硬巖掘進機(TBM)在我國隧道施工市場的推廣應用

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

硬巖掘進機(TBM)在我國隧道施工市場的推廣應用

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

TBM是目前長大隧道施工最先進的大型工廠化成套設備，具有安全、快速、環保等諸多優勢，在發達國家已經成為隧道施工的首選設備，但在我國卻一直無法大范圍推廣應用，對于提升我國隧道施工技術水平極為不利。透過TBM在我國的應用現狀，分析存在的問題，探討其未能大范圍推廣應用的原因，探索出推廣應用TBM法施工的措施，并提出正確對待TBM的適用范圍、合理降低設備成本、科學籌劃工期、編制合理的工程造價等建議。

硬巖掘進機(TBM)；隧道；推廣應用

0 引言

隧道的存在和施工由來已久，隨著時代的變遷，其施工技術經歷了鋼釬大錘、手風鉆和鑿巖臺車之后，TBM法作為第4代施工技術，已成為目前隧道施工最先進的工法之一。

TBM(隧道掘進機)采用機械式破巖，集隧道施工的開挖、出碴、初期支護(管片襯砌)、通風除塵、鋪設隧道軌線以及風水電延伸于一體，具有快速、優質、安全和環保等施工特點，實現了長大隧道施工的流程化作業。

廣義上的隧道掘進機包含全斷面掘進機和部分斷面掘進機，全斷面掘進機包括了硬巖掘進機和盾構(軟土掘進機)。在我國隧道施工領域，通常把全斷面硬巖隧道掘進機稱為“TBM”，有開敞式、單護盾和雙護盾等主要形式[1]。TBM法在發達國家的應用已經非常成熟，是隧道施工的首選方法，然而在我國其應用受到諸多因素的制約，除城市軌道交通領域外，主要應用于特長和超長隧道施工。

在我國隧道施工領域，有人形象地將“TBM”戲稱為“特別猛”，因為它的“鐵齒鋼牙”可以將抗壓強度高達200 MPa以上的巖石輕松“咬碎”，在山體中昂然前進；也有人將“TBM”戲稱為“特別慢”，因為它對地質條件的適應性差，在不適合的地質條件下，這個龐然大物消耗了大量資源，但卻寸步難行。為何發達國家普遍采用的，具有先進、安全、快速、環保、施工質量高等優點的TBM法，在我國的應用卻受諸多因素的制約呢？查閱TBM應用與施工技術方面的文獻，未發現較為系統的分析與論述。文獻[1]結合工程實踐介紹了TBM施工技術，并簡要展望了TBM的應用前景；文獻[2]簡要分析了我國盾構、掘進機隧道修建技術的現狀及存在的問題，并提出解決建議，指出工程建設一定要堅持科學發展觀；文獻[3]詳細介紹了TBM的結構原理；文獻[4]介紹了TBM結構原理及施工工藝要點；文獻[5]論述了推廣應用再制造TBM的必要性與可行性以及質量控制措施；文獻[6]介紹了TBM的發展歷程及其在水電業隧洞掘進中所起的歷史性作用；文獻[7]分析了盾構(TBM)技術在煤礦礦井建設中的現狀、應用前景、存在的問題及發展趨勢；文獻[8]結合工程實例研究了2種工況條件下TBM同步襯砌施工技術，并探討其應用前景及發展趨勢；文獻[9]研究了TBM在城市軌道交通領域的應用及施工技術；文獻[10]總結出TBM技術發展新特色及趨勢。本文簡要探討了我國TBM的應用現狀、推廣TBM法施工的意義和目前推廣應用范圍不廣的原因，在此基礎上對如何科學合理地推廣TBM法隧道施工技術進行了初步的思考，并提出了一些有用的建議和措施，以期為我國TBM施工技術的推廣和科學發展提供參考。

1 現狀

當今中國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[2]。我國TBM事業始于20世紀50—60年代，發展于90年代。在甘肅引大入秦工程和山西萬家寨引黃入晉工程中，由外國承包商采用TBM施工的多條輸水隧洞取得了成功；西安—安康鐵路18.4 km長的秦嶺鐵路隧道引進了2臺直徑為8.8 m的開敞式TBM，由國內施工企業操作使用，并成功建成了隧道[1]。此后，TBM在我國長大隧道施工領域不斷得以推廣和應用。縱觀我國TBM施工項目[3-4]，總體上存在以下特點：

