TBM工程适应性研究与挑战及应对思路

周雁领

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 引言

隧道掘进机从广义上分为全断面和部分断面掘进机。全断面隧道掘进机主要包括盾构机、岩石隧道掘进机、顶管机等[1]。本文研究对象为岩石隧道掘进机(以下称TBM)。

1846年比利时工程师毛瑟(Maus)开发了世界首台TBM，直到1953年美国工程师詹姆士·罗宾斯(Robbins)成功研制了第一台现代意义的TBM，见图1。经过60多年的发展，TBM设备技术与施工技术取得了重大进步，其工程适应性不断加强，应用领域、应用规模不断拓展，已经成为发达国家隧道施工的首选[2]。

图1 第一台成功使用的TBM

我国TBM研究与应用始于20世纪60年代[3]，总体上经历了5个发展阶段：起初的自力更生、独立研发阶段；以山西万家寨引黄工程为代表的引进设备、外企施工阶段；以西康铁路秦岭隧道为代表的引进设备、国企施工阶段；以吉林中部城市引松供水工程(国内首台自主知识产权TBM，见图2)为代表的强强联合、自主研发阶段；以西部某总长520 km隧洞引水工程为代表的自主品牌、推广应用阶段[4]。据不完全统计，深圳地铁、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，并且已经走出国门。

从应用领域、在建工程与潜在工程数量等方面综合分析，TBM前景广阔。自主品牌TBM的成功研发与大范围应用，显著提升了TBM的认可度，甚至迎来了“井喷式”发展趋势。除了传统的水利水电、铁路、城市轨道交通外，更多新的领域也提出了TBM应用需求，其工况条件往往存在巨大差异；以往只在最适宜的条件下慎重选用TBM施工，现在却是钻爆法适应性不强的工况条件下希望更多地采用TBM施工。需求是广泛的，然而TBM的适应能力有限。正确认识TBM的工程适应性，才能促进TBM的合理应用与科学发展。

图2 首台自主知识产权TBM

2 TBM工程适应性分析

TBM施工具有显著优势，但也存在明显不足，适宜的地质条件下可以持续、均衡、快速施工[5]，极端恶劣地质条件下“寸步难行”。TBM基本机型分为敞开式、单护盾和双护盾三类[6]，不同机型的工程适应性存在明显差异，尚无能够应对所有地质条件、满足所有设计施工要求的“全能型”TBM，甚至极端恶劣地质条件下任何一种机型都无法适用。

(1)地质适应性。敞开式TBM适合在围岩整体较完整、具有相对良好自稳能力、整体性较好的围岩中掘进，采取必要的辅助措施可以在短距离恶劣地质条件下施工；单护盾TBM适合在围岩抗压强度相对较低、自稳能力较差但掌子面仍具有一定自稳能力的地质条件下施工；双护盾TBM适用于总体围岩自稳能力较好、自稳能力较差洞段比例不大、塑性变形较小的隧道。

敞开式TBM初期支护与超前处理手段相对灵活[7]，采用新奥法人工干预的条件相对较好，盾体较短且具有一定的径向伸缩能力，有一定变形适应能力，卡盾风险相对较小，应对地质风险的能力较强，但洞底落渣清理工作量明显高于护盾式TBM。

(2)支护结构。敞开式TBM开挖及初期支护后，再施作二次衬砌，Ⅰ、Ⅱ级围岩及条件较好的Ⅲ级围岩(有的称之为Ⅲa)条件下甚至可以不做任何支护；护盾式TBM无初期支护，以管片作为支护结构，其中单护盾TBM需要管片提供掘进反力，必须全洞段拼装管片，而双护盾TBM原理上可以在良好围岩条件下不做任何支护，欠佳的地质条件下拼装管片。

(3)构筑物结构强度、耐久性。敞开式TBM所施工的隧道采用现浇混凝土二次衬砌，具有显著优势[8]；护盾式TBM采用预制管片作为永久支护结构[9]，管片错台、开裂、密封失效风险高，并且管片背后回填密实度可靠性不高，显然逊色于现浇混凝土衬砌结构。

(4)掘进速度。通常情况下敞开式TBM和护盾式TBM在Ⅰ～Ⅲa级围岩条件下具有基本相同的掘进速度，能够适应的其它地质条件下双护盾TBM的掘进速度更优；单护盾TBM由于掘进和拼装管片交替施工[10]，纯掘进时间利用率较低，因而掘进速度相对较慢，但在能够适应而自稳能力欠佳的地质条件下其速度优于敞开式TBM，甚至高于双护盾TBM。

(5)综合成洞速度。双护盾TBM掘进和管片拼装同步作业，并且以管片作为最终支护结构，因而其综合成洞速度最快；单护盾TBM由于掘进与管片拼装交替作业，综合成洞速度明显低于双护盾TBM；敞开式TBM边掘进边施作初期支护，不良地质条件下初期支护和其它施工措施占用时间较长，隧道贯通后或者适宜的断面下可以同步衬砌，其综合成洞速度明显低于双护盾TBM。单护盾TBM和敞开式TBM综合成洞速度，需要视地质条件、支护工作量、断面大小而定，无法一概而论。

(6)成本。三种机型的开挖价格总体上基本持平，敞开式TBM以现浇混凝土作为永久支护结构，必要时施作初期支护，甚至部分洞段允许无支护结构，因而其综合成本最低；护盾式TBM以预制混凝土管片作为永久支护结构，其成本显著高于敞开式TBM；单护盾TBM掘进速度低于双护盾TBM，因而其综合成本高于双护盾TBM。

