巖石掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)展望

王雁軍，齊夢學(xué)

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222；2.中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

0 引言

伴隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，巖石掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine,簡稱TBM)在水工隧洞、鐵路隧道、城市軌道交通隧道以及綜合管廊等工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，TBM法隧道施工技術(shù)已經(jīng)得到了更加廣泛的認(rèn)可。

TBM施工行業(yè)的發(fā)展前景十分光明，同時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)也十分嚴(yán)峻。TBM的大范圍推廣，為提升我國隧道施工水平、建設(shè)速度、建設(shè)質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)做出了重大貢獻(xiàn)，也讓以往無法實(shí)施的超長隧道不斷成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)施工過程中遇到的問題也越來越多，例如：青海引大濟(jì)湟工程的24 km隧洞出口端TBM歷經(jīng)9年累計(jì)掘進(jìn)11 km，卡機(jī)數(shù)十次[1]；陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞越嶺段遭遇了嶺南大流量突涌水被迫停機(jī)處置[2]，而嶺北大斷層采用礦山法導(dǎo)洞開挖上半斷面、TBM法掘進(jìn)下半斷面[3]；西北某輸水隧洞TBM施工面臨著超長、強(qiáng)蝕變、高巖溫、大埋深等“一超二強(qiáng)三高四大”的問題；大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工存在高地應(yīng)力等“三高四活躍”的問題[4-6]；遼西北供水工程TBM施工過程中曾遇到局部極完整圍巖，整個(gè)掌子面無節(jié)理發(fā)育，掘進(jìn)速度大約只有正常掘進(jìn)速度的1/5；西北某工程面臨著長距離極完整特硬巖挑戰(zhàn)；TBM在斷層破碎帶施工過程中初期支護(hù)與圍巖加固成為制約施工進(jìn)度的主要因素，皮帶機(jī)時(shí)而由于刀盤出渣量劇增而過載停機(jī)等。這些問題的解決，需要依靠施工工法、施工工藝的提升，更需要從根本上進(jìn)行解決，即提高TBM的工程適應(yīng)性。

基于當(dāng)前TBM應(yīng)用領(lǐng)域，在今后繼續(xù)推廣TBM施工技術(shù)時(shí)，還需要探索新型TBM研發(fā)，如異形斷面TBM；同時(shí)，繼續(xù)大力促進(jìn)TBM周轉(zhuǎn)使用和再制造TBM的應(yīng)用，否則系統(tǒng)龐大、造價(jià)高昂的TBM設(shè)備將無法充分發(fā)揮作用而造成社會資源的浪費(fèi)和國有資產(chǎn)的流失。

近年來，針對TBM方面的研究成果很多，但關(guān)于TBM關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向的論述則較為籠統(tǒng)，例如：高黎貢山隧道“新型TBM”[7]仍然屬于常規(guī)敞開式TBM，而在超前鉆機(jī)的安裝方式等方面有所創(chuàng)新；再制造TBM有所研究但一直無法得以推廣應(yīng)用[8-9]。基于此，本文在簡要分析TBM在我國的發(fā)展過程、應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，總結(jié)TBM施工所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；從破巖、出渣、支護(hù)3大TBM基本功能入手，結(jié)合20余年TBM施工實(shí)踐，探討TBM設(shè)計(jì)制造和施工應(yīng)用技術(shù)發(fā)展方向，以期推動我國TBM事業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

1 TBM在我國的研究應(yīng)用與前景

1.1 TBM在我國的研究應(yīng)用

TBM在我國的研究與應(yīng)用，始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過50多年的發(fā)展，總體上經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段。

1.1.1 自力更生，獨(dú)立研發(fā)

20世紀(jì)60年代我國開始獨(dú)立研發(fā)TBM設(shè)備，并且進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)[10]。受當(dāng)時(shí)自力更生指導(dǎo)思想的影響，且受制于國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)水平、設(shè)計(jì)水平以及境外技術(shù)與產(chǎn)品封鎖，導(dǎo)致未能真正獲得成功，但培養(yǎng)了掌握基礎(chǔ)理論的人才。