1)隧道長度大，除城市軌道交通工程外，隧道長度均超過10 km。

2)增加施工支洞的條件很差，甚至不具備條件。換言之，不得不采用TBM法施工。

3)采用TBM法施工的已完工和正在施工的隧道工程中，水工隧洞約占2/3。

4)2000年之后開工的項目比例大，約占3/4，且近5年開工的項目約占1/2。

5)進口品牌的TBM市場占有率具有統治性，調查的50多臺次應用實例中，只有2臺次是自主品牌的產品，且還在制造過程中。

2 TBM應用推廣慢的原因分析

TBM正在我國得到推廣應用，但與我國隧道建設規模的擴大化相比，其發展速度仍然較慢。

2.1 TBM設備及施工成本高、工程造價低

1)TBM設備結構復雜、系統龐大、設計制造成本高；截至目前國產品牌的TBM應用量極少，尚不能與進口品牌相抗衡，采購成本難以有效下浮；采用全新TBM的比例較高。因此，TBM設備成本普遍偏高。

2)組裝、掘進施工和拆卸過程中，所需要的TBM施工配套設備品種多、數量大，部分設備還要依賴于進口；由于市場規模不夠大，尚不能有效地循環周轉使用。因此，配套設備采購成本偏高。

3)TBM自身的特征決定了其配件消耗較大(特別是刀具配件)，遠高于鉆爆法的鉆頭和鉆桿等常規設備的消耗成本。

4)絕大多數情況下，單臺TBM的使用壽命遠小于其固有壽命，且普遍缺乏后續工程，導致舊TBM長期閑置，存儲與維護保養成本高，自然老化等帶來的損失較大，甚至報廢，造成資產浪費。

5)TBM運輸、施工配套設施、組裝調試、拆卸等工序占用的人力、物力、財力、時間等資源較多，這是TBM施工中必不可少的成本消耗，無法規避。

6)TBM工程設計所采用的定額明顯滯后于時代發展，定額低于實際成本消耗，即便允許調差，也只能是少量彌補，而不能真正解決其中的差額。例如：2000年前后農民工工資標準為1 000～2 000元/人月，此時制定實施的定額標準一直在沿用，而現階段工資標準低于4 000元/人月幾乎無法請到農民工上崗。該問題一直未能得到科學、合理的解決。

7)工程項目的建造要有科學合理的造價,一些地方一味壓低造價，忽視了復雜的地質條件[2]。

8)最低價中標制度被普遍濫用[2]。部分施工單位為了搶占市場，盲目降價，以低于成本的價格投標，造成某些項目以TBM法中標后改為鉆爆法施工，這對于TBM的發展極為不利。

不論是建設單位，還是施工企業，都不可忽視成本控制，實際施工成本與定額或者中標價之間的不協調必然會影響到TBM的長期發展。

2.2 TBM制造、施工準備周期長，工程施工工期短

1)TBM制造周期長。以直徑為8 m左右的開敞式TBM為例，通常情況下，其長度近200 m，總質量約1 500 t，在主軸承等事先采購的前提下，其設計制造周期約為1年。

2)TBM主機部件存在超重、超寬件，對進場運輸條件要求高，有時需要專門修建或改建道路。

3)TBM對組裝場地、起重運輸設備等配套設施要求高，準備時間長。

4)TBM對地質的適應性較差，每一種類型的TBM都有其適宜的地質條件，否則施工進度將嚴重受阻，甚至造成重大安全、質量事故。然而，長大隧道的地質條件必然存在較大范圍的變化，部分洞段TBM無法實現較快速度施工。

5)一些地方為追求政績，科學的工期被一再提前[2]。

科學的設計制造與施工周期是保障工程安全與質量的重要條件。如果TBM計劃掘進長度不是足夠長，與鉆爆法相比，TBM施工工期和施工成本都明顯存在劣勢；如果具備設置施工支洞的條件，增加工作面、采用鉆爆法施工有可能會取代原計劃的TBM法施工。這也是TBM法尚未在我國廣泛應用的、不可忽視的影響因素。

