我國(guó)20世紀(jì)TBM設(shè)備研制及其工程應(yīng)用

陳曉東，陳居乾

(1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

全斷面巖石隧洞(隧道與巷道)掘進(jìn)機(jī)(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)有別于盾構(gòu)機(jī)(Shield)，是指在常壓情況下全斷面開挖巖石的高度機(jī)械化刀盤式機(jī)頭掘進(jìn)機(jī)，是集機(jī)械、電氣、液壓、激光導(dǎo)向、自動(dòng)控制、傳感、信息等多項(xiàng)高新技術(shù)為一體，高度機(jī)械化及自動(dòng)化的隧洞(隧道與巷道)開挖掘進(jìn)與襯砌專用大型成套裝備，主要由主機(jī)和后配套兩大系統(tǒng)構(gòu)成，依靠大推力、高扭矩旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤，通過盤型滾刀以機(jī)械能破巖而使隧洞(隧道與巷道)全斷面一次成型，是世界上最先進(jìn)的隧洞(隧道與巷道)施工機(jī)械，其最大技術(shù)特性是安全、優(yōu)質(zhì)、高效、快速、環(huán)保、高自動(dòng)化，是對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)能破巖施工法的徹底革新。TBM通常主要有開敞式(敞開式、支撐式，Open Type TBM)及護(hù)盾式(套筒式，Shield Type TBM)兩種基本類型，護(hù)盾式相對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要分為單護(hù)盾及雙護(hù)盾兩類。

我國(guó)是幅員遼闊的多山國(guó)家，地形、地貌與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是世界上隧洞(隧道與巷道)工程建成最多、穿越多類型復(fù)雜地層，以及建設(shè)發(fā)展最快的國(guó)家。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)TBM設(shè)備研發(fā)及其施工技術(shù)迅猛發(fā)展，并形成大量科研成果和技術(shù)資料，但全面系統(tǒng)研究總結(jié)性文獻(xiàn)資料相對(duì)匱乏。全面研究總結(jié)20世紀(jì)我國(guó)全斷面巖石隧洞(隧道與巷道)TBM設(shè)備研制及其工程應(yīng)用成效，存史資治，留存文獻(xiàn)，借鑒成功，技術(shù)傳承，對(duì)于新時(shí)期我國(guó)TBM設(shè)備研發(fā)及其施工技術(shù)的進(jìn)一步持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

1 世界TBM發(fā)展歷程

1953年美國(guó)人設(shè)計(jì)制造出世界首臺(tái)現(xiàn)代意義上的軟巖開敞式TBM。1956年發(fā)明硬巖盤型滾刀，是TBM發(fā)展歷程中的重要標(biāo)志及轉(zhuǎn)折點(diǎn)；同年設(shè)計(jì)制造出世界首臺(tái)中硬巖開敞式TBM，成功通過工業(yè)性試驗(yàn)。1960年在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上首次將支撐與推進(jìn)機(jī)構(gòu)組合為整體全浮動(dòng)及鉸接式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過靴板支撐于洞壁獲取推進(jìn)反力。1965年設(shè)計(jì)制造出世界首臺(tái)單護(hù)盾TBM。1973年與意大利Sell公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造出世界首臺(tái)雙護(hù)盾TBM，TBM從此進(jìn)入全面快速發(fā)展時(shí)期，并在全世界地下工程界逐步得到廣泛應(yīng)用。

2 我國(guó)TBM研制歷程

我國(guó)20世紀(jì)TBM設(shè)備的獨(dú)立自主研究、設(shè)計(jì)、制造、工業(yè)性試驗(yàn)，以及工程應(yīng)用發(fā)展歷程總體分為三個(gè)階段[1- 13]。

2.1 第一階段——起步探索初創(chuàng)階段

我國(guó)TBM的獨(dú)立自主研究、設(shè)計(jì)與試制始于1964年，1965年列入國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，原水電部上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)院為主設(shè)計(jì)，上海水工機(jī)械廠于1966年5月試制出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)SJ- 34型開敞式TBM，刀盤直徑Ф3.4m，獲1978年度國(guó)家科技大會(huì)重大成果獎(jiǎng)，并在杭州人防工程防空洞、云南西洱河一級(jí)水電站工程引水發(fā)電隧洞進(jìn)行工業(yè)性開挖掘進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)，累計(jì)開挖掘進(jìn)總長(zhǎng)969.5m，取得一定成效。代表機(jī)型為SJ- 34/53、EJ- 26與EJ- 35，代表性應(yīng)用工程包括杭州防空洞、云南西洱河一級(jí)水電站引水隧洞、江西青山與陜西銅川煤礦巷道。

