中國TBM施工技術進展、挑戰及對策

杜立杰

(石家莊鐵道大學河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室TBM研究中心， 河北 石家莊 050043)

中國TBM施工技術進展、挑戰及對策

杜立杰

(石家莊鐵道大學河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室TBM研究中心， 河北 石家莊 050043)

總結我國近30年來TBM設計與施工技術的發展歷程，可歸納為以下5個階段： 1)研發探索和試用階段； 2)以國外施工承包商為主體,采用國外設計制造TBM施工我國隧道工程階段； 3)獨立進行TBM招標采購和選型設計，并建立起自主的TBM施工隊伍階段； 4)與國外廠家聯合設計制造TBM，工程應用和自主施工快速發展階段； 5)實現TBM國產化,面向國內外TBM工程市場自主施工階段。通過我國不同時期TBM施工的典型工程，介紹我國在復雜地質、大坡度、高海拔、不同直徑、不同機型、超長隧洞TBM施工方面取得的經驗、技術積累和業績，展示我國TBM在穿越斷層破碎帶、軟弱變形、巖爆、涌水等不良地質洞段取得的一系列施工新技術，以及最高月進尺1 868 m、平均月進尺超過600 m和掘進作業利用率超過40%的掘進技術水平。分析TBM在極硬巖、 大斷層破碎帶、軟弱大變形圍巖、強巖爆圍巖、涌水突泥洞段、高地熱隧洞和超長隧洞工程中施工面臨的風險和挑戰，并提出一些相應的技術措施和對策，期望這些措施和對策在未來大量實際工程中進一步得到實踐驗證、優化和改進，不斷積累和創新TBM設計與施工新技術。

隧道工程； TBM； 敞開式； 護盾式； 小直徑； 大直徑； 超長隧洞集群； 大坡度； 極硬巖； 斷層破碎帶； 軟巖； 巖爆； 涌水突泥； 高地熱

Abstract: The design and construction technology of TBM in China over past 30 years can be summarized as the following 5 phases: 1) The exploration and trial phase; 2) Taking the foreign construction contractors as the main body and using TBMs designed and manufactured by foreign manufacturer phase; 3) Independent TBM bidding purchasing and selection design and establishing China-own TBM construction teams phase; 4) TBM co-designing and manufacturing with foreign manufacturers and engineering application and independent construction booming phase; 5) TBM home manufacturing and constructing tunnel works in China and abroad independently phase. The experiences, technologies and achievements of TBM tunnel works of some typical tunnel works in different times under conditions of complex geology, large slope, high altitude, different diameters, different types, and super-long distance are introduced; a series of new TBM construction technologies in bad geology, i. e. fault fracture zone, soft and weak rocks deformation, rockburst and water gushing, are presented; and the technological levels, i. e. the maximum tunneling footage of 1 868 m per month, average tunneling footage exceeded 600 m per month and the tunnel operation utilization higher than 40%, have been achieved. Furthermore, the risks and challenges of TBM construction in dead-hard rock, large fault fracture zone, large deformation soft rock, strong rockburst rock, water gushing and mud outburst tunnel section, high geothermal tunnel section and extra-long tunnel are analyzed, and several corresponding countermeasures which should be verified, optimized and improved are put forward.

Keywords: tunnel work; TBM; open-type; shield type; small diameter; larger diameter; extra-long tunnel groups; large slope; dead-hard rock; fault fracture zone; soft rock; rockburst; water gushing and mud outburst; high geothermy

0 引言

在過去的30年，特別是最近10年，我國TBM施工技術和自主研發水平有了飛躍發展。然而，在TBM施工技術領域介紹具體單個工程施工經驗的文章較多，而全面概括我國TBM設計和施工技術進展的文獻較為鮮見[1-3]。為此，本文基于筆者20年來在TBM領域的理論研究和工程實踐經歷，結合實際TBM工程案例，首先概括我國30多年來TBM設計與施工技術發展的主要階段及其特征，論述不同特點TBM工程關鍵技術難題和所取得的掘進業績及新技術； 然后結合我國最近正在實施的復雜地質超大埋深、超長隧洞工程，闡述TBM設計施工所面臨的挑戰及對策。

1 中國TBM技術發展主要階段及其特征

1.1第1階段： 20世紀60—70年代，TBM研發探索和試用階段

我國TBM研究始于20世紀60年代，但受當時國內基礎工業水平、政治經濟形勢、產品開發思路及技術路線等方面的影響，研發生產的TBM破巖能力弱、掘進速度慢、故障率高、可靠性差，不能滿足隧道快速掘進的要求，并且研制工作一度中斷，與真正意義上成功的現代硬巖TBM技術水平相差甚遠，未能推廣應用。

1.2第2階段： 20世紀80—90年代，以國外施工承包商為主體,采用國外設計制造TBM施工我國隧道工程

20世紀80—90年代，以山西萬家寨引黃入晉工程為代表，國外TBM承包商為主體，帶著國外設計制造的TBM，承建我國的水利水電工程。該階段的TBM工程還有廣西天生橋水電站工程和甘肅引大入秦工程。

1993—2000年實施的山西引黃入晉工程[4]，隧洞總長161.1 km,其中TBM施工洞段8段共計121.8 km,由羅賓斯公司等廠家生產的6臺直徑4.88～5.96 m雙護盾TBM施工, 承包商為意大利CMC等公司。由于工程地質條件和TBM設備性能較好，承包商施工經驗豐富，取得了令人矚目的施工業績，創造了最佳月進尺1 821.5 m的掘進紀錄，平均月進尺達到650 m。1991—1992年實施的甘肅引大入秦工程， 隧洞長11.65 km，直徑5.53 m，采用羅賓斯公司雙護盾TBM，由意大利CMC公司施工，圍巖抗壓強度為26～133.7 MPa,取得最佳日進尺65.5 m、最佳月進尺1 300 m的掘進業績。而1985年實施的天生橋水電站工程[5]，采用雙護盾TBM施工，期間遭遇溶洞而被迫退出。

該階段我國TBM發展的特點： 國外制造商和承包商主導確定TBM設計和施工技術方案，在施工過程中鍛煉成長了一批國內TBM施工作業操作人員，但缺乏工程全過程TBM專家和工程師隊伍的培養。

1.3第3階段： 1995—2005年，獨立進行TBM招標采購和選型設計，并建立起自主的TBM施工隊伍

該階段以西康鐵路秦嶺隧道為代表性工程，原鐵道部組織大批科研院所、高等院校和施工單位等全系統的技術力量，從1995年開始設立大批TBM施工技術研究課題。我國首次主導TBM選型設計,采購德國維爾特公司制造的2臺直徑為8.80 m的敞開式TBM(見圖1)，由中鐵十八局集團有限公司和中鐵隧道集團有限公司施工。1997年下半年現場組裝進入始發掘進，1999年底隧道掘進貫通[6]。該工程圍巖為混合花崗巖和混合片麻巖為主的極硬巖，抗壓強度為105～315 MPa,最高月進尺531 m,平均月進尺約310 m。

圖1 我國首次自主施工應用于西康鐵路秦嶺隧道中的TBM

Fig. 1 The first TBM applied to Qinling Tunnel on Xikang Railway by China only

秦嶺隧道貫通后，這2臺TBM于2000年被轉移到西安—南京鐵路桃花鋪Ⅰ號隧道[7]和磨溝嶺隧道進行施工，分別掘進了7.2 km和6.1 km。這2個隧道工程軟弱圍巖隧道長度占比較大，遭遇隧道塌方、洞壁軟弱無法支撐等技術問題，在施工中采用了超前注漿、管棚以及側壁灌注混凝土等技術，首次自主取得了敞開式TBM長距離穿越軟弱圍巖隧道的實戰經驗，最佳月進尺為573 m。在這2臺TBM施工完畢放置5年后，2007年我國實現了自主修復,并投入到南疆鐵路吐庫二線中天山隧道中施工。

