TBM及其施工技術在中國的發展與趨勢

荊留杰， 張　娜， 楊　晨

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

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TBM及其施工技術在中國的發展與趨勢

荊留杰， 張娜， 楊晨

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州450016)

摘要：自1964年開始，中國TBM設備研制與施工應用已有50余年，回顧總結TBM設備及施工技術的發展歷程和趨勢，對于認識把握TBM行業現狀和未來發展方向有著重要意義。文章首先列舉了國際TBM發展的重大事件； 之后分4個階段梳理國內TBM發展歷史，結合具體工程實例描述當時國內TBM研發、引入、施工和制造的歷史事實，總結半個世紀來國內TBM行業從無到有所取得的巨大成就； 最后綜合分析TBM市場需求、研制環境、施工水平和未來方向，并針對以上不足之處，預測了TBM未來發展趨勢，提出一些改進建議。

關鍵詞：TBM； 制造； 施工； 發展； 趨勢

0引言

傳統的巖石隧道掘進依靠人工、機械或爆破等方法將巖石破碎再進行外運，根據圍巖級別進行支護、襯砌。繁重的破碎、挖掘、出碴和支護等作業使得傳統方法施工速度慢、勞動強度高、安全保障低。全斷面隧道掘進機簡稱TBM，它能夠滿足掘進、出碴和支護等多道工序同時作業，具有掘進速度快、成形質量好、安全和環保等多種優點[1]。

自1964年至2015年，中國TBM設備研制與施工應用已有50余年。一方面，國內TBM從打破國際技術封鎖到迎來自主知識產權的產品下線，從引進國外施工承包到走出國門對外承包，TBM行業取得了驕人的成績，也有力地推動了國家交通、水利和礦山等多行業的基礎建設； 另一方面，國內TBM研制仍然面臨著關鍵部件制造能力和核心技術欠缺等挑戰，施工市場不規范、施工企業管理粗放和應對地質災害手段不足等問題依然嚴峻。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]，中國TBM的制造和施工是否能夠滿足市場應用需求，以上存在的種種問題都亟待解決。

本文擬將中國TBM發展歷程分為4個階段，回顧TBM研制和施工應用歷程，總結目前所取得的巨大成就，同時深刻分析發展現狀，并針對現存問題和未來需求提出一些建議。

1TBM在國外的發展

TBM的推廣應用并非一蹴而就，而是工程技術人員飽嘗失敗后的寶貴成果，表1概括了國外TBM發展過程中的一系列重大歷史事件。

表1　國外TBM發展重大事件[3-7]

2TBM在中國的發展

國產TBM研發最早可追溯到1964年，經歷了半個世紀曲折終于迎來擁有自主知識產權的TBM下線。具體發展歷程可分為以下4個階段： 自力更生，國外承包、國外引進，自主施工聯合生產，自主研發創新[8]。

2.1自力更生(1964—1985年)

1964年，由上海勘測設計院和北京電力學院開始承擔TBM自主研發任務； 20世紀70—80年代，國內多家單位完成樣機研發和試制，但所造TBM可靠性差、掘進速度慢，使用效果不佳。如在貴陽煤礦、萍鄉青山礦(1970年)、云南西洱河水電工程(1977年)、河北引灤工程(1982年)、福建龍灘水電工程和山西古交東曲煤礦等工程中使用，掘進速度只能達到同期國際水平的1/5，甚至更低[9-10]。

2.2國外承包、國外引進(1985—1998年)

改革開放后，眾多國外承包商中標水利工程，攜帶先進TBM設備和施工技術進入中國，如意大利CMC公司承建的引大入秦(1991年)、引黃入晉(1994年)和引黃南干線(1997年)水利工程均取得巨大成功，創造出雙護盾TBM單月最高掘進1 800 m的好成績，震驚國內隧道界，重新燃起了國內對TBM的信心[11]。

2.3自主施工聯合生產(1998—2010年)

1996年，鐵道部引進2臺維爾特敞開式TBM，由中鐵隧道局和中鐵十八局完成秦嶺隧道施工，隨后又成功完成磨溝嶺隧道和桃花鋪隧道施工，標志著中國開始真正建立了自主施工隊伍和專家隊伍； 2005年由遼寧水利工程局、北京振沖公司和中鐵隧道局引進2臺羅賓斯敞開式TBM和1臺維爾特敞開式TBM完成遼寧大伙房供水工程； 山西水利工程局采用海瑞克TBM完成新疆大坂引水工程； 之后青海引大入湟引水工程、中天山鐵路隧道工程和掘進中的遼寧某工程都是由國內施工方獨立完成的。國內TBM施工隊伍迅速成長，基本掌握了TBM施工技術并積累了豐富的施工經驗，也對先進TBM技術的引進、消化吸收和推廣創新起到了重要的作用。國內承包商部分TBM施工工程見表2[12-15]。

鑒于國內的巨大市場和低廉制造成本，國外眾多TBM生產商選擇和國內盾構生產商合作，中方只承擔較為簡單的結構件制造工作，液壓系統、控制系統和主軸承等關鍵部件由國外完成。部分合作情況見表3[8,16]。

