中國TBM施工技術(shù)進(jìn)展、挑戰(zhàn)及對(duì)策

杜立杰

(石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TBM研究中心， 河北 石家莊 050043)

中國TBM施工技術(shù)進(jìn)展、挑戰(zhàn)及對(duì)策

杜立杰

(石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TBM研究中心， 河北 石家莊 050043)

總結(jié)我國近30年來TBM設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展歷程，可歸納為以下5個(gè)階段： 1)研發(fā)探索和試用階段； 2)以國外施工承包商為主體,采用國外設(shè)計(jì)制造TBM施工我國隧道工程階段； 3)獨(dú)立進(jìn)行TBM招標(biāo)采購和選型設(shè)計(jì)，并建立起自主的TBM施工隊(duì)伍階段； 4)與國外廠家聯(lián)合設(shè)計(jì)制造TBM，工程應(yīng)用和自主施工快速發(fā)展階段； 5)實(shí)現(xiàn)TBM國產(chǎn)化,面向國內(nèi)外TBM工程市場(chǎng)自主施工階段。通過我國不同時(shí)期TBM施工的典型工程，介紹我國在復(fù)雜地質(zhì)、大坡度、高海拔、不同直徑、不同機(jī)型、超長隧洞TBM施工方面取得的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)積累和業(yè)績，展示我國TBM在穿越斷層破碎帶、軟弱變形、巖爆、涌水等不良地質(zhì)洞段取得的一系列施工新技術(shù)，以及最高月進(jìn)尺1 868 m、平均月進(jìn)尺超過600 m和掘進(jìn)作業(yè)利用率超過40%的掘進(jìn)技術(shù)水平。分析TBM在極硬巖、 大斷層破碎帶、軟弱大變形圍巖、強(qiáng)巖爆圍巖、涌水突泥洞段、高地?zé)崴矶春统L隧洞工程中施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，并提出一些相應(yīng)的技術(shù)措施和對(duì)策，期望這些措施和對(duì)策在未來大量實(shí)際工程中進(jìn)一步得到實(shí)踐驗(yàn)證、優(yōu)化和改進(jìn)，不斷積累和創(chuàng)新TBM設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)。

隧道工程； TBM； 敞開式； 護(hù)盾式； 小直徑； 大直徑； 超長隧洞集群； 大坡度； 極硬巖； 斷層破碎帶； 軟巖； 巖爆； 涌水突泥； 高地?zé)?/p>

Abstract: The design and construction technology of TBM in China over past 30 years can be summarized as the following 5 phases: 1) The exploration and trial phase; 2) Taking the foreign construction contractors as the main body and using TBMs designed and manufactured by foreign manufacturer phase; 3) Independent TBM bidding purchasing and selection design and establishing China-own TBM construction teams phase; 4) TBM co-designing and manufacturing with foreign manufacturers and engineering application and independent construction booming phase; 5) TBM home manufacturing and constructing tunnel works in China and abroad independently phase. The experiences, technologies and achievements of TBM tunnel works of some typical tunnel works in different times under conditions of complex geology, large slope, high altitude, different diameters, different types, and super-long distance are introduced; a series of new TBM construction technologies in bad geology, i. e. fault fracture zone, soft and weak rocks deformation, rockburst and water gushing, are presented; and the technological levels, i. e. the maximum tunneling footage of 1 868 m per month, average tunneling footage exceeded 600 m per month and the tunnel operation utilization higher than 40%, have been achieved. Furthermore, the risks and challenges of TBM construction in dead-hard rock, large fault fracture zone, large deformation soft rock, strong rockburst rock, water gushing and mud outburst tunnel section, high geothermal tunnel section and extra-long tunnel are analyzed, and several corresponding countermeasures which should be verified, optimized and improved are put forward.

Keywords: tunnel work; TBM; open-type; shield type; small diameter; larger diameter; extra-long tunnel groups; large slope; dead-hard rock; fault fracture zone; soft rock; rockburst; water gushing and mud outburst; high geothermy

0 引言

在過去的30年，特別是最近10年，我國TBM施工技術(shù)和自主研發(fā)水平有了飛躍發(fā)展。然而，在TBM施工技術(shù)領(lǐng)域介紹具體單個(gè)工程施工經(jīng)驗(yàn)的文章較多，而全面概括我國TBM設(shè)計(jì)和施工技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)較為鮮見[1-3]。為此，本文基于筆者20年來在TBM領(lǐng)域的理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)歷，結(jié)合實(shí)際TBM工程案例，首先概括我國30多年來TBM設(shè)計(jì)與施工技術(shù)發(fā)展的主要階段及其特征，論述不同特點(diǎn)TBM工程關(guān)鍵技術(shù)難題和所取得的掘進(jìn)業(yè)績及新技術(shù)； 然后結(jié)合我國最近正在實(shí)施的復(fù)雜地質(zhì)超大埋深、超長隧洞工程，闡述TBM設(shè)計(jì)施工所面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策。

1 中國TBM技術(shù)發(fā)展主要階段及其特征

1.1第1階段： 20世紀(jì)60—70年代，TBM研發(fā)探索和試用階段

我國TBM研究始于20世紀(jì)60年代，但受當(dāng)時(shí)國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)水平、政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、產(chǎn)品開發(fā)思路及技術(shù)路線等方面的影響，研發(fā)生產(chǎn)的TBM破巖能力弱、掘進(jìn)速度慢、故障率高、可靠性差，不能滿足隧道快速掘進(jìn)的要求，并且研制工作一度中斷，與真正意義上成功的現(xiàn)代硬巖TBM技術(shù)水平相差甚遠(yuǎn)，未能推廣應(yīng)用。

1.2第2階段： 20世紀(jì)80—90年代，以國外施工承包商為主體,采用國外設(shè)計(jì)制造TBM施工我國隧道工程

20世紀(jì)80—90年代，以山西萬家寨引黃入晉工程為代表，國外TBM承包商為主體，帶著國外設(shè)計(jì)制造的TBM，承建我國的水利水電工程。該階段的TBM工程還有廣西天生橋水電站工程和甘肅引大入秦工程。

1993—2000年實(shí)施的山西引黃入晉工程[4]，隧洞總長161.1 km,其中TBM施工洞段8段共計(jì)121.8 km,由羅賓斯公司等廠家生產(chǎn)的6臺(tái)直徑4.88～5.96 m雙護(hù)盾TBM施工, 承包商為意大利CMC等公司。由于工程地質(zhì)條件和TBM設(shè)備性能較好，承包商施工經(jīng)驗(yàn)豐富，取得了令人矚目的施工業(yè)績，創(chuàng)造了最佳月進(jìn)尺1 821.5 m的掘進(jìn)紀(jì)錄，平均月進(jìn)尺達(dá)到650 m。1991—1992年實(shí)施的甘肅引大入秦工程， 隧洞長11.65 km，直徑5.53 m，采用羅賓斯公司雙護(hù)盾TBM，由意大利CMC公司施工，圍巖抗壓強(qiáng)度為26～133.7 MPa,取得最佳日進(jìn)尺65.5 m、最佳月進(jìn)尺1 300 m的掘進(jìn)業(yè)績。而1985年實(shí)施的天生橋水電站工程[5]，采用雙護(hù)盾TBM施工，期間遭遇溶洞而被迫退出。

該階段我國TBM發(fā)展的特點(diǎn)： 國外制造商和承包商主導(dǎo)確定TBM設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案，在施工過程中鍛煉成長了一批國內(nèi)TBM施工作業(yè)操作人員，但缺乏工程全過程TBM專家和工程師隊(duì)伍的培養(yǎng)。

1.3第3階段： 1995—2005年，獨(dú)立進(jìn)行TBM招標(biāo)采購和選型設(shè)計(jì)，并建立起自主的TBM施工隊(duì)伍

該階段以西康鐵路秦嶺隧道為代表性工程，原鐵道部組織大批科研院所、高等院校和施工單位等全系統(tǒng)的技術(shù)力量，從1995年開始設(shè)立大批TBM施工技術(shù)研究課題。我國首次主導(dǎo)TBM選型設(shè)計(jì),采購德國維爾特公司制造的2臺(tái)直徑為8.80 m的敞開式TBM(見圖1)，由中鐵十八局集團(tuán)有限公司和中鐵隧道集團(tuán)有限公司施工。1997年下半年現(xiàn)場(chǎng)組裝進(jìn)入始發(fā)掘進(jìn)，1999年底隧道掘進(jìn)貫通[6]。該工程圍巖為混合花崗巖和混合片麻巖為主的極硬巖，抗壓強(qiáng)度為105～315 MPa,最高月進(jìn)尺531 m,平均月進(jìn)尺約310 m。

圖1 我國首次自主施工應(yīng)用于西康鐵路秦嶺隧道中的TBM

Fig. 1 The first TBM applied to Qinling Tunnel on Xikang Railway by China only

秦嶺隧道貫通后，這2臺(tái)TBM于2000年被轉(zhuǎn)移到西安—南京鐵路桃花鋪Ⅰ號(hào)隧道[7]和磨溝嶺隧道進(jìn)行施工，分別掘進(jìn)了7.2 km和6.1 km。這2個(gè)隧道工程軟弱圍巖隧道長度占比較大，遭遇隧道塌方、洞壁軟弱無法支撐等技術(shù)問題，在施工中采用了超前注漿、管棚以及側(cè)壁灌注混凝土等技術(shù)，首次自主取得了敞開式TBM長距離穿越軟弱圍巖隧道的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，最佳月進(jìn)尺為573 m。在這2臺(tái)TBM施工完畢放置5年后，2007年我國實(shí)現(xiàn)了自主修復(fù),并投入到南疆鐵路吐庫二線中天山隧道中施工。