圖1 上世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM典型主機(jī)

2.2 第二階段——工業(yè)性試驗(yàn)階段

20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段，由中科院(后調(diào)整至國(guó)家科委)牽頭，原水電部、煤炭部及鐵道兵等部門參與，共53個(gè)單位進(jìn)行了多課題研究攻關(guān)，設(shè)計(jì)制造及改裝出多臺(tái)不同直徑的新一代TBM，并結(jié)合多項(xiàng)工程實(shí)踐進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，其技術(shù)性能與質(zhì)量較起步探索階段有所提升。代表機(jī)型為SJ- 58、JSJ- 55與EJ- 30，代表性應(yīng)用工程包括云南西洱河一級(jí)水電站與甘肅引大入秦引輸水隧洞，以及江西安源與山西小峪煤礦巷道。

2.3 第三階段——國(guó)產(chǎn)實(shí)用與國(guó)外引進(jìn)并存階段

20世紀(jì)80—90年代初期為國(guó)產(chǎn)TBM實(shí)用與國(guó)外引進(jìn)并存階段。隨著我國(guó)機(jī)械制造工藝水平及材料質(zhì)量的提高，在大軸承與齒圈、驅(qū)動(dòng)推進(jìn)、刀具與刀圈、支撐及后配套等關(guān)鍵技術(shù)方面取得一定進(jìn)展，并結(jié)合第二階段工業(yè)性試驗(yàn)及其工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)制造及優(yōu)化改裝出多臺(tái)不同直徑的第三代TBM。其技術(shù)性能與質(zhì)量進(jìn)一步提高，在工程應(yīng)用實(shí)踐中取得較好成效，代表機(jī)型為SJ- 58A、SJ- 45、EJ- 32與EJ- 50，其中：SJ- 58A型獲1985年度國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)及原水電部重大科技成果二等獎(jiǎng)；EJ- 32型獲1986年度國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)及原煤炭部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；EJ- 50型獲1988年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。代表性應(yīng)用工程包括河北引灤入唐與福建龍門灘二級(jí)水電站引輸水隧洞，以及云南羊場(chǎng)、貴州南山與山西東曲煤礦巷道，完成開挖掘進(jìn)長(zhǎng)度較大，其中引灤入唐新王莊隧洞成為我國(guó)首座采用TBM開挖掘進(jìn)貫通的隧洞(隧道與巷道)工程。

我國(guó)TBM的獨(dú)立自主研究、設(shè)計(jì)與制造經(jīng)25年三個(gè)階段的發(fā)展，經(jīng)多項(xiàng)工程應(yīng)用實(shí)踐，至20世紀(jì)80年代末，國(guó)產(chǎn)TBM設(shè)備在總體技術(shù)性能、可靠性、質(zhì)量及工效等方面與國(guó)外仍存在很大差距，難以適應(yīng)不斷增加的工程建設(shè)之需。為此，水利水電行業(yè)在國(guó)內(nèi)率先于20世紀(jì)80年代后期自美國(guó)引進(jìn)TBM全套設(shè)備及其施工技術(shù)，分別用于甘肅引大入秦及廣西天生橋二級(jí)水電站工程引輸水隧洞開挖掘進(jìn)，并在甘肅引大入秦工程獲得全面成功，取得引人矚目的成就，國(guó)產(chǎn)TBM研發(fā)隨之停止。

3 國(guó)產(chǎn)TBM及其主要技術(shù)性能

20世紀(jì)60—80年代我國(guó)研發(fā)制造TBM總計(jì)52臺(tái)，多為樣機(jī)，具實(shí)用性及工業(yè)性試驗(yàn)條件的共計(jì)19臺(tái)，其中2臺(tái)未工程應(yīng)用，改裝6臺(tái)，刀盤直徑Ф2.5～6.8m，全部為開敞式，整體結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能存在差異，17臺(tái)工程應(yīng)用25項(xiàng)，開挖掘進(jìn)總長(zhǎng)18.36km。20世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM制造廠、數(shù)量與工程應(yīng)用及典型主機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)分別見表1、表2[1- 13]。