在上述工程實施中，采取了施工企業、科研院所和高等院校聯合攻關的模式，成功地自主完成了TBM選型設計，在極硬巖和長距離軟弱圍巖掘進施工中積累了較為豐富的使用維護、施工技術和施工管理經驗，鍛煉培養了一大批專業技術骨干和自主的TBM施工隊伍，并涌現出我國自己的TBM專家和工程師隊伍，進行了大量技術總結，發表出版了一批科研成果，其中“秦嶺特長鐵路隧道修建技術”獲得國家科技進步一等獎。這些技術總結和科研成果為后來的TBM工程項目提供了較好的參考和借鑒。

該階段TBM施工技術發展的主要特征： 我國自己主導了TBM招標采購和選型設計,并實現TBM自主施工，建立起自主的TBM施工隊伍，為后來TBM工程的全過程實施奠定了基礎。

1.4第4階段： 2005—2015年，與國外廠家聯合設計制造TBM，工程應用和自主施工快速發展

進入21世紀，遼寧大伙房水庫輸水工程開始論證，以該工程為代表，我國進入了與外商聯合設計制造TBM、自主施工的大發展階段。

大伙房水庫輸水工程隧洞開挖直徑為8.03 m，連續長85.3 km,2005年現場組裝始發掘進，2009年隧洞開始運行。該工程是目前世界上已運行的連續最長隧道，采用3臺敞開式TBM(見圖2)和鉆爆法聯合施工，首次在我國采用了刀盤變頻驅動技術、大直徑48.26 cm(19英寸)盤形滾刀技術、連續皮帶機出渣技術、長距離低泄漏施工通風技術和“蛙跳式”鋼枕木后配套軌道系統等10余項新技術，取得大直徑TBM最高月進尺1 111 m、日進尺63.5 m的掘進記錄，掘進作業利用率達到40%[8]。首次在中國證明長距離連續皮帶機出渣技術是可靠的先進技術，為后來我國普遍采用TBM施工連續皮帶機出渣技術提供了參考依據。

圖2我國首次使用連續皮帶機出渣的大伙房水庫輸水工程TBM

Fig. 2 TBM applied to Liaoning Dahuofang Water Conveyance Project in China (first application of continuous belt conveyor)

由于大伙房水庫輸水工程的成功示范效應，在此后的幾年里，TBM開挖直徑為3.65～12.4 m的新疆八十一達坂隧洞工程、四川錦屏Ⅱ級水電站工程、云南那邦水電站工程、蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程、甘肅引洮工程、青海引大濟湟工程、陜西引紅濟石工程和重慶地鐵等大批TBM工程項目相繼開工建設。這些工程大多采取了國外TBM制造商與中國裝備制造企業和施工單位聯合設計制造，在國內工廠組裝調試的模式。近10年我國各類型、各領域TBM工程應用數量有了飛速增長，具體情況如圖3所示。與此同時，我國TBM施工隊伍不斷壯大，陸續有中鐵隧道集團有限公司、中鐵十八局集團有限公司、中鐵十九局集團有限公司、中國水利水電第三工程局有限公司、中國水利水電第六工程局有限公司和山西省水利建筑工程局等10多家施工企業具有了獨立TBM施工經驗。

(a) TBM應用增長情況

(b) 不同直徑TBM應用情況

(c) 不同機型TBM應用情況

(d) 不同領域TBM應用情況

以大伙房水庫輸水工程為代表，該階段呈現出與國外TBM制造商聯合設計制造、自主施工工程大發展的特點，改變了以往傳統鉆爆法和TBM法長期爭議遲疑的局面，使我國在TBM設計制造技術、施工技術和人才隊伍建設上有了扎實的積累和跨越式進步。

1.5第5階段：自2015年后，實現TBM國產化,面向國內外TBM工程市場自主施工

由于西康鐵路秦嶺隧道和大伙房水庫輸水工程等項目的成功示范作用，以及技術、經驗和人才的不斷積累，我國已經由10年前使用TBM的顧慮和爭議狀態，走向了對TBM應用充滿信心的新時代。我國目前擁有TBM的巨大市場，而且我國施工企業開始在國外承擔TBM工程，如厄瓜多爾、越南、巴基斯坦、埃塞俄比亞、伊朗和黎巴嫩等。

與此同時，在我國近20年TBM自主施工技術經驗積累、消化吸收和改進創新的基礎上，2012年我國“863”計劃正式立項研制大直徑硬巖TBM。以引松工程為代表性工程，高等院校與企業聯合攻關，2臺直徑8.0 m級的敞開式硬巖TBM(見圖4)在2015年成功研制下線，并投入到引松工程隧洞掘進施工中。引松工程總干線隧洞全長72.3 km，共分4個標段，采用3臺直徑7.93 m(可擴挖8.03 m)的敞開式TBM和鉆爆法共同施工，其中中國中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團有限公司分別研制1臺TBM，羅賓斯公司設計制造1臺TBM。2015年初2臺國產TBM出廠，2015年上半年開始掘進，目前都已掘進超過10 km，平均月進尺超過600 m,創造了最高日進尺86.5 m、最高月進尺1 226 m的掘進紀錄，掘進作業利用率超過56.85%，設備完好率達到94.7%[9]。

圖4 我國2015年研制的大直徑敞開式TBM

Fig. 4 Large diameter open-type TBM developed by China in 2015

更進一步，2016年分別由中國中鐵工程裝備集團有限公司和中國鐵建重工集團有限公司首次自主研制的2臺直徑5.47 m雙護盾TBM在蘭州水源地工程正式始發掘進。該工程輸水隧洞全長31.57 km,2臺TBM掘進里程均已超過6 km。2016年由中國中鐵工程裝備集團研制的直徑為9.0 m的敞開式TBM，將于2017年7月下線，應用于具有大斷層、巖爆、軟弱大變形、突涌水、高地熱等復雜地質的高黎貢山鐵路隧道項目。2017年2月15日，由中國中鐵工程裝備集團自主研制的雙護盾TBM在深圳地鐵10號線始發掘進。2016年，國外著名TBM施工承包商意大利CMC公司購買了中國中鐵工程裝備集團研發的2臺3.5 m小直徑、300 m小轉彎半徑的敞開式TBM，應用于黎巴嫩大貝魯特引水項目，2016年8月始發掘進，創造日進尺48 m，2017年5月5日首段4 km已掘進貫通。2017年中國鐵建重工集團有限公司為伊朗制造的雙護盾TBM也在現場組裝始發。單護盾TBM也實現了國產化，分別應用于內蒙古補連塔煤礦斜井和重慶地鐵工程。

自2015年首臺國產TBM成功研制以來，國產TBM開始占據我國TBM主流市場，新疆ABH工程、新疆EH工程、鄂北水資源配置寶林隧洞工程和浙江臺州朱溪水庫輸水隧洞工程等一批在建的工程采用的20多臺TBM，均由中國中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團有限公司和北方重工集團有限公司等裝備企業設計制造，并于2017年陸續開始投入掘進。此外，北方重工集團有限公司與世界著名TBM制造商美國羅賓斯公司在2016年實現重組。

綜上所述，以引松工程為代表性工程，中國TBM進入新的發展階段。目前，我國已實現敞開式、雙護盾、單護盾TBM主要機型的國產化設計制造，不僅面向中國未來TBM巨大市場，并已開始進入國外TBM工程市場。