2.3 TBM施工不順利的項目較多

長大隧道施工不可避免地會存在不可預知風險，對地質適應性要求較高的TBM施工更是如此，諸多因素的綜合作用，導致我國采用TBM施工的項目存在較多不順利的實例。例如：由于建設周期或者慣例等原因，我國的長大隧道地質勘察技術遠沒有歐美國家的詳盡，增加了地質風險的可能性；對不同類型TBM的地質適應性認識不足，在某些工程中存在設備選型、結構設計、設備配套等方面不盡合理的現象；TBM使用與維護保養不當而導致掘進受阻；二手TBM應用前整修或者翻修不徹底，導致故障率高、進度遲緩。

2.4 認知程度偏低

我國隧道工程量大、勞動力充足等因素促使我國培養和鍛煉出了采用鉆爆法施工的高水平技術隊伍，特別是目前仍在盛行的手風鉆施工，更是堪稱世界之首；同時，隨著技術的進步和勞動保護意識的加強，鑿巖臺車也正在不斷得以推廣。因此，總體上，在隧道領域偏向于采用鉆爆法的觀點比較多，在具備條件采用鉆爆法施工的工程，很多情況下會首選鉆爆法而不是TBM法。

由于TBM的普及程度不夠、應用范圍較小，能夠深入了解、全面掌握TBM的人相對較少，造成與隧道建設相關的建設、設計、施工單位對TBM的認識不足，沒有清晰地認識TBM的特點、應用范圍和地質適應性等；甚至，由于部分工程進展不順利而對TBM施工工法產生偏見，有的單純指出TBM施工成本高。

由于工期、地質條件、施工成本和經營策略等因素的影響，存在大幅消減既定TBM施工長度，甚至全標段取消TBM施工的現象，這對于TBM法的科學推廣應用具有一定的負面影響。

3 大力推廣TBM法的意義

我國鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等工程的需求量大，由于建設環境和工程條件的原因，隧道(隧洞)的需求量巨大[2]。城市地鐵建設力度的不斷加大；國家重點建設項目，如西部大開發、長距離供水、西氣東輸、跨海通道等工程中隧道所占的比例越來越高。作為當今世界上最先進隧道施工技術和施工方法的TBM法，存在著諸多優勢，必將大有用武之地。

我國隧道建設有3個非常明顯的趨勢：1)需修建的長隧道越來越多，且長度越來越長；2)以隧道方式跨越江、河、湖、海水域的工程越來越多；3)水工隧洞、城市隧道和地下鐵道的建設將迎來高潮[1]。因此，推廣應用TBM法隧道施工技術意義重大。

3.1 技術進步的需要

科技時代，技術為王。長大隧道、多山城區隧道采用TBM法施工，是技術進步的需要，也是技術發展的必然選擇。

3.2 環境保護的需要

工業化的突飛猛進，使環境遭受嚴重破壞，已經引起相關部門的高度重視。傳統的鉆爆法施工由于破巖方式、最大獨頭施工長度等因素的制約，對環境破壞較為嚴重。TBM法具有低污染、一次性掘進長度大、需要支洞少等優勢，可大大降低對環境的破壞。

3.3 施工條件有限

由于工程建設的需要，長大隧道大多地處偏遠山區，埋深往往較大，不論植被脆弱或豐富都要盡量較少破壞，需要盡量減少對地表和地下水的不利影響；城區軌道交通或市政管線網絡所需隧道，同樣存在諸多因素的制約。因此，TBM法成為某些隧道最佳，甚至是唯一的施工方法。

3.4 勞動保護要求不斷提高

社會在進步，勞動者的權益保護意識在不斷加強，以往鉆爆法施工中大量出現的塵肺等職業病已經引起相關部門的高度重視，但鉆爆法施工工藝無法從根本上消除洞內環境對人體健康的不利影響。TBM法設備配置合理，輔以規范的操作和維護，可將洞內灰塵降至最低限度，有利于保護勞動者的健康。

3.5 安全的需要

TBM為機械式破巖，不使用火工品，安全性大大提升；掘進時對圍巖的擾動小，圍巖松動范圍小，可充分利用圍巖的自穩能力；護盾對圍巖具有一定的支撐作用，輔以適用的支護措施可有效地減少圍巖失穩及坍塌。因此，采用TBM法施工發生安全事故的概率明顯低于鉆爆法。

3.6 成本的需要

中國廉價勞動力的優勢正在逐步降低，人工費在不斷上漲，同時勞動者的勞動保護意識在不斷加強，在給勞動者身體健康造成不利影響的領域和行業，工資水平在不斷上漲，但仍然難以解決勞動力缺乏的現狀；火工品等隧道施工物資價格居高不下；長大隧道鉆爆法施工需要配置更多的施工支洞，且超欠挖偏大，處理成本較高，導致TBM法與鉆爆法綜合施工成本之間的差距正在逐漸縮小。