1.1.2 引進(jìn)設(shè)備，外企施工

1980—1990年，我國開始引進(jìn)國外TBM設(shè)備，甚至由境外施工企業(yè)承建，國內(nèi)提供部分勞務(wù)。該階段以山西萬家寨引黃入晉為代表工程，機(jī)型為雙護(hù)盾TBM，地質(zhì)以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，最高月進(jìn)尺1 821.5 m，平均月進(jìn)尺650 m[11]。良好的施工進(jìn)度得益于適宜的地質(zhì)條件、合理的設(shè)備選型、成熟的施工技術(shù)與施工管理。該階段為國內(nèi)TBM事業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了一批技術(shù)人員，目前仍然在為TBM設(shè)計(jì)制造與施工服務(wù)。

1.1.3 引進(jìn)設(shè)備，國企施工

1997年西康鐵路秦嶺隧道TBM設(shè)備進(jìn)場，由鐵道部第十八工程局和鐵道部隧道工程局2家國企承建，最高月進(jìn)尺分別為509、531 m，平均月進(jìn)尺為310 m[10,12]。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、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，也全部采用境外品牌TBM設(shè)備，由國內(nèi)企業(yè)獨(dú)立組織施工。遼西北供水工程TBM進(jìn)度普遍較好，如二段四標(biāo)TBM平均月進(jìn)尺為616 m。同時(shí)，也有例外，如甘肅引洮工程9#隧洞TBM施工實(shí)際由境外企業(yè)承擔(dān)。

該階段培養(yǎng)和鍛煉了獨(dú)立使用和管理TBM的施工企業(yè)，為國內(nèi)科研院所及企業(yè)深入研究TBM提供了條件，TBM工法逐步得以推廣。

1.1.4 強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，自主研發(fā)

2010年以來，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)的支持下，聯(lián)合國內(nèi)科研院所，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、自主研發(fā)、設(shè)計(jì)制造了2臺敞開式TBM，并成功應(yīng)用于吉林省中部城市引松供水工程。二標(biāo)段敞開式TBM平均月進(jìn)尺為661 m，最高月進(jìn)尺為1 209 m[13]。良好的施工進(jìn)度得益于適宜的地質(zhì)條件、TBM設(shè)備良好的工程適應(yīng)性、緊密結(jié)合施工實(shí)踐的設(shè)備配置、科學(xué)的施工組織管理。

1.1.5 自主品牌，推廣應(yīng)用

吉林引松2臺自主品牌TBM的成功應(yīng)用，奠定了TBM設(shè)備獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，也奠定了建設(shè)單位、施工企業(yè)對自主品牌TBM的信賴，國產(chǎn)TBM得以在國內(nèi)外迅速推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，補(bǔ)連塔煤礦、蘭州水源地、鄂北水資源配置寶林隧洞工程、重慶地鐵、深圳地鐵、青島地鐵、西部某引水工程、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經(jīng)采用自主品牌TBM 40余臺(套)，并且國產(chǎn)TBM已經(jīng)走出國門。

1.2 應(yīng)用前景

經(jīng)過近20多年的發(fā)展，TBM應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了鐵路、水利、能源、軌道交通、礦山、綜合管廊等領(lǐng)域，目前正在施工和年內(nèi)計(jì)劃投入施工的TBM數(shù)量已達(dá)60臺(套)，計(jì)劃掘進(jìn)長度近800 km。例如：西部某引水工程3條隧洞總長520 km，采用TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工，主體工程同時(shí)采用18臺敞開式TBM、3臺盾構(gòu)施工，其中2條支洞分別采用1臺二手TBM施工，如此大規(guī)模的集群化TBM施工，在國際上也是前所未有的；同時(shí)，青島地鐵、深圳地鐵、重慶軌道交通、引綽濟(jì)遼、滇中引水、西(寧)成(都)鐵路、川藏鐵路等項(xiàng)目也將繼續(xù)投入大量TBM開展施工。

目前國內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造企業(yè)主要有3家，分別是完全自主生產(chǎn)的鐵建重工，收購了德國WIRTH公司的中鐵裝備，收購了美國ROBBINS公司的北方重工。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在建工程中國產(chǎn)TBM已經(jīng)占據(jù)了90%的市場份額。

TBM法隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張，帶動了國內(nèi)施工企業(yè)的迅猛發(fā)展，從原來中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)發(fā)展到目前的近20家。