上述定性分析，未提及的因素默认为相同或者基本相当。

3 TBM施工面临的挑战分析

3.1 地质挑战

随着TBM法的普及、连续掘进长度的增大，隧道地质条件不可避免地会呈现多样化，具有良好TBM工程适应性的项目越来越多[11]，遭遇不良地质甚至恶劣地质条件的几率也越来越大。强烈～极强岩爆、大断层等严重破碎围岩、大流量突涌水和突泥涌砂、高承压水、极完整特硬岩、极高地温、强蚀变、大变形、有害气体、高放射性等极端恶劣地质条件下，TBM施工安全、进度、成本都会受到极大影响，尚无有效的、可靠的应对措施[12]。

3.2 设计挑战

TBM开挖断面为圆形，因而成洞断面仍以圆形为主，目前改变断面型式的唯一途径就是回填，存在巨大浪费。随着应用领域的不断拓展，对TBM法隧道的断面形式提出了新要求，异形断面已经成功应用于软土隧道，但用于TBM法隧道尚缺少适宜的施工设备；TBM开挖直径向两极化发展，近期国内已经研制应用了φ0.55 m的TBM，也提出了φ15～16 m的TBM需求；纵坡方面，水平隧道、缓坡隧道、大坡度上坡与下坡隧道、竖井需求量都很大，业界也提出了扩大TBM法坡度适应范围的要求；水平曲线方面，以往山岭隧道TBM法施工的最小转弯半径不小于500 m，城市轨道交通隧道最小转弯半径在250～300 m之间，目前有些特殊领域提出了最小转弯半径75 m的要求；支护结构方面，TBM施工与钻爆法施工对围岩的扰动明显不同，但缺乏统一的针对TBM法的支护设计理论和规范，只能套用钻爆法隧道的支护理念、理论和规范，存在过度支护问题。

3.3 施工挑战

今后TBM法隧道施工不可避免地将会遇到高原、高寒、氧气含量低、高温、高湿、环境脆弱等不利条件，例如川藏铁路；TBM长距离连续施工需要配套的出渣、物料及人员运输、通风与顺畅回风、冬季洞内水雾浓度大、高原供氧提供可靠保障；“三通一平”(供电、供水、场地内外施工道路、施工场地)等施工条件，在部分工程中具有极大难度，如南水北调西线工程；支护工效总体偏低，施工质量往往与设计要求存在明显差异，TBM掘进成洞轴线呈折线状而无法真正与设计轴线重合。

3.4 设备设计制造挑战

TBM及其部件的产品质量如果能够显著提升，则施工成本会显著下降，将促进TBM法在更大范围内取代钻爆法；核心部件长期依赖进口，制约了TBM制造周期和成本的优化。TBM的环境适应性、坡度适应性、水平曲线与空间曲线适应性都有待提升；异形断面TBM、超大断面TBM、极小断面TBM、长距离扩径且能够正常施工的TBM、大尺度变径TBM的需求已经非常迫切；更加节水节能的TBM将会受到广泛欢迎；TBM超前加固能力普遍偏低，敞开式TBM初期支护施工的及时性(如盾尾喷混)、合理性(如锚杆入岩角度)有待提高。

上述问题不能妥善解决，TBM应用领域难以得到实质性转变。

4 初步思路

TBM法的推广应用，主要取决于TBM的工程适应性，需要建设、设计、审批、施工、监理等各建设环节及单位相互融合、深入沟通、充分交流，才能扬长避短、充分发挥TBM的优势，促进工程建设顺利进展。

扩大TBM施工的优点，不断克服其缺点，提升TBM的工程适应性，需要从TBM设计制造的源头抓起，当前和今后的隧道建设发展趋势，迫切需要改进现有机型、拓展功能、提升性能，研制新型TBM。

改进现有TBM施工工艺，以更适用、更先进的施工技术促进TBM法隧道勘察设计、设备设计制造技术更上一层楼，实现装备研发、施工工艺、工程规划设计各环节的良性循环。

改良现有TBM机型，研制新型TBM。现阶段建议从三方面着手，一是真正实现超前加固；二是加强支护施工的及时性和工效(特别是敞开式TBM)；三是解决敞开式TBM洞底清渣问题。打破传统机型及其适应性的限制，研发全新结构形式、融合现有不同机型都是可行的，底部清渣首先在于源头治理——减少落渣(如一种用于敞开式TBM法施工隧道的钢管片/钢瓦片支护系统[13])。在此基础上，继续提升TBM的工程适应性，努力研发异形断面、极端尺寸断面、大尺度变径TBM，小曲率半径、大坡度及竖井TBM，解决科学合理高效支护、极完整特硬岩高效破岩、核心部件国产化等问题。

5 结束语

TBM在适宜的地质条件下可以持续、均衡、快速施工，不良地质段施工进度会明显降低，遇到极端恶劣地质条件时进度缓慢甚至可能长时间卡机。TBM应用范围、应用领域不断拓展，施工环境越来越复杂，而当前的设备技术与施工技术还不能满足工程建设需求。在TBM应用与推广过程中，需要立足现状、尊重事实，同时努力研究开发新技术、新设备、新工艺，促进TBM法隧道施工技术不断进步。