3.7 國家建設的需要

TBM施工最突出的特點是快速掘進，可以達到鉆爆法施工的3～10倍。如前所述，我國基礎建設中長大隧道的需求量大，推廣TBM法可以大大縮短工程建設周期，對加快國家基礎建設作用巨大。

4 推廣TBM的建議措施

4.1加強普及、正確認識TBM

TBM法施工的健康發展，需要施工、設計、建設、監理、審批各個環節對其有正確的認識，這就要求相關單位和人員要結合工作內容加強對TBM知識的學習。

1)TBM及其工藝特點與施工方案規劃之間存在一定的對應關系。

2)根據TBM對地質條件的適應性安排合理的施工進度指標。

3)TBM設計制造周期、施工準備期較長，適于較長隧道施工。

4)TBM本身造價和施工消耗要與工程預算相匹配，不可盲目降低或者抬高工程造價。

5)施工管理，特別是TBM維護保養及操作管理至關重要。

4.2 正確對待TBM的適用范圍

1)TBM開挖斷面為圓形，從充分利用開挖斷面的角度分析，TBM更適合于水工隧洞或者共同溝等建筑的施工。

2)TBM獨頭掘進距離長，對環境破壞小，但施工準備期長，適用于長大隧道施工；特別是在環境保護意識普遍提升的今天，更應該大力推廣TBM法施工。

3)TBM為機械式破巖，不會產生鉆爆法不可避免的沖擊波和爆破噪音，因而適合在城市、自然保護區等環境中推廣應用。

4)不同類型的TBM，其地質適應性不同，需要依據地質條件和建設要求等合理選型。開敞式TBM適用于圍巖整體性較好的隧道施工，同時利用臨時支護手段可以應對短距離的不良地質洞段；單護盾TBM主要適用于圍巖自穩能力較差的脆性圍巖或軟巖地層隧道施工[1]；雙護盾TBM適用于總體圍巖自穩能力較好、自穩能力較差洞段比例不大、塑性變形較小的隧道，其突出特點是綜合成洞速度快。

4.3 降低設備成本

目前，TBM設計和主要部件的制造仍以國外品牌為主，價格普遍偏高，建議從以下幾方面降低TBM法施工的設備成本。

1)降低TBM采購價格。一是以招標方式落實采購，提高合同談判水平，在此過程中謀取合理的利益，降低設備采購綜合成本。二是通過扶持國產品牌促進采購價格趨于合理，預期可以使造價降低20%～30%，通過土壓平衡盾構的價格變化以及近期硬巖掘進機采購價格可見一斑。

2)推進施工配套設備國產化。TBM施工的主要配套設備，如連續皮帶機、內燃牽引機車、隧道施工通風系統等，以往大多依賴于進口，并且取得了良好的應用效果，但其采購價格偏高。通過對其主要部件、系統集成的研究，發現存在較大幅度下調價格的空間，應創造適宜的條件，以國產化或者國內集成等方式降低采購價格。

3)TBM及配套設備重復利用。全新TBM的使用壽命國內通常按25～30 km考慮，而單項工程TBM掘進任務往往無法達到該長度，固定資產閑置浪費較嚴重。因此，可以主動創造機會使二手TBM再次使用，充分發揮其價值；也可以在適當的條件下推廣再制造TBM 的應用比例與范圍,可取得較好的工期效益、技術效益以及經濟效益,這也是建設節約型社會、發展低碳經濟的需要[5]。其他配套施工設備同樣需要周轉使用，方可降低設備配置成本。

4)加強設備使用階段的維護保養。規范操作可以提高設備完好率，保證其發揮良好的性能，取得較快、較均衡的掘進速度，從而降低設備使用成本。

4.4 提高設計水平

唯有不斷創新，才能持續發展。隧道施工采用TBM法和鉆爆法，其破巖機制不同，設計與施工規范同樣存在差異。TBM法施工的初期支護、二次襯砌、圍巖變形等也需要在理論計算和工程實踐中不斷完善，形成趨于合理的規范，科學指導施工。這樣就可以在保證施工安全和工程質量的前提下降低工程成本，提高施工速度。