可見，從應(yīng)用領(lǐng)域、在建工程與潛在工程數(shù)量、TBM設(shè)計(jì)制造與施工等方面綜合分析，TBM設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用前景十分美好。自主品牌與融合了境外資源的國產(chǎn)TBM設(shè)備以及施工技術(shù)，都需要健康發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)我國TBM設(shè)計(jì)制造與施工水平不斷提高。

2 TBM施工面臨的挑戰(zhàn)

我國TBM法隧道的建設(shè)環(huán)境呈現(xiàn)兩極化發(fā)展趨勢，一是朝著地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺隧道發(fā)展，二是朝著建設(shè)環(huán)境嚴(yán)苛的城市地下工程發(fā)展。目前，TBM施工主要面臨著如下挑戰(zhàn)。

2.1 地質(zhì)條件多樣化

隨著我國TBM應(yīng)用數(shù)量的增加、在建工程的增多、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，其分布區(qū)域也更加廣泛，面臨的地質(zhì)條件呈多樣化發(fā)展趨勢。

吉林省中部城市引松供水工程、遼西北供水工程，TBM施工取得了良好的進(jìn)度，與設(shè)備設(shè)計(jì)制造、施工方案、施工組織有關(guān)，更重要的是其地質(zhì)條件非常適合采用TBM法施工；西部某引水工程TBM掘進(jìn)數(shù)百km，適宜采用敞開式TBM施工的Ⅱ、Ⅲ級圍巖比例高達(dá)95%以上。

然而上述適宜地質(zhì)是可遇不可求的，更多的隧道工程的地質(zhì)條件呈多樣化。引漢濟(jì)渭工程TBM施工面臨著大埋深、高地應(yīng)力、強(qiáng)巖爆、大流量突涌水、特硬巖、大斷層、瓦斯、高巖溫等考驗(yàn)；西北某輸水隧洞TBM施工面臨著“一超二強(qiáng)三高四大”(超長、強(qiáng)巖爆、強(qiáng)蝕變、高地應(yīng)力、高巖溫、高水壓、大埋深、大變形、大斷層、大流量突涌水)惡劣條件；高黎貢山隧道TBM施工存在“三高四活躍”(高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度、活躍的新構(gòu)造運(yùn)動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件、活躍的岸坡淺表改造過程)的地質(zhì)難題[4]。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域亟待拓展

當(dāng)前國內(nèi)TBM主要應(yīng)用于水利水電工程隧洞，軌道交通領(lǐng)域次之，鐵路隧道應(yīng)用較少，其他領(lǐng)域更少。

如圖1所示，水工隧洞TBM應(yīng)用數(shù)量占比高達(dá)60%，一個(gè)重要原因就是TBM的開挖斷面為圓形，更符合水工隧洞斷面設(shè)計(jì)要求；地鐵隧道TBM應(yīng)用數(shù)量占30%，一個(gè)重要原因是城市環(huán)境不允許大范圍爆破，而技術(shù)經(jīng)濟(jì)性與綜合效益更好的非爆破隧道開挖技術(shù)很少，因而TBM法成為地鐵巖石隧道施工的最佳選擇；鐵路隧道自20世紀(jì)90年代開始采用TBM施工，但其應(yīng)用一直不溫不火，原因之一是TBM開挖的圓形斷面、采用預(yù)制仰拱塊回填，存在較大浪費(fèi)，在公路等其他領(lǐng)域同樣如此。

圖1 在建工程TBM應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.1 Statistical histograms of TBM applicable fields in construction engineering

2.3 設(shè)備及施工技術(shù)發(fā)展與施工需求之間的矛盾

TBM不是萬能的，每一種類型的TBM都有其對應(yīng)的適宜的地質(zhì)條件；隧道工程地質(zhì)條件的多樣性，對TBM設(shè)備與施工技術(shù)提出了更高要求。目前的TBM設(shè)備技術(shù)，還不能真正滿足在建工程和潛在工程對TBM的要求，例如：極完整特硬巖的TBM掘進(jìn)速度慢，軟巖大變形時(shí)TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)高，極端破碎地質(zhì)條件下TBM施工隧道掌子面易發(fā)生嚴(yán)重坍塌，大流量突涌水時(shí)缺乏有效的封堵技術(shù)而只能長時(shí)間排放等。這些問題都是目前TBM施工面對的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要不斷探索和迅速提高TBM設(shè)備及施工技術(shù)水平。