典型主機(jī)及整機(jī)分別如圖1、圖2所示。

圖2 上世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM典型整機(jī)

4 國(guó)產(chǎn)TBM工程應(yīng)用成效

17臺(tái)國(guó)產(chǎn)TBM分別應(yīng)用于云南西洱河一級(jí)、北京下葦?shù)椤①F州紅林與福建龍門灘二級(jí)水電站、北京十三陵水庫(kù)、河北引灤入唐(包括引灤入還與引還入陡兩段)、甘肅引大入秦與山東引黃濟(jì)青引輸水隧洞，杭州防空洞，以及北京鳳凰山、貴州老羅堡與南山、江西青山與安源、山西小峪及王坪與東曲、云南羊場(chǎng)、陜西銅川、遼寧老虎臺(tái)、廣西桂林煤礦巷道(平硐)等25項(xiàng)工程，完成開挖掘進(jìn)總長(zhǎng)18.36km。工程應(yīng)用成效見表3。

表1 20世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM制造廠及數(shù)量與工程應(yīng)用

注：改裝型未重復(fù)統(tǒng)計(jì)，19臺(tái)中Ф<3.0m小型2臺(tái)，3.0≤Ф≤8.0m中型17臺(tái)，工程應(yīng)用17臺(tái)。

5 總結(jié)及展望

5.1 總結(jié)

我國(guó)TBM自主研究、設(shè)計(jì)與制造，基本處于獨(dú)立封閉式研發(fā)狀態(tài)。國(guó)內(nèi)多家科研設(shè)計(jì)單位與機(jī)械廠合作，制造出TBM總計(jì)52臺(tái)，具實(shí)用性及工業(yè)性試驗(yàn)條件的17臺(tái)TBM分別應(yīng)用于水利水電引輸水隧洞、防空洞及煤礦巷道(平硐)等不同類型工程25項(xiàng)，無(wú)鐵路隧道工程，完成開挖掘進(jìn)總長(zhǎng)18.36km，月均進(jìn)尺一般20.0～150.0m、最高202.1m；最高進(jìn)尺31.5m/d、315.0m/月。單項(xiàng)工程應(yīng)用開挖掘進(jìn)長(zhǎng)度大于1.0km的8項(xiàng)，最長(zhǎng)3.65km，長(zhǎng)度介于500.0～700.0m的6項(xiàng)，其余11項(xiàng)均小于400.0m，最短僅為78.2m；單臺(tái)工程應(yīng)用開挖掘進(jìn)長(zhǎng)度大于1.0km的8臺(tái)，最長(zhǎng)3.65km，長(zhǎng)度介于0.5～1.0km的4臺(tái)，其余5臺(tái)均小于500.0m，最短僅為80.0m。

表2 20世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM典型主機(jī)主要技術(shù)性能

我國(guó)TBM設(shè)計(jì)研究與生產(chǎn)制造起點(diǎn)較高，全部配裝盤型滾刀，部分配裝鋼拱架、錨桿與噴混凝土等支護(hù)設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)與國(guó)外同期設(shè)備相近，但實(shí)際工程應(yīng)用成效差距很大，且均為開敞式，機(jī)型單一。經(jīng)大量工程調(diào)試運(yùn)行、工業(yè)性試驗(yàn)及應(yīng)用實(shí)踐，主要存在工程應(yīng)用成效差，技術(shù)性能與適應(yīng)性差，可靠性低；構(gòu)造不盡完善合理；鋼材材質(zhì)差；驅(qū)動(dòng)推進(jìn)、刀具與刀圈、大軸承與齒圈、機(jī)架、支撐等關(guān)鍵系統(tǒng)機(jī)構(gòu)部件技術(shù)與制造工藝不過關(guān)，質(zhì)量差，故障率高，壽命短，工效與利用率低；后配套不健全，以及操作、維修保養(yǎng)與管理技術(shù)落后等諸多問題，未能進(jìn)入實(shí)用性批量生產(chǎn)。開挖掘進(jìn)速度為同期國(guó)外TBM的1/5～1/10，設(shè)備利用率一般為10.0%～25.0%，最大約30.0%，停機(jī)率高于70.0%，單刀圈壽命一般小于150.0m，最長(zhǎng)約210.0m，而同期國(guó)外TBM開挖掘進(jìn)月均進(jìn)尺一般500.0m以上，最高超越2.0km，日進(jìn)尺最高大于100.0m，設(shè)備利用率為40.0%以上，停機(jī)率小于50.0%，單刀圈壽命大于300.0m。國(guó)產(chǎn)TBM相對(duì)差距很大，難以適應(yīng)工程建設(shè)之需。

