王雁军,齐梦学
(1.中铁十八局集团有限公司,天津 300222;2.中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400700)
伴随着我国基础设施建设的发展,岩石掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)在水工隧洞、铁路隧道、城市轨道交通隧道以及综合管廊等工程领域的应用越来越广泛,TBM法隧道施工技术已经得到了更加广泛的认可。
TBM施工行业的发展前景十分光明,同时所面临的挑战也十分严峻。TBM的大范围推广,为提升我国隧道施工水平、建设速度、建设质量、环境保护做出了重大贡献,也让以往无法实施的超长隧道不断成为现实,同时施工过程中遇到的问题也越来越多,例如:青海引大济湟工程的24 km隧洞出口端TBM历经9年累计掘进11 km,卡机数十次[1];陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞越岭段遭遇了岭南大流量突涌水被迫停机处置[2],而岭北大断层采用矿山法导洞开挖上半断面、TBM法掘进下半断面[3];西北某输水隧洞TBM施工面临着超长、强蚀变、高岩温、大埋深等“一超二强三高四大”的问题;大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工存在高地应力等“三高四活跃”的问题[4-6];辽西北供水工程TBM施工过程中曾遇到局部极完整围岩,整个掌子面无节理发育,掘进速度大约只有正常掘进速度的1/5;西北某工程面临着长距离极完整特硬岩挑战;TBM在断层破碎带施工过程中初期支护与围岩加固成为制约施工进度的主要因素,皮带机时而由于刀盘出渣量剧增而过载停机等。这些问题的解决,需要依靠施工工法、施工工艺的提升,更需要从根本上进行解决,即提高TBM的工程适应性。
基于当前TBM应用领域,在今后继续推广TBM施工技术时,还需要探索新型TBM研发,如异形断面TBM;同时,继续大力促进TBM周转使用和再制造TBM的应用,否则系统庞大、造价高昂的TBM设备将无法充分发挥作用而造成社会资源的浪费和国有资产的流失。
近年来,针对TBM方面的研究成果很多,但关于TBM关键技术发展方向的论述则较为笼统,例如:高黎贡山隧道“新型TBM”[7]仍然属于常规敞开式TBM,而在超前钻机的安装方式等方面有所创新;再制造TBM有所研究但一直无法得以推广应用[8-9]。基于此,本文在简要分析TBM在我国的发展过程、应用前景的基础上,总结TBM施工所面临的严峻挑战;从破岩、出渣、支护3大TBM基本功能入手,结合20余年TBM施工实践,探讨TBM设计制造和施工应用技术发展方向,以期推动我国TBM事业的持续健康发展。
TBM在我国的研究与应用,始于20世纪60年代,经过50多年的发展,总体上经历了5个发展阶段。
1.1.1 自力更生,独立研发
20世纪60年代我国开始独立研发TBM设备,并且进行了工业性试验[10]。受当时自力更生指导思想的影响,且受制于国内基础工业水平、设计水平以及境外技术与产品封锁,导致未能真正获得成功,但培养了掌握基础理论的人才。
1.1.2 引进设备,外企施工
1980—1990年,我国开始引进国外TBM设备,甚至由境外施工企业承建,国内提供部分劳务。该阶段以山西万家寨引黄入晋为代表工程,机型为双护盾TBM,地质以灰岩、泥灰岩为主,最高月进尺1 821.5 m,平均月进尺650 m[11]。良好的施工进度得益于适宜的地质条件、合理的设备选型、成熟的施工技术与施工管理。该阶段为国内TBM事业发展培养了一批技术人员,目前仍然在为TBM设计制造与施工服务。
1.1.3 引进设备,国企施工