2.4自主研發創新(2010年至今)

2010年后，中國重型裝備的設計和制造能力飛速進步，盾構產品率先擁有自主知識產權并實現了國產化，迅速完成了品質與產量的雙重提升。

隨著TBM在廣州、上海、沈陽、大連、德陽、新鄉和秦皇島等地完成組裝，國內已有多家企業具備了一定規模的TBM設計和制造團隊。至此，我國TBM產業基礎基本形成，TBM自主設計和創新能力逐步提高，關鍵部件制造能力也有所突破[17-18]。

2012年，中國鐵建重工集團和神華集團聯合研發長距離大坡度煤礦斜井TBM，開挖直徑達7.62 m，用于煤礦斜井施工； 2013年，中信重工完成直徑5.0 m的硬巖TBM，計劃用于云南某礦山井巷工程； 2013年，中鐵工程裝備收購德國維爾特公司，成為全球第三家擁有完整TBM知識產權的公司； 2014年，中鐵工程裝備集團和鐵建重工中標吉林引松工程，自主知識產權的TBM相繼下線； 2015年新疆某輸水工程和蘭州水源地建設工程供水隧道所需要的TBM也投入設計和生產； 2015年，北方重工生產的立井煤礦巖巷全斷面硬巖掘進機也在淮南張集煤礦完成掘進試驗。

表2　國內承包商TBM施工工程

表3　中外合作生產TBM設備

隨著“一帶一路”戰略興起，國產TBM正以中國創造的品牌走向國際，如2015年意大利CMC公司采購中鐵裝備2臺護盾式TBM用于黎巴嫩大貝魯特供水隧道。

3TBM施工技術在中國的發展

3.1多類型工程應用

目前，中國已建TBM工程涵蓋了多類型工程領域： 1)水利水電工程，如引漢濟渭、錦屏水電站和大伙房輸水工程等； 2)交通工程，如秦嶺隧道、中天山隧道等； 3)礦山工程，如王家嶺礦、大同塔山煤礦等； 4)地鐵工程，如重慶6號線、青島2號線等[19]。

隨著中國TBM施工日益成熟，國內承包商也開始走出國門。2011年，葛洲壩集團采購φ8.1 m的TBM用于埃塞俄比亞GD-3水電站工程； 2012年葛洲壩集團承建巴基斯坦N-J水電站； 2012年中國水利水電十局和十四局承建厄瓜多爾CCS水電站項目，2015年2臺雙護盾TBM貫通完成22.8 km隧洞。

3.2設備選型及配置

在TBM引入中國早期，一些工程由于設備選型與配置不當使得項目參與方經歷了工期延遲和經濟損失之痛，見表4[20-22]。

目前，TBM項目各參與方已能充分考慮結構耐久性、不良地質長度、嚴重程度及工期等多種要求，恰當選擇TBM類型，保證其適應性、經濟性和風險可控性[23]。此外，豐富的施工經驗使得他們對主機掘進能力與后配套、碴土運輸、通風、通訊、供水和供電等多環節匹配深有心得，甚至多數已具備后配套自行設計和改造的能力[24-26]。

表4　TBM選型失當造成的事故

TBM配置也在不斷升級，特別是在敞開式TBM中增設了拱架安裝機、超前鉆機、應急混凝土噴射系統、帶夾層鋼筋排儲存艙的頂護盾和可回縮護盾等裝置，針對不良地質起到良好的應對效果。

3.3地質災害預防及處理

通過不斷移植和借鑒其他施工領域工法，各類TBM輔助工法也快速發展，如注漿、冷凍、管棚、錨固、噴護和減降水等工程措施均在TBM施工中應用并得以成功，見表5[27-30]。

TBM施工災害預防的關鍵在于地質超前預報，目前國內已經形成了采用地表地質調查法作宏觀長距離指導性預報，各類電、波預報工具進行中短距離預報，對重大不良地質體超前鉆孔重點預報等3類預報相結合的方式，最大程度預報不良地質，提前做好應急預案[31-33]。

表5　不良地質情況下TBM施工處理措施

3.4TBM施工管理

在長期施工實踐中，國內已經建立了以下較為完善的TBM施工管理體系：

1)組織管理，施工承包商有完備的人員配置體系，班組間彼此獨立又相互配合，能夠滿足工序銜接和質量要求； 2)設備管理，已建立固定的日常和定期巡檢制度，有細致的設備操作、保養手冊和維修記錄； 3)質量管理，已建立明確的開挖、支護和襯砌(管片安裝)3大工序質量控制標準，能夠滿足特長隧道單向及雙向開挖的導向控制技術，滿足隧道軸線坡度、縱向和橫向偏差要求[34-36]。

綜上所述，我國已經形成了以TBM掘進關鍵技術為核心，掘進、支護一體化的施工工藝流程，綜合TBM選型與后配套集成、超前地質預報、地質災害處理、輔助工法配合的整套施工技術。