同時，也要加強TBM及配套設備的設計制造水平，提高其適應能力和工作效率，降低施工消耗(電力、燃油、液壓與潤滑油、備品備件和勞動力等)。

4.5 科學籌劃工期

采用TBM法施工的隧道，要科學安排工期，特別要注意2點。

一是TBM采購、運輸、工地組裝調試的周期通常需要15～18個月。該時間段可充分利用，完成TBM進場前的準備工作，如果條件允許，則可采用鉆爆法盡量多施工，TBM完成組裝調試后步進通過。

二是結合地質條件確定合理的TBM進度指標。既要充分發揮TBM快速掘進的優勢，又要避免盲目樂觀，切忌提出不切實際的進度要求。

4.6 編制合理的工程造價

工程建設中的不合理造價直接影響著工程質量和生產安全，影響建筑業的有序健康發展，沖擊正常的建筑市場管理[2]。頒布實施工程定額是規范建筑市場的需要，但定額也需要與時俱進，實際建筑成本大幅上漲的情況下，需要合理調整定額。招標活動中的一項重要原則就是合理低價，也可以描述為不低于成本價，這是必要的，但不能一味堅持最低價中標原則，更不能死抱著與施工市場實踐明顯脫節的、尚未更新的定額。設計、建設、審批等相關單位和部門要共同努力，與時俱進，切實結合當前的市場發展現狀，編制合理的工程造價。

4.7 地勘盡量詳實、準確

我國的隧道建筑市場以往在地質勘查方面不夠細致，經常由于環境、工期、成本等因素的制約而減少現場勘探，從而出現地勘成果與開挖揭露的實際地質存在較大偏差的情況，這對于地質適應性不夠靈活的TBM法施工而言，潛在風險較高。目前，有些項目正在彌補這方面的不足。例如某引水工程在前期地勘成果的基礎上，增加大量鉆孔數量，不斷修正前期成果，這種做法值得提倡和推廣。

4.8 TBM系列化、規范化

充分利用TBM的設計壽命是降低隧道施工中設備成本的一個重要因素，需要引起業內重視。

1)工程設計和標段劃分時，如果條件允許，盡量安排TBM承擔的工程量接近但不超過其設計壽命，TBM采購成本可在本工程全部攤銷(必要的殘值除外)，可以最大程度地避免后續設備長期閑置所帶來的資產流失。

2)工程設計和設備選型時，如果TBM掘進長度與新機設計壽命存在較大差距，可以考慮充分利用現有設備，通過整機修復改進、再制造等途徑，保證設備使用壽命與其承擔的工程量相適應。

3)倡導TBM工程及設備設計系列化和規范化，有利于充分發揮固定資產的價值，縮短工程準備期，同時，也能夠促進TBM供應市場的良性發展，以及催生新的TBM設備及資產管理模式(如租賃)。

5 討論

TBM在我國的應用，從原來同時施工的一兩臺，發展到今天正在掘進和已經開工的近30臺，TBM的推廣應用方興未艾，并將迎來更為廣闊的應用空間。例如流域和區域調水工程、水電工程、城市軌道交通工程、鐵路工程、渤海灣、瓊州海峽和臺灣海峽等。

鑒于此，我們有責任在科學發展觀的指導下，以合理的措施促進TBM產業的科學、有序發展；要為正在施工和規劃中的TBM施工創造公平、適宜的發展環境，實現工程建設、技術進步、企業發展等多方共贏的目標。

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PromotingTBMinTunnelConstructioninChina

QI Mengxue

(TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China)

TBM is the most advanced equipment for tunnel construction.Tunneling by TBM is safe,fast and environment-friendly.TBM has become the first equipment for tunnel construction in developed countries.However,TBM has not been widely used in China,which is harmful to the enhancing of the tunnel construction technology in China.In the paper,the status of TBM application in China is presented,the problems in TBM application in China are analyzed,the reasons why TBM has not been widely used in China are discussed,measures to promote TBM application in China are explored,and suggestions,including proper understanding of the application scope of TBM,proper reducing the cost of TBM,proper planning of works construction period and proper preparing of works cost,are made.

Tunnel Boring Machine (TBM); tunneling; application promotion

2014-08-14;

2014-10-14

齊夢學(1973—)，男，河北樂亭人，2010年畢業于石家莊鐵道大學，建筑與土木工程專業，碩士，教授級高級工程師，現從事TBM施工技術、施工管理研究與應用工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.001

U 455.3

A

1672-741X(2014)11-1019-05