1997年西康铁路秦岭隧道TBM设备进场,由铁道部第十八工程局和铁道部隧道工程局2家国企承建,最高月进尺分别为509、531 m,平均月进尺为310 m[10,12]。之后的西南铁路桃花铺一号隧道和磨沟岭隧道、吐库二线铁路中天山隧道、大伙房水库输水工程、锦屏二级电站引水洞、辽西北供水工程等,也全部采用境外品牌TBM设备,由国内企业独立组织施工。辽西北供水工程TBM进度普遍较好,如二段四标TBM平均月进尺为616 m。同时,也有例外,如甘肃引洮工程9#隧洞TBM施工实际由境外企业承担。
该阶段培养和锻炼了独立使用和管理TBM的施工企业,为国内科研院所及企业深入研究TBM提供了条件,TBM工法逐步得以推广。
1.1.4 强强联合,自主研发
2010年以来,铁建重工和中铁装备2家制造企业在中铁十八局和中铁隧道局2家施工企业的支持下,联合国内科研院所,强强联合、自主研发、设计制造了2台敞开式TBM,并成功应用于吉林省中部城市引松供水工程。二标段敞开式TBM平均月进尺为661 m,最高月进尺为1 209 m[13]。良好的施工进度得益于适宜的地质条件、TBM设备良好的工程适应性、紧密结合施工实践的设备配置、科学的施工组织管理。
1.1.5 自主品牌,推广应用
吉林引松2台自主品牌TBM的成功应用,奠定了TBM设备独立设计制造的基础,也奠定了建设单位、施工企业对自主品牌TBM的信赖,国产TBM得以在国内外迅速推广应用。据不完全统计,补连塔煤矿、兰州水源地、鄂北水资源配置宝林隧洞工程、重庆地铁、深圳地铁、青岛地铁、西部某引水工程、大瑞铁路高黎贡山隧道等工程已经采用自主品牌TBM 40余台(套),并且国产TBM已经走出国门。
经过近20多年的发展,TBM应用已经覆盖了铁路、水利、能源、轨道交通、矿山、综合管廊等领域,目前正在施工和年内计划投入施工的TBM数量已达60台(套),计划掘进长度近800 km。例如:西部某引水工程3条隧洞总长520 km,采用TBM法与钻爆法联合施工,主体工程同时采用18台敞开式TBM、3台盾构施工,其中2条支洞分别采用1台二手TBM施工,如此大规模的集群化TBM施工,在国际上也是前所未有的;同时,青岛地铁、深圳地铁、重庆轨道交通、引绰济辽、滇中引水、西(宁)成(都)铁路、川藏铁路等项目也将继续投入大量TBM开展施工。
目前国内TBM设计制造企业主要有3家,分别是完全自主生产的铁建重工,收购了德国WIRTH公司的中铁装备,收购了美国ROBBINS公司的北方重工。据不完全统计,在建工程中国产TBM已经占据了90%的市场份额。
TBM法隧道建设规模的扩张,带动了国内施工企业的迅猛发展,从原来中铁十八局和中铁隧道局2家施工企业发展到目前的近20家。
可见,从应用领域、在建工程与潜在工程数量、TBM设计制造与施工等方面综合分析,TBM设计制造与应用前景十分美好。自主品牌与融合了境外资源的国产TBM设备以及施工技术,都需要健康发展、可持续发展,促进我国TBM设计制造与施工水平不断提高。
我国TBM法隧道的建设环境呈现两极化发展趋势,一是朝着地质条件复杂的山岭隧道发展,二是朝着建设环境严苛的城市地下工程发展。目前,TBM施工主要面临着如下挑战。
随着我国TBM应用数量的增加、在建工程的增多、应用领域的拓展,其分布区域也更加广泛,面临的地质条件呈多样化发展趋势。
吉林省中部城市引松供水工程、辽西北供水工程,TBM施工取得了良好的进度,与设备设计制造、施工方案、施工组织有关,更重要的是其地质条件非常适合采用TBM法施工;西部某引水工程TBM掘进数百km,适宜采用敞开式TBM施工的Ⅱ、Ⅲ级围岩比例高达95%以上。
