TBM在水利工程中的應用與展望

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、環保、人工智能、激光制導、遙測、遙感等高新技術。采用全斷面掘進機施工法具有快速、優質、安全、對圍巖破壞小、利于環境保護、降低勞動強度及改善工作環境等特點，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）和全斷面盾構機（一般稱為盾構機）。TBM主要用于具有一定自穩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）。而盾構機主要用于有水地層、軟弱不穩定圍巖、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條件。評價洞線地質條件主要考慮以下因素：巖性、圍巖類別、節理情況、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在水利工程中的應用

1984年廣西天生橋水電站引水隧道是我國水利行業首先使用TBM技術施工的，近年來TBM在水利工程中的應用較為廣泛，各種類型TBM在國內的已建項目中都得到了應用，主要統計數據見表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鉆爆法高5～10倍。萬家寨引黃工程南干線#4、#5洞段創出了最高日進尺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技術在水利工程上得到了較好的應用，但個別工程在應用中也出現過較深刻的教訓。根據隧洞洞身巖體條件合理選取TBM設備型式是快速、安全、經濟成洞的前提。結合已建工程的實踐經驗，筆者認為：洞身巖體較完整、圍巖自穩性能較好，可采用開敞式TBM；洞身地質條件較差、圍巖自穩性能較差，可采用護盾式TBM；不良地質洞身段占比較大、或可能產生突泥涌水以及溶洞發育洞段，可采用傳統的鉆爆法。

現階段我國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設備多采用國外制造廠商生產的產品為主，近年來國內TBM生產廠商也逐步引進國外生產技術進行制造和設計，處于引進、消化吸收階段，制造和設計水平偏低。TBM設備的核心部件或關鍵部件，是制約我國制造的主要技術瓶頸。

TBM是集多學科、多部門于一身的高科技產品，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設備將有著巨大的市場需求。組織科研、設計、企業等單位，形成一個具有多學科、多部門技術能力的隊伍聯合攻關創新，結合我國工程的特點，生產出具有自主知識產權的TBM產品，是解除TBM設備技術壁壘、全面降低TBM制造成本與施工成本的唯一途徑。此外，培養熟練掌握TBM的高素質操作、管理人員，是發揮TBM快速掘進、安全、經濟施工的前提條件。

表2 TBM在國內已建水利工程應用情況

表3 TBM在國內一些省份在建、待建項目應用情況

TBM應用前景

近年，國內水利項目出現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^）的大型引調水工程，如陜西引漢濟渭、吉林中部城市引松供水、云南滇中調水項目等。據了解，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，傳統鉆爆法施工難以達到快速、安全、經濟的建設目的。因此，TBM技術將是首選的隧洞施工工藝。TBM在國內一些省份的主要在建、待建項目應用情況見表3。

通過近20年的隧洞工程實踐，無論從工程的施工環境、TBM選型、水文地質條件以及建設規模等方面都體現出其有廣泛的應用空間。全面系統地總結已建工程的經驗，對今后隧洞設計、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投入的增加以及重大水利工程的實施，相信TBM技術在今后水利工程建設中有著廣泛的應用前景。