2 TBM典型工程及其掘進技術和業績

2.1小直徑TBM施工工程

我國首次采用小直徑敞開式TBM施工的工程是云南那邦水電站引水隧洞。該工程地處云南西部邊陲盈江縣中緬邊界，具有亞熱帶雨林氣候特征，由于環保原因，原定的鉆爆法施工未被批準立項，2007年論證后改為TBM施工，2009年5月TBM現場組裝，于2011年掘進貫通。該隧洞開挖直徑為4.5 m,長9.8 km，采用海瑞克公司生產的敞開式TBM施工[1]。該隧洞直徑小，TBM設計布置和作業空間受限，巖石以片麻巖為主，存在大斷層和涌水，具有極硬巖和軟弱蝕變帶交替變化的特點，遭遇刀盤刀具磨損消耗大、刀盤焊縫開裂、刀座定位面塑性變形、軟弱蝕變帶圍巖變形卡機和撐靴無法支撐前行等技術難題，給TBM施工帶來很大困擾。

作為典型案例，在該工程穿越蝕變帶軟弱圍巖(見圖5)施工中，利用敞開式TBM護盾尾部距離撐靴有10 m左右距離的特點，在剛出露護盾處，就及時實施“密排支立拱架、換填立模灌注早強混凝土”的技術(見圖6)，使TBM成功穿越6段共計約500 m的軟弱蝕變帶圍巖。在TBM設計時，就設計布置了與TBM后配套噴混系統相連接的應急噴混系統，利用后配套系統噴混輸送泵，通過管道轉送接頭直接將混凝土輸送到TBM主機前部灌注。由于撐靴距離護盾尾部約10 m，每天掘進3 m不會被困住，待撐靴到達護盾尾部應急灌注位置時，大約已過3 d時間，混凝土已硬化，撐靴完全可以支撐掘進。采用該方法克服了TBM在嚴重蝕變帶不良地質洞段被困的難題。那邦水電站工程地質復雜，極軟極硬圍巖交替，TBM平均月進尺為430 m，最高月進尺為581 m，是我國首次在具有復雜地質的西南地區成功采用TBM貫通的隧道。

圖5 撐靴無法支撐的蝕變帶圍巖Fig. 5 Altered surrounding rocks

圖6 敞開式TBM穿越蝕變帶技術Fig. 6 Technology for TBM crossing altered zone

另一工程案例是西藏旁多水利樞紐工程[10]，該工程為我國首次在高海拔地區實施TBM施工的工程。隧洞開挖直徑為4.0 m，長16.8 km，海拔4 200 m，采用海瑞克公司生產的敞開式TBM。2013年6月TBM組裝完畢開始掘進，在掘進中遭遇極硬巖和高海拔的影響，目前還剩余約2 km。該TBM不僅有小直徑設計布置空間受限的難題，而且有高海拔缺氧、氣壓低的特點，在TBM主參數設計、后配套設備選型和布置、通風系統和出渣系統等方面都作了特殊考慮。

我國采用最小直徑雙護盾TBM施工的工程是陜西引紅濟石工程[11]。該工程開挖直徑為3.65 m，長約20.18 km，采用云南掌鳩河工程中途退出的TBM施工。2008年開始掘進，由于圍巖破碎坍塌、突水突泥和圍巖變形等原因，TBM頻繁被卡被困，累計被困時間超過5年，對TBM主驅動、刀盤和護盾進行了局部改造后繼續掘進，于2017年4月27日成功貫通。

2.2大直徑TBM施工工程

錦屏Ⅱ級水電站工程是迄今我國采用的最大直徑TBM施工工程。該工程主體有4條引水隧洞，長16.7 km，最大埋深2 525 m，采用TBM法與鉆爆法相結合的方法進行施工[12]。由于埋深大，地應力高，巖石脆性大，遭遇了極強巖爆和大涌水，給工程帶來很大困難。該工程采用了1臺羅賓斯公司和1臺海瑞克公司設計制造的開挖直徑為12.4 m的敞開式TBM施工，2008年開始掘進，2011年貫通，最佳月進尺為683 m。在工程實施中，考慮到突涌水的影響，采用架高鋼枕軌道的運輸方式，降低突涌水對TBM施工帶來的影響。然而，在面對極強巖爆地質時，TBM施工遭遇了很大困擾。最終考慮到極強巖爆風險及4條隧洞的協調施工工期等因素，在2臺大直徑TBM掘進超過6 km后，主動停止了TBM掘進，鉆爆法繼續完成剩余隧道施工。不論如何，該工程為強巖爆、突涌水等世界級規模高難度工程積累了有益的經驗和教訓。

蘭渝線西秦嶺鐵路隧道是迄今我國采用大直徑TBM成功貫通的最長鐵路隧道。該工程隧道開挖直徑為10.2 m，全長28.24 km，分設左右2條單線隧道，TBM法和鉆爆法相向施工，TBM掘進長度為16 km。該隧道圍巖主要為砂質千枚巖，左右隧道均采用成都南車隧道裝備有限公司與羅賓斯公司聯合設計制造的敞開式TBM掘進，采用連續皮帶機出渣。該隧道2010年7月開始掘進，2014年實現貫通，最佳月進尺超過820 m。需要特別指出的是，在中天山隧道有軌運輸出渣TBM同步襯砌施工技術的基礎上，該工程在不中斷掘進和皮帶機運行出渣的情況下，成功采用了前部TBM掘進、后部穿越連續皮帶機的并行同步襯砌施工技術[13]。

2.3超長隧洞集群TBM施工工程

遼寧省2009年成功修建大伙房水庫輸水工程后，不久就著手遼西北供水工程的立項，這是我國首次在一個工程中大規模集群使用TBM。該工程主隧洞主要由3段構成，長度分別為100、130、40 km左右，采用TBM法和鉆爆法相結合的方法施工。TBM施工采用連續皮帶機出渣，支洞采用固定皮帶機出渣。主洞采用有軌運輸，支洞采用無軌運輸，洞內或洞外設置拌合站。遼西北供水工程大規模集群TBM應用情況見表1，該工程實際共采用8臺敞開式TBM施工，2013年陸續投入掘進，6臺TBM從施工支洞運進，在主洞組裝洞室組裝后步進、始發； 2臺TBM在主洞洞外組裝后步進、始發。7臺全新TBM開挖直徑為8.5 m, 1臺修復TBM開挖直徑為8.0 m。圍巖主要為花崗巖、巨斑狀花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖、混合巖、凝灰巖和凝灰質粉砂巖等，抗壓強度為 60～180 MPa。TBM施工中分別遭遇到斷層破碎帶、突涌水和極硬巖等難掘進地質洞段[2-3]。

表1 遼西北供水工程大規模集群敞開式TBM應用情況Table 1 Open-type TBM applications to Liaoning-Northwest Water Supply Engineering