國(guó)產(chǎn)TBM雖存在諸多問題，但仍在8項(xiàng)工程應(yīng)用中開挖掘進(jìn)長(zhǎng)度大于1.0km，實(shí)際施工曾達(dá)到月均進(jìn)尺202.1m，最高進(jìn)尺31.5m/d、315.0m/月的同期世界開敞式TBM施工中等水平。特別是在山西東曲煤礦巷道(平硐)完成開挖掘進(jìn)巷長(zhǎng)達(dá)3.65km，同時(shí)，引灤入唐新王莊輸水隧洞也成為我國(guó)首座采用TBM及其技術(shù)開挖掘進(jìn)貫通的隧洞(隧道與巷道)工程。并結(jié)合多項(xiàng)工程實(shí)踐，對(duì)整機(jī)性能與配置、機(jī)架與支撐、刀盤及其驅(qū)動(dòng)推進(jìn)、刀具與刀圈、大軸承與內(nèi)齒圈及其密封、齒輪減速、油缸與閥門、支護(hù)、減震、通風(fēng)除塵、激光導(dǎo)向、高壓供電、鋼材材質(zhì)，以及后配套與運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)與部件進(jìn)行了大量調(diào)試運(yùn)行、工業(yè)性試驗(yàn)研究、技術(shù)攻關(guān)，取得一定技術(shù)成果與成效。

理論研究及重要部件研制也取得一定技術(shù)成果與成效。建立了刀具試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)刀具設(shè)計(jì)、材質(zhì)、布設(shè)與破巖機(jī)理等進(jìn)行研究，上海水工機(jī)械廠編纂了GB 4025—83《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)名詞術(shù)語(yǔ)》，杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所編制了《掘進(jìn)機(jī)分類和技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)。刀盤面板刀具配置及其布設(shè)與國(guó)外先進(jìn)主流機(jī)型一致，采用定軸盤型滾刀，分為中心區(qū)雙刃刀、正刀區(qū)及過渡區(qū)(邊刀)單刃刀等三類。刀具材質(zhì)及其熱處理研究攻關(guān)取得較大進(jìn)展，韌性與硬度大為提升，刀盤面板每盤Ф280.0～300.0mm刀圈理論壽命提高至310.0m，Ф350.0mm刀圈平均理論壽命達(dá)到460.0m。刀盤大軸承理論壽命達(dá)6000.0h，基本滿足開挖掘進(jìn)長(zhǎng)6.0km要求，密封圈運(yùn)轉(zhuǎn)近3000.0h基本完好。35SiMnMo材質(zhì)、模數(shù)18.0mm與硬度240.0～280.0HB的大內(nèi)齒圈理論壽命超4000.0h，能夠加工模數(shù)18.0mm與硬度320.0HB的大內(nèi)齒圈，行星齒輪減速器與末級(jí)小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)近4000.0h基本正常，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤機(jī)構(gòu)，工作效率大為提高，油缸與閥門等部件性能基本滿足需要。采用浮動(dòng)全密封機(jī)頭架及其支撐機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，支持隧洞(巷道)曲線開挖掘進(jìn)，鋼拱架安裝機(jī)與錨桿鉆機(jī)等支護(hù)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，有效提高了穿越斷層及其破碎帶地層的能力，減震、通風(fēng)除塵、激光導(dǎo)向等措施與設(shè)備構(gòu)件取得顯著進(jìn)展。6.0KV高壓電纜及移動(dòng)式變壓器隨主機(jī)前行，基本滿足施工供電需求，后配套系統(tǒng)平板車、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)、梭式礦車、翻車機(jī)與換車平臺(tái)等主要設(shè)備研制成功，生產(chǎn)效率大為提升。

