超特長隧洞集群TBM試掘進階段存在的問題與施工技術發展方向

韓偉亮

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著我國社會經濟的發展，國家基礎建設邁入了高速發展階段，隧洞工程逐漸朝超特長方向發展。在超特長隧洞掘進中，TBM施工技術占據主要地位。TBM設備及其施工技術經過多年的發展已經非常成熟，被廣泛應用于國內外的隧洞工程施工中。在其應用過程中，同時也促進了TBM施工技術的創新和完善，使得我國的TBM設備及施工技術從開始的跟隨國外腳步發展逐漸變為領跑世界，為其發展創造了良好的機遇。但是在超特長隧洞集群TBM試掘進階段，仍然存在一些問題以待研究和改進，在TBM設備研制、施工技術等方面還需進一步提升。

1 TBM及其施工技術概述

1.1 TBM概述

TBM是全斷面隧道掘進機的英文簡稱，主要分為敞開式隧道掘進機和護盾式隧道掘進機，其原理是利用旋轉刀片在推力的作用下擠壓剪切碎巖，并通過鏟斗收集石渣后利用皮帶輸送至洞外的過程，多應用在硬質巖石施工中。TBM是機械、液壓、電子、激光、控制等前沿科技技術于一體的具高度自動化、機械化的大型流水線隧道施工設備，具有掘進速度快、自動化程度高、安全可靠、環保、不受氣候環境影響、綜合效益高等特點，主要應用于鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中。

1.2 TBM施工技術的發展

1851年，美國工程師制造出世界上第一臺TBM，但在設計上難以克服滾刀問題而導致試用失敗。后來研制的各種設備，在原來的基礎上均有所進步，直至1884年由博蒙特設計的TBM設備在英法海峽水底隧道掘進近10km，TBM施工的發展由此邁上了新臺階。我國1958年才開始研究TBM，受經濟和技術條件的限制，到1966年才研制出第一臺TBM設備，而且設備水平遠落后于當時的國際水平。改革開放之后，大量國外企業承接水利工程，引進了先進的TBM設備和施工技術并在國內開始應用，取得了一定的好成績。1998年后，國內企業自主引進TBM設備，建立了自主的施工和專家隊伍并迅速成長，掌握了TBM施工技術并積累了大量的施工經驗，為后期TBM自主研發積累了經驗。2010年后，國內部分企業具備了TBM設計和制造能力，產業鏈基本形成，自主設計和創新能力逐步提高，打破了國外對我國的技術封鎖，使我國擁有了自主的TBM知識產權。隨著我國“一帶一路”發展戰略的提出，國產的TBM設備開始走向世界。

1.3 TBM施工技術的應用

TBM施工技術在國際上使用較為廣泛，最著名的莫過于英吉利海峽工程、荷蘭生態綠芯隧道工程、日本東京灣高速公路工程等。國內TBM技術的使用，是從20世紀90年代的甘肅引大入秦水利隧道開始，是由國外施工企業使用國外TBM設備施工的成功案例；后來的引黃入晉水利工程、秦嶺隧道工程等均使用國外的設備施工；2002年結合遼寧東水西調、甘肅引洮工程等諸多水利隧道工程，國家開始對TBM設備技術加強研究與開發工作，次年2月新一代的雙護盾巖石掘進機制造完成，并應用于云南掌鳩河引水隧道工程等。

2 超特長隧洞集群TBM試掘進階段存在的問題

2.1 超特長隧洞集群實例工程概況

文章依托的工程為北疆供水二期工程，研究超特長隧洞集群TBM試掘進階段的問題及施工技術。該工程總長540km，主要由西二隧洞、喀雙隧洞、雙三隧洞組成，其中喀雙隧洞長度達283.27km，是世界上最長的輸水隧洞。工程采用以全斷面隧道掘進機為主、鉆爆法為輔的施工方案，主洞施工采用了18臺TBM和3臺盾構設備，支洞采用了2臺TBM設備施工，目前已基本完成隧洞掘進工作。

2.2 TBM試掘進階段存在的問題

在超特長隧洞集群TBM試掘進施工階段，存在一些問題急需研究解決。

（1）主軸承密封漏油問題。在北疆供水工程的試掘進施工階段，共有4臺TBM設備出現了不同程度的主軸承密封漏油問題。經過檢查后發現，在其泄漏腔、壓緊環和密封內均存在大量碎石和泥砂，而且隔環的銹蝕情況極其嚴重。為了保證TBM設備正常使用，對設備采取了主軸承內密封系統檢修、更換部件以及注入油脂等措施保證其正常的狀態。

（2）錨桿鉆機缺陷問題。TBM設備搭載的錨桿鉆機主要存在能力不足、范圍不夠、角度不直等問題。在該工程Ⅲ和Ⅳ類圍巖中設計的錨桿數量較多，而每臺TBM設備僅配置2套錨桿鉆機，導致錨桿打設跟不上掘進速度；另外，錨桿打設范圍達不到設計270°的要求范圍，打設角度無法與巖面垂直，導致實際錨桿的作用效果與設計有較大的差距。這類缺陷問題主要需依靠TBM設備的改進解決。