我國首次在遼西北供水工程TBM設計制造中采用了含鋼筋排夾層儲存倉的頂護盾設計方案，利用該頂護盾設計，TBM施工中大量實施了鋼筋排支護技術(見圖7)，在應對斷層破碎帶施工中取得了很好的效果。傳統鋼筋網支護隨TBM向前掘進頂護盾尾部與支立好的鋼筋網之間總會形成支護斷續，造成破碎圍巖塌落，不僅安全性差，更突出的問題是增加了清渣時間，延緩支護速度； 而鋼筋排支護技術隨TBM掘進頂護盾、鋼筋排、鋼拱架始終形成對洞頂的連續封閉支護，因而控制了圍巖塌落。不僅如此，鋼筋排支護技術還可以有效防護中等以下巖爆。當施工遭遇破碎帶時，將鋼筋排插入儲存夾層隔倉，鋼筋排露出護盾一端用支立鋼拱架頂住固定，另一端在頂護盾夾層結構中隨著TBM向前掘進不斷滑出，在鋼筋排前端完全露出之前再插入下一節鋼筋排。隨TBM向前掘進，頂護盾、鋼筋排、鋼拱架形成封閉的不間斷支護。根據TBM護盾長度，鋼筋長度約4 m，貫入整個頂護盾，可以采用3根較小直徑(12 mm)鋼筋焊接、彎曲插入，也可采用若干單根較粗直徑鋼筋直接插入。現場實踐表明： 鋼筋排連續封閉支護技術可大大降低塌方落渣和清渣量，降低人員、設備安全風險，并可加快TBM穿越斷層破碎帶、塌方洞段的進度，由原來斷層破碎帶日進尺只有1～5 m，提高到5～15 m。

在遼西北供水工程中，我國首次使用了大直徑50.8 cm(20英寸)的盤形滾刀，減少了刀具消耗數量和換刀次數，從而提高了TBM掘進作業利用率。TBM掘進4 167 m不同刀位累計刀具磨損情況見圖8，可知： 直徑8.5 m的TBM在抗壓強度80～130 MPa巨斑狀花崗巖條件下掘進，隨刀具從刀盤中心到邊緣的刀位不同，刀具磨損速度總體呈現增加的趨勢； 中心刀平均每延米掘進磨損量為0.007 mm，每把中心刀可掘進長度為1 302 m； 面刀每延米磨損量為0.025 mm，每把面刀可掘進長度為634 m； 邊刀每延米磨損量為0.083 mm，每把邊刀可掘進長度為169 m。

圖7 鋼筋排支護技術Fig. 7 Supporting technology of closed steel bar

圖8 TBM掘進4 167 m不同刀位累計刀具磨損[2]

Fig. 8 Accumulated cutter wear in different cutter positions during TBM tunneling by 4 167 m[2]

此外，在TBM組裝和中間檢修步進中，采用了基于摩擦差原理的平面滑板步進技術,步進裝置見圖9。現場測試表明： 在TBM長距離步進中，9 min可完成1.8 m步進循環，達到約10 m/h的步進速度。在TBM轉場的長為4.3 km步進洞段中，約1個月即完成了步進及設備檢修工作，最高日步進220 m，實現了TBM的高效步進和快速轉場。步進裝置簡單可靠，步進速度快，大大縮短了工期和成本，為大直徑TBM步進提供了可靠技術方案。

圖9 TBM平面滑行步進裝置Fig. 9 TBM sliding and stepping device

目前，遼西北供水工程8臺TBM中有7臺已經貫通， 1臺剩余掘進長度不到2 km，也將在2017年實現貫通。其中5臺TBM掘進作業利用率超過40%，最高達到51.6%。4臺平均月進尺分別達到622、624、639、646 m。創造了最高日進尺58.5 m、最高月進尺1 079 m的掘進紀錄。該工程較堅硬巖石單機獨頭掘進長度達到了16 km，未更換主軸承及其密封，刀盤面板焊接有Trimay T157耐磨保護板，貫通后仍保留較厚耐磨層，具有掘進20 km以上的潛力。

值得關注的是，更大規模集群TBM施工工程正在新疆實施。新疆EH工程超長隧洞總長約524 km，最長單洞283 km，支洞正在采用2臺敞開式TBM施工，主洞將采用18臺敞開式TBM施工。

2.4 TBM大坡度下坡掘進工程

近年來，由于特殊地貌和工程設計需要，我國煤礦運輸巷道和水利工程所設巷道或施工支洞比較長，如果采用鉆爆法施工工期會很長。因此，出現了利用TBM大坡度直接掘進斜井或支洞的需求，如山西大水網隧洞工程、新疆ABH隧洞工程、神華新街臺格廟煤礦運輸巷道工程和神東補連塔煤礦運輸巷道工程等。

神華集團從2011年就開始論證新街臺格廟煤礦運輸巷道采用TBM施工的可行性，最終決定在長約6.3 km、坡度約-10.5%、開挖直徑為7.6 m的2條平行巷道中采用單護盾-土壓平衡雙模式TBM施工。TBM大坡度下坡掘進、長距離大坡度安全施工運輸和出渣、施工排水等均具有一定特殊性和較大技術難度。該工程于2014年完成TBM現場組裝調試并步進到位，但由于多種原因，TBM至今未能掘進。此后，神東集團在補連塔煤礦2號輔運斜井采用了單護盾TBM施工。該巷道全長2 745 m，開挖直徑7.6 m，成巷直徑6.6 m，坡度為9.5%連續下坡。2015年初進行TBM現場組裝，2015年6月開始掘進，2015年12月成功貫通，創下連續4個月月進尺超過500 m、最高月進尺639 m的掘進紀錄，解決了長距離、連續下坡、上穿下跨既有巷道、掘進泥質砂巖、多次穿越煤層和高壓富水等施工技術難題，填補了我國TBM在長距離大坡度煤礦斜井建設領域的技術空白。

山西大水網輸水工程長距離施工支洞也采用了TBM直接施工[14]。該工程包括總干線、東西干線以及各分支線路，采用鉆爆法和TBM法相結合施工，中部引黃總干線包括4條長度分別為15.16、29.02、119.23、34.29 km的隧洞，其中119.23 km中的41.355 km洞段采用直徑為5.06 m的雙護盾TBM1、TBM2掘進。中部引黃東干線和東山供水工程各采用1臺開挖直徑為4.16 m的雙護盾TBM施工。4臺TBM在2014年陸續進入始發掘進。總干線TBM1、TBM2支洞掘進完成后，直接進入主洞掘進，總掘進里程已分別超過19 km和12 km。山西大水網工程TBM2進洞支洞長3.68 km，坡度為-6.5%，前687.48 m為土洞段，采用人工鉆爆法施工，其余巖石段長2 953.52 m，采用TBM施工。在支洞下坡掘進中最高日進尺38 m、最高月進尺617 m。在主洞掘進中，TBM1、TBM2分別創造了1 054 m和1 026 m的掘進紀錄。山西大水網工程斜井采用雙護盾TBM施工在國內是首例，并創造了TBM下坡連續掘進支洞，然后曲線轉彎直接掘進主洞的成功案例。同時，該工程成功采用了支、主洞單條連續皮帶機出渣，主洞有軌運輸、支洞軌道導引式膠輪車運輸技術，解決了大坡度支洞有限空間TBM施工運輸的導向、安全和牽引問題。

新疆ABH工程輸水隧洞總長約41 km,采用2臺敞開式TBM施工，其中上游TBM從支洞直接掘進進入主洞。該施工支洞長度為2 583.56 m，縱坡為-10.4%，支洞采用鉆爆法與TBM法相結合的施工方案，均為順坡掘進、逆坡排水。鉆爆法實際施工長度為965 m，TBM法實際施工長度為1 614.493 m。目前TBM已成功完成支洞的掘進，實現大坡度TBM下坡安全步進和掘進。

至此，我國在單護盾、雙護盾、敞開式TBM中都有了大坡度順坡掘進成功的案例。

2.5護盾式TBM施工工程

新疆八十一達坂隧洞是我國首次自主施工的雙護盾TBM工程，隧洞開挖直徑為6.79 m，長30 km，其中21.86 km采用海瑞克雙護盾TBM施工[15]。該隧洞圍巖為砂巖和粉砂質泥巖，Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖占較大比例。2006年TBM開始掘進，施工中由于軟弱破碎圍巖塌方和變形，TBM被卡48次，累計停機379 d。采取了超前注漿措施，最終在2010年掘進貫通,并創造了最佳月進尺1 003 m的掘進紀錄。