然而上述适宜地质是可遇不可求的,更多的隧道工程的地质条件呈多样化。引汉济渭工程TBM施工面临着大埋深、高地应力、强岩爆、大流量突涌水、特硬岩、大断层、瓦斯、高岩温等考验;西北某输水隧洞TBM施工面临着“一超二强三高四大”(超长、强岩爆、强蚀变、高地应力、高岩温、高水压、大埋深、大变形、大断层、大流量突涌水)恶劣条件;高黎贡山隧道TBM施工存在“三高四活跃”(高地热、高地应力、高地震烈度、活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的地质难题[4]。
当前国内TBM主要应用于水利水电工程隧洞,轨道交通领域次之,铁路隧道应用较少,其他领域更少。
如图1所示,水工隧洞TBM应用数量占比高达60%,一个重要原因就是TBM的开挖断面为圆形,更符合水工隧洞断面设计要求;地铁隧道TBM应用数量占30%,一个重要原因是城市环境不允许大范围爆破,而技术经济性与综合效益更好的非爆破隧道开挖技术很少,因而TBM法成为地铁岩石隧道施工的最佳选择;铁路隧道自20世纪90年代开始采用TBM施工,但其应用一直不温不火,原因之一是TBM开挖的圆形断面、采用预制仰拱块回填,存在较大浪费,在公路等其他领域同样如此。
图1 在建工程TBM应用领域统计柱状图Fig.1 Statistical histograms of TBM applicable fields in construction engineering
TBM不是万能的,每一种类型的TBM都有其对应的适宜的地质条件;隧道工程地质条件的多样性,对TBM设备与施工技术提出了更高要求。目前的TBM设备技术,还不能真正满足在建工程和潜在工程对TBM的要求,例如:极完整特硬岩的TBM掘进速度慢,软岩大变形时TBM卡机风险高,极端破碎地质条件下TBM施工隧道掌子面易发生严重坍塌,大流量突涌水时缺乏有效的封堵技术而只能长时间排放等。这些问题都是目前TBM施工面对的严峻挑战,需要不断探索和迅速提高TBM设备及施工技术水平。
对于相同的机型,研究同一工程不同标段的TBM施工进度,以及同一施工企业不同工程的施工进度,发现存在严重的不均衡现象。初步调研,地质原因、设备完好率、施工技术、施工理念、组织管理的差异是影响施工进度均衡性的主要因素。
随着国内岩石掘进机的使用越来越广泛,相关的技术发展也进入一个新的阶段,美好前景与严峻挑战并存,需要从TBM设计、制造、施工、应用各个环节开展更加深入的研究工作,以适应新时代基础建设对环境保护、施工安全与社会稳定、高效快捷、劳动健康、可持续发展等方面的高要求。
“绿水青山就是金山银山”,基础建设也越来越注重环境保护与水土保持,因而需要TBM施工从设备设计制造环节就要更加重视环保水保问题,如减少污染、杜绝跑冒滴漏、减少耗水、节约能源、突涌水时尽量封堵而减少排放、合理支护衬砌以降低材料消耗等。
城市地铁TBM施工场地狭小,且弃渣无法及时外运,会直接影响施工效率;而大高度垂直提升及连续小曲率转弯等很容易造成弃渣提升及材料装卸耗时过多,制约TBM快速掘进优势的发挥。
王梦恕院士曾指出,我国工程建设中存在不合理建设工期、不合理工程造价、不合理施工合同、不合理施工方案等4大不合理现象[14],同样存在于TBM法隧道施工中。
目前,国内TBM制造技术已经和国际水平基本相当,采用的零部件大部分为国际知名的品牌,国内制造企业需要在此基础上充分融合TBM在各类地质条件下的施工经验,设计制造出符合工程需求的可靠产品。现在国内TBM制造正在从简单模仿阶段向研发有针对性、有独特技术的产品阶段过渡。
国内TBM制造业的各种“第一台”、“首台”、“首创”、“新型TBM”层出不穷,虽然这在很大程度上是企业宣传的需要,不得不作“标题党”,这种现象恰恰说明了TBM行业对于技术创新、突破的渴望。但是,针对研发的方向、努力的目标,不同单位、不同人员认识不同,笔者认为有必要开展系统研究。