2.4 施工進(jìn)度不均衡

對于相同的機(jī)型，研究同一工程不同標(biāo)段的TBM施工進(jìn)度，以及同一施工企業(yè)不同工程的施工進(jìn)度，發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象。初步調(diào)研，地質(zhì)原因、設(shè)備完好率、施工技術(shù)、施工理念、組織管理的差異是影響施工進(jìn)度均衡性的主要因素。

隨著國內(nèi)巖石掘進(jìn)機(jī)的使用越來越廣泛，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也進(jìn)入一個(gè)新的階段，美好前景與嚴(yán)峻挑戰(zhàn)并存，需要從TBM設(shè)計(jì)、制造、施工、應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)開展更加深入的研究工作，以適應(yīng)新時(shí)代基礎(chǔ)建設(shè)對環(huán)境保護(hù)、施工安全與社會穩(wěn)定、高效快捷、勞動健康、可持續(xù)發(fā)展等方面的高要求。

2.5 施工環(huán)境越來越嚴(yán)苛

“綠水青山就是金山銀山”，基礎(chǔ)建設(shè)也越來越注重環(huán)境保護(hù)與水土保持，因而需要TBM施工從設(shè)備設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)就要更加重視環(huán)保水保問題，如減少污染、杜絕跑冒滴漏、減少耗水、節(jié)約能源、突涌水時(shí)盡量封堵而減少排放、合理支護(hù)襯砌以降低材料消耗等。

城市地鐵TBM施工場地狹小，且棄渣無法及時(shí)外運(yùn)，會直接影響施工效率；而大高度垂直提升及連續(xù)小曲率轉(zhuǎn)彎等很容易造成棄渣提升及材料裝卸耗時(shí)過多，制約TBM快速掘進(jìn)優(yōu)勢的發(fā)揮。

2.6 存在不合理的施工合同

王夢恕院士曾指出，我國工程建設(shè)中存在不合理建設(shè)工期、不合理工程造價(jià)、不合理施工合同、不合理施工方案等4大不合理現(xiàn)象[14]，同樣存在于TBM法隧道施工中。

3 TBM設(shè)計(jì)制造技術(shù)展望

目前，國內(nèi)TBM制造技術(shù)已經(jīng)和國際水平基本相當(dāng)，采用的零部件大部分為國際知名的品牌，國內(nèi)制造企業(yè)需要在此基礎(chǔ)上充分融合TBM在各類地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制造出符合工程需求的可靠產(chǎn)品。現(xiàn)在國內(nèi)TBM制造正在從簡單模仿階段向研發(fā)有針對性、有獨(dú)特技術(shù)的產(chǎn)品階段過渡。

國內(nèi)TBM制造業(yè)的各種“第一臺”、“首臺”、“首創(chuàng)”、“新型TBM”層出不窮，雖然這在很大程度上是企業(yè)宣傳的需要，不得不作“標(biāo)題黨”，這種現(xiàn)象恰恰說明了TBM行業(yè)對于技術(shù)創(chuàng)新、突破的渴望。但是，針對研發(fā)的方向、努力的目標(biāo)，不同單位、不同人員認(rèn)識不同，筆者認(rèn)為有必要開展系統(tǒng)研究。

3.1 核心部件國產(chǎn)化

改革開放前，衡量國產(chǎn)化水平的一個(gè)重要指標(biāo)是國產(chǎn)化率；改革開放后，受西方市場經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品、技術(shù)、理念的影響，大力推行全球化采購。目前，國產(chǎn)TBM的核心部件、重要部件的品牌產(chǎn)地，可選擇的余地不多，絕大多數(shù)仍然依賴于境外采購或者是境外品牌、國內(nèi)生產(chǎn)，比如：主驅(qū)動系統(tǒng)的主軸承、減速機(jī)、電機(jī)，液壓潤滑系統(tǒng)的油泵、馬達(dá)、閥件、軟管、接頭，電氣與控制系統(tǒng)的變頻器、變壓器、傳感器、高壓電纜卷筒及柔性電纜、主驅(qū)動電機(jī)供電電纜。不是制造商不想采用而是缺乏可靠的國內(nèi)品牌替代產(chǎn)品；當(dāng)然，刀盤、刀具等核心部件與重要部件大多已經(jīng)由進(jìn)口轉(zhuǎn)為自主生產(chǎn)。