甘肅引洮工程主干輸水隧洞長35.6 km,開挖直徑為5.75 m,采用1臺雙護盾TBM和1臺單護盾TBM分別完成17.3 km和18.3 km洞段的施工。TBM由北方重工與法瑪通聯合設計制造，2008年開始掘進，2011年雙護盾TBM順利掘進完成。單護盾TBM中途遭遇松散體含水地層，TBM發生沉陷被困，被迫撤出后重新制作了刀盤和盾體，停機約1年后從反方向洞口進入繼續掘進，并連續創造了1 515、1 718、1 868 m的月進尺記錄。直到最后200 m左右在原TBM被困的松散體含水洞段又被困住，最終采用凍結法等施工技術完成剩余洞段施工，隧洞全線于2014年貫通。

青海引大濟湟主體輸水隧洞長24.17 km，開挖直徑5.93 m，成洞直徑5.0 m,采用北方重工與維爾特公司聯合設計制造的TBM施工[16]。2006年10月TBM開始掘進，2年掘進7.03 km,之后TBM遭遇富水特大斷層被困。此后，TBM被卡10多次，4年半時間僅進尺365 m，累計被困停機時間超過6年。面對工期嚴重滯后問題，2013年3月把完成引洮工程的TBM轉移到引大濟湟工程，從隧洞出口反方向接應掘進，共掘進13.05 km，整個隧洞在2014年實現貫通。

此外，前文提到的引紅濟石工程青峰峽隧洞雙護盾TBM被困停機時間超過5年。經過設備改造和艱難掘進，在2017年4月27日實現貫通。

2.6地鐵TBM施工工程

地鐵隧道一般采用盾構施工，但由于重慶地鐵的特殊地層，長11.122 km、開挖直徑6.36 m的2條并行隧道采用硬巖敞開式TBM施工[17]。該隧道主要圍巖為砂巖和砂質泥巖，2009年采用羅賓斯公司生產的2臺敞開式TBM掘進，取得最佳月進尺863 m的紀錄。這是我國首次采用硬巖TBM施工地鐵隧道的成功案例，而地鐵隧道具有中間站點多、水平曲線多、轉彎半徑小和縱坡多變的特點，TBM掘進具有一定的特殊性和難度。后來，在重慶地鐵建設中，單護盾TBM和復合式TBM也得以應用。此外，由于特殊的地理地質特征，雙護盾硬巖TBM在青島地鐵和深圳地鐵也都得到了應用。

3 TBM施工面臨的挑戰及對策

近年來，越來越多特殊地理地貌、復雜地質、超大埋深和超長隧洞工程在我國立項，如新疆、西藏、云南、陜西等地區正在實施的水利水電和鐵路等工程項目。這些隧洞工程往往位于崇山峻嶺、人跡罕至、氣候惡劣、高海拔、戈壁沙漠和熱帶雨林等的特殊地理位置，環境地質特殊，環保要求高，加之隧洞具有極硬巖、突水突泥、強巖爆、大斷層、大變形和高地熱等復雜地質特征，工程勘察設計難度大，施工豎井或支洞深長且難以布置，加大了TBM選型設計與施工技術難度和風險。而這些特殊地理位置的超長、超大埋深隧洞，從環保、工期、成本等方面考慮，采用傳統鉆爆法可能更難以實施。因此，這些重大工程給TBM施工帶來了機遇與挑戰。

3.1極硬巖TBM施工

我國已掘進完成的TBM工程項目中，西康鐵路秦嶺隧道和云南那邦水電站引水隧洞巖石堅硬，為花崗巖和片麻巖，平均抗壓強度約150 MPa，最高超過325 MPa，石英含量超過50%。最近正在實施的陜西引漢濟渭工程嶺南段圍巖更加堅硬完整，給TBM施工帶來更大困難。根據這些極硬巖TBM施工工程的經驗和數據，分析極硬巖帶來的施工影響主要有： 1)貫入度、掘進速度極低； 2)刀具磨耗數量、成本急劇增加； 3)換刀次數和換刀時間嚴重增加； 4)掘進作業利用率大幅下降； 5)進尺大大下降； 6)工期、成本大幅增加； 7)主軸承、主驅動壽命風險加大； 8)刀盤磨損壽命、開裂、變形風險加大。

例如，在云南那邦水電站引水隧洞極硬巖洞段施工中，存在以下問題： 1)TBM貫入度、掘進速度明顯下降。巖石抗壓強度為180 MPa時的貫入度和掘進速度只約為120 MPa時的1/3； 2)刀盤、刀座、鏟斗齒開裂磨損嚴重，修復時間大大增加，降低了TBM掘進作業利用率； 3)不僅刀具正常磨損消耗大大增加，而且刀具軸承碎裂、刀圈偏磨等刀具異常損壞明顯增加，停機檢查更換刀具時間大大延長，TBM掘進作業利用率降低，進而降低進尺。對2010年8月的掘進作業利用率分析可知，刀具檢查、更換時間大大增加，除TBM正常維護時間(18%)以外，刀具檢查更換附加時間25%, 比通常的約5%高出20%。

又如，正在實施的陜西引漢濟渭工程，除了下坡掘進突水、中等巖爆等難題外，極硬巖成為TBM施工的主要挑戰[18]。該工程隧洞總長98.3 km，開挖直徑為 8.0 m，采用2 臺敞開式TBM與鉆爆法結合施工。其中： 嶺北段采用海瑞克公司生產的TBM,計劃掘進16 km，2014年6月15日試掘進，2015年8月11日首段7 272 m貫通, 目前掘進已超過10 km,軟弱圍巖和斷層塌方卡機是TBM施工的主要風險； 而嶺南段采用羅賓斯公司生產的TBM , 計劃掘進 18 km, 2015年2月17日試掘進，至2016年2月26日累計掘進1 891 m，遭遇極硬巖、突涌水等技術難題，進展緩慢。最高巖石抗壓強度達到240 MPa，大部分在160 MPa以上，磨蝕值為4.65～5.71，已掘進段圍巖石英含量為43.67%～92.6%，抗壓強度和磨蝕性極高，并突發下坡掘進大涌水，最大涌水量達42 000 m3/d，停機搶險近3個月。對嶺南段現場掘進數據進行分析，可得TBM掘進速度與巖體抗壓強度關系： 1)當抗壓強度為120 MPa時，掘進速度為2.4 m/h，月進尺約達500 m； 2)當抗壓強度為160 MPa時，掘進速度降為1.2 m/h，月進尺低于250 m； 3)當抗壓強度為200 MPa時，掘進速度僅為0.6 m/h，貫入度、掘進速度極低，1.8 m掘進行程需要掘進3 h以上，月進尺約120 m。可見，完整極硬巖對TBM貫入度、掘進速度和進尺速度影響極大。

