TBM在水利工程中的应用与展望

谭志勇

全断面掘进机是集机械、电气、液压和自动控制于一体的快速地下开挖工程的大型高技术成套施工装备，是将掘进、移动、出渣和衬砌等多功能有机组合在一起的联合机组，融合了新材料、新工艺、液压、自动控制、信息、电子、电力、环保、人工智能、激光制导、遥测、遥感等高新技术。采用全断面掘进机施工法具有快速、优质、安全、对围岩破坏小、利于环境保护、降低劳动强度及改善工作环境等特点，已广泛用于铁路、公路、城市地下交通、水利、水电、煤矿等地下工程的施工。

全断面掘进机主要包括全断面岩石掘进机（也称为TBM）和全断面盾构机（一般称为盾构机）。TBM主要用于具有一定自稳能力的岩石地层的掘进，多用于野外的长隧道（如引水隧洞、铁路隧道等）。而盾构机主要用于有水地层、软弱不稳定围岩、对地表有严格沉降控制要求的城市地下工程或过江隧道工程的掘进。

TBM主要分为开敞式、单护盾、双护盾等三种类型，其型式的选择主要考虑地质条件、隧洞埋深及其断面尺寸，确定掘进机型式最主要的因素是洞线地质条件。评价洞线地质条件主要考虑以下因素：岩性、围岩类别、节理情况、裂隙宽度、涌水情况、断裂破碎带宽度、膨胀岩存在的可能性等。开敞式、单护盾、双护盾三种TBM性能比较见表1。

TBM在水利工程中的应用

1984年广西天生桥水电站引水隧道是我国水利行业首先使用TBM技术施工的，近年来TBM在水利工程中的应用较为广泛，各种类型TBM在国内的已建项目中都得到了应用，主要统计数据见表2。

从表2可见，使用TBM掘进的洞径从3.5～12.4m不等；单台累计最大掘进长度约25.9km；洞身岩体条件从软岩～硬岩，围岩类别V～II；隧洞最大埋深达2520m；从施工效能来看，平均掘进240～650m/月,在同等条件下比传统钻爆法高5～10倍。万家寨引黄工程南干线#4、#5洞段创出了最高日进尺113m、最高月进尺1821m的施工纪录。

表1 开敞式TBM与护盾式TBM性能对比

从整体来看，TBM技术在水利工程上得到了较好的应用，但个别工程在应用中也出现过较深刻的教训。根据隧洞洞身岩体条件合理选取TBM设备型式是快速、安全、经济成洞的前提。结合已建工程的实践经验，笔者认为：洞身岩体较完整、围岩自稳性能较好，可采用开敞式TBM；洞身地质条件较差、围岩自稳性能较差，可采用护盾式TBM；不良地质洞身段占比较大、或可能产生突泥涌水以及溶洞发育洞段，可采用传统的钻爆法。

现阶段我国TBM施工的隧洞工程普遍存在投资大，原因之一是TBM设备的制造成本和运行成本高所致。从20世纪80年代至今，TBM设备多采用国外制造厂商生产的产品为主，近年来国内TBM生产厂商也逐步引进国外生产技术进行制造和设计，处于引进、消化吸收阶段，制造和设计水平偏低。TBM设备的核心部件或关键部件，是制约我国制造的主要技术瓶颈。

TBM是集多学科、多部门于一身的高科技产品，随着我国水利、铁路、公路以及城市地下交通等项目的实施，对TBM设备将有着巨大的市场需求。组织科研、设计、企业等单位，形成一个具有多学科、多部门技术能力的队伍联合攻关创新，结合我国工程的特点，生产出具有自主知识产权的TBM产品，是解除TBM设备技术壁垒、全面降低TBM制造成本与施工成本的唯一途径。此外，培养熟练掌握TBM的高素质操作、管理人员，是发挥TBM快速掘进、安全、经济施工的前提条件。

表2 TBM在国内已建水利工程应用情况

表3 TBM在国内一些省份在建、待建项目应用情况

TBM应用前景

近年，国内水利项目出现以长大隧道和特长大隧道为输水建筑物的跨流域、跨省（自治区）的大型引调水工程，如陕西引汉济渭、吉林中部城市引松供水、云南滇中调水项目等。据了解，这些输水隧洞多穿越崇山峻岭，埋深较大，某工程单洞长度已达280余km，传统钻爆法施工难以达到快速、安全、经济的建设目的。因此，TBM技术将是首选的隧洞施工工艺。TBM在国内一些省份的主要在建、待建项目应用情况见表3。

通过近20年的隧洞工程实践，无论从工程的施工环境、TBM选型、水文地质条件以及建设规模等方面都体现出其有广泛的应用空间。全面系统地总结已建工程的经验，对今后隧洞设计、工程施工、项目运行管理等方面都具有较高的参考价值。随着国家对水利行业投入的增加以及重大水利工程的实施，相信TBM技术在今后水利工程建设中有着广泛的应用前景。