在上述工程實(shí)施中，采取了施工企業(yè)、科研院所和高等院校聯(lián)合攻關(guān)的模式，成功地自主完成了TBM選型設(shè)計(jì)，在極硬巖和長距離軟弱圍巖掘進(jìn)施工中積累了較為豐富的使用維護(hù)、施工技術(shù)和施工管理經(jīng)驗(yàn)，鍛煉培養(yǎng)了一大批專業(yè)技術(shù)骨干和自主的TBM施工隊(duì)伍，并涌現(xiàn)出我國自己的TBM專家和工程師隊(duì)伍，進(jìn)行了大量技術(shù)總結(jié)，發(fā)表出版了一批科研成果，其中“秦嶺特長鐵路隧道修建技術(shù)”獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。這些技術(shù)總結(jié)和科研成果為后來的TBM工程項(xiàng)目提供了較好的參考和借鑒。

該階段TBM施工技術(shù)發(fā)展的主要特征： 我國自己主導(dǎo)了TBM招標(biāo)采購和選型設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)TBM自主施工，建立起自主的TBM施工隊(duì)伍，為后來TBM工程的全過程實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

1.4第4階段： 2005—2015年，與國外廠家聯(lián)合設(shè)計(jì)制造TBM，工程應(yīng)用和自主施工快速發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，遼寧大伙房水庫輸水工程開始論證，以該工程為代表，我國進(jìn)入了與外商聯(lián)合設(shè)計(jì)制造TBM、自主施工的大發(fā)展階段。

大伙房水庫輸水工程隧洞開挖直徑為8.03 m，連續(xù)長85.3 km,2005年現(xiàn)場(chǎng)組裝始發(fā)掘進(jìn)，2009年隧洞開始運(yùn)行。該工程是目前世界上已運(yùn)行的連續(xù)最長隧道，采用3臺(tái)敞開式TBM(見圖2)和鉆爆法聯(lián)合施工，首次在我國采用了刀盤變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、大直徑48.26 cm(19英寸)盤形滾刀技術(shù)、連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)、長距離低泄漏施工通風(fēng)技術(shù)和“蛙跳式”鋼枕木后配套軌道系統(tǒng)等10余項(xiàng)新技術(shù)，取得大直徑TBM最高月進(jìn)尺1 111 m、日進(jìn)尺63.5 m的掘進(jìn)記錄，掘進(jìn)作業(yè)利用率達(dá)到40%[8]。首次在中國證明長距離連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)是可靠的先進(jìn)技術(shù)，為后來我國普遍采用TBM施工連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)提供了參考依據(jù)。

圖2我國首次使用連續(xù)皮帶機(jī)出渣的大伙房水庫輸水工程TBM

Fig. 2 TBM applied to Liaoning Dahuofang Water Conveyance Project in China (first application of continuous belt conveyor)

由于大伙房水庫輸水工程的成功示范效應(yīng)，在此后的幾年里，TBM開挖直徑為3.65～12.4 m的新疆八十一達(dá)坂隧洞工程、四川錦屏Ⅱ級(jí)水電站工程、云南那邦水電站工程、蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程、甘肅引洮工程、青海引大濟(jì)湟工程、陜西引紅濟(jì)石工程和重慶地鐵等大批TBM工程項(xiàng)目相繼開工建設(shè)。這些工程大多采取了國外TBM制造商與中國裝備制造企業(yè)和施工單位聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，在國內(nèi)工廠組裝調(diào)試的模式。近10年我國各類型、各領(lǐng)域TBM工程應(yīng)用數(shù)量有了飛速增長，具體情況如圖3所示。與此同時(shí)，我國TBM施工隊(duì)伍不斷壯大，陸續(xù)有中鐵隧道集團(tuán)有限公司、中鐵十八局集團(tuán)有限公司、中鐵十九局集團(tuán)有限公司、中國水利水電第三工程局有限公司、中國水利水電第六工程局有限公司和山西省水利建筑工程局等10多家施工企業(yè)具有了獨(dú)立TBM施工經(jīng)驗(yàn)。

(a) TBM應(yīng)用增長情況

(b) 不同直徑TBM應(yīng)用情況

(c) 不同機(jī)型TBM應(yīng)用情況

(d) 不同領(lǐng)域TBM應(yīng)用情況

以大伙房水庫輸水工程為代表，該階段呈現(xiàn)出與國外TBM制造商聯(lián)合設(shè)計(jì)制造、自主施工工程大發(fā)展的特點(diǎn)，改變了以往傳統(tǒng)鉆爆法和TBM法長期爭(zhēng)議遲疑的局面，使我國在TBM設(shè)計(jì)制造技術(shù)、施工技術(shù)和人才隊(duì)伍建設(shè)上有了扎實(shí)的積累和跨越式進(jìn)步。

1.5第5階段：自2015年后，實(shí)現(xiàn)TBM國產(chǎn)化,面向國內(nèi)外TBM工程市場(chǎng)自主施工

由于西康鐵路秦嶺隧道和大伙房水庫輸水工程等項(xiàng)目的成功示范作用，以及技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和人才的不斷積累，我國已經(jīng)由10年前使用TBM的顧慮和爭(zhēng)議狀態(tài)，走向了對(duì)TBM應(yīng)用充滿信心的新時(shí)代。我國目前擁有TBM的巨大市場(chǎng)，而且我國施工企業(yè)開始在國外承擔(dān)TBM工程，如厄瓜多爾、越南、巴基斯坦、埃塞俄比亞、伊朗和黎巴嫩等。

與此同時(shí)，在我國近20年TBM自主施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累、消化吸收和改進(jìn)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，2012年我國“863”計(jì)劃正式立項(xiàng)研制大直徑硬巖TBM。以引松工程為代表性工程，高等院校與企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，2臺(tái)直徑8.0 m級(jí)的敞開式硬巖TBM(見圖4)在2015年成功研制下線，并投入到引松工程隧洞掘進(jìn)施工中。引松工程總干線隧洞全長72.3 km，共分4個(gè)標(biāo)段，采用3臺(tái)直徑7.93 m(可擴(kuò)挖8.03 m)的敞開式TBM和鉆爆法共同施工，其中中國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中國鐵建重工集團(tuán)有限公司分別研制1臺(tái)TBM，羅賓斯公司設(shè)計(jì)制造1臺(tái)TBM。2015年初2臺(tái)國產(chǎn)TBM出廠，2015年上半年開始掘進(jìn)，目前都已掘進(jìn)超過10 km，平均月進(jìn)尺超過600 m,創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺86.5 m、最高月進(jìn)尺1 226 m的掘進(jìn)紀(jì)錄，掘進(jìn)作業(yè)利用率超過56.85%，設(shè)備完好率達(dá)到94.7%[9]。

圖4 我國2015年研制的大直徑敞開式TBM

Fig. 4 Large diameter open-type TBM developed by China in 2015

更進(jìn)一步，2016年分別由中國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司和中國鐵建重工集團(tuán)有限公司首次自主研制的2臺(tái)直徑5.47 m雙護(hù)盾TBM在蘭州水源地工程正式始發(fā)掘進(jìn)。該工程輸水隧洞全長31.57 km,2臺(tái)TBM掘進(jìn)里程均已超過6 km。2016年由中國中鐵工程裝備集團(tuán)研制的直徑為9.0 m的敞開式TBM，將于2017年7月下線，應(yīng)用于具有大斷層、巖爆、軟弱大變形、突涌水、高地?zé)岬葟?fù)雜地質(zhì)的高黎貢山鐵路隧道項(xiàng)目。2017年2月15日，由中國中鐵工程裝備集團(tuán)自主研制的雙護(hù)盾TBM在深圳地鐵10號(hào)線始發(fā)掘進(jìn)。2016年，國外著名TBM施工承包商意大利CMC公司購買了中國中鐵工程裝備集團(tuán)研發(fā)的2臺(tái)3.5 m小直徑、300 m小轉(zhuǎn)彎半徑的敞開式TBM，應(yīng)用于黎巴嫩大貝魯特引水項(xiàng)目，2016年8月始發(fā)掘進(jìn)，創(chuàng)造日進(jìn)尺48 m，2017年5月5日首段4 km已掘進(jìn)貫通。2017年中國鐵建重工集團(tuán)有限公司為伊朗制造的雙護(hù)盾TBM也在現(xiàn)場(chǎng)組裝始發(fā)。單護(hù)盾TBM也實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，分別應(yīng)用于內(nèi)蒙古補(bǔ)連塔煤礦斜井和重慶地鐵工程。

自2015年首臺(tái)國產(chǎn)TBM成功研制以來，國產(chǎn)TBM開始占據(jù)我國TBM主流市場(chǎng)，新疆ABH工程、新疆EH工程、鄂北水資源配置寶林隧洞工程和浙江臺(tái)州朱溪水庫輸水隧洞工程等一批在建的工程采用的20多臺(tái)TBM，均由中國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中國鐵建重工集團(tuán)有限公司和北方重工集團(tuán)有限公司等裝備企業(yè)設(shè)計(jì)制造，并于2017年陸續(xù)開始投入掘進(jìn)。此外，北方重工集團(tuán)有限公司與世界著名TBM制造商美國羅賓斯公司在2016年實(shí)現(xiàn)重組。

綜上所述，以引松工程為代表性工程，中國TBM進(jìn)入新的發(fā)展階段。目前，我國已實(shí)現(xiàn)敞開式、雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM主要機(jī)型的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造，不僅面向中國未來TBM巨大市場(chǎng)，并已開始進(jìn)入國外TBM工程市場(chǎng)。