在引漢濟渭嶺南段抗壓強度平均大于160 MPa的花崗巖、石英巖條件下,TBM掘進1 891 m更換刀具1 626把，平均刀圈可掘進100m左右。對比遼西北供水工程中抗壓強度為100 MPa左右的花崗巖,TBM4掘進4 200 m換刀為 505把，正刀刀圈可掘進600 m左右。可見，同一廠家50.8 cm(20英寸)的滾刀刀圈磨損壽命有數倍差別，這里巖石抗壓強度、石英含量等起到了主要作用。此外，除了正常磨損，極硬巖還使刀具軸承碎裂、刀圈偏磨等刀具異常損壞情況明顯增加，一把刀偏磨不及時發現，短時間可能造成數把刀同時偏磨。刀具磨耗和異常損壞都使換刀次數、時間大大增多，在引漢濟渭嶺南段最初1 891 m的掘進中，除TBM正常維護時間以外，刀具檢查更換時間附加21%，使TBM掘進作業利用率只有19.4%，極硬巖刀具損耗對TBM掘進作業利用率產生很大影響。

基于多個TBM極硬巖施工案例及其現場數據分析結果，得出以下主要經驗和認識： 1)按照目前TBM技術水平，相對較為容易掘進的巖石抗壓強度為30～120 MPa，大于250 MPa將難以掘進，180～250 MPa將帶來難以承受的工期和成本風險。 2)極硬巖使TBM掘進速度和掘進作業利用率大大降低，月進尺降低，工期加長，成本消耗明顯增加。因此，一個工程的規劃、投招標、工期和成本預估等要特別考慮該因素的影響。3)極硬巖給TBM刀盤開裂、磨損、壽命帶來極大挑戰，應特別重視刀盤強度、剛度、耐磨性設計以及焊接質量。4)主軸承等關鍵部件壽命和可靠性成為重要的關注點，籠統地認為TBM的壽命是可掘進20 km或30 km的觀點是不科學的，并將帶來很大的風險。應該計算分析一定里程的不同巖石的隧道，TBM運轉多少“轉”或“小時”能夠打通該隧道。極硬巖TBM打通同樣里程隧道需要的小時數可能是其他較軟巖石的數倍，TBM主軸承的壽命就成為一個極為敏感的因素，更換主軸承的代價是0.5年或1年以上工期、數千萬元的直接經濟損失。5) 需要提高刀具磨損壽命和承載能力應對極硬巖，開發使用韌性高、磨損性更好的大直徑盤形滾刀或新型刀具，同時合理優化刀間距設計。

3.2大斷層破碎帶、軟弱大變形圍巖TBM施工

如前文所述，我國在云南那邦水電站敞開式TBM穿越長距離軟弱蝕變帶以及遼西北供水工程利用鋼筋排支護技術穿越斷層破碎帶方面都取得了成功。然而，在大斷層破碎帶以及軟弱大變形隧洞施工方面仍然面臨著嚴峻的挑戰。斷層破碎帶、松散體及軟弱變形地質對TBM施工有較大影響，對于敞開式TBM，可能帶來TBM撐靴無法支撐洞壁前行的技術難題。對于敞開式和護盾式TBM，都面臨圍巖大塌方或大收斂變形使TBM被卡被困的風險，而且護盾式TBM比敞開式TBM被卡被困的幾率更高，脫困難度相對更大些。我國近年來采用護盾式TBM施工被卡被困的案例較多，最近正在實施的工程難度將更大。

例如，2016年開始使用TBM施工的新疆ABH隧洞工程，開挖直徑為6.5 m，主洞總長41 km,其中32 km正在由2臺TBM施工。該隧洞屬于長距離超大埋深隧洞，最大埋深超過2 200 m。根據地質資料，TBM施工的軟弱大變形洞段圍巖為粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，長約7 km，變形相對位移為2.5%～5.0%。另外，大變形主要發生在斷層破碎帶、不整合接觸帶和蝕變帶等洞段，長約2.5 km，相對位移大于10%，可能造成坍塌，存在TBM卡機、塌方被埋、支護變形侵占開挖斷面的風險，易造成工期和成本難控，大斷層破碎帶和軟巖大變形是影響工程成敗的重要因素。 同時，新疆ABH工程同一隧洞不僅存在大埋深軟弱變形問題，還有相當長洞段存在高地應力強巖爆風險。可能發生較強巖爆洞段總長約8.4 km，巖爆洞段長，巖爆等級從中等到強烈。強巖爆危及TBM及人員安全，極大影響工期和成本。既穿越軟弱大變形長洞段，又穿越強巖爆長洞段，從施工的角度考慮，TBM選型是一個新問題。有些觀點認為，考慮到強巖爆風險，采用雙護盾TBM施工更安全，建議選用雙護盾TBM。但若選用雙護盾TBM，在強巖爆條件下管片支護的安全性缺乏理論分析和實踐驗證，而且當面臨大變形洞段時,雙護盾TBM被卡以及工期、成本不可控的風險更大。最終，綜合考慮巖爆、大變形、地震活動帶等特點以及工程永久襯砌壽命要求，選用敞開式TBM施工，并采取一定的巖爆防護設計措施。這可以降低TBM可能長時間被卡被困的風險，同時敞開式TBM掘進后的現澆混凝土二次襯砌也將使工程在質量和壽命上具有一定優勢。目前，新疆ABH工程一臺TBM已掘進主洞超過4 km，另一臺TBM已從支洞掘進約2 km進入主洞，TBM的選型設計以及后續面對復雜地質的施工技術還將面臨檢驗。可見，對于大埋深隧洞工程，同時可能出現大斷層、長距離大變形、強巖爆時，TBM選型設計、掘進技術和支護設計與技術都面臨新的課題，未來南水北調西線、西藏水利水電開發等越來越多工程將面臨類似問題。

又如，最近實施的面臨軟巖大變形的大理—瑞麗鐵路高黎貢山隧道，全長34.538 km，9‰上坡掘進，正洞12.37 km采用直徑9.0 m的敞開式TBM掘進，平導洞10.18 km采用修復的直徑5.6 m敞開式TBM施工[19]，預計2017年9月TBM入場組裝，計劃工期約4年。TBM掘進洞段圍巖有8.8 km長的花崗巖，其余為白云巖、灰巖夾石英砂巖、片巖、板巖、千枚巖夾石英巖和變質砂巖等,飽和抗壓強度為20～65 MPa，存在蝕變帶圍巖。隧道最大埋深1 155 m，預計有軟弱大變形、中等巖爆、大斷層破碎帶、巖溶突涌水和高地熱等不良地質。Ⅱ、Ⅲ級圍巖占60%，Ⅳ級圍巖占30%，Ⅴ級圍巖占10%，含4個大斷層，寬度為150～270 m。綜合分析，巖爆、上坡掘進突涌水、高地熱等給TBM施工帶來的風險相對可控，而大斷層破碎帶、軟弱圍巖、蝕變帶、松散體等造成的塌方、變形、突泥使TBM埋機、卡機的施工難度和風險較大。

針對上述工程軟弱大變形圍巖，在TBM設計和施工技術上主要采取了以下預案： 1)正確進行TBM選型設計，一般情況下推薦選用敞開式TBM。若采用護盾式TBM，需重點做好護盾直徑前后階梯遞減、盡可能縮短護盾長度、加大推進力等的設計。2) 為應對圍巖大變形，預留TBM擴挖設計方案。直徑擴挖≤100 mm時, 采取邊刀墊塊外伸的技術方案； 直徑擴挖>100 mm時, 采取“刀盤提升系統+預留邊刀刀座+邊刀墊塊伸出”或“更換刀盤邊塊+護盾系統改造”的技術方案。3) 在敞開式TBM新型的支護設計及防護設計上，考慮采取方便靈活的主機前部L1區的機械化常設噴混系統、不間斷連續封閉的“鋼筋排支護系統”、“全圓常裝隱藏式”超前注漿系統、可伸縮水漲式錨桿支護、可伸縮式拱架支護、TBM設備及人員安全防護等設計和施工方案。 4) 采取優化的TBM掘進技術、掘進速度和掘進參數控制。此外，個別大變形洞段，TBM通過后可能需要二次加固處理。5)對于松散體洞段，特別是松散體富水洞段，TBM難以穿越時，可考慮超前注漿處理后TBM掘進通過。6)若TBM已經被困無法通過，可能需要進行設備改造， 或人工處理，TBM步進通過， 或改線繞行。

