譚志勇

全斷面掘進機是集機械、電氣、液壓和自動控制于一體的快速地下開挖工程的大型高技術(shù)成套施工裝備，是將掘進、移動、出渣和襯砌等多功能有機組合在一起的聯(lián)合機組，融合了新材料、新工藝、液壓、自動控制、信息、電子、電力、環(huán)保、人工智能、激光制導、遙測、遙感等高新技術(shù)。采用全斷面掘進機施工法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、對圍巖破壞小、利于環(huán)境保護、降低勞動強度及改善工作環(huán)境等特點，已廣泛用于鐵路、公路、城市地下交通、水利、水電、煤礦等地下工程的施工。

全斷面掘進機主要包括全斷面巖石掘進機（也稱為TBM）和全斷面盾構(gòu)機（一般稱為盾構(gòu)機）。TBM主要用于具有一定自穩(wěn)能力的巖石地層的掘進，多用于野外的長隧道（如引水隧洞、鐵路隧道等）。而盾構(gòu)機主要用于有水地層、軟弱不穩(wěn)定圍巖、對地表有嚴格沉降控制要求的城市地下工程或過江隧道工程的掘進。

TBM主要分為開敞式、單護盾、雙護盾等三種類型，其型式的選擇主要考慮地質(zhì)條件、隧洞埋深及其斷面尺寸，確定掘進機型式最主要的因素是洞線地質(zhì)條件。評價洞線地質(zhì)條件主要考慮以下因素：巖性、圍巖類別、節(jié)理情況、裂隙寬度、涌水情況、斷裂破碎帶寬度、膨脹巖存在的可能性等。開敞式、單護盾、雙護盾三種TBM性能比較見表1。

TBM在水利工程中的應(yīng)用

1984年廣西天生橋水電站引水隧道是我國水利行業(yè)首先使用TBM技術(shù)施工的，近年來TBM在水利工程中的應(yīng)用較為廣泛，各種類型TBM在國內(nèi)的已建項目中都得到了應(yīng)用，主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

從表2可見，使用TBM掘進的洞徑從3.5～12.4m不等；單臺累計最大掘進長度約25.9km；洞身巖體條件從軟巖～硬巖，圍巖類別V～II；隧洞最大埋深達2520m；從施工效能來看，平均掘進240～650m/月,在同等條件下比傳統(tǒng)鉆爆法高5～10倍。萬家寨引黃工程南干線#4、#5洞段創(chuàng)出了最高日進尺113m、最高月進尺1821m的施工紀錄。

表1 開敞式TBM與護盾式TBM性能對比

從整體來看，TBM技術(shù)在水利工程上得到了較好的應(yīng)用，但個別工程在應(yīng)用中也出現(xiàn)過較深刻的教訓。根據(jù)隧洞洞身巖體條件合理選取TBM設(shè)備型式是快速、安全、經(jīng)濟成洞的前提。結(jié)合已建工程的實踐經(jīng)驗，筆者認為：洞身巖體較完整、圍巖自穩(wěn)性能較好，可采用開敞式TBM；洞身地質(zhì)條件較差、圍巖自穩(wěn)性能較差，可采用護盾式TBM；不良地質(zhì)洞身段占比較大、或可能產(chǎn)生突泥涌水以及溶洞發(fā)育洞段，可采用傳統(tǒng)的鉆爆法。

現(xiàn)階段我國TBM施工的隧洞工程普遍存在投資大，原因之一是TBM設(shè)備的制造成本和運行成本高所致。從20世紀80年代至今，TBM設(shè)備多采用國外制造廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品為主，近年來國內(nèi)TBM生產(chǎn)廠商也逐步引進國外生產(chǎn)技術(shù)進行制造和設(shè)計，處于引進、消化吸收階段，制造和設(shè)計水平偏低。TBM設(shè)備的核心部件或關(guān)鍵部件，是制約我國制造的主要技術(shù)瓶頸。

TBM是集多學科、多部門于一身的高科技產(chǎn)品，隨著我國水利、鐵路、公路以及城市地下交通等項目的實施，對TBM設(shè)備將有著巨大的市場需求。組織科研、設(shè)計、企業(yè)等單位，形成一個具有多學科、多部門技術(shù)能力的隊伍聯(lián)合攻關(guān)創(chuàng)新，結(jié)合我國工程的特點，生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM產(chǎn)品，是解除TBM設(shè)備技術(shù)壁壘、全面降低TBM制造成本與施工成本的唯一途徑。此外，培養(yǎng)熟練掌握TBM的高素質(zhì)操作、管理人員，是發(fā)揮TBM快速掘進、安全、經(jīng)濟施工的前提條件。

表2 TBM在國內(nèi)已建水利工程應(yīng)用情況

表3 TBM在國內(nèi)一些省份在建、待建項目應(yīng)用情況

TBM應(yīng)用前景

近年，國內(nèi)水利項目出現(xiàn)以長大隧道和特長大隧道為輸水建筑物的跨流域、跨?。ㄗ灾螀^(qū)）的大型引調(diào)水工程，如陜西引漢濟渭、吉林中部城市引松供水、云南滇中調(diào)水項目等。據(jù)了解，這些輸水隧洞多穿越崇山峻嶺，埋深較大，某工程單洞長度已達280余km，傳統(tǒng)鉆爆法施工難以達到快速、安全、經(jīng)濟的建設(shè)目的。因此，TBM技術(shù)將是首選的隧洞施工工藝。TBM在國內(nèi)一些省份的主要在建、待建項目應(yīng)用情況見表3。

通過近20年的隧洞工程實踐，無論從工程的施工環(huán)境、TBM選型、水文地質(zhì)條件以及建設(shè)規(guī)模等方面都體現(xiàn)出其有廣泛的應(yīng)用空間。全面系統(tǒng)地總結(jié)已建工程的經(jīng)驗，對今后隧洞設(shè)計、工程施工、項目運行管理等方面都具有較高的參考價值。隨著國家對水利行業(yè)投入的增加以及重大水利工程的實施，相信TBM技術(shù)在今后水利工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。