TBM工程適應(yīng)性研究與挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)思路

周雁領(lǐng)

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)

1 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)從廣義上分為全斷面和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)主要包括盾構(gòu)機(jī)、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)、頂管機(jī)等[1]。本文研究對(duì)象為巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(以下稱TBM)。

1846年比利時(shí)工程師毛瑟(Maus)開發(fā)了世界首臺(tái)TBM，直到1953年美國(guó)工程師詹姆士·羅賓斯(Robbins)成功研制了第一臺(tái)現(xiàn)代意義的TBM，見圖1。經(jīng)過60多年的發(fā)展，TBM設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù)取得了重大進(jìn)步，其工程適應(yīng)性不斷加強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用規(guī)模不斷拓展，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家隧道施工的首選[2]。

圖1 第一臺(tái)成功使用的TBM

我國(guó)TBM研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代[3]，總體上經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段：起初的自力更生、獨(dú)立研發(fā)階段；以山西萬家寨引黃工程為代表的引進(jìn)設(shè)備、外企施工階段；以西康鐵路秦嶺隧道為代表的引進(jìn)設(shè)備、國(guó)企施工階段；以吉林中部城市引松供水工程(國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)TBM，見圖2)為代表的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、自主研發(fā)階段；以西部某總長(zhǎng)520 km隧洞引水工程為代表的自主品牌、推廣應(yīng)用階段[4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，深圳地鐵、西部某引水工程、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經(jīng)采用自主品牌TBM 40余臺(tái)套，并且已經(jīng)走出國(guó)門。

從應(yīng)用領(lǐng)域、在建工程與潛在工程數(shù)量等方面綜合分析，TBM前景廣闊。自主品牌TBM的成功研發(fā)與大范圍應(yīng)用，顯著提升了TBM的認(rèn)可度，甚至迎來了“井噴式”發(fā)展趨勢(shì)。除了傳統(tǒng)的水利水電、鐵路、城市軌道交通外，更多新的領(lǐng)域也提出了TBM應(yīng)用需求，其工況條件往往存在巨大差異；以往只在最適宜的條件下慎重選用TBM施工，現(xiàn)在卻是鉆爆法適應(yīng)性不強(qiáng)的工況條件下希望更多地采用TBM施工。需求是廣泛的，然而TBM的適應(yīng)能力有限。正確認(rèn)識(shí)TBM的工程適應(yīng)性，才能促進(jìn)TBM的合理應(yīng)用與科學(xué)發(fā)展。

圖2 首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)TBM

2 TBM工程適應(yīng)性分析

TBM施工具有顯著優(yōu)勢(shì)，但也存在明顯不足，適宜的地質(zhì)條件下可以持續(xù)、均衡、快速施工[5]，極端惡劣地質(zhì)條件下“寸步難行”。TBM基本機(jī)型分為敞開式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾三類[6]，不同機(jī)型的工程適應(yīng)性存在明顯差異，尚無能夠應(yīng)對(duì)所有地質(zhì)條件、滿足所有設(shè)計(jì)施工要求的“全能型”TBM，甚至極端惡劣地質(zhì)條件下任何一種機(jī)型都無法適用。

(1)地質(zhì)適應(yīng)性。敞開式TBM適合在圍巖整體較完整、具有相對(duì)良好自穩(wěn)能力、整體性較好的圍巖中掘進(jìn)，采取必要的輔助措施可以在短距離惡劣地質(zhì)條件下施工；單護(hù)盾TBM適合在圍巖抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低、自穩(wěn)能力較差但掌子面仍具有一定自穩(wěn)能力的地質(zhì)條件下施工；雙護(hù)盾TBM適用于總體圍巖自穩(wěn)能力較好、自穩(wěn)能力較差洞段比例不大、塑性變形較小的隧道。

敞開式TBM初期支護(hù)與超前處理手段相對(duì)靈活[7]，采用新奧法人工干預(yù)的條件相對(duì)較好，盾體較短且具有一定的徑向伸縮能力，有一定變形適應(yīng)能力，卡盾風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，應(yīng)對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的能力較強(qiáng)，但洞底落渣清理工作量明顯高于護(hù)盾式TBM。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)。敞開式TBM開挖及初期支護(hù)后，再施作二次襯砌，Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖及條件較好的Ⅲ級(jí)圍巖(有的稱之為Ⅲa)條件下甚至可以不做任何支護(hù)；護(hù)盾式TBM無初期支護(hù)，以管片作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中單護(hù)盾TBM需要管片提供掘進(jìn)反力，必須全洞段拼裝管片，而雙護(hù)盾TBM原理上可以在良好圍巖條件下不做任何支護(hù)，欠佳的地質(zhì)條件下拼裝管片。