2 TBM典型工程及其掘進(jìn)技術(shù)和業(yè)績

2.1小直徑TBM施工工程

我國首次采用小直徑敞開式TBM施工的工程是云南那邦水電站引水隧洞。該工程地處云南西部邊陲盈江縣中緬邊界，具有亞熱帶雨林氣候特征，由于環(huán)保原因，原定的鉆爆法施工未被批準(zhǔn)立項(xiàng)，2007年論證后改為TBM施工，2009年5月TBM現(xiàn)場(chǎng)組裝，于2011年掘進(jìn)貫通。該隧洞開挖直徑為4.5 m,長9.8 km，采用海瑞克公司生產(chǎn)的敞開式TBM施工[1]。該隧洞直徑小，TBM設(shè)計(jì)布置和作業(yè)空間受限，巖石以片麻巖為主，存在大斷層和涌水，具有極硬巖和軟弱蝕變帶交替變化的特點(diǎn)，遭遇刀盤刀具磨損消耗大、刀盤焊縫開裂、刀座定位面塑性變形、軟弱蝕變帶圍巖變形卡機(jī)和撐靴無法支撐前行等技術(shù)難題，給TBM施工帶來很大困擾。

作為典型案例，在該工程穿越蝕變帶軟弱圍巖(見圖5)施工中，利用敞開式TBM護(hù)盾尾部距離撐靴有10 m左右距離的特點(diǎn)，在剛出露護(hù)盾處，就及時(shí)實(shí)施“密排支立拱架、換填立模灌注早強(qiáng)混凝土”的技術(shù)(見圖6)，使TBM成功穿越6段共計(jì)約500 m的軟弱蝕變帶圍巖。在TBM設(shè)計(jì)時(shí)，就設(shè)計(jì)布置了與TBM后配套噴混系統(tǒng)相連接的應(yīng)急噴混系統(tǒng)，利用后配套系統(tǒng)噴混輸送泵，通過管道轉(zhuǎn)送接頭直接將混凝土輸送到TBM主機(jī)前部灌注。由于撐靴距離護(hù)盾尾部約10 m，每天掘進(jìn)3 m不會(huì)被困住，待撐靴到達(dá)護(hù)盾尾部應(yīng)急灌注位置時(shí)，大約已過3 d時(shí)間，混凝土已硬化，撐靴完全可以支撐掘進(jìn)。采用該方法克服了TBM在嚴(yán)重蝕變帶不良地質(zhì)洞段被困的難題。那邦水電站工程地質(zhì)復(fù)雜，極軟極硬圍巖交替，TBM平均月進(jìn)尺為430 m，最高月進(jìn)尺為581 m，是我國首次在具有復(fù)雜地質(zhì)的西南地區(qū)成功采用TBM貫通的隧道。

圖5 撐靴無法支撐的蝕變帶圍巖Fig. 5 Altered surrounding rocks

圖6 敞開式TBM穿越蝕變帶技術(shù)Fig. 6 Technology for TBM crossing altered zone

另一工程案例是西藏旁多水利樞紐工程[10]，該工程為我國首次在高海拔地區(qū)實(shí)施TBM施工的工程。隧洞開挖直徑為4.0 m，長16.8 km，海拔4 200 m，采用海瑞克公司生產(chǎn)的敞開式TBM。2013年6月TBM組裝完畢開始掘進(jìn)，在掘進(jìn)中遭遇極硬巖和高海拔的影響，目前還剩余約2 km。該TBM不僅有小直徑設(shè)計(jì)布置空間受限的難題，而且有高海拔缺氧、氣壓低的特點(diǎn)，在TBM主參數(shù)設(shè)計(jì)、后配套設(shè)備選型和布置、通風(fēng)系統(tǒng)和出渣系統(tǒng)等方面都作了特殊考慮。

我國采用最小直徑雙護(hù)盾TBM施工的工程是陜西引紅濟(jì)石工程[11]。該工程開挖直徑為3.65 m，長約20.18 km，采用云南掌鳩河工程中途退出的TBM施工。2008年開始掘進(jìn)，由于圍巖破碎坍塌、突水突泥和圍巖變形等原因，TBM頻繁被卡被困，累計(jì)被困時(shí)間超過5年，對(duì)TBM主驅(qū)動(dòng)、刀盤和護(hù)盾進(jìn)行了局部改造后繼續(xù)掘進(jìn)，于2017年4月27日成功貫通。

2.2大直徑TBM施工工程

錦屏Ⅱ級(jí)水電站工程是迄今我國采用的最大直徑TBM施工工程。該工程主體有4條引水隧洞，長16.7 km，最大埋深2 525 m，采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合的方法進(jìn)行施工[12]。由于埋深大，地應(yīng)力高，巖石脆性大，遭遇了極強(qiáng)巖爆和大涌水，給工程帶來很大困難。該工程采用了1臺(tái)羅賓斯公司和1臺(tái)海瑞克公司設(shè)計(jì)制造的開挖直徑為12.4 m的敞開式TBM施工，2008年開始掘進(jìn)，2011年貫通，最佳月進(jìn)尺為683 m。在工程實(shí)施中，考慮到突涌水的影響，采用架高鋼枕軌道的運(yùn)輸方式，降低突涌水對(duì)TBM施工帶來的影響。然而，在面對(duì)極強(qiáng)巖爆地質(zhì)時(shí)，TBM施工遭遇了很大困擾。最終考慮到極強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)及4條隧洞的協(xié)調(diào)施工工期等因素，在2臺(tái)大直徑TBM掘進(jìn)超過6 km后，主動(dòng)停止了TBM掘進(jìn)，鉆爆法繼續(xù)完成剩余隧道施工。不論如何，該工程為強(qiáng)巖爆、突涌水等世界級(jí)規(guī)模高難度工程積累了有益的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

蘭渝線西秦嶺鐵路隧道是迄今我國采用大直徑TBM成功貫通的最長鐵路隧道。該工程隧道開挖直徑為10.2 m，全長28.24 km，分設(shè)左右2條單線隧道，TBM法和鉆爆法相向施工，TBM掘進(jìn)長度為16 km。該隧道圍巖主要為砂質(zhì)千枚巖，左右隧道均采用成都南車隧道裝備有限公司與羅賓斯公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的敞開式TBM掘進(jìn)，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣。該隧道2010年7月開始掘進(jìn)，2014年實(shí)現(xiàn)貫通，最佳月進(jìn)尺超過820 m。需要特別指出的是，在中天山隧道有軌運(yùn)輸出渣TBM同步襯砌施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，該工程在不中斷掘進(jìn)和皮帶機(jī)運(yùn)行出渣的情況下，成功采用了前部TBM掘進(jìn)、后部穿越連續(xù)皮帶機(jī)的并行同步襯砌施工技術(shù)[13]。

2.3超長隧洞集群TBM施工工程

遼寧省2009年成功修建大伙房水庫輸水工程后，不久就著手遼西北供水工程的立項(xiàng)，這是我國首次在一個(gè)工程中大規(guī)模集群使用TBM。該工程主隧洞主要由3段構(gòu)成，長度分別為100、130、40 km左右，采用TBM法和鉆爆法相結(jié)合的方法施工。TBM施工采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，支洞采用固定皮帶機(jī)出渣。主洞采用有軌運(yùn)輸，支洞采用無軌運(yùn)輸，洞內(nèi)或洞外設(shè)置拌合站。遼西北供水工程大規(guī)模集群TBM應(yīng)用情況見表1，該工程實(shí)際共采用8臺(tái)敞開式TBM施工，2013年陸續(xù)投入掘進(jìn)，6臺(tái)TBM從施工支洞運(yùn)進(jìn)，在主洞組裝洞室組裝后步進(jìn)、始發(fā)； 2臺(tái)TBM在主洞洞外組裝后步進(jìn)、始發(fā)。7臺(tái)全新TBM開挖直徑為8.5 m, 1臺(tái)修復(fù)TBM開挖直徑為8.0 m。圍巖主要為花崗巖、巨斑狀花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖、混合巖、凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)粉砂巖等，抗壓強(qiáng)度為 60～180 MPa。TBM施工中分別遭遇到斷層破碎帶、突涌水和極硬巖等難掘進(jìn)地質(zhì)洞段[2-3]。

表1 遼西北供水工程大規(guī)模集群敞開式TBM應(yīng)用情況Table 1 Open-type TBM applications to Liaoning-Northwest Water Supply Engineering

我國首次在遼西北供水工程TBM設(shè)計(jì)制造中采用了含鋼筋排夾層儲(chǔ)存?zhèn)}的頂護(hù)盾設(shè)計(jì)方案，利用該頂護(hù)盾設(shè)計(jì)，TBM施工中大量實(shí)施了鋼筋排支護(hù)技術(shù)(見圖7)，在應(yīng)對(duì)斷層破碎帶施工中取得了很好的效果。傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)支護(hù)隨TBM向前掘進(jìn)頂護(hù)盾尾部與支立好的鋼筋網(wǎng)之間總會(huì)形成支護(hù)斷續(xù)，造成破碎圍巖塌落，不僅安全性差，更突出的問題是增加了清渣時(shí)間，延緩支護(hù)速度； 而鋼筋排支護(hù)技術(shù)隨TBM掘進(jìn)頂護(hù)盾、鋼筋排、鋼拱架始終形成對(duì)洞頂?shù)倪B續(xù)封閉支護(hù)，因而控制了圍巖塌落。不僅如此，鋼筋排支護(hù)技術(shù)還可以有效防護(hù)中等以下巖爆。當(dāng)施工遭遇破碎帶時(shí)，將鋼筋排插入儲(chǔ)存夾層隔倉，鋼筋排露出護(hù)盾一端用支立鋼拱架頂住固定，另一端在頂護(hù)盾夾層結(jié)構(gòu)中隨著TBM向前掘進(jìn)不斷滑出，在鋼筋排前端完全露出之前再插入下一節(jié)鋼筋排。隨TBM向前掘進(jìn)，頂護(hù)盾、鋼筋排、鋼拱架形成封閉的不間斷支護(hù)。根據(jù)TBM護(hù)盾長度，鋼筋長度約4 m，貫入整個(gè)頂護(hù)盾，可以采用3根較小直徑(12 mm)鋼筋焊接、彎曲插入，也可采用若干單根較粗直徑鋼筋直接插入。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明： 鋼筋排連續(xù)封閉支護(hù)技術(shù)可大大降低塌方落渣和清渣量，降低人員、設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)，并可加快TBM穿越斷層破碎帶、塌方洞段的進(jìn)度，由原來斷層破碎帶日進(jìn)尺只有1～5 m，提高到5～15 m。