核心部件國內(nèi)無力制造，一旦西方國家禁售，TBM國產(chǎn)化就會像IT行業(yè)一樣遭受災(zāi)難性的打擊。因此，國內(nèi)TBM制造單位和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大合作研發(fā)力度、加快合作步伐，最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)件完全替代進(jìn)口件。目前國產(chǎn)主軸承、減速機(jī)、主驅(qū)動電機(jī)等部件已經(jīng)應(yīng)用于盾構(gòu)，相信我們有能力解決TBM核心部件、重要部件國產(chǎn)化問題。

3.2 結(jié)合圍巖條件提升破巖能力

提升TBM破巖能力，從設(shè)備性能角度合理增大推力和轉(zhuǎn)矩、提高轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵，要求液壓、機(jī)械等主要執(zhí)行系統(tǒng)預(yù)留較大的動力儲備，具有更高的可靠性。實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)需要從關(guān)鍵部件的質(zhì)量、壽命方面綜合考慮，結(jié)合設(shè)備成本找到一個(gè)平衡點(diǎn)來滿足設(shè)備的能力需求。

在特硬巖、節(jié)理極不發(fā)育的情況下，現(xiàn)有TBM破巖效率很低，有人主張?jiān)诩哟笸屏?、轉(zhuǎn)矩的同時(shí)減小刀間距以提高破巖性能，但對于中心刀、小回轉(zhuǎn)半徑的滾刀，其間距較大且沒有更多的空間允許在不改變滾刀直徑的前提下縮小刀間距；過渡區(qū)域的滾刀和邊刀，其間距已經(jīng)很小且不具備繼續(xù)縮小的可能性，因而可以縮小間距的只有半徑方向中心區(qū)域均勻間距的滾刀，但其破巖面積比例有限，對于整體破巖性能提升的貢獻(xiàn)也不一定顯著。該措施在大直徑TBM上效果相對明顯，在中小直徑TBM上難以發(fā)揮實(shí)際作用。

面對高磨蝕性圍巖，大幅提升滾刀的耐磨性能也是我們需要解決的一個(gè)重要問題，關(guān)鍵在于材質(zhì)與熱處理等基礎(chǔ)工業(yè)能力的提升。餐飲界的陶瓷刀具很鋒利并且免維護(hù)，目前金屬陶瓷滾刀已經(jīng)開始在TBM施工中試點(diǎn)應(yīng)用，這也許是不錯的一個(gè)解決思路。

微波輔助破巖、激光輔助破巖、水力破巖等新技術(shù)已經(jīng)開始研究。打破思路的限制，從根本上解決極端惡劣地質(zhì)條件下TBM破巖問題以及刀具消耗成本持續(xù)偏高的問題，是我們必須面對的一個(gè)難題。

3.3 增強(qiáng)主機(jī)皮帶機(jī)出渣能力，攻克積渣、清渣難題

一直以來，TBM破巖所產(chǎn)生的棄渣通過皮帶機(jī)運(yùn)輸至后配套區(qū)域，再以有軌運(yùn)輸或者連續(xù)皮帶機(jī)方式轉(zhuǎn)運(yùn)。根據(jù)筆者多年的TBM施工經(jīng)驗(yàn)，遭遇斷層破碎帶時(shí)刀盤卸入主機(jī)皮帶機(jī)的渣量經(jīng)常會驟增，往往導(dǎo)致石渣外溢而損傷皮帶機(jī)或者過載而停機(jī)，因而必須增大TBM主機(jī)皮帶機(jī)的出渣能力。

由于TBM主梁內(nèi)空間所限，加大膠帶寬度的可能性不大，需要另辟蹊徑。后配套皮帶機(jī)能力匹配、布置方式上也要考慮落渣和過載問題；主梁內(nèi)積渣、粉塵、泥漿淤積問題以及主機(jī)底部石渣清理問題，同樣是亟待解決的難題。