未來大埋深帶來軟弱大變形和強巖爆等問題的復雜工程會越來越多，可結合現有工程，對上述提出的設計和施工預案進行實踐驗證和總結提高，并從工程規劃設計、隧洞支護設計、TBM選型設計和施工技術等全面系統地進行深入研究和工程實踐。

3.3強巖爆圍巖TBM施工

巖爆給作業人員、TBM設備安全帶來較大威脅，會破壞已有支護，給TBM施工安全、進度和成本造成很大影響。迄今為止，我國TBM施工經歷巖爆的工程主要有西康鐵路秦嶺隧道(輕微巖爆—中等巖爆)和錦屏Ⅱ級水電站引水隧洞工程(強巖爆—極強巖爆)。目前正在實施的陜西引漢濟渭工程、新疆ABH隧洞工程和大瑞鐵路高黎貢山鐵路隧道等大埋深隧道工程，都面臨中等—強巖爆的風險。

如前文所述，西康鐵路秦嶺隧道是我國首次引進2臺敞開式TBM自主施工的隧道工程，隧道全長18.46 km，直徑8.8 m，圍巖為混合花崗巖和片麻巖，是抗壓強度105～315 MPa的堅硬巖，最大埋深1 600 m。秦嶺隧道發生的巖爆主要是破裂松弛型、爆炸彈射型、爆炸拋射型的輕微—中等巖爆，對人員、設備安全和施工未造成太大的影響。秦嶺隧道防控巖爆的主要施工技術措施是網片、錨桿、拱架、噴混等聯合支護，以及掌子面刀盤和洞壁噴水措施。

錦屏Ⅱ級水電站引水隧洞工程[12,20]全長16.7 km，采用TBM法和鉆爆法聯合施工，1#、3#引水隧洞由2臺敞開式TBM施工，直徑12.4 m，另有1臺較小直徑敞開式TBM施工排水洞。隧洞圍巖主要為大理巖，抗壓強度為50～80 MPa，最大埋深2 525 m。該工程創造大直徑TBM掘進月進尺683 m的世界紀錄，但在較小直徑排水洞的TBM施工中出現13次強—極強巖爆，最終發生重大地質事故。該工程大直徑TBM施工也經歷了強巖爆的威脅，考慮強巖爆風險及工期等多種因素，掘進6 km后主動停機改為鉆爆法施工，最終工程貫通。

基于以往TBM施工中經歷的強巖爆，得出以下主要經驗和認識： 1) 對于中等或強烈以下巖爆，除加強TBM設備和人員防護以外，利用敞開式TBM配置的裝備，采用網片、錨桿、拱架、噴混支護或可伸縮錨桿、可伸縮拱架、鋼筋排支護等技術措施后，巖爆對TBM施工帶來的影響一般在可控和可接受的程度。 2) 對于極強巖爆，TBM施工的經歷還很少，但由于TBM價格昂貴、制造周期長，巖爆對TBM施工的影響和可能損失遠大于鉆爆法，且有毀滅性災難的風險。目前，極強巖爆在時間、空間上難以準確預測和控制，只能采取恰當的選型防護設計、支護技術、超前鉆孔釋放和鉆爆預先處理TBM再步進通過等方案減小影響程度和風險。 3)盡管巖爆監測和預測技術有了較大進展，但TBM施工人員仍需要地質專家進一步對巖爆發生條件、發生時間、發生位置、影響程度給予深入研究和指導，也需要更多實際工程經驗的積累和總結。4)對于超大埋深隧道，同時存在長距離強巖爆洞段和長距離軟弱圍巖大變形洞段的工程，TBM如何選型設計仍需創新探索和工程實踐檢驗。

3.4涌水突泥洞段TBM施工

正在實施的引漢濟渭嶺南段，在施工初期出現突涌水，給施工帶來很大影響。TBM小坡度下坡掘進，發生5次較大集中涌水，尤其是2016年2月28日發生的掌子面突涌水，單點單次涌水量超過20 000 m3/d，全隧涌水量最高達46 000 m3/d。現場數據分析表明： 在1 891 m距離的掘進中，排水停機時間占11.5%，大大降低了TBM掘進作業利用率。由于下坡掘進，TBM主電機、回油泵、1層的平臺設備、TBM組裝洞配電柜等相繼被淹，臨時增加多路排水管，停機搶險2個多月。 類似的山西大水網中部引黃工程斜井TBM下坡掘進，涌水造成2臺TBM主驅動電機被淹，臨時增加了排水系統。

錦屏Ⅱ級水電站也是突涌水施工的典型案例。錦屏Ⅱ級水電站輔助洞施工時，單點最大涌水量達到7.3 m3/s。在鉆爆法施工時，曾出現高壓涌水使鉆桿受沖擊噴出，需坐“船”進入隧洞，施工交通中斷，鉆爆法施工遭遇極大困難。為此，開始論證主引水洞采用TBM施工的方案。2006年在主洞TBM施工方案論證時，建議使用“鋼軌枕”將TBM后配套行走軌道和施工運輸軌道抬高1.5 m左右，以避免可能的大涌水淹沒TBM設備和運輸通道。后來的實踐證明，該技術方案是成功的，該工程突涌水對TBM施工的影響小于對鉆爆法的影響，使突涌水問題沒有成為TBM施工的致命災害。

此外，引洮工程單護盾TBM施工遭遇松散砂質泥巖含水地質，發生突泥災害，TBM下沉，無法繼續前行。最終撤出TBM及后配套設施，重新制作了刀盤、盾體，掉頭方向組裝繼續掘進，不良地質洞段采取人工處理。

根據以往TBM施工案例，突水突泥對TBM施工有很大影響，主要有以下幾個方面： 1)突泥災害往往導致圍巖難以穩定，TBM可能沉陷、被埋，難以繼續掘進前行，有重大風險； 2)突涌水、大面積淋水會惡化作業人員環境，設備故障率增高，降低作業效率； 3)給敞開式TBM洞壁噴混、護盾式TBM管片背部同步注漿的實施帶來困難； 4)給TBM施工運輸帶來影響； 5)下坡掘進的隧洞，TBM有被水淹的風險； 6)過量突涌水可能對隧洞外部生態環境或設施造成影響。

基于以往TBM工程實踐經驗，總結涌水突泥風險及其對策如下： 1)上坡掘進，一般風險可控。根據具體工程，TBM及其后配套排水系統按常規設計，隧洞排水可考慮自流排水，或采取適當設置排水系統和適當架高運輸軌道等技術方案。2)下坡掘進時掘進作業利用率下降，成本、工期提高，設備可能被淹，風險大。需根據勘察設計資料，一般應事先設置超強排水系統，屬于風險控制措施。即使掘進貫通后實際未遇到大涌水，這一風險控制措施也是必要的。隧洞排水系統與TBM設備排水系統需統籌考慮，解決好接口問題，并根據流量和揚程設計計算好泵的選型、集水井設置及管路設計等。還需根據水量和隧洞坡度計算TBM關鍵部位被淹的搶險緩沖時間。3)對于較為完整巖體的裂隙涌水，超前注漿效果可能有限，必要時宜結合開挖后的“排水+堵水”技術方案。4)溶洞、軟弱破碎和松散巖體涌水可能發生突水突泥，TBM被困風險很大，宜采取超前探測、超前注漿處理或人工處理后TBM步進通過。5)個別工程可以慎重選擇使用雙模式掘進機，即掘進機具備硬巖敞開式掘進模式和盾構壓力平衡掘進模式，可根據地質變化進行2種掘進模式轉換。對于雙模式TBM，刀盤設計需要適應硬巖和軟巖2種模式掘進，主機出渣裝置可能需要皮帶機和螺旋輸送機轉換。