在遼西北供水工程中，我國首次使用了大直徑50.8 cm(20英寸)的盤形滾刀，減少了刀具消耗數(shù)量和換刀次數(shù)，從而提高了TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率。TBM掘進(jìn)4 167 m不同刀位累計(jì)刀具磨損情況見圖8，可知： 直徑8.5 m的TBM在抗壓強(qiáng)度80～130 MPa巨斑狀花崗巖條件下掘進(jìn)，隨刀具從刀盤中心到邊緣的刀位不同，刀具磨損速度總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)； 中心刀平均每延米掘進(jìn)磨損量為0.007 mm，每把中心刀可掘進(jìn)長度為1 302 m； 面刀每延米磨損量為0.025 mm，每把面刀可掘進(jìn)長度為634 m； 邊刀每延米磨損量為0.083 mm，每把邊刀可掘進(jìn)長度為169 m。

圖7 鋼筋排支護(hù)技術(shù)Fig. 7 Supporting technology of closed steel bar

圖8 TBM掘進(jìn)4 167 m不同刀位累計(jì)刀具磨損[2]

Fig. 8 Accumulated cutter wear in different cutter positions during TBM tunneling by 4 167 m[2]

此外，在TBM組裝和中間檢修步進(jìn)中，采用了基于摩擦差原理的平面滑板步進(jìn)技術(shù),步進(jìn)裝置見圖9?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明： 在TBM長距離步進(jìn)中，9 min可完成1.8 m步進(jìn)循環(huán)，達(dá)到約10 m/h的步進(jìn)速度。在TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)的長為4.3 km步進(jìn)洞段中，約1個(gè)月即完成了步進(jìn)及設(shè)備檢修工作，最高日步進(jìn)220 m，實(shí)現(xiàn)了TBM的高效步進(jìn)和快速轉(zhuǎn)場(chǎng)。步進(jìn)裝置簡單可靠，步進(jìn)速度快，大大縮短了工期和成本，為大直徑TBM步進(jìn)提供了可靠技術(shù)方案。

圖9 TBM平面滑行步進(jìn)裝置Fig. 9 TBM sliding and stepping device

目前，遼西北供水工程8臺(tái)TBM中有7臺(tái)已經(jīng)貫通， 1臺(tái)剩余掘進(jìn)長度不到2 km，也將在2017年實(shí)現(xiàn)貫通。其中5臺(tái)TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率超過40%，最高達(dá)到51.6%。4臺(tái)平均月進(jìn)尺分別達(dá)到622、624、639、646 m。創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺58.5 m、最高月進(jìn)尺1 079 m的掘進(jìn)紀(jì)錄。該工程較堅(jiān)硬巖石單機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)長度達(dá)到了16 km，未更換主軸承及其密封，刀盤面板焊接有Trimay T157耐磨保護(hù)板，貫通后仍保留較厚耐磨層，具有掘進(jìn)20 km以上的潛力。

值得關(guān)注的是，更大規(guī)模集群TBM施工工程正在新疆實(shí)施。新疆EH工程超長隧洞總長約524 km，最長單洞283 km，支洞正在采用2臺(tái)敞開式TBM施工，主洞將采用18臺(tái)敞開式TBM施工。

2.4 TBM大坡度下坡掘進(jìn)工程

近年來，由于特殊地貌和工程設(shè)計(jì)需要，我國煤礦運(yùn)輸巷道和水利工程所設(shè)巷道或施工支洞比較長，如果采用鉆爆法施工工期會(huì)很長。因此，出現(xiàn)了利用TBM大坡度直接掘進(jìn)斜井或支洞的需求，如山西大水網(wǎng)隧洞工程、新疆ABH隧洞工程、神華新街臺(tái)格廟煤礦運(yùn)輸巷道工程和神東補(bǔ)連塔煤礦運(yùn)輸巷道工程等。

神華集團(tuán)從2011年就開始論證新街臺(tái)格廟煤礦運(yùn)輸巷道采用TBM施工的可行性，最終決定在長約6.3 km、坡度約-10.5%、開挖直徑為7.6 m的2條平行巷道中采用單護(hù)盾-土壓平衡雙模式TBM施工。TBM大坡度下坡掘進(jìn)、長距離大坡度安全施工運(yùn)輸和出渣、施工排水等均具有一定特殊性和較大技術(shù)難度。該工程于2014年完成TBM現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試并步進(jìn)到位，但由于多種原因，TBM至今未能掘進(jìn)。此后，神東集團(tuán)在補(bǔ)連塔煤礦2號(hào)輔運(yùn)斜井采用了單護(hù)盾TBM施工。該巷道全長2 745 m，開挖直徑7.6 m，成巷直徑6.6 m，坡度為9.5%連續(xù)下坡。2015年初進(jìn)行TBM現(xiàn)場(chǎng)組裝，2015年6月開始掘進(jìn)，2015年12月成功貫通，創(chuàng)下連續(xù)4個(gè)月月進(jìn)尺超過500 m、最高月進(jìn)尺639 m的掘進(jìn)紀(jì)錄，解決了長距離、連續(xù)下坡、上穿下跨既有巷道、掘進(jìn)泥質(zhì)砂巖、多次穿越煤層和高壓富水等施工技術(shù)難題，填補(bǔ)了我國TBM在長距離大坡度煤礦斜井建設(shè)領(lǐng)域的技術(shù)空白。

山西大水網(wǎng)輸水工程長距離施工支洞也采用了TBM直接施工[14]。該工程包括總干線、東西干線以及各分支線路，采用鉆爆法和TBM法相結(jié)合施工，中部引黃總干線包括4條長度分別為15.16、29.02、119.23、34.29 km的隧洞，其中119.23 km中的41.355 km洞段采用直徑為5.06 m的雙護(hù)盾TBM1、TBM2掘進(jìn)。中部引黃東干線和東山供水工程各采用1臺(tái)開挖直徑為4.16 m的雙護(hù)盾TBM施工。4臺(tái)TBM在2014年陸續(xù)進(jìn)入始發(fā)掘進(jìn)。總干線TBM1、TBM2支洞掘進(jìn)完成后，直接進(jìn)入主洞掘進(jìn)，總掘進(jìn)里程已分別超過19 km和12 km。山西大水網(wǎng)工程TBM2進(jìn)洞支洞長3.68 km，坡度為-6.5%，前687.48 m為土洞段，采用人工鉆爆法施工，其余巖石段長2 953.52 m，采用TBM施工。在支洞下坡掘進(jìn)中最高日進(jìn)尺38 m、最高月進(jìn)尺617 m。在主洞掘進(jìn)中，TBM1、TBM2分別創(chuàng)造了1 054 m和1 026 m的掘進(jìn)紀(jì)錄。山西大水網(wǎng)工程斜井采用雙護(hù)盾TBM施工在國內(nèi)是首例，并創(chuàng)造了TBM下坡連續(xù)掘進(jìn)支洞，然后曲線轉(zhuǎn)彎直接掘進(jìn)主洞的成功案例。同時(shí)，該工程成功采用了支、主洞單條連續(xù)皮帶機(jī)出渣，主洞有軌運(yùn)輸、支洞軌道導(dǎo)引式膠輪車運(yùn)輸技術(shù)，解決了大坡度支洞有限空間TBM施工運(yùn)輸?shù)膶?dǎo)向、安全和牽引問題。

新疆ABH工程輸水隧洞總長約41 km,采用2臺(tái)敞開式TBM施工，其中上游TBM從支洞直接掘進(jìn)進(jìn)入主洞。該施工支洞長度為2 583.56 m，縱坡為-10.4%，支洞采用鉆爆法與TBM法相結(jié)合的施工方案，均為順坡掘進(jìn)、逆坡排水。鉆爆法實(shí)際施工長度為965 m，TBM法實(shí)際施工長度為1 614.493 m。目前TBM已成功完成支洞的掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大坡度TBM下坡安全步進(jìn)和掘進(jìn)。

至此，我國在單護(hù)盾、雙護(hù)盾、敞開式TBM中都有了大坡度順坡掘進(jìn)成功的案例。

2.5護(hù)盾式TBM施工工程

新疆八十一達(dá)坂隧洞是我國首次自主施工的雙護(hù)盾TBM工程，隧洞開挖直徑為6.79 m，長30 km，其中21.86 km采用海瑞克雙護(hù)盾TBM施工[15]。該隧洞圍巖為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖占較大比例。2006年TBM開始掘進(jìn)，施工中由于軟弱破碎圍巖塌方和變形，TBM被卡48次，累計(jì)停機(jī)379 d。采取了超前注漿措施，最終在2010年掘進(jìn)貫通,并創(chuàng)造了最佳月進(jìn)尺1 003 m的掘進(jìn)紀(jì)錄。

