TBM在水利工程中的應(yīng)用與展望

譚志勇

全斷面掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓和自動(dòng)控制于一體的快速地下開挖工程的大型高技術(shù)成套施工裝備，是將掘進(jìn)、移動(dòng)、出渣和襯砌等多功能有機(jī)組合在一起的聯(lián)合機(jī)組，融合了新材料、新工藝、液壓、自動(dòng)控制、信息、電子、電力、環(huán)保、人工智能、激光制導(dǎo)、遙測(cè)、遙感等高新技術(shù)。采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、對(duì)圍巖破壞小、利于環(huán)境保護(hù)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度及改善工作環(huán)境等特點(diǎn)，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(jìn)機(jī)主要包括全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（也稱為TBM）和全斷面盾構(gòu)機(jī)（一般稱為盾構(gòu)機(jī)）。TBM主要用于具有一定自穩(wěn)能力的巖石地層的掘進(jìn)，多用于野外的長(zhǎng)隧道（如引水隧洞、鐵路隧道等）。而盾構(gòu)機(jī)主要用于有水地層、軟弱不穩(wěn)定圍巖、對(duì)地表有嚴(yán)格沉降控制要求的城市地下工程或過(guò)江隧道工程的掘進(jìn)。

TBM主要分為開敞式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾等三種類型，其型式的選擇主要考慮地質(zhì)條件、隧洞埋深及其斷面尺寸，確定掘進(jìn)機(jī)型式最主要的因素是洞線地質(zhì)條件。評(píng)價(jià)洞線地質(zhì)條件主要考慮以下因素：巖性、圍巖類別、節(jié)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(hù)盾、雙護(hù)盾三種TBM性能比較見表1。

TBM在水利工程中的應(yīng)用

1984年廣西天生橋水電站引水隧道是我國(guó)水利行業(yè)首先使用TBM技術(shù)施工的，近年來(lái)TBM在水利工程中的應(yīng)用較為廣泛，各種類型TBM在國(guó)內(nèi)的已建項(xiàng)目中都得到了應(yīng)用，主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

從表2可見，使用TBM掘進(jìn)的洞徑從3.5～12.4m不等；單臺(tái)累計(jì)最大掘進(jìn)長(zhǎng)度約25.9km；洞身巖體條件從軟巖～硬巖，圍巖類別V～I(xiàn)I；隧洞最大埋深達(dá)2520m；從施工效能來(lái)看，平均掘進(jìn)240～650m/月,在同等條件下比傳統(tǒng)鉆爆法高5～10倍。萬(wàn)家寨引黃工程南干線#4、#5洞段創(chuàng)出了最高日進(jìn)尺113m、最高月進(jìn)尺1821m的施工紀(jì)錄。

表1 開敞式TBM與護(hù)盾式TBM性能對(duì)比

從整體來(lái)看，TBM技術(shù)在水利工程上得到了較好的應(yīng)用，但個(gè)別工程在應(yīng)用中也出現(xiàn)過(guò)較深刻的教訓(xùn)。根據(jù)隧洞洞身巖體條件合理選取TBM設(shè)備型式是快速、安全、經(jīng)濟(jì)成洞的前提。結(jié)合已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為：洞身巖體較完整、圍巖自穩(wěn)性能較好，可采用開敞式TBM；洞身地質(zhì)條件較差、圍巖自穩(wěn)性能較差，可采用護(hù)盾式TBM；不良地質(zhì)洞身段占比較大、或可能產(chǎn)生突泥涌水以及溶洞發(fā)育洞段，可采用傳統(tǒng)的鉆爆法。

現(xiàn)階段我國(guó)TBM施工的隧洞工程普遍存在投資大，原因之一是TBM設(shè)備的制造成本和運(yùn)行成本高所致。從20世紀(jì)80年代至今，TBM設(shè)備多采用國(guó)外制造廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品為主，近年來(lái)國(guó)內(nèi)TBM生產(chǎn)廠商也逐步引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行制造和設(shè)計(jì)，處于引進(jìn)、消化吸收階段，制造和設(shè)計(jì)水平偏低。TBM設(shè)備的核心部件或關(guān)鍵部件，是制約我國(guó)制造的主要技術(shù)瓶頸。

TBM是集多學(xué)科、多部門于一身的高科技產(chǎn)品，隨著我國(guó)水利、鐵路、公路以及城市地下交通等項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)TBM設(shè)備將有著巨大的市場(chǎng)需求。組織科研、設(shè)計(jì)、企業(yè)等單位，形成一個(gè)具有多學(xué)科、多部門技術(shù)能力的隊(duì)伍聯(lián)合攻關(guān)創(chuàng)新，結(jié)合我國(guó)工程的特點(diǎn)，生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TBM產(chǎn)品，是解除TBM設(shè)備技術(shù)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(yǎng)熟練掌握TBM的高素質(zhì)操作、管理人員，是發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)施工的前提條件。

表2 TBM在國(guó)內(nèi)已建水利工程應(yīng)用情況

表3 TBM在國(guó)內(nèi)一些省份在建、待建項(xiàng)目應(yīng)用情況

TBM應(yīng)用前景

近年，國(guó)內(nèi)水利項(xiàng)目出現(xiàn)以長(zhǎng)大隧道和特長(zhǎng)大隧道為輸水建筑物的跨流域、跨省（自治區(qū)）的大型引調(diào)水工程，如陜西引漢濟(jì)渭、吉林中部城市引松供水、云南滇中調(diào)水項(xiàng)目等。據(jù)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(zhǎng)度已達(dá)280余km，傳統(tǒng)鉆爆法施工難以達(dá)到快速、安全、經(jīng)濟(jì)的建設(shè)目的。因此，TBM技術(shù)將是首選的隧洞施工工藝。TBM在國(guó)內(nèi)一些省份的主要在建、待建項(xiàng)目應(yīng)用情況見表3。

通過(guò)近20年的隧洞工程實(shí)踐，無(wú)論從工程的施工環(huán)境、TBM選型、水文地質(zhì)條件以及建設(shè)規(guī)模等方面都體現(xiàn)出其有廣泛的應(yīng)用空間。全面系統(tǒng)地總結(jié)已建工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后隧洞設(shè)計(jì)、工程施工、項(xiàng)目運(yùn)行管理等方面都具有較高的參考價(jià)值。隨著國(guó)家對(duì)水利行業(yè)投入的增加以及重大水利工程的實(shí)施，相信TBM技術(shù)在今后水利工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。