3.4 提升初期支護(hù)的工程適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)超前加固

3.4.1 初期支護(hù)與管片襯砌

TBM的支護(hù)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(hù)效率、質(zhì)量與TBM掘進(jìn)效率的匹配性差，特別是在不良地質(zhì)段表現(xiàn)尤為突出，在一定程度上制約了TBM掘進(jìn)速度的發(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(hù)設(shè)備的工作范圍存在一定的局限性，如錨桿鉆機(jī)的鉆孔方向難以達(dá)到理想的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(jī)本身鉆孔能力很強(qiáng)、效率很高，但在TBM上難以發(fā)揮出應(yīng)有的效率，主要問題是其環(huán)向與軸向移動速度、定位速度較慢。這些方面和鉆機(jī)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(jì)局限。

護(hù)盾式TBM通常以預(yù)制混凝土管片作為最終支護(hù)結(jié)構(gòu)，管片背后吹填豆礫石并注漿回填。其作業(yè)效率與質(zhì)量、及時(shí)性與操作便捷性方面仍待改進(jìn)，關(guān)鍵的原因是豆礫石設(shè)備的能力和注漿的及時(shí)性。豆礫石吹填設(shè)備依賴進(jìn)口，對豆礫石粒徑、外形要求較高，國內(nèi)工地現(xiàn)場難以獲得合適的材料，從而影響設(shè)備效率發(fā)揮且設(shè)備損耗較大。回填注漿嚴(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(shí)踐驗(yàn)證，近期有管片襯砌的引水隧洞出現(xiàn)較大范圍滲漏水的問題，修復(fù)難度較大。

類似問題在TBM上普遍存在，屬于共性問題，目前尚無較好的解決方法。下一步需要從源頭抓起，在TBM設(shè)計(jì)制造過程中充分認(rèn)識問題的嚴(yán)重性，認(rèn)真研究對策，而不是重復(fù)以往設(shè)計(jì)。

3.4.2 超前加固

如前所述，TBM施工過程中，極端惡劣地質(zhì)條件在所難免，并且出現(xiàn)的概率越來越大，因此，TBM在應(yīng)對大段落不良地質(zhì)、惡劣地質(zhì)時(shí)迫切需要實(shí)現(xiàn)超前加固，可以大幅減少處理斷層、破碎帶等地質(zhì)條件的時(shí)間和難度。在今后的TBM研發(fā)、制造中應(yīng)將TBM超前加固功能作為一個(gè)重要的研究方向。

目前國內(nèi)各高校、研究機(jī)構(gòu)對TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面的研究較多，也取得了一定的成果，很多預(yù)報(bào)方法已被參建單位接受。鉆爆法隧道施工中經(jīng)常用到的超前注漿、超前小導(dǎo)管、超前管棚等措施效果顯著，然而由于作業(yè)條件的限制在TBM施工中難以實(shí)現(xiàn)。工程中破切需求而尚未實(shí)現(xiàn)的TBM超前加固技術(shù)，正是今后TBM研究的又一個(gè)重點(diǎn)。

3.5 研發(fā)異形斷面TBM

異形斷面盾構(gòu)，如雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)在軟土隧道中已經(jīng)有了一定范圍的應(yīng)用[8]。中鐵裝備已經(jīng)研發(fā)出了馬蹄形盾構(gòu)，所施工的隧道斷面與功能需求相符性較好。同樣，市場對于異形斷面TBM的需求也很迫切，如公路、鐵路等交通隧道，如果TBM開挖斷面型式更適合隧道功能需求，其市場前景會很好。異形斷面盾構(gòu)技術(shù)，為今后異形斷面TBM研發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)，其思路可供參考。

TBM圓形刀盤傾斜，與隧道軸線形成一定的夾角，則可開挖出橢圓形斷面；TBM掘進(jìn)的圓形斷面，初期支護(hù)之前，以機(jī)械法擴(kuò)挖兩側(cè)邊墻，則可以形成類似城門洞型斷面……，目前只能存在于想象中。異形斷面TBM是否具有可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)怎樣的斷面型式，技術(shù)難點(diǎn)是什么，需進(jìn)一步深入探索、系統(tǒng)研究。