甘肅引洮工程主干輸水隧洞長35.6 km,開挖直徑為5.75 m,采用1臺(tái)雙護(hù)盾TBM和1臺(tái)單護(hù)盾TBM分別完成17.3 km和18.3 km洞段的施工。TBM由北方重工與法瑪通聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，2008年開始掘進(jìn)，2011年雙護(hù)盾TBM順利掘進(jìn)完成。單護(hù)盾TBM中途遭遇松散體含水地層，TBM發(fā)生沉陷被困，被迫撤出后重新制作了刀盤和盾體，停機(jī)約1年后從反方向洞口進(jìn)入繼續(xù)掘進(jìn)，并連續(xù)創(chuàng)造了1 515、1 718、1 868 m的月進(jìn)尺記錄。直到最后200 m左右在原TBM被困的松散體含水洞段又被困住，最終采用凍結(jié)法等施工技術(shù)完成剩余洞段施工，隧洞全線于2014年貫通。

青海引大濟(jì)湟主體輸水隧洞長24.17 km，開挖直徑5.93 m，成洞直徑5.0 m,采用北方重工與維爾特公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的TBM施工[16]。2006年10月TBM開始掘進(jìn)，2年掘進(jìn)7.03 km,之后TBM遭遇富水特大斷層被困。此后，TBM被卡10多次，4年半時(shí)間僅進(jìn)尺365 m，累計(jì)被困停機(jī)時(shí)間超過6年。面對(duì)工期嚴(yán)重滯后問題，2013年3月把完成引洮工程的TBM轉(zhuǎn)移到引大濟(jì)湟工程，從隧洞出口反方向接應(yīng)掘進(jìn)，共掘進(jìn)13.05 km，整個(gè)隧洞在2014年實(shí)現(xiàn)貫通。

此外，前文提到的引紅濟(jì)石工程青峰峽隧洞雙護(hù)盾TBM被困停機(jī)時(shí)間超過5年。經(jīng)過設(shè)備改造和艱難掘進(jìn)，在2017年4月27日實(shí)現(xiàn)貫通。

2.6地鐵TBM施工工程

地鐵隧道一般采用盾構(gòu)施工，但由于重慶地鐵的特殊地層，長11.122 km、開挖直徑6.36 m的2條并行隧道采用硬巖敞開式TBM施工[17]。該隧道主要圍巖為砂巖和砂質(zhì)泥巖，2009年采用羅賓斯公司生產(chǎn)的2臺(tái)敞開式TBM掘進(jìn)，取得最佳月進(jìn)尺863 m的紀(jì)錄。這是我國首次采用硬巖TBM施工地鐵隧道的成功案例，而地鐵隧道具有中間站點(diǎn)多、水平曲線多、轉(zhuǎn)彎半徑小和縱坡多變的特點(diǎn)，TBM掘進(jìn)具有一定的特殊性和難度。后來，在重慶地鐵建設(shè)中，單護(hù)盾TBM和復(fù)合式TBM也得以應(yīng)用。此外，由于特殊的地理地質(zhì)特征，雙護(hù)盾硬巖TBM在青島地鐵和深圳地鐵也都得到了應(yīng)用。

3 TBM施工面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)策

近年來，越來越多特殊地理地貌、復(fù)雜地質(zhì)、超大埋深和超長隧洞工程在我國立項(xiàng)，如新疆、西藏、云南、陜西等地區(qū)正在實(shí)施的水利水電和鐵路等工程項(xiàng)目。這些隧洞工程往往位于崇山峻嶺、人跡罕至、氣候惡劣、高海拔、戈壁沙漠和熱帶雨林等的特殊地理位置，環(huán)境地質(zhì)特殊，環(huán)保要求高，加之隧洞具有極硬巖、突水突泥、強(qiáng)巖爆、大斷層、大變形和高地?zé)岬葟?fù)雜地質(zhì)特征，工程勘察設(shè)計(jì)難度大，施工豎井或支洞深長且難以布置，加大了TBM選型設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。而這些特殊地理位置的超長、超大埋深隧洞，從環(huán)保、工期、成本等方面考慮，采用傳統(tǒng)鉆爆法可能更難以實(shí)施。因此，這些重大工程給TBM施工帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

3.1極硬巖TBM施工

我國已掘進(jìn)完成的TBM工程項(xiàng)目中，西康鐵路秦嶺隧道和云南那邦水電站引水隧洞巖石堅(jiān)硬，為花崗巖和片麻巖，平均抗壓強(qiáng)度約150 MPa，最高超過325 MPa，石英含量超過50%。最近正在實(shí)施的陜西引漢濟(jì)渭工程嶺南段圍巖更加堅(jiān)硬完整，給TBM施工帶來更大困難。根據(jù)這些極硬巖TBM施工工程的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，分析極硬巖帶來的施工影響主要有： 1)貫入度、掘進(jìn)速度極低； 2)刀具磨耗數(shù)量、成本急劇增加； 3)換刀次數(shù)和換刀時(shí)間嚴(yán)重增加； 4)掘進(jìn)作業(yè)利用率大幅下降； 5)進(jìn)尺大大下降； 6)工期、成本大幅增加； 7)主軸承、主驅(qū)動(dòng)壽命風(fēng)險(xiǎn)加大； 8)刀盤磨損壽命、開裂、變形風(fēng)險(xiǎn)加大。

例如，在云南那邦水電站引水隧洞極硬巖洞段施工中，存在以下問題： 1)TBM貫入度、掘進(jìn)速度明顯下降。巖石抗壓強(qiáng)度為180 MPa時(shí)的貫入度和掘進(jìn)速度只約為120 MPa時(shí)的1/3； 2)刀盤、刀座、鏟斗齒開裂磨損嚴(yán)重，修復(fù)時(shí)間大大增加，降低了TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率； 3)不僅刀具正常磨損消耗大大增加，而且刀具軸承碎裂、刀圈偏磨等刀具異常損壞明顯增加，停機(jī)檢查更換刀具時(shí)間大大延長，TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率降低，進(jìn)而降低進(jìn)尺。對(duì)2010年8月的掘進(jìn)作業(yè)利用率分析可知，刀具檢查、更換時(shí)間大大增加，除TBM正常維護(hù)時(shí)間(18%)以外，刀具檢查更換附加時(shí)間25%, 比通常的約5%高出20%。

又如，正在實(shí)施的陜西引漢濟(jì)渭工程，除了下坡掘進(jìn)突水、中等巖爆等難題外，極硬巖成為TBM施工的主要挑戰(zhàn)[18]。該工程隧洞總長98.3 km，開挖直徑為 8.0 m，采用2 臺(tái)敞開式TBM與鉆爆法結(jié)合施工。其中： 嶺北段采用海瑞克公司生產(chǎn)的TBM,計(jì)劃掘進(jìn)16 km，2014年6月15日試掘進(jìn)，2015年8月11日首段7 272 m貫通, 目前掘進(jìn)已超過10 km,軟弱圍巖和斷層塌方卡機(jī)是TBM施工的主要風(fēng)險(xiǎn)； 而嶺南段采用羅賓斯公司生產(chǎn)的TBM , 計(jì)劃掘進(jìn) 18 km, 2015年2月17日試掘進(jìn)，至2016年2月26日累計(jì)掘進(jìn)1 891 m，遭遇極硬巖、突涌水等技術(shù)難題，進(jìn)展緩慢。最高巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到240 MPa，大部分在160 MPa以上，磨蝕值為4.65～5.71，已掘進(jìn)段圍巖石英含量為43.67%～92.6%，抗壓強(qiáng)度和磨蝕性極高，并突發(fā)下坡掘進(jìn)大涌水，最大涌水量達(dá)42 000 m3/d，停機(jī)搶險(xiǎn)近3個(gè)月。對(duì)嶺南段現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得TBM掘進(jìn)速度與巖體抗壓強(qiáng)度關(guān)系： 1)當(dāng)抗壓強(qiáng)度為120 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度為2.4 m/h，月進(jìn)尺約達(dá)500 m； 2)當(dāng)抗壓強(qiáng)度為160 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度降為1.2 m/h，月進(jìn)尺低于250 m； 3)當(dāng)抗壓強(qiáng)度為200 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度僅為0.6 m/h，貫入度、掘進(jìn)速度極低，1.8 m掘進(jìn)行程需要掘進(jìn)3 h以上，月進(jìn)尺約120 m。可見，完整極硬巖對(duì)TBM貫入度、掘進(jìn)速度和進(jìn)尺速度影響極大。

在引漢濟(jì)渭嶺南段抗壓強(qiáng)度平均大于160 MPa的花崗巖、石英巖條件下,TBM掘進(jìn)1 891 m更換刀具1 626把，平均刀圈可掘進(jìn)100m左右。對(duì)比遼西北供水工程中抗壓強(qiáng)度為100 MPa左右的花崗巖,TBM4掘進(jìn)4 200 m換刀為 505把，正刀刀圈可掘進(jìn)600 m左右。可見，同一廠家50.8 cm(20英寸)的滾刀刀圈磨損壽命有數(shù)倍差別，這里巖石抗壓強(qiáng)度、石英含量等起到了主要作用。此外，除了正常磨損，極硬巖還使刀具軸承碎裂、刀圈偏磨等刀具異常損壞情況明顯增加，一把刀偏磨不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間可能造成數(shù)把刀同時(shí)偏磨。刀具磨耗和異常損壞都使換刀次數(shù)、時(shí)間大大增多，在引漢濟(jì)渭嶺南段最初1 891 m的掘進(jìn)中，除TBM正常維護(hù)時(shí)間以外，刀具檢查更換時(shí)間附加21%，使TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率只有19.4%，極硬巖刀具損耗對(duì)TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率產(chǎn)生很大影響。

