBM施工[6]，與國外相比晚了近120年，直到1998年1月19日，我國鐵路首次采用TBM在西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道正式開始掘進(jìn)[7]。近40 年來，中國采用TBM修建隧道數(shù)量逐步攀升。

截止2021年底，已運(yùn)營和在建采用TBM施工的鐵路項(xiàng)目共計(jì)6個，隧道共計(jì)11座(含平導(dǎo)1座)，隧道合計(jì)長度283 km，采用TBM法施工段落長度共計(jì)245 km，均采用了敞開式TBM施工，刀盤直徑最大為西秦嶺隧道的10.2 m[8]。規(guī)劃的深江鐵路深莞隧道(西段)擬推薦采用單護(hù)盾TBM施工，刀盤外徑約13.2 m(盾構(gòu)外徑12.8 m)，為首個國內(nèi)鐵路單洞雙線TBM隧道。部分TBM隧道統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 TBM法施工鐵路隧道不完全統(tǒng)計(jì)

根據(jù)已施工鐵路隧道統(tǒng)計(jì)，單臺TBM連續(xù)掘進(jìn)的最長距離為14.9 km，最高月掘進(jìn)速度為773 m。在建鐵路項(xiàng)目中設(shè)計(jì)單臺TBM連續(xù)掘進(jìn)的最長距離為17 042 m，平均月進(jìn)度約300 m。

3 中國盾構(gòu)及TBM隧道的發(fā)展與展望

3.1 鐵路盾構(gòu)及TBM隧道的發(fā)展概況

近40 年的發(fā)展成就表明，中國鐵路隧道的數(shù)量和長度已占據(jù)世界鐵路隧道之首[9-12]，所處的地形地質(zhì)、地域環(huán)境等也是世界上最復(fù)雜的，隧道工程類型、標(biāo)準(zhǔn)和功能涵蓋齊全，技術(shù)成就斐然。

在鐵路隧道領(lǐng)域，2007年廣深港鐵路獅子洋隧道采用4臺直徑11.18 m泥水盾構(gòu)施工，克服了高水壓、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等技術(shù)難題。盾構(gòu)法對地層的適應(yīng)性較強(qiáng)，盾構(gòu)法在城市鐵路隧道、水下鐵路隧道修建中，其安全性、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道首次采用TBM和整塊預(yù)制仰拱技術(shù)，自秦嶺隧道TBM開工以來，逐步構(gòu)建并完善了中國TBM 設(shè)計(jì)制造和設(shè)計(jì)施工的技術(shù)理論體系，為實(shí)現(xiàn)TBM自主設(shè)計(jì)、制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

在水利、城市軌道交通、公路及市政道路等領(lǐng)域，盾構(gòu)法及TBM隧道均有較為廣泛的應(yīng)用，各領(lǐng)域均具有各自應(yīng)用特點(diǎn)。水利行業(yè)對部分長大輸水隧洞采用TBM法施工，TBM直徑一般為4～8 m，國內(nèi)最大直徑TBM隧道為錦屏輸水隧洞，直徑為12.4 m，施工區(qū)段一般在10 km以上[13]；城市軌道交通領(lǐng)域區(qū)間隧道施工大部分采用盾構(gòu)法施工，其斷面直徑一般為6 m左右，區(qū)間長度1 km左右，相比于鐵路盾構(gòu)隧道其斷面相對較小，單區(qū)間連續(xù)掘進(jìn)長度較短，大部分采用雙洞小盾構(gòu)鋪設(shè)；公路及市政隧道部分跨江跨河、穿越敏感環(huán)境位置采用盾構(gòu)法施工，雙車道盾構(gòu)隧道直徑一般為11 m左右，三車道盾構(gòu)直徑一般為14 m左右，現(xiàn)階段部分雙層四車道盾構(gòu)隧道直徑達(dá)到15 m以上，區(qū)間長度在2～5 km，穿越地層以土層居多，其斷面相對較大，區(qū)間較短。

3.2 盾構(gòu)隧道技術(shù)挑戰(zhàn)及展望

在盾構(gòu)法隧道方面，我國現(xiàn)階段突破了直徑15 m以上的盾構(gòu)機(jī)制造與應(yīng)用技術(shù)，在大斷面軟硬不均地層、花崗巖球狀風(fēng)化地層、大卵石地層等情況有了工程實(shí)踐，應(yīng)用了限排減壓換刀、盾構(gòu)地中對接及盾構(gòu)常壓換刀等技術(shù)。目前在后續(xù)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展中仍需在以下方面進(jìn)一步研究。

(1)大埋深高水壓隧道。英法海峽隧道位于海平面以下100 m，佛莞城際鐵路獅子洋隧道最低深度位于水面以下78 m，后續(xù)在瓊州海峽[14]、臺灣海峽隧道等跨海隧道研究中，需著力解決在大埋深高水壓情況下施工風(fēng)險及結(jié)構(gòu)安全問題。