4TBM基礎研究進展

自秦嶺隧道TBM施工以來，國內學者就開始對TBM相關基礎問題展開研究，國家“973”計劃從2007年開始，先后部署多期項目支持TBM設計施工中的基礎科學問題研究，如復雜應力載荷下破巖機制、突發災害下掘進裝備的適應性、復雜巖體力學條件下超前勘探方法及預警和TBM設備系統設計等。

施虎等[37]對復雜條件破巖、掘進荷載傳遞、刀盤動力學行為及刀盤系統設計進行理論研究，解決了TBM裝備制作關鍵問題；通過提高TBM掘進電液動力傳遞效率，提升TBM破巖效率，降低破巖能耗。

譚青等[38]在滾刀破巖機制研究的基礎上進行大量切削試驗和數值模擬計算，得出滾刀高效破巖理論，對指導刀盤、刀具結構設計有重要意義。

劉泉聲等[39]深入研究深部地質特征及TBM施工擾動下的圍巖力學行為，對深部復合地層與TBM相互作用機制及安全控制進行研究，為預防和解決高應力下圍巖變形卡機致災提供理論支持。

李術才等[40]進行深長隧道突水突泥災害超前預報方法與定量識別理論研究，科學成果可應用于TBM施工，做好風險動態評估及預警、防護、治理工作。

盾構及掘進技術國家重點實驗室、中南大學、中鐵工程裝備集團和北方重工等多家科研及企業單位籌建TBM試驗室，建立滾刀破巖試驗平臺，對滾刀破巖機制、刀具形狀、滾刀間距和巖體特性等在不同影響因素下的滾刀破巖效率進行研究，為刀具布置和刀盤設計提供了理論和試驗依據。

通過以上關鍵問題的研究，逐步建立我國掘進裝備設計制造和施工的理論方法和技術體系，為實現TBM裝備自主設計、制造和施工奠定科學基礎。

5TBM發展趨勢及建議

南水北調、西部開發、高鐵及高速公路、城市軌道交通工程(地鐵)、輸送管道(水、油、氣)、海峽隧道、城市深部共同管溝開發和深部礦山采掘等多元化市場，一方面為TBM提供充足的發展空間，為國內形成巨大的TBM產業提供深厚土壤；另一方面則要求TBM制造商能夠提供具有多樣化功能的設備和整套解決方案，以滿足不同客戶需求[41-43]。針對TBM初期投入大和關鍵部件國產化率低的問題，TBM制造商應對關鍵部件的材料、工藝和制造等技術難點進行突破，進而取代國外進口； 同時要不斷降低設計和制造成本，縮短設計和制造周期，增強與其他工法對比優勢。

TBM施工長期存在工期與合同價格制定不合理、項目管理和施工粗放、應對不良地質災害能力不足及項目信息化水平低等問題[44]，這些問題的出現往往是相輔相成的，如隨意壓縮工期迫使設備倉促出廠，造成設備配置不全和質量隱患較多，到現場后無法應對惡劣地質環境； 低價中標使施工方無力承擔更多超前預報費用和時間，心存僥幸野蠻施工，更不會關心施工信息保存與發掘。因此，要提升TBM施工水平，一定要規范市場環境，科學合理地設置工程價格和工期要求； 同時，施工企業要加強內部培訓，提升管理和施工精細化水平，整個行業要重視施工信息保存和深入發掘，提升施工理論水平。筆者試將以上問題歸納為3個方面，并給出針對性建議，見表6。

表6　中國TBM行業現存問題及解決建議

6結語

改革開放后我國TBM行業迅猛發展，在TBM設計、制造和施工等多方面取得了巨大成就。伴隨國家“一帶一路”戰略實施，中國TBM設備及施工承包的國際化趨勢已經顯現，大規模國際化輸出也值得期待。

正視TBM行業現狀和問題，縮小與發達國家TBM差距甚至實現超越，是每一個從業者的責任所在，讓我們為樹立中國TBM行業在世界中的品牌地位而共同努力。

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Development of TBM and Its Construction Technologies in China

JING Liujie， ZHANG Na， YANG Chen

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract:The TBM equipment manufacturing and construction have been 50 years since 1964. It is of great importance for learning the state-of-the-art and development direction of TBM to summary the development course and tendency of TBM equipment and its construction technologies. In this paper, key events for international TBM development are taken for examples; then the TBM development course in China is presented in terms of 4 phases; finally, the market demand, manufacturing environment, construction level and development direction of TBM are comprehensively analyzed; the tendency of TBM development is prospected and some suggestions are given.

Keywords:TBM; manufacture; construction; development; tendency

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0331-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.014

作者簡介：第一 荊留杰(1983—)，男，河南新鄉人，2009年畢業于中國礦業大學，巖土工程專業，碩士，工程師，現從事盾構及TBM施工技術研究工作。E-mail: 41737830@qq.com。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃“973”計劃(2015CB058100)

收稿日期：2015-10-22; 修回日期： 2015-12-28