基于多個(gè)TBM極硬巖施工案例及其現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出以下主要經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)： 1)按照目前TBM技術(shù)水平，相對(duì)較為容易掘進(jìn)的巖石抗壓強(qiáng)度為30～120 MPa，大于250 MPa將難以掘進(jìn)，180～250 MPa將帶來難以承受的工期和成本風(fēng)險(xiǎn)。 2)極硬巖使TBM掘進(jìn)速度和掘進(jìn)作業(yè)利用率大大降低，月進(jìn)尺降低，工期加長，成本消耗明顯增加。因此，一個(gè)工程的規(guī)劃、投招標(biāo)、工期和成本預(yù)估等要特別考慮該因素的影響。3)極硬巖給TBM刀盤開裂、磨損、壽命帶來極大挑戰(zhàn)，應(yīng)特別重視刀盤強(qiáng)度、剛度、耐磨性設(shè)計(jì)以及焊接質(zhì)量。4)主軸承等關(guān)鍵部件壽命和可靠性成為重要的關(guān)注點(diǎn)，籠統(tǒng)地認(rèn)為TBM的壽命是可掘進(jìn)20 km或30 km的觀點(diǎn)是不科學(xué)的，并將帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該計(jì)算分析一定里程的不同巖石的隧道，TBM運(yùn)轉(zhuǎn)多少“轉(zhuǎn)”或“小時(shí)”能夠打通該隧道。極硬巖TBM打通同樣里程隧道需要的小時(shí)數(shù)可能是其他較軟巖石的數(shù)倍，TBM主軸承的壽命就成為一個(gè)極為敏感的因素，更換主軸承的代價(jià)是0.5年或1年以上工期、數(shù)千萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失。5) 需要提高刀具磨損壽命和承載能力應(yīng)對(duì)極硬巖，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，同時(shí)合理優(yōu)化刀間距設(shè)計(jì)。

3.2大斷層破碎帶、軟弱大變形圍巖TBM施工

如前文所述，我國在云南那邦水電站敞開式TBM穿越長距離軟弱蝕變帶以及遼西北供水工程利用鋼筋排支護(hù)技術(shù)穿越斷層破碎帶方面都取得了成功。然而，在大斷層破碎帶以及軟弱大變形隧洞施工方面仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。斷層破碎帶、松散體及軟弱變形地質(zhì)對(duì)TBM施工有較大影響，對(duì)于敞開式TBM，可能帶來TBM撐靴無法支撐洞壁前行的技術(shù)難題。對(duì)于敞開式和護(hù)盾式TBM，都面臨圍巖大塌方或大收斂變形使TBM被卡被困的風(fēng)險(xiǎn)，而且護(hù)盾式TBM比敞開式TBM被卡被困的幾率更高，脫困難度相對(duì)更大些。我國近年來采用護(hù)盾式TBM施工被卡被困的案例較多，最近正在實(shí)施的工程難度將更大。

例如，2016年開始使用TBM施工的新疆ABH隧洞工程，開挖直徑為6.5 m，主洞總長41 km,其中32 km正在由2臺(tái)TBM施工。該隧洞屬于長距離超大埋深隧洞，最大埋深超過2 200 m。根據(jù)地質(zhì)資料，TBM施工的軟弱大變形洞段圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，長約7 km，變形相對(duì)位移為2.5%～5.0%。另外，大變形主要發(fā)生在斷層破碎帶、不整合接觸帶和蝕變帶等洞段，長約2.5 km，相對(duì)位移大于10%，可能造成坍塌，存在TBM卡機(jī)、塌方被埋、支護(hù)變形侵占開挖斷面的風(fēng)險(xiǎn)，易造成工期和成本難控，大斷層破碎帶和軟巖大變形是影響工程成敗的重要因素。 同時(shí)，新疆ABH工程同一隧洞不僅存在大埋深軟弱變形問題，還有相當(dāng)長洞段存在高地應(yīng)力強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)?？赡馨l(fā)生較強(qiáng)巖爆洞段總長約8.4 km，巖爆洞段長，巖爆等級(jí)從中等到強(qiáng)烈。強(qiáng)巖爆危及TBM及人員安全，極大影響工期和成本。既穿越軟弱大變形長洞段，又穿越強(qiáng)巖爆長洞段，從施工的角度考慮，TBM選型是一個(gè)新問題。有些觀點(diǎn)認(rèn)為，考慮到強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)，采用雙護(hù)盾TBM施工更安全，建議選用雙護(hù)盾TBM。但若選用雙護(hù)盾TBM，在強(qiáng)巖爆條件下管片支護(hù)的安全性缺乏理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，而且當(dāng)面臨大變形洞段時(shí),雙護(hù)盾TBM被卡以及工期、成本不可控的風(fēng)險(xiǎn)更大。最終，綜合考慮巖爆、大變形、地震活動(dòng)帶等特點(diǎn)以及工程永久襯砌壽命要求，選用敞開式TBM施工，并采取一定的巖爆防護(hù)設(shè)計(jì)措施。這可以降低TBM可能長時(shí)間被卡被困的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)敞開式TBM掘進(jìn)后的現(xiàn)澆混凝土二次襯砌也將使工程在質(zhì)量和壽命上具有一定優(yōu)勢(shì)。目前，新疆ABH工程一臺(tái)TBM已掘進(jìn)主洞超過4 km，另一臺(tái)TBM已從支洞掘進(jìn)約2 km進(jìn)入主洞，TBM的選型設(shè)計(jì)以及后續(xù)面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)的施工技術(shù)還將面臨檢驗(yàn)?？梢?，對(duì)于大埋深隧洞工程，同時(shí)可能出現(xiàn)大斷層、長距離大變形、強(qiáng)巖爆時(shí)，TBM選型設(shè)計(jì)、掘進(jìn)技術(shù)和支護(hù)設(shè)計(jì)與技術(shù)都面臨新的課題，未來南水北調(diào)西線、西藏水利水電開發(fā)等越來越多工程將面臨類似問題。

又如，最近實(shí)施的面臨軟巖大變形的大理—瑞麗鐵路高黎貢山隧道，全長34.538 km，9‰上坡掘進(jìn)，正洞12.37 km采用直徑9.0 m的敞開式TBM掘進(jìn)，平導(dǎo)洞10.18 km采用修復(fù)的直徑5.6 m敞開式TBM施工[19]，預(yù)計(jì)2017年9月TBM入場(chǎng)組裝，計(jì)劃工期約4年。TBM掘進(jìn)洞段圍巖有8.8 km長的花崗巖，其余為白云巖、灰?guī)r夾石英砂巖、片巖、板巖、千枚巖夾石英巖和變質(zhì)砂巖等,飽和抗壓強(qiáng)度為20～65 MPa，存在蝕變帶圍巖。隧道最大埋深1 155 m，預(yù)計(jì)有軟弱大變形、中等巖爆、大斷層破碎帶、巖溶突涌水和高地?zé)岬炔涣嫉刭|(zhì)。Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖占60%，Ⅳ級(jí)圍巖占30%，Ⅴ級(jí)圍巖占10%，含4個(gè)大斷層，寬度為150～270 m。綜合分析，巖爆、上坡掘進(jìn)突涌水、高地?zé)岬冉oTBM施工帶來的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)可控，而大斷層破碎帶、軟弱圍巖、蝕變帶、松散體等造成的塌方、變形、突泥使TBM埋機(jī)、卡機(jī)的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。

針對(duì)上述工程軟弱大變形圍巖，在TBM設(shè)計(jì)和施工技術(shù)上主要采取了以下預(yù)案： 1)正確進(jìn)行TBM選型設(shè)計(jì)，一般情況下推薦選用敞開式TBM。若采用護(hù)盾式TBM，需重點(diǎn)做好護(hù)盾直徑前后階梯遞減、盡可能縮短護(hù)盾長度、加大推進(jìn)力等的設(shè)計(jì)。2) 為應(yīng)對(duì)圍巖大變形，預(yù)留TBM擴(kuò)挖設(shè)計(jì)方案。直徑擴(kuò)挖≤100 mm時(shí), 采取邊刀墊塊外伸的技術(shù)方案； 直徑擴(kuò)挖>100 mm時(shí), 采取“刀盤提升系統(tǒng)+預(yù)留邊刀刀座+邊刀墊塊伸出”或“更換刀盤邊塊+護(hù)盾系統(tǒng)改造”的技術(shù)方案。3) 在敞開式TBM新型的支護(hù)設(shè)計(jì)及防護(hù)設(shè)計(jì)上，考慮采取方便靈活的主機(jī)前部L1區(qū)的機(jī)械化常設(shè)噴混系統(tǒng)、不間斷連續(xù)封閉的“鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)”、“全圓常裝隱藏式”超前注漿系統(tǒng)、可伸縮水漲式錨桿支護(hù)、可伸縮式拱架支護(hù)、TBM設(shè)備及人員安全防護(hù)等設(shè)計(jì)和施工方案。 4) 采取優(yōu)化的TBM掘進(jìn)技術(shù)、掘進(jìn)速度和掘進(jìn)參數(shù)控制。此外，個(gè)別大變形洞段，TBM通過后可能需要二次加固處理。5)對(duì)于松散體洞段，特別是松散體富水洞段，TBM難以穿越時(shí)，可考慮超前注漿處理后TBM掘進(jìn)通過。6)若TBM已經(jīng)被困無法通過，可能需要進(jìn)行設(shè)備改造， 或人工處理，TBM步進(jìn)通過， 或改線繞行。

