硬岩掘进机(TBM)在我国隧道施工市场的推广应用

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

硬岩掘进机(TBM)在我国隧道施工市场的推广应用

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

TBM是目前长大隧道施工最先进的大型工厂化成套设备，具有安全、快速、环保等诸多优势，在发达国家已经成为隧道施工的首选设备，但在我国却一直无法大范围推广应用，对于提升我国隧道施工技术水平极为不利。透过TBM在我国的应用现状，分析存在的问题，探讨其未能大范围推广应用的原因，探索出推广应用TBM法施工的措施，并提出正确对待TBM的适用范围、合理降低设备成本、科学筹划工期、编制合理的工程造价等建议。

硬岩掘进机(TBM)；隧道；推广应用

0 引言

隧道的存在和施工由来已久，随着时代的变迁，其施工技术经历了钢钎大锤、手风钻和凿岩台车之后，TBM法作为第4代施工技术，已成为目前隧道施工最先进的工法之一。

TBM(隧道掘进机)采用机械式破岩，集隧道施工的开挖、出碴、初期支护(管片衬砌)、通风除尘、铺设隧道轨线以及风水电延伸于一体，具有快速、优质、安全和环保等施工特点，实现了长大隧道施工的流程化作业。

广义上的隧道掘进机包含全断面掘进机和部分断面掘进机，全断面掘进机包括了硬岩掘进机和盾构(软土掘进机)。在我国隧道施工领域，通常把全断面硬岩隧道掘进机称为“TBM”，有开敞式、单护盾和双护盾等主要形式[1]。TBM法在发达国家的应用已经非常成熟，是隧道施工的首选方法，然而在我国其应用受到诸多因素的制约，除城市轨道交通领域外，主要应用于特长和超长隧道施工。

在我国隧道施工领域，有人形象地将“TBM”戏称为“特别猛”，因为它的“铁齿钢牙”可以将抗压强度高达200 MPa以上的岩石轻松“咬碎”，在山体中昂然前进；也有人将“TBM”戏称为“特别慢”，因为它对地质条件的适应性差，在不适合的地质条件下，这个庞然大物消耗了大量资源，但却寸步难行。为何发达国家普遍采用的，具有先进、安全、快速、环保、施工质量高等优点的TBM法，在我国的应用却受诸多因素的制约呢？查阅TBM应用与施工技术方面的文献，未发现较为系统的分析与论述。文献[1]结合工程实践介绍了TBM施工技术，并简要展望了TBM的应用前景；文献[2]简要分析了我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状及存在的问题，并提出解决建议，指出工程建设一定要坚持科学发展观；文献[3]详细介绍了TBM的结构原理；文献[4]介绍了TBM结构原理及施工工艺要点；文献[5]论述了推广应用再制造TBM的必要性与可行性以及质量控制措施；文献[6]介绍了TBM的发展历程及其在水电业隧洞掘进中所起的历史性作用；文献[7]分析了盾构(TBM)技术在煤矿矿井建设中的现状、应用前景、存在的问题及发展趋势；文献[8]结合工程实例研究了2种工况条件下TBM同步衬砌施工技术，并探讨其应用前景及发展趋势；文献[9]研究了TBM在城市轨道交通领域的应用及施工技术；文献[10]总结出TBM技术发展新特色及趋势。本文简要探讨了我国TBM的应用现状、推广TBM法施工的意义和目前推广应用范围不广的原因，在此基础上对如何科学合理地推广TBM法隧道施工技术进行了初步的思考，并提出了一些有用的建议和措施，以期为我国TBM施工技术的推广和科学发展提供参考。

1 现状

当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家[2]。我国TBM事业始于20世纪50—60年代，发展于90年代。在甘肃引大入秦工程和山西万家寨引黄入晋工程中，由外国承包商采用TBM施工的多条输水隧洞取得了成功；西安—安康铁路18.4 km长的秦岭铁路隧道引进了2台直径为8.8 m的开敞式TBM，由国内施工企业操作使用，并成功建成了隧道[1]。此后，TBM在我国长大隧道施工领域不断得以推广和应用。纵观我国TBM施工项目[3-4]，总体上存在以下特点：

1)隧道长度大，除城市轨道交通工程外，隧道长度均超过10 km。

2)增加施工支洞的条件很差，甚至不具