3.5高地熱隧洞TBM施工

根據地質勘察資料，前文提到的新疆ABH隧洞工程和高黎貢山鐵路隧道預計都將經歷高地熱問題。新疆ABH隧洞工程預計地溫37～50 ℃的洞段長達7 562 m，超過50 ℃的洞段為1 571 m。地熱惡化洞內人員作業環境，同時也可能導致設備過熱而無法正常工作。因此，具有嚴重地熱問題的隧洞工程雖然解決難度很大，但必須在技術手段上給予足夠重視和考慮。

目前，隧洞降溫的主要的技術方法有通風、水冷、冰冷方式，需綜合考慮具體工程情況作出選擇。通過加大風量、風速將更多熱量帶出洞外； 通過制冰裝置將制出的冰塊運進洞內，交換熱量再將水排出洞外； TBM配備制冷裝置，通過水與空氣熱交換，進一步降低通風出口空氣溫度，再通過排水將熱量帶出洞外。同時，需對TBM電氣、液壓等系統選型、散熱設計作特殊考慮，TBM局部系統設備、部件或局部作業區域可作重點降溫考慮。還需指出的是，在工程實踐中，目前還缺乏詳細實用的將隧洞產生地熱、設備發熱、風水冰降溫系統綜合考慮的熱平衡理論計算模型，需進一步研究這樣實用可靠的計算方法供技術人員設計計算用。

3.6超長隧洞TBM施工

新疆EH超長隧洞具有戈壁沙漠、 夏季炎熱、冬季極冷的地理環境特點。主洞總長約524 km，共采用18臺敞開式TBM施工，單臺TBM獨頭掘進超過25 km，創世界紀錄。其中： 洞段1長283.393 km，開挖直徑7.0 m，采用11臺敞開式TBM施工; 洞段2長148.165 km， 開挖直徑7.8 m，采用5臺敞開式TBM施工； 洞段3長92.150 km，開挖直徑5.5 m，采用2臺敞開式TBM施工。超長主隧洞需設置輔助施工長支洞或深豎井，若采用施工支洞方案，可能要達到3～6 km長； 若采用深施工豎井方案，需300～600 m深。

超長隧洞在設置超長施工支洞或深施工豎井上，存在方案如何選擇的難題，需要綜合重點考慮以下2方面： 1)超長施工支洞或深施工豎井建造工期、成本的比較分析； 2)主洞施工期間，支洞或豎井出渣、物料運輸的可靠性和安全性，以及與主洞TBM掘進速度匹配等問題。

最初，新疆EH工程主洞施工通道傾向于全部采用豎井方案，后來經過進一步論證，決定采用施工支洞為主、結合個別鉆爆段施工豎井及部分通風豎井的布置方案。即使是施工支洞方案，也采用了2種方式： 1)修復的TBM洞外組裝直接掘進施工支洞，然后撤出，開挖擴大洞室，新TBM洞內組裝后掘進主洞； 2)鉆爆法修建施工支洞，并設置洞內組裝擴大洞室，主洞內組裝TBM，然后掘進主洞。

對于超長隧洞TBM施工，除重點考慮豎井、支洞方案選擇和布置以外，TBM分段、數量、獨頭掘進距離等與以下問題相關，也需要重點考慮相應對策： 1)長距離(超過25 km)獨頭掘進TBM的長壽命和可靠性問題。2)高強度、剛度和耐磨性刀盤； 需更好的面板耐磨材料和周邊耐磨設計； 提高焊縫質量，防開裂。3)需大尺寸、長壽命的主軸承和傳動設計。需根據TBM掘進各洞段的不同地質，計算打通隧洞需運轉的轉數或小時，評估主軸承壽命是否足夠。4)長施工支洞或深豎井出渣、運輸，以及長距離主洞TBM施工出渣、運輸技術方案的可靠性和安全性問題，與TBM掘進速度相匹配的問題。5)主洞長距離(超過25 km)連續皮帶機、大坡度長斜井固定皮帶機設計方案的可靠性問題，特別是中間驅動控制和張力控制的問題。6)大坡度長距離斜井材料運輸方案的安全性問題； 主洞長距離混凝土運輸保質問題。7)長距離TBM施工供電、供排水問題，包括供電壓壓降問題，泵的選型、揚程、排量，集水井的布置。8)長距離通風(超過25 km)風機、風管選型問題，獨頭壓入、中間接力方案技術經濟對比分析問題，是否設置通風豎井問題的技術經濟比較分析。面對上述問題，新疆EH工程已有相應的技術方案和措施，但這些技術方案的先進性、合理性、可靠性，以及TBM和通風系統、出渣皮帶機等配套系統的可靠性、壽命都有待實際工程的檢驗，也需在實踐中不斷優化和改進，以總結提出對未來類似工程有參考價值的成果。

4 結束語

1)我國近30年來TBM技術發展的歷程是從最初國外承包商帶來國外設計制造的TBM進行中國隧道施工，到我國自主選型和自主掌握TBM施工技術，再到我國實現TBM自主設計制造并走向國內外TBM施工市場。特別是近10年我國TBM工程應用迅猛增長，敞開式、雙護盾、單護盾等各種機型TBM實現了國產化，且未來20年我國TBM設計制造和工程應用仍將有一個廣闊的前景。

2)在過去的30年里，我國TBM在鐵路、水利、水電、公路、地鐵、礦業等領域都得到了應用，特別是水利、水電、鐵路行業應用規模更大。在大量世界級工程施工中，大小直徑敞開式、雙護盾、單護盾TBM，以及超長隧洞、超大埋深隧洞集群TBM、斜井TBM施工都有了很多工程經驗和技術積累，取得了日進尺70.4 m，敞開式和護盾式TBM最高月進尺1 226 m和1 868 m，TBM平均月進尺超過600 m，掘進作業利用率超過40%的掘進技術水平，可成功穿越大量斷層破碎帶、軟弱變形、巖爆、突涌水等復雜地質洞段，積累了一系列TBM應對不良地質的施工技術。

3)近年來，我國在特殊地理地貌、特殊環境氣候、超長、超大埋深，同時具有極硬巖、強巖爆、軟弱大變形、突泥突水、高地熱等不良地質的隧洞工程越來越多，在質量、安全、工期、成本等方面，TBM施工仍然存在很大的風險。雖然應對這些難題已有一些技術方案和對策，但是這些預案還需大量實際工程的實踐驗證、優化和改進，需要不斷積累和創新TBM設計與施工新技術。

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Progresses,ChallengesandCountermeasuresforTBMConstructionTechnologyinChina

DU Lijie

(TBMResearchCenterofHebeiKeyLaboratoryofStructuralHealthMonitoringandControl,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

U 455.4

A

1672-741X(2017)09-1063-13

2017-05-03;

2017-07-11

國家“973”項目(2014CB046906)； 中國鐵路總公司項目(2016G004-A)

杜立杰(1964—)，男，河北承德人，1990年畢業于北京航空航天大學，機械學專業，碩士，教授，主要從事TBM設計與施工領域的理論研究與工程實踐工作。E-mail: tbmdu@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.002