未來大埋深帶來軟弱大變形和強(qiáng)巖爆等問題的復(fù)雜工程會(huì)越來越多，可結(jié)合現(xiàn)有工程，對(duì)上述提出的設(shè)計(jì)和施工預(yù)案進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證和總結(jié)提高，并從工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)、TBM選型設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等全面系統(tǒng)地進(jìn)行深入研究和工程實(shí)踐。

3.3強(qiáng)巖爆圍巖TBM施工

巖爆給作業(yè)人員、TBM設(shè)備安全帶來較大威脅，會(huì)破壞已有支護(hù)，給TBM施工安全、進(jìn)度和成本造成很大影響。迄今為止，我國TBM施工經(jīng)歷巖爆的工程主要有西康鐵路秦嶺隧道(輕微巖爆—中等巖爆)和錦屏Ⅱ級(jí)水電站引水隧洞工程(強(qiáng)巖爆—極強(qiáng)巖爆)。目前正在實(shí)施的陜西引漢濟(jì)渭工程、新疆ABH隧洞工程和大瑞鐵路高黎貢山鐵路隧道等大埋深隧道工程，都面臨中等—強(qiáng)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。

如前文所述，西康鐵路秦嶺隧道是我國首次引進(jìn)2臺(tái)敞開式TBM自主施工的隧道工程，隧道全長18.46 km，直徑8.8 m，圍巖為混合花崗巖和片麻巖，是抗壓強(qiáng)度105～315 MPa的堅(jiān)硬巖，最大埋深1 600 m。秦嶺隧道發(fā)生的巖爆主要是破裂松弛型、爆炸彈射型、爆炸拋射型的輕微—中等巖爆，對(duì)人員、設(shè)備安全和施工未造成太大的影響。秦嶺隧道防控巖爆的主要施工技術(shù)措施是網(wǎng)片、錨桿、拱架、噴混等聯(lián)合支護(hù)，以及掌子面刀盤和洞壁噴水措施。

錦屏Ⅱ級(jí)水電站引水隧洞工程[12,20]全長16.7 km，采用TBM法和鉆爆法聯(lián)合施工，1#、3#引水隧洞由2臺(tái)敞開式TBM施工，直徑12.4 m，另有1臺(tái)較小直徑敞開式TBM施工排水洞。隧洞圍巖主要為大理巖，抗壓強(qiáng)度為50～80 MPa，最大埋深2 525 m。該工程創(chuàng)造大直徑TBM掘進(jìn)月進(jìn)尺683 m的世界紀(jì)錄，但在較小直徑排水洞的TBM施工中出現(xiàn)13次強(qiáng)—極強(qiáng)巖爆，最終發(fā)生重大地質(zhì)事故。該工程大直徑TBM施工也經(jīng)歷了強(qiáng)巖爆的威脅，考慮強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)及工期等多種因素，掘進(jìn)6 km后主動(dòng)停機(jī)改為鉆爆法施工，最終工程貫通。

基于以往TBM施工中經(jīng)歷的強(qiáng)巖爆，得出以下主要經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)： 1) 對(duì)于中等或強(qiáng)烈以下巖爆，除加強(qiáng)TBM設(shè)備和人員防護(hù)以外，利用敞開式TBM配置的裝備，采用網(wǎng)片、錨桿、拱架、噴混支護(hù)或可伸縮錨桿、可伸縮拱架、鋼筋排支護(hù)等技術(shù)措施后，巖爆對(duì)TBM施工帶來的影響一般在可控和可接受的程度。 2) 對(duì)于極強(qiáng)巖爆，TBM施工的經(jīng)歷還很少，但由于TBM價(jià)格昂貴、制造周期長，巖爆對(duì)TBM施工的影響和可能損失遠(yuǎn)大于鉆爆法，且有毀滅性災(zāi)難的風(fēng)險(xiǎn)。目前，極強(qiáng)巖爆在時(shí)間、空間上難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制，只能采取恰當(dāng)?shù)倪x型防護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)技術(shù)、超前鉆孔釋放和鉆爆預(yù)先處理TBM再步進(jìn)通過等方案減小影響程度和風(fēng)險(xiǎn)。 3)盡管巖爆監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)有了較大進(jìn)展，但TBM施工人員仍需要地質(zhì)專家進(jìn)一步對(duì)巖爆發(fā)生條件、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、影響程度給予深入研究和指導(dǎo)，也需要更多實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)。4)對(duì)于超大埋深隧道，同時(shí)存在長距離強(qiáng)巖爆洞段和長距離軟弱圍巖大變形洞段的工程，TBM如何選型設(shè)計(jì)仍需創(chuàng)新探索和工程實(shí)踐檢驗(yàn)。

3.4涌水突泥洞段TBM施工

正在實(shí)施的引漢濟(jì)渭嶺南段，在施工初期出現(xiàn)突涌水，給施工帶來很大影響。TBM小坡度下坡掘進(jìn)，發(fā)生5次較大集中涌水，尤其是2016年2月28日發(fā)生的掌子面突涌水，單點(diǎn)單次涌水量超過20 000 m3/d，全隧涌水量最高達(dá)46 000 m3/d。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析表明： 在1 891 m距離的掘進(jìn)中，排水停機(jī)時(shí)間占11.5%，大大降低了TBM掘進(jìn)作業(yè)利用率。由于下坡掘進(jìn)，TBM主電機(jī)、回油泵、1層的平臺(tái)設(shè)備、TBM組裝洞配電柜等相繼被淹，臨時(shí)增加多路排水管，停機(jī)搶險(xiǎn)2個(gè)多月。 類似的山西大水網(wǎng)中部引黃工程斜井TBM下坡掘進(jìn)，涌水造成2臺(tái)TBM主驅(qū)動(dòng)電機(jī)被淹，臨時(shí)增加了排水系統(tǒng)。

錦屏Ⅱ級(jí)水電站也是突涌水施工的典型案例。錦屏Ⅱ級(jí)水電站輔助洞施工時(shí)，單點(diǎn)最大涌水量達(dá)到7.3 m3/s。在鉆爆法施工時(shí)，曾出現(xiàn)高壓涌水使鉆桿受沖擊噴出，需坐“船”進(jìn)入隧洞，施工交通中斷，鉆爆法施工遭遇極大困難。為此，開始論證主引水洞采用TBM施工的方案。2006年在主洞TBM施工方案論證時(shí)，建議使用“鋼軌枕”將TBM后配套行走軌道和施工運(yùn)輸軌道抬高1.5 m左右，以避免可能的大涌水淹沒TBM設(shè)備和運(yùn)輸通道。后來的實(shí)踐證明，該技術(shù)方案是成功的，該工程突涌水對(duì)TBM施工的影響小于對(duì)鉆爆法的影響，使突涌水問題沒有成為TBM施工的致命災(zāi)害。

此外，引洮工程單護(hù)盾TBM施工遭遇松散砂質(zhì)泥巖含水地質(zhì)，發(fā)生突泥災(zāi)害，TBM下沉，無法繼續(xù)前行。最終撤出TBM及后配套設(shè)施，重新制作了刀盤、盾體，掉頭方向組裝繼續(xù)掘進(jìn)，不良地質(zhì)洞段采取人工處理。

根據(jù)以往TBM施工案例，突水突泥對(duì)TBM施工有很大影響，主要有以下幾個(gè)方面： 1)突泥災(zāi)害往往導(dǎo)致圍巖難以穩(wěn)定，TBM可能沉陷、被埋，難以繼續(xù)掘進(jìn)前行，有重大風(fēng)險(xiǎn)； 2)突涌水、大面積淋水會(huì)惡化作業(yè)人員環(huán)境，設(shè)備故障率增高，降低作業(yè)效率； 3)給敞開式TBM洞壁噴混、護(hù)盾式TBM管片背部同步注漿的實(shí)施帶來困難； 4)給TBM施工運(yùn)輸帶來影響； 5)下坡掘進(jìn)的隧洞，TBM有被水淹的風(fēng)險(xiǎn)； 6)過量突涌水可能對(duì)隧洞外部生態(tài)環(huán)境或設(shè)施造成影響。

基于以往TBM工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)策如下： 1)上坡掘進(jìn)，一般風(fēng)險(xiǎn)可控。根據(jù)具體工程，TBM及其后配套排水系統(tǒng)按常規(guī)設(shè)計(jì)，隧洞排水可考慮自流排水，或采取適當(dāng)設(shè)置排水系統(tǒng)和適當(dāng)架高運(yùn)輸軌道等技術(shù)方案。2)下坡掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)作業(yè)利用率下降，成本、工期提高，設(shè)備可能被淹，風(fēng)險(xiǎn)大。需根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，一般應(yīng)事先設(shè)置超強(qiáng)排水系統(tǒng)，屬于風(fēng)險(xiǎn)控制措施。即使掘進(jìn)貫通后實(shí)際未遇到大涌水，這一風(fēng)險(xiǎn)控制措施也是必要的。隧洞排水系統(tǒng)與TBM設(shè)備排水系統(tǒng)需統(tǒng)籌考慮，解決好接口問題，并根據(jù)流量和揚(yáng)程設(shè)計(jì)計(jì)算好泵的選型、集水井設(shè)置及管路設(shè)計(jì)等。還需根據(jù)水量和隧洞坡度計(jì)算TBM關(guān)鍵部位被淹的搶險(xiǎn)緩沖時(shí)間。3)對(duì)于較為完整巖體的裂隙涌水，超前注漿效果可能有限，必要時(shí)宜結(jié)合開挖后的“排水+堵水”技術(shù)方案。4)溶洞、軟弱破碎和松散巖體涌水可能發(fā)生突水突泥，TBM被困風(fēng)險(xiǎn)很大，宜采取超前探測(cè)、超前注漿處理或人工處理后TBM步進(jìn)通過。5)個(gè)別工程可以慎重選擇使用雙模式掘進(jìn)機(jī)，即掘進(jìn)機(jī)具備硬巖敞開式掘進(jìn)模式和盾構(gòu)壓力平衡掘進(jìn)模式，可根據(jù)地質(zhì)變化進(jìn)行2種掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換。對(duì)于雙模式TBM，刀盤設(shè)計(jì)需要適應(yīng)硬巖和軟巖2種模式掘進(jìn)，主機(jī)出渣裝置可能需要皮帶機(jī)和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)換。

