我國TBM法隧道工程技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀及展望

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，我國無法引進先進的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2 723 m，最高月進尺213.4 m，最高日進尺21.35 m，平均月進尺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2 633 m，最高月進尺218.3 m，最高日進尺14.5 m，平均月進尺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展，進一步研發(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，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2 500 m)、貴州省南山煤礦(1990年開始，掘進780 m)、北京十三陵抽水蓄能電站(1992年掘進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3 654 m，最高月進尺202 m，最高日進尺12.7 m，月平均進尺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，最高月進尺1 821.49 m，平均月進尺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最高月進尺分別為509 m和531 m，平均月進尺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進度普遍較好，2段4標(biāo)TBM平均月進尺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)的形式積極推進隧道掘進裝備的理論創(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，平均月進尺643 m，最高月進尺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，平均月進尺546 m，最高月進尺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合計掘進長度10.8 km，單臺TBM掘進長度分別為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，合計掘進長度34.5 km，單臺TBM掘進長度16～18 km；新疆EH工程XE引水1#隧洞全長72.9 km，3臺TBM計劃掘進總長度63.9 km，單臺TBM掘進長度15～24 km；新疆EH工程KS隧洞全長283 km，11臺TBM計劃掘進總長度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法隧道施工進度與工期

縱觀我國TBM法隧道工程，施工進度總體上存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象，波動較大，其中月進尺以200～700 m為主，占3/4； 700～900 m以及200 m以下各占1/9。掘進工期受平均月進尺和掘進長度的影響，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平均月進尺及工期統(tǒng)計見圖9。

圖9 部分工程TBM施工進度與工期

例如： 西康鐵路秦嶺隧道及西南鐵路采用敞開式TBM施工，平均月進尺約300 m，最高月進尺逾500 m；山西引黃入晉工程采用雙護盾TBM施工，總干線月進尺約700 m、最高月進尺約1 100 m，南干線平均月進尺約1 300 m、最高月進尺約1 800 m，南干聯(lián)絡(luò)段平均月進尺約1 300 m、最高月進尺約1 600 m；中天山隧道采用敞開式TBM施工，前期平均月進尺約400 m，后期平均月進尺約100 m；蘭渝鐵路西秦嶺隧道采用敞開式TBM施工，平均月進尺約400 m；遼西北供水工程采用敞開式TBM施工，平均月進尺約600 m。這些進度數(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)和施工進度相關(guān)信息見表3和圖10。TBM 1平均月進尺643 m，最高月進尺1 209.8 m；TBM 2平均月進尺500 m，最高月進尺1 423.5 m；TBM 3平均月進尺652 m，最高月進尺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掘進只有2 d，計算平均月進尺時將其扣除；TBM平均月進尺根據(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掘進速度優(yōu)勢的發(fā)揮，從而影響工程整體進展。

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。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，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)性尚無突破性進展，往往月進尺只有數(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)進入國際領(lǐng)先水平，但很多技術(shù)、產(chǎn)品仍然需要依賴進口。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、純掘進時間利用率、指導(dǎo)TBM掘進與支護、降低人員勞動強度和提高掘進效率等方面發(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輔助智能掘進系統(tǒng)見圖19[25]。利用TBM施工大數(shù)據(jù)，可開展掘進性能評價等工作，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；智能決策掘進策略、優(yōu)化掘進參數(shù)、調(diào)向策略、支護結(jié)構(gòu)等；操作方面，智能掘進、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，共同促進我國TBM法隧道工程技術(shù)進步。