改革开放前,衡量国产化水平的一个重要指标是国产化率;改革开放后,受西方市场经济的产品、技术、理念的影响,大力推行全球化采购。目前,国产TBM的核心部件、重要部件的品牌产地,可选择的余地不多,绝大多数仍然依赖于境外采购或者是境外品牌、国内生产,比如:主驱动系统的主轴承、减速机、电机,液压润滑系统的油泵、马达、阀件、软管、接头,电气与控制系统的变频器、变压器、传感器、高压电缆卷筒及柔性电缆、主驱动电机供电电缆。不是制造商不想采用而是缺乏可靠的国内品牌替代产品;当然,刀盘、刀具等核心部件与重要部件大多已经由进口转为自主生产。
核心部件国内无力制造,一旦西方国家禁售,TBM国产化就会像IT行业一样遭受灾难性的打击。因此,国内TBM制造单位和相关的产业机构应加大合作研发力度、加快合作步伐,最终实现国产件完全替代进口件。目前国产主轴承、减速机、主驱动电机等部件已经应用于盾构,相信我们有能力解决TBM核心部件、重要部件国产化问题。
提升TBM破岩能力,从设备性能角度合理增大推力和转矩、提高转速是关键,要求液压、机械等主要执行系统预留较大的动力储备,具有更高的可靠性。实现以上目标需要从关键部件的质量、寿命方面综合考虑,结合设备成本找到一个平衡点来满足设备的能力需求。
在特硬岩、节理极不发育的情况下,现有TBM破岩效率很低,有人主张在加大推力、转矩的同时减小刀间距以提高破岩性能,但对于中心刀、小回转半径的滚刀,其间距较大且没有更多的空间允许在不改变滚刀直径的前提下缩小刀间距;过渡区域的滚刀和边刀,其间距已经很小且不具备继续缩小的可能性,因而可以缩小间距的只有半径方向中心区域均匀间距的滚刀,但其破岩面积比例有限,对于整体破岩性能提升的贡献也不一定显著。该措施在大直径TBM上效果相对明显,在中小直径TBM上难以发挥实际作用。
面对高磨蚀性围岩,大幅提升滚刀的耐磨性能也是我们需要解决的一个重要问题,关键在于材质与热处理等基础工业能力的提升。餐饮界的陶瓷刀具很锋利并且免维护,目前金属陶瓷滚刀已经开始在TBM施工中试点应用,这也许是不错的一个解决思路。
微波辅助破岩、激光辅助破岩、水力破岩等新技术已经开始研究。打破思路的限制,从根本上解决极端恶劣地质条件下TBM破岩问题以及刀具消耗成本持续偏高的问题,是我们必须面对的一个难题。
一直以来,TBM破岩所产生的弃渣通过皮带机运输至后配套区域,再以有轨运输或者连续皮带机方式转运。根据笔者多年的TBM施工经验,遭遇断层破碎带时刀盘卸入主机皮带机的渣量经常会骤增,往往导致石渣外溢而损伤皮带机或者过载而停机,因而必须增大TBM主机皮带机的出渣能力。
由于TBM主梁内空间所限,加大胶带宽度的可能性不大,需要另辟蹊径。后配套皮带机能力匹配、布置方式上也要考虑落渣和过载问题;主梁内积渣、粉尘、泥浆淤积问题以及主机底部石渣清理问题,同样是亟待解决的难题。
3.4.1 初期支护与管片衬砌
TBM的支护系统功能越来越完善,性能也不断提升,但仍然存在一些问题,主要是支护效率、质量与TBM掘进效率的匹配性差,特别是在不良地质段表现尤为突出,在一定程度上制约了TBM掘进速度的发挥,从而影响工程整体进展。
敞开式TBM由于设备结构的制约,支护设备的工作范围存在一定的局限性,如锚杆钻机的钻孔方向难以达到理想的与隧道法线重合的要求,只能呈发散状;普遍采用的Atlas COP 1838型钻机本身钻孔能力很强、效率很高,但在TBM上难以发挥出应有的效率,主要问题是其环向与轴向移动速度、定位速度较慢。这些方面和钻机本身性能无关,主要受限于TBM结构及设备空间的设计局限。