3.5高地?zé)崴矶碩BM施工

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，前文提到的新疆ABH隧洞工程和高黎貢山鐵路隧道預(yù)計(jì)都將經(jīng)歷高地?zé)釂栴}。新疆ABH隧洞工程預(yù)計(jì)地溫37～50 ℃的洞段長達(dá)7 562 m，超過50 ℃的洞段為1 571 m。地?zé)釔夯磧?nèi)人員作業(yè)環(huán)境，同時(shí)也可能導(dǎo)致設(shè)備過熱而無法正常工作。因此，具有嚴(yán)重地?zé)釂栴}的隧洞工程雖然解決難度很大，但必須在技術(shù)手段上給予足夠重視和考慮。

目前，隧洞降溫的主要的技術(shù)方法有通風(fēng)、水冷、冰冷方式，需綜合考慮具體工程情況作出選擇。通過加大風(fēng)量、風(fēng)速將更多熱量帶出洞外； 通過制冰裝置將制出的冰塊運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)，交換熱量再將水排出洞外； TBM配備制冷裝置，通過水與空氣熱交換，進(jìn)一步降低通風(fēng)出口空氣溫度，再通過排水將熱量帶出洞外。同時(shí)，需對(duì)TBM電氣、液壓等系統(tǒng)選型、散熱設(shè)計(jì)作特殊考慮，TBM局部系統(tǒng)設(shè)備、部件或局部作業(yè)區(qū)域可作重點(diǎn)降溫考慮。還需指出的是，在工程實(shí)踐中，目前還缺乏詳細(xì)實(shí)用的將隧洞產(chǎn)生地?zé)帷⒃O(shè)備發(fā)熱、風(fēng)水冰降溫系統(tǒng)綜合考慮的熱平衡理論計(jì)算模型，需進(jìn)一步研究這樣實(shí)用可靠的計(jì)算方法供技術(shù)人員設(shè)計(jì)計(jì)算用。

3.6超長隧洞TBM施工

新疆EH超長隧洞具有戈壁沙漠、 夏季炎熱、冬季極冷的地理環(huán)境特點(diǎn)。主洞總長約524 km，共采用18臺(tái)敞開式TBM施工，單臺(tái)TBM獨(dú)頭掘進(jìn)超過25 km，創(chuàng)世界紀(jì)錄。其中： 洞段1長283.393 km，開挖直徑7.0 m，采用11臺(tái)敞開式TBM施工; 洞段2長148.165 km， 開挖直徑7.8 m，采用5臺(tái)敞開式TBM施工； 洞段3長92.150 km，開挖直徑5.5 m，采用2臺(tái)敞開式TBM施工。超長主隧洞需設(shè)置輔助施工長支洞或深豎井，若采用施工支洞方案，可能要達(dá)到3～6 km長； 若采用深施工豎井方案，需300～600 m深。

超長隧洞在設(shè)置超長施工支洞或深施工豎井上，存在方案如何選擇的難題，需要綜合重點(diǎn)考慮以下2方面： 1)超長施工支洞或深施工豎井建造工期、成本的比較分析； 2)主洞施工期間，支洞或豎井出渣、物料運(yùn)輸?shù)目煽啃院桶踩裕约芭c主洞TBM掘進(jìn)速度匹配等問題。

最初，新疆EH工程主洞施工通道傾向于全部采用豎井方案，后來經(jīng)過進(jìn)一步論證，決定采用施工支洞為主、結(jié)合個(gè)別鉆爆段施工豎井及部分通風(fēng)豎井的布置方案。即使是施工支洞方案，也采用了2種方式： 1)修復(fù)的TBM洞外組裝直接掘進(jìn)施工支洞，然后撤出，開挖擴(kuò)大洞室，新TBM洞內(nèi)組裝后掘進(jìn)主洞； 2)鉆爆法修建施工支洞，并設(shè)置洞內(nèi)組裝擴(kuò)大洞室，主洞內(nèi)組裝TBM，然后掘進(jìn)主洞。

對(duì)于超長隧洞TBM施工，除重點(diǎn)考慮豎井、支洞方案選擇和布置以外，TBM分段、數(shù)量、獨(dú)頭掘進(jìn)距離等與以下問題相關(guān)，也需要重點(diǎn)考慮相應(yīng)對(duì)策： 1)長距離(超過25 km)獨(dú)頭掘進(jìn)TBM的長壽命和可靠性問題。2)高強(qiáng)度、剛度和耐磨性刀盤； 需更好的面板耐磨材料和周邊耐磨設(shè)計(jì)； 提高焊縫質(zhì)量，防開裂。3)需大尺寸、長壽命的主軸承和傳動(dòng)設(shè)計(jì)。需根據(jù)TBM掘進(jìn)各洞段的不同地質(zhì)，計(jì)算打通隧洞需運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)或小時(shí)，評(píng)估主軸承壽命是否足夠。4)長施工支洞或深豎井出渣、運(yùn)輸，以及長距離主洞TBM施工出渣、運(yùn)輸技術(shù)方案的可靠性和安全性問題，與TBM掘進(jìn)速度相匹配的問題。5)主洞長距離(超過25 km)連續(xù)皮帶機(jī)、大坡度長斜井固定皮帶機(jī)設(shè)計(jì)方案的可靠性問題，特別是中間驅(qū)動(dòng)控制和張力控制的問題。6)大坡度長距離斜井材料運(yùn)輸方案的安全性問題； 主洞長距離混凝土運(yùn)輸保質(zhì)問題。7)長距離TBM施工供電、供排水問題，包括供電壓壓降問題，泵的選型、揚(yáng)程、排量，集水井的布置。8)長距離通風(fēng)(超過25 km)風(fēng)機(jī)、風(fēng)管選型問題，獨(dú)頭壓入、中間接力方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析問題，是否設(shè)置通風(fēng)豎井問題的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。面對(duì)上述問題，新疆EH工程已有相應(yīng)的技術(shù)方案和措施，但這些技術(shù)方案的先進(jìn)性、合理性、可靠性，以及TBM和通風(fēng)系統(tǒng)、出渣皮帶機(jī)等配套系統(tǒng)的可靠性、壽命都有待實(shí)際工程的檢驗(yàn)，也需在實(shí)踐中不斷優(yōu)化和改進(jìn)，以總結(jié)提出對(duì)未來類似工程有參考價(jià)值的成果。

4 結(jié)束語

1)我國近30年來TBM技術(shù)發(fā)展的歷程是從最初國外承包商帶來國外設(shè)計(jì)制造的TBM進(jìn)行中國隧道施工，到我國自主選型和自主掌握TBM施工技術(shù)，再到我國實(shí)現(xiàn)TBM自主設(shè)計(jì)制造并走向國內(nèi)外TBM施工市場(chǎng)。特別是近10年我國TBM工程應(yīng)用迅猛增長，敞開式、雙護(hù)盾、單護(hù)盾等各種機(jī)型TBM實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，且未來20年我國TBM設(shè)計(jì)制造和工程應(yīng)用仍將有一個(gè)廣闊的前景。

2)在過去的30年里，我國TBM在鐵路、水利、水電、公路、地鐵、礦業(yè)等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，特別是水利、水電、鐵路行業(yè)應(yīng)用規(guī)模更大。在大量世界級(jí)工程施工中，大小直徑敞開式、雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM，以及超長隧洞、超大埋深隧洞集群TBM、斜井TBM施工都有了很多工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，取得了日進(jìn)尺70.4 m，敞開式和護(hù)盾式TBM最高月進(jìn)尺1 226 m和1 868 m，TBM平均月進(jìn)尺超過600 m，掘進(jìn)作業(yè)利用率超過40%的掘進(jìn)技術(shù)水平，可成功穿越大量斷層破碎帶、軟弱變形、巖爆、突涌水等復(fù)雜地質(zhì)洞段，積累了一系列TBM應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)的施工技術(shù)。

3)近年來，我國在特殊地理地貌、特殊環(huán)境氣候、超長、超大埋深，同時(shí)具有極硬巖、強(qiáng)巖爆、軟弱大變形、突泥突水、高地?zé)岬炔涣嫉刭|(zhì)的隧洞工程越來越多，在質(zhì)量、安全、工期、成本等方面，TBM施工仍然存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。雖然應(yīng)對(duì)這些難題已有一些技術(shù)方案和對(duì)策，但是這些預(yù)案還需大量實(shí)際工程的實(shí)踐驗(yàn)證、優(yōu)化和改進(jìn)，需要不斷積累和創(chuàng)新TBM設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)。

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Progresses,ChallengesandCountermeasuresforTBMConstructionTechnologyinChina

DU Lijie

(TBMResearchCenterofHebeiKeyLaboratoryofStructuralHealthMonitoringandControl,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

U 455.4

A

1672-741X(2017)09-1063-13

2017-05-03;

2017-07-11

國家“973”項(xiàng)目(2014CB046906)； 中國鐵路總公司項(xiàng)目(2016G004-A)

杜立杰(1964—)，男，河北承德人，1990年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，機(jī)械學(xué)專業(yè)，碩士，教授，主要從事TBM設(shè)計(jì)與施工領(lǐng)域的理論研究與工程實(shí)踐工作。E-mail: tbmdu@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.002