4 TBM施工與應(yīng)用展望

TBM是一種先進(jìn)的隧道施工設(shè)備，探討TBM關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該包括設(shè)備技術(shù)和施工應(yīng)用2個(gè)方面。結(jié)合筆者多年的施工實(shí)踐，關(guān)于TBM施工與應(yīng)用提出4個(gè)方面的展望，供大家參考。

4.1 圓形斷面TBM隧道空間合理應(yīng)用

現(xiàn)有技術(shù)條件下，異形斷面TBM成為現(xiàn)實(shí)尚需時(shí)日，而大量隧道工程又希望采用TBM施工，那么充分利用TBM開挖的圓形斷面空間，不失為一個(gè)努力的方向，在保證主體功能的同時(shí)，合理布置附屬設(shè)施設(shè)備，增加其他輔助功能，盡量減小圓形隧道斷面空間浪費(fèi)，也許是一個(gè)便捷的途徑，相對于研發(fā)異形斷面TBM，其實(shí)現(xiàn)的可能性更大一些。

4.2 大力推動TBM周轉(zhuǎn)使用和再制造TBM應(yīng)用

實(shí)踐證明，通常情況下TBM的使用壽命為25 km左右，而單項(xiàng)工程TBM掘進(jìn)長度往往小于上述長度，因而隧道貫通后，TBM大多保有較多的剩余壽命。目前的現(xiàn)實(shí)情況是絕大多數(shù)建設(shè)單位在土建工程招標(biāo)時(shí)明確規(guī)定必須采用“全新TBM設(shè)備”，久而久之造成大量擁有可觀剩余壽命的TBM長期閑置，造成資產(chǎn)無形流失，這是社會資源的巨大浪費(fèi)。國內(nèi)只有少量TBM得以再次利用。筆者之前就曾提出過我們應(yīng)該創(chuàng)造條件，大力推動TBM周轉(zhuǎn)使用[15]，就像城市地鐵隧道所使用的盾構(gòu)一樣，為工程建設(shè)提供巨大助力。

再制造TBM，不完全等同于修復(fù)改造，而是通過尺寸維修、換件、修復(fù)等手段，應(yīng)用當(dāng)前的新技術(shù)、新材料、新工藝賦予即將報(bào)廢或者已經(jīng)報(bào)廢的TBM以新的生命，使再制造TBM性能、質(zhì)量達(dá)到或超過原來全新的TBM。再制造TBM實(shí)際上可以當(dāng)作全新設(shè)備使用。澄清了這個(gè)概念，我們就有充分的理由接受、支持再制造TBM的發(fā)展與推廣應(yīng)用。

只有這樣才符合科學(xué)發(fā)展、推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用的要求。推動TBM周轉(zhuǎn)使用和再制造TBM應(yīng)用，需要工程建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、TBM設(shè)備設(shè)計(jì)制造與再制造相關(guān)單位，以及上級主管部門共同努力，從技術(shù)、管理方面下功夫，更需要得到國家層面的支持。

4.3 極端惡劣地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)研究

如前所述，TBM法隧道地質(zhì)呈多樣化發(fā)展趨勢，隨之而來的是諸多惡劣地質(zhì)條件，如極強(qiáng)巖爆、極高巖溫、強(qiáng)蝕變、嚴(yán)重破碎圍巖、大變形等，此時(shí)TBM施工安全、施工進(jìn)度、施工成本與投資都會受到極大影響。

TBM施工過程中，我們希望TBM能夠在適宜的地質(zhì)條件下發(fā)揮其快速掘進(jìn)的優(yōu)勢，不良地質(zhì)甚至惡劣地質(zhì)條件下也能夠持續(xù)掘進(jìn)施工，避免長時(shí)間停機(jī)，盡量不采取礦山法等處理措施。因此，非常有必要研究極端惡劣地質(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方面提出以下重點(diǎn)研究內(nèi)容：開工前地質(zhì)勘查盡量詳細(xì)、準(zhǔn)確，現(xiàn)有技術(shù)無法準(zhǔn)確探明的洞段必須在施工過程中輔以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；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(shí)合理進(jìn)行初期支護(hù)，必要時(shí)實(shí)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、建立健全的TBM施工規(guī)范。