（3）噴射混凝土設備缺陷問題。噴射混凝土設備的缺陷主要表現為不能及時噴射混凝土和噴射范圍不夠。由于工程噴射混凝土運輸距離較長，經常出現混凝土堵管的現象，不能及時噴射混凝土，影響其正常使用；噴射設備的噴射范圍小于設計需要噴塑的290°的范圍，存在一定的差距。這些問題無法在現場得到妥善的解決，只能通過改善相關設備性能實現。

（4）撐靴打滑問題。在試掘進過程中出現的撐靴打滑主要包括在硬巖地層由于防滑釘難以嵌入巖石，使撐靴與巖壁的咬合力不足，出現撐靴打滑現象；另外，在軟弱破碎地層掘進時，圍巖承載力不足導致撐靴打滑。對于硬巖地區采用增加撐靴與圍巖接觸面積，在軟弱圍巖地層設置枕木堆增大撐靴支撐面積或澆筑混凝土墻加固圍巖等措施，來改善撐靴打滑的問題。

（5）硬巖地層刀具磨損嚴重問題。TBM施工在硬質巖石地層刀具磨損問題嚴重，掘進效率低。喀雙隧洞中圍巖等級為V類，單軸抗壓強度在110～170MPa，刀具磨損情況嚴重時，平均每3.3延米換1把刀。在現場施工中沒有有效的解決方法，因此需要加強在硬巖地層輔助破巖技術的研究與應用。

3 超特長隧洞集群TBM施工技術發展方向

3.1 研發適應性更廣的TBM設備

在特長隧洞集群試掘進的施工過程中，會遇到塌方、突涌水、斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖爆等地質問題，為了提高隧洞施工效率，對不良地質作用實現提前預測預警等，需要加強研發適應性更廣的TBM設備。例如，在前支護系統、超前注漿系統、及時可靠的混凝土噴射系統和鋼筋排支護系統等方面的研發，有助于應對斷層破碎帶等地質問題；超前注漿系統方面的研發，有助于應對圍巖突涌水等地質問題；在多功能撐靴、大尺度的刀盤擴挖系統等方面的研發，有助于應對軟弱圍巖導致的卡機、撐靴打滑等問題；加強探索智能機器人安裝錨桿、鋼架等支護結構等方面的研究，以應對突發性地質災害，確保人員和設備的安全，也是未來TBM設備研發方向。

3.2 研發更加智能化的TBM設備

在北疆供水二期工程隧洞試掘進過程發現，在相同的地質條件和施工環境下，掘進效果存在明顯的差異，對刀具的消耗差別也十分明顯。究其原因，主要是地質環境復雜多變，導致無法準確及時了解地質信息，而且操作人員在不同的地質環境中無法做出及時的調整。為了解決這類問題，必須加強TBM設備的智能化程度，通過分析掘進過程中采集的數據，研究其內在聯系，建立科學有效的自主決策機制，提高TBM設備的智能化。對于TBM智能化設備的研究重點在于：（1）利用高精度的傳感系統，實現對掘進過程中的刀具受力、刀盤振動、開挖面穩定性、圍巖擾動等方面實施監測，以實現對地質環境與掘進狀態感知與獲取；（2）對地質環境與掘進數據的挖掘與分析，利用計算機模型及智能分析，自動匹配和決策最優施工方案，建立遠程信息化管理控制平臺；（3）加強設備智能化程度，解決人機協作交互性差等問題，實現掘進狀態自適應動態調控；（4）構建智能化決策控制系統（見圖1），強化掘進過程智能化決策控制，以實現TBM隧洞的安全高效掘進。

圖1 智能化決策控制系統流程圖

3.3 研發和改善TBM掘進輔助破巖技術

為了解決隧洞掘進中的刀具磨損嚴重問題，提高TBM設備施工效率，需要研發和改善TBM掘進輔助破巖技術。當下，應用廣泛的有水壓破巖、微波破巖以及激光破巖等技術。其中，水壓破巖技術是利用超高壓水射流與滾刀形成的環痕有效疊加，提高滾刀的貫入速度和破巖效率（見圖2），這種輔助破巖技術已成功搭載到福建榮巖隧道TBM設備上用于水工隧洞施工；微波破巖是利用巖石礦物對微波吸收差異特性進行破巖，使巖石產生損傷和微裂紋的技術；激光破巖是利用激光照射巖石表面，使巖石發生熱應力破碎的技術。

圖2 水壓破巖刀盤結構形態圖

4 結束語

改革開放以后，隧洞工程需求逐漸提升，對TBM設備提出了更高的考驗。我國的TBM行業緊抓機遇迅速發展，雖已在TBM設計、制造和施工等方面取得了巨大的成就，但仍存在一些問題亟需解決，希望通過加強對TBM設備研制、施工技術等方面研究工作，促進TBM行業實現快速發展。