护盾式TBM通常以预制混凝土管片作为最终支护结构,管片背后吹填豆砾石并注浆回填。其作业效率与质量、及时性与操作便捷性方面仍待改进,关键的原因是豆砾石设备的能力和注浆的及时性。豆砾石吹填设备依赖进口,对豆砾石粒径、外形要求较高,国内工地现场难以获得合适的材料,从而影响设备效率发挥且设备损耗较大。回填注浆严重滞后,影响施工安全与质量。此外,管片衬砌结构的寿命可靠性尚未得到实践验证,近期有管片衬砌的引水隧洞出现较大范围渗漏水的问题,修复难度较大。
类似问题在TBM上普遍存在,属于共性问题,目前尚无较好的解决方法。下一步需要从源头抓起,在TBM设计制造过程中充分认识问题的严重性,认真研究对策,而不是重复以往设计。
3.4.2 超前加固
如前所述,TBM施工过程中,极端恶劣地质条件在所难免,并且出现的概率越来越大,因此,TBM在应对大段落不良地质、恶劣地质时迫切需要实现超前加固,可以大幅减少处理断层、破碎带等地质条件的时间和难度。在今后的TBM研发、制造中应将TBM超前加固功能作为一个重要的研究方向。
目前国内各高校、研究机构对TBM超前地质预报方面的研究较多,也取得了一定的成果,很多预报方法已被参建单位接受。钻爆法隧道施工中经常用到的超前注浆、超前小导管、超前管棚等措施效果显著,然而由于作业条件的限制在TBM施工中难以实现。工程中破切需求而尚未实现的TBM超前加固技术,正是今后TBM研究的又一个重点。
异形断面盾构,如双圆盾构、三圆盾构、矩形盾构在软土隧道中已经有了一定范围的应用[8]。中铁装备已经研发出了马蹄形盾构,所施工的隧道断面与功能需求相符性较好。同样,市场对于异形断面TBM的需求也很迫切,如公路、铁路等交通隧道,如果TBM开挖断面型式更适合隧道功能需求,其市场前景会很好。异形断面盾构技术,为今后异形断面TBM研发奠定了一定的基础,其思路可供参考。
TBM圆形刀盘倾斜,与隧道轴线形成一定的夹角,则可开挖出椭圆形断面;TBM掘进的圆形断面,初期支护之前,以机械法扩挖两侧边墙,则可以形成类似城门洞型断面……,目前只能存在于想象中。异形断面TBM是否具有可行性,能够实现怎样的断面型式,技术难点是什么,需进一步深入探索、系统研究。
TBM是一种先进的隧道施工设备,探讨TBM关键技术,应该包括设备技术和施工应用2个方面。结合笔者多年的施工实践,关于TBM施工与应用提出4个方面的展望,供大家参考。
现有技术条件下,异形断面TBM成为现实尚需时日,而大量隧道工程又希望采用TBM施工,那么充分利用TBM开挖的圆形断面空间,不失为一个努力的方向,在保证主体功能的同时,合理布置附属设施设备,增加其他辅助功能,尽量减小圆形隧道断面空间浪费,也许是一个便捷的途径,相对于研发异形断面TBM,其实现的可能性更大一些。
实践证明,通常情况下TBM的使用寿命为25 km左右,而单项工程TBM掘进长度往往小于上述长度,因而隧道贯通后,TBM大多保有较多的剩余寿命。目前的现实情况是绝大多数建设单位在土建工程招标时明确规定必须采用“全新TBM设备”,久而久之造成大量拥有可观剩余寿命的TBM长期闲置,造成资产无形流失,这是社会资源的巨大浪费。国内只有少量TBM得以再次利用。笔者之前就曾提出过我们应该创造条件,大力推动TBM周转使用[15],就像城市地铁隧道所使用的盾构一样,为工程建设提供巨大助力。
再制造TBM,不完全等同于修复改造,而是通过尺寸维修、换件、修复等手段,应用当前的新技术、新材料、新工艺赋予即将报废或者已经报废的TBM以新的生命,使再制造TBM性能、质量达到或超过原来全新的TBM。再制造TBM实际上可以当作全新设备使用。澄清了这个概念,我们就有充分的理由接受、支持再制造TBM的发展与推广应用。
只有这样才符合科学发展、推进资源全面节约和循环利用的要求。推动TBM周转使用和再制造TBM应用,需要工程建设、设计、施工、TBM设备设计制造与再制造相关单位,以及上级主管部门共同努力,从技术、管理方面下功夫,更需要得到国家层面的支持。