4.4 TBM配套施工設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

隧道施工設(shè)備配置總的原則是配套設(shè)備能力適當(dāng)高于主要設(shè)備能力。除了水電供應(yīng)之外，TBM施工主要配套設(shè)備包括皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)、施工材料運(yùn)輸系統(tǒng)(目前主流方式為機(jī)車牽引有軌運(yùn)輸)、施工通風(fēng)系統(tǒng)。

通風(fēng)系統(tǒng)在長隧道TBM施工中的重要性不言而喻，目前各單位對高性能進(jìn)口變頻軸流風(fēng)機(jī)的認(rèn)可度較高，也取得了很好的通風(fēng)效果，并且能耗普遍很低。在國內(nèi)配套設(shè)備性能無法真正接近進(jìn)口設(shè)備的情況下，應(yīng)該繼續(xù)堅(jiān)持現(xiàn)有的正確做法；同時(shí)，加大研發(fā)力度，盡早推出性能可靠、綜合成本(包括設(shè)備采購成本和運(yùn)行成本)較低的國產(chǎn)風(fēng)機(jī)。

有軌運(yùn)輸設(shè)備目前主要用于施工材料和人員運(yùn)送，同樣對TBM施工發(fā)揮著重要的作用。需要強(qiáng)調(diào)的是，在一些長大隧道中使用國產(chǎn)牽引機(jī)車需要謹(jǐn)慎，切不可為追求降低設(shè)備采購成本而忽略了施工中運(yùn)輸效率和設(shè)備故障對TBM施工效率的影響，如果增加了運(yùn)行成本、降低了TBM掘進(jìn)速度，就得不償失了。希望國內(nèi)相關(guān)配套設(shè)備制造商能夠充分認(rèn)識到這一點(diǎn)，加大研發(fā)力度，制造出綜合性價(jià)比與歐洲品牌相接近的內(nèi)燃牽引機(jī)車、新能源牽引機(jī)車。

連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了TBM施工效率，自主品牌連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，但產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性與穩(wěn)定性、應(yīng)用環(huán)境相對復(fù)雜時(shí)設(shè)備的工程適應(yīng)性、制造與服務(wù)的及時(shí)性等方面，還需要相關(guān)單位高度重視。皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)故障集中發(fā)生在控制系統(tǒng)、托輥質(zhì)量、膠帶劃傷等方面，這些問題并非沒有辦法解決，一要合理選配，二要提高施工企業(yè)使用管理皮帶機(jī)的水平。

5 結(jié)語

提升TBM的工程適應(yīng)性、拓展其應(yīng)用，需要結(jié)合具體工程，從破巖、出渣、初期支護(hù)與超前加固3大基礎(chǔ)功能著手創(chuàng)新性地開展研究工作，研制針對性更強(qiáng)、可靠性更高的TBM產(chǎn)品；加大核心部件國產(chǎn)化進(jìn)程，為民族工業(yè)的真正崛起而努力，真正實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”；研發(fā)異形斷面TBM、研究現(xiàn)有TBM技術(shù)施工的圓形斷面隧道空間的充分利用，開展極端惡劣地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)研究，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域及適用范圍；大力推動TBM周轉(zhuǎn)使用和再制造TBM產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以促進(jìn)社會、經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展、循環(huán)發(fā)展；同時(shí)，高效節(jié)能的通風(fēng)系統(tǒng)、可靠而經(jīng)濟(jì)的牽引機(jī)車與皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)等TBM主要配套施工設(shè)備，也要改變長期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，需要加大研發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)與TBM的協(xié)同發(fā)展。

時(shí)代在進(jìn)步、社會在發(fā)展，TBM在我國隧道施工領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣，同時(shí)，工程條件對設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù)的要求會越來越高，研究TBM關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向，無論對制造企業(yè)、施工企業(yè)來說都是必要的。只有真正把握了技術(shù)發(fā)展方向、不斷解決設(shè)備設(shè)計(jì)制造和施工過程中遇到的難題，才能真正在設(shè)備制造、隧道施工領(lǐng)域取得競爭力，成為中國TBM行業(yè)的領(lǐng)軍者，為我國隧道建設(shè)做出更大貢獻(xiàn)。