(2)長距離、不均一地層掘進(jìn)?，F(xiàn)階段由于地表建(構(gòu))筑物環(huán)境或水域影響，盾構(gòu)長距離掘進(jìn)情況增多，在不均一地層掘進(jìn)常出現(xiàn)沉降過大影響地表敏感建(構(gòu))筑物問題，同時面對刀具設(shè)備磨損、掘進(jìn)效率及設(shè)備穩(wěn)定性等難題，需在設(shè)備制造及施工管理方面進(jìn)行研究。

(3)多功能雙模式盾構(gòu)。盾構(gòu)掘進(jìn)面對地層的多樣性引起對多模式盾構(gòu)的需求，需能應(yīng)對各種地質(zhì)風(fēng)險，具有高適應(yīng)性并兼顧局部特殊性，如土壓TBM雙模盾構(gòu)、泥水TBM雙模盾構(gòu)，既具有巖石條件下快速掘進(jìn)功能，又具有軟弱地層時平衡開挖面功能，使盾構(gòu)技術(shù)與TBM 技術(shù)相互滲透、融合。

(4)數(shù)字化、智能化控制[15-16]。根據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其集成化、自動化和系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢，后續(xù)可研究盾構(gòu)的智能化、數(shù)字化控制技術(shù)，研究盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性自動掘進(jìn)技術(shù)，研究采用極簡控制理念的盾構(gòu)一鍵操作系統(tǒng)。

3.3 TBM隧道技術(shù)挑戰(zhàn)及展望

我國自1964 年開始TBM 設(shè)備的研發(fā)和施工，半個多世紀(jì)以來，TBM 發(fā)展分自力更生、國外承包、國外引進(jìn)、自主施工聯(lián)合生產(chǎn)與研發(fā)創(chuàng)新4個階段。20世紀(jì)90年代，針對不良地質(zhì)隧道，在設(shè)計(jì)、施工、防災(zāi)減災(zāi)、信息化、機(jī)械化方面技術(shù)進(jìn)步顯著。21世紀(jì)以來，在刀盤刀具高效設(shè)計(jì)、擴(kuò)挖設(shè)計(jì)、隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)、集成式支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)等方面取得了長足發(fā)展。目前正在施工和計(jì)劃投入施工的TBM數(shù)量達(dá)60臺(套)，計(jì)劃掘進(jìn)長度近800 km。但現(xiàn)階段仍需在以下兩方面進(jìn)一步研究。

(1)斷層破碎帶及節(jié)理密集破碎帶TBM施工。通過斷層破碎帶或火成巖蝕變帶時，敞開式TBM容易卡刀盤，同時掘進(jìn)效率大大降低。采用護(hù)盾式TBM仍有卡機(jī)風(fēng)險，可能出現(xiàn)掌子面坍塌、護(hù)盾尾部大量掉渣，特別是破碎富水洞段，渣土呈泥石流狀涌出，發(fā)生卡刀盤、卡盾體現(xiàn)象導(dǎo)致TBM難以穿越。對該地層施工需提高刀盤扭矩、減少刀盤暴露及盾體長度，后續(xù)研發(fā)護(hù)盾式TBM具有盾體可伸縮功能，研發(fā)敞開式TBM具備超前加固地層輔助推進(jìn)及管片拼裝功能，加強(qiáng)斷層破碎帶適應(yīng)性。

(2)極硬巖TBM施工。極硬巖地層TBM施工存在刀盤貫入度低導(dǎo)致掘進(jìn)速度極低、刀具磨耗增加導(dǎo)致施工成本增加、換刀次數(shù)增多導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)利用率大幅下降、刀盤磨損壽命、開裂、變形風(fēng)險加大等問題。后續(xù)需通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、刀間距、刀盤結(jié)構(gòu)、刀座結(jié)構(gòu)、采用新型耐磨材料等，其次加強(qiáng)現(xiàn)場刀具檢測與管理，來降低刀盤刀具磨損、增加刀盤刀具壽命。通過對刀具技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)使用韌性高、磨損性更好的大直徑盤形滾刀或新型刀具。

4 結(jié)語

我國隧道建設(shè)快速發(fā)展的同時，人力資源及成本問題逐漸凸顯。農(nóng)民工是我國隧道建設(shè)行業(yè)從事一線操作的主要力量，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展國內(nèi)新增勞動力人口數(shù)量在不斷減少，鐵路一線工地產(chǎn)生“用工荒、高工資”的問題。究其原因，主要是由于隧道行業(yè)洞內(nèi)施工工作環(huán)境惡劣、生活條件艱苦，同時新一代農(nóng)民工大軍選擇從事隧道施工較少。用工荒和人工價格的上漲是一個新型勞工社會的轉(zhuǎn)型和升級問題，面對這一問題，通過盾構(gòu)及TBM法施工降低人員勞動強(qiáng)度、提高隧道開挖質(zhì)量及開挖效率，提高作業(yè)安全性、改善人員作業(yè)環(huán)境，最終緩解人力資源不足的困境，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級才是長久之策。TBM及盾構(gòu)法作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，其發(fā)展日新月異，在我國必將有廣闊的應(yīng)用前景。

說明：文中數(shù)據(jù)不包括中國香港、澳門特別行政區(qū)及中國臺灣的數(shù)據(jù)。