表3 20世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM工程應(yīng)用成效

5.2 展望

隨著人類社會(huì)開發(fā)利用地球資源技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)利用地下空間的高潮時(shí)代來(lái)臨，地下工程施工機(jī)械及其技術(shù)將迅猛發(fā)展。大量隧洞(隧道與巷道)工程常規(guī)鉆爆法及TBM法施工建設(shè)實(shí)踐表明，正常情況下，TBM法施工效率為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，對(duì)于長(zhǎng)及特長(zhǎng)隧洞(隧道與巷道)，TBM法在安全、效率、技術(shù)、質(zhì)量、生態(tài)環(huán)保等諸多方面效益顯著。在受工期制約、穿越生態(tài)與自然保護(hù)區(qū)、注重綠色發(fā)展理念、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，TBM法施工技術(shù)更具優(yōu)越性。TBM法將是21世紀(jì)隧洞(隧道與巷道)工程施工建設(shè)的主要技術(shù)方案，而TBM設(shè)備是TBM法施工技術(shù)的關(guān)鍵核心。

展望未來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，在水利水電、長(zhǎng)距跨流域引調(diào)水、鐵路、地鐵、軌道交通、公路、礦山、人防、地下管廊等諸多領(lǐng)域有大量工程亟需建設(shè)，隧洞(隧道與巷道)規(guī)模更大，工程地質(zhì)環(huán)境更趨復(fù)雜，工程建設(shè)技術(shù)要求更高，集機(jī)、電、液、光技術(shù)于一體，安全、高效、環(huán)保及高度機(jī)械自動(dòng)化的TBM具有廣闊的應(yīng)用前景。借鑒20世紀(jì)國(guó)產(chǎn)TBM研制及其工程應(yīng)用及施工技術(shù)的快速發(fā)展所積累的技術(shù)成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)我國(guó)TBM及其施工技術(shù)將朝著獨(dú)立自主研發(fā)、持續(xù)創(chuàng)新、全面掌握核心技術(shù)、核心關(guān)鍵部件全面國(guó)產(chǎn)化、擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高端智能化、全自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、可視化、模塊化，并在多類型模式集成復(fù)合型、多功能、強(qiáng)地質(zhì)適應(yīng)性、仿真、優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)、大直徑、長(zhǎng)壽命、非圓異型斷面、大尺度變徑、大斷面公路隧道、微型、總體技術(shù)性能方面進(jìn)一步全方位發(fā)展進(jìn)步。

TBM高端重型掘進(jìn)裝備是“國(guó)之重器”，其研發(fā)制造涉及機(jī)械、結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力、電氣自動(dòng)化、傳動(dòng)、信息與測(cè)控等諸多領(lǐng)域。建立我國(guó)自主TBM產(chǎn)業(yè)體系，是國(guó)家總體科技與工業(yè)技術(shù)水平的具體體現(xiàn)，對(duì)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)全方位發(fā)展，提高我國(guó)綜合國(guó)力具有非常重要的意義。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)TBM重型裝備研發(fā)迅猛發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新，大批國(guó)產(chǎn)TBM應(yīng)用于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧洞(隧道與巷道)工程建設(shè)，并有多臺(tái)應(yīng)用于國(guó)外工程。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)TBM獨(dú)立自主研制及其工程應(yīng)用實(shí)踐歷經(jīng)25年三個(gè)階段，取得的成效、積累的技術(shù)成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)新世紀(jì)TBM及盾構(gòu)機(jī)重型裝備的自主研發(fā)、開拓創(chuàng)新、工業(yè)發(fā)展與廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加快實(shí)現(xiàn)了我國(guó)TBM重型裝備由中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，為我國(guó)長(zhǎng)大隧洞(隧道與巷道)工程建設(shè)提供了質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)TBM設(shè)備，全面提升了我國(guó)地下工程建設(shè)技術(shù)水平。