如前所述,TBM法隧道地质呈多样化发展趋势,随之而来的是诸多恶劣地质条件,如极强岩爆、极高岩温、强蚀变、严重破碎围岩、大变形等,此时TBM施工安全、施工进度、施工成本与投资都会受到极大影响。
TBM施工过程中,我们希望TBM能够在适宜的地质条件下发挥其快速掘进的优势,不良地质甚至恶劣地质条件下也能够持续掘进施工,避免长时间停机,尽量不采取矿山法等处理措施。因此,非常有必要研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术。从地质勘查与施工规划、施工技术、施工管理3方面提出以下重点研究内容:开工前地质勘查尽量详细、准确,现有技术无法准确探明的洞段必须在施工过程中辅以超前地质预报;科学认识TBM的工程适应性并合理选型,合理规划施工区段划分,及时合理进行初期支护,必要时实施超前加固(目前仍需系统、深入研究);参建单位各司其职、通力合作,合理控制工期与投资、建立健全的TBM施工规范。
隧道施工设备配置总的原则是配套设备能力适当高于主要设备能力。除了水电供应之外,TBM施工主要配套设备包括皮带机出渣系统、施工材料运输系统(目前主流方式为机车牵引有轨运输)、施工通风系统。
通风系统在长隧道TBM施工中的重要性不言而喻,目前各单位对高性能进口变频轴流风机的认可度较高,也取得了很好的通风效果,并且能耗普遍很低。在国内配套设备性能无法真正接近进口设备的情况下,应该继续坚持现有的正确做法;同时,加大研发力度,尽早推出性能可靠、综合成本(包括设备采购成本和运行成本)较低的国产风机。
有轨运输设备目前主要用于施工材料和人员运送,同样对TBM施工发挥着重要的作用。需要强调的是,在一些长大隧道中使用国产牵引机车需要谨慎,切不可为追求降低设备采购成本而忽略了施工中运输效率和设备故障对TBM施工效率的影响,如果增加了运行成本、降低了TBM掘进速度,就得不偿失了。希望国内相关配套设备制造商能够充分认识到这一点,加大研发力度,制造出综合性价比与欧洲品牌相接近的内燃牵引机车、新能源牵引机车。
连续皮带机出渣技术的应用大幅提升了TBM施工效率,自主品牌连续皮带机出渣系统已经得到了成功应用,但产品质量的可靠性与稳定性、应用环境相对复杂时设备的工程适应性、制造与服务的及时性等方面,还需要相关单位高度重视。皮带机出渣系统故障集中发生在控制系统、托辊质量、胶带划伤等方面,这些问题并非没有办法解决,一要合理选配,二要提高施工企业使用管理皮带机的水平。
提升TBM的工程适应性、拓展其应用,需要结合具体工程,从破岩、出渣、初期支护与超前加固3大基础功能着手创新性地开展研究工作,研制针对性更强、可靠性更高的TBM产品;加大核心部件国产化进程,为民族工业的真正崛起而努力,真正实现“中国制造2025”;研发异形断面TBM、研究现有TBM技术施工的圆形断面隧道空间的充分利用,开展极端恶劣地质条件下TBM施工技术研究,拓展其应用领域及适用范围;大力推动TBM周转使用和再制造TBM产业发展,以促进社会、经济健康发展、循环发展;同时,高效节能的通风系统、可靠而经济的牵引机车与皮带机出渣系统等TBM主要配套施工设备,也要改变长期依赖进口的现状,需要加大研发力度,实现与TBM的协同发展。
时代在进步、社会在发展,TBM在我国隧道施工领域的应用会越来越广,同时,工程条件对设备技术与施工技术的要求会越来越高,研究TBM关键技术的发展方向,无论对制造企业、施工企业来说都是必要的。只有真正把握了技术发展方向、不断解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能真正在设备制造、隧道施工领域取得竞争力,成为中国TBM行业的领军者,为我国隧道建设做出更大贡献。