(3)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性。敞開式TBM所施工的隧道采用現(xiàn)澆混凝土二次襯砌，具有顯著優(yōu)勢(shì)[8]；護(hù)盾式TBM采用預(yù)制管片作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)[9]，管片錯(cuò)臺(tái)、開裂、密封失效風(fēng)險(xiǎn)高，并且管片背后回填密實(shí)度可靠性不高，顯然遜色于現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

(4)掘進(jìn)速度。通常情況下敞開式TBM和護(hù)盾式TBM在Ⅰ～Ⅲa級(jí)圍巖條件下具有基本相同的掘進(jìn)速度，能夠適應(yīng)的其它地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM的掘進(jìn)速度更優(yōu)；單護(hù)盾TBM由于掘進(jìn)和拼裝管片交替施工[10]，純掘進(jìn)時(shí)間利用率較低，因而掘進(jìn)速度相對(duì)較慢，但在能夠適應(yīng)而自穩(wěn)能力欠佳的地質(zhì)條件下其速度優(yōu)于敞開式TBM，甚至高于雙護(hù)盾TBM。

(5)綜合成洞速度。雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)和管片拼裝同步作業(yè)，并且以管片作為最終支護(hù)結(jié)構(gòu)，因而其綜合成洞速度最快；單護(hù)盾TBM由于掘進(jìn)與管片拼裝交替作業(yè)，綜合成洞速度明顯低于雙護(hù)盾TBM；敞開式TBM邊掘進(jìn)邊施作初期支護(hù)，不良地質(zhì)條件下初期支護(hù)和其它施工措施占用時(shí)間較長(zhǎng)，隧道貫通后或者適宜的斷面下可以同步襯砌，其綜合成洞速度明顯低于雙護(hù)盾TBM。單護(hù)盾TBM和敞開式TBM綜合成洞速度，需要視地質(zhì)條件、支護(hù)工作量、斷面大小而定，無法一概而論。

(6)成本。三種機(jī)型的開挖價(jià)格總體上基本持平，敞開式TBM以現(xiàn)澆混凝土作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，必要時(shí)施作初期支護(hù)，甚至部分洞段允許無支護(hù)結(jié)構(gòu)，因而其綜合成本最低；護(hù)盾式TBM以預(yù)制混凝土管片作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，其成本顯著高于敞開式TBM；單護(hù)盾TBM掘進(jìn)速度低于雙護(hù)盾TBM，因而其綜合成本高于雙護(hù)盾TBM。

上述定性分析，未提及的因素默認(rèn)為相同或者基本相當(dāng)。

3 TBM施工面臨的挑戰(zhàn)分析

3.1 地質(zhì)挑戰(zhàn)

隨著TBM法的普及、連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度的增大，隧道地質(zhì)條件不可避免地會(huì)呈現(xiàn)多樣化，具有良好TBM工程適應(yīng)性的項(xiàng)目越來越多[11]，遭遇不良地質(zhì)甚至惡劣地質(zhì)條件的幾率也越來越大。強(qiáng)烈～極強(qiáng)巖爆、大斷層等嚴(yán)重破碎圍巖、大流量突涌水和突泥涌砂、高承壓水、極完整特硬巖、極高地溫、強(qiáng)蝕變、大變形、有害氣體、高放射性等極端惡劣地質(zhì)條件下，TBM施工安全、進(jìn)度、成本都會(huì)受到極大影響，尚無有效的、可靠的應(yīng)對(duì)措施[12]。

3.2 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

TBM開挖斷面為圓形，因而成洞斷面仍以圓形為主，目前改變斷面型式的唯一途徑就是回填，存在巨大浪費(fèi)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)TBM法隧道的斷面形式提出了新要求，異形斷面已經(jīng)成功應(yīng)用于軟土隧道，但用于TBM法隧道尚缺少適宜的施工設(shè)備；TBM開挖直徑向兩極化發(fā)展，近期國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制應(yīng)用了φ0.55 m的TBM，也提出了φ15～16 m的TBM需求；縱坡方面，水平隧道、緩坡隧道、大坡度上坡與下坡隧道、豎井需求量都很大，業(yè)界也提出了擴(kuò)大TBM法坡度適應(yīng)范圍的要求；水平曲線方面，以往山嶺隧道TBM法施工的最小轉(zhuǎn)彎半徑不小于500 m，城市軌道交通隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑在250～300 m之間，目前有些特殊領(lǐng)域提出了最小轉(zhuǎn)彎半徑75 m的要求；支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，TBM施工與鉆爆法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)明顯不同，但缺乏統(tǒng)一的針對(duì)TBM法的支護(hù)設(shè)計(jì)理論和規(guī)范，只能套用鉆爆法隧道的支護(hù)理念、理論和規(guī)范，存在過度支護(hù)問題。

3.3 施工挑戰(zhàn)

今后TBM法隧道施工不可避免地將會(huì)遇到高原、高寒、氧氣含量低、高溫、高濕、環(huán)境脆弱等不利條件，例如川藏鐵路；TBM長(zhǎng)距離連續(xù)施工需要配套的出渣、物料及人員運(yùn)輸、通風(fēng)與順暢回風(fēng)、冬季洞內(nèi)水霧濃度大、高原供氧提供可靠保障；“三通一平”(供電、供水、場(chǎng)地內(nèi)外施工道路、施工場(chǎng)地)等施工條件，在部分工程中具有極大難度，如南水北調(diào)西線工程；支護(hù)工效總體偏低，施工質(zhì)量往往與設(shè)計(jì)要求存在明顯差異，TBM掘進(jìn)成洞軸線呈折線狀而無法真正與設(shè)計(jì)軸線重合。

3.4 設(shè)備設(shè)計(jì)制造挑戰(zhàn)

TBM及其部件的產(chǎn)品質(zhì)量如果能夠顯著提升，則施工成本會(huì)顯著下降，將促進(jìn)TBM法在更大范圍內(nèi)取代鉆爆法；核心部件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，制約了TBM制造周期和成本的優(yōu)化。TBM的環(huán)境適應(yīng)性、坡度適應(yīng)性、水平曲線與空間曲線適應(yīng)性都有待提升；異形斷面TBM、超大斷面TBM、極小斷面TBM、長(zhǎng)距離擴(kuò)徑且能夠正常施工的TBM、大尺度變徑TBM的需求已經(jīng)非常迫切；更加節(jié)水節(jié)能的TBM將會(huì)受到廣泛歡迎；TBM超前加固能力普遍偏低，敞開式TBM初期支護(hù)施工的及時(shí)性(如盾尾噴混)、合理性(如錨桿入巖角度)有待提高。

上述問題不能妥善解決，TBM應(yīng)用領(lǐng)域難以得到實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變。

4 初步思路

TBM法的推廣應(yīng)用，主要取決于TBM的工程適應(yīng)性，需要建設(shè)、設(shè)計(jì)、審批、施工、監(jiān)理等各建設(shè)環(huán)節(jié)及單位相互融合、深入溝通、充分交流，才能揚(yáng)長(zhǎng)避短、充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)工程建設(shè)順利進(jìn)展。

擴(kuò)大TBM施工的優(yōu)點(diǎn)，不斷克服其缺點(diǎn)，提升TBM的工程適應(yīng)性，需要從TBM設(shè)計(jì)制造的源頭抓起，當(dāng)前和今后的隧道建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)，迫切需要改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)型、拓展功能、提升性能，研制新型TBM。

改進(jìn)現(xiàn)有TBM施工工藝，以更適用、更先進(jìn)的施工技術(shù)促進(jìn)TBM法隧道勘察設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)更上一層樓，實(shí)現(xiàn)裝備研發(fā)、施工工藝、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的良性循環(huán)。

改良現(xiàn)有TBM機(jī)型，研制新型TBM。現(xiàn)階段建議從三方面著手，一是真正實(shí)現(xiàn)超前加固；二是加強(qiáng)支護(hù)施工的及時(shí)性和工效(特別是敞開式TBM)；三是解決敞開式TBM洞底清渣問題。打破傳統(tǒng)機(jī)型及其適應(yīng)性的限制，研發(fā)全新結(jié)構(gòu)形式、融合現(xiàn)有不同機(jī)型都是可行的，底部清渣首先在于源頭治理——減少落渣(如一種用于敞開式TBM法施工隧道的鋼管片/鋼瓦片支護(hù)系統(tǒng)[13])。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)提升TBM的工程適應(yīng)性，努力研發(fā)異形斷面、極端尺寸斷面、大尺度變徑TBM，小曲率半徑、大坡度及豎井TBM，解決科學(xué)合理高效支護(hù)、極完整特硬巖高效破巖、核心部件國(guó)產(chǎn)化等問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

TBM在適宜的地質(zhì)條件下可以持續(xù)、均衡、快速施工，不良地質(zhì)段施工進(jìn)度會(huì)明顯降低，遇到極端惡劣地質(zhì)條件時(shí)進(jìn)度緩慢甚至可能長(zhǎng)時(shí)間卡機(jī)。TBM應(yīng)用范圍、應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，施工環(huán)境越來越復(fù)雜，而當(dāng)前的設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù)還不能滿足工程建設(shè)需求。在TBM應(yīng)用與推廣過程中，需要立足現(xiàn)狀、尊重事實(shí)，同時(shí)努力研究開發(fā)新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝，促進(jìn)TBM法隧道施工技術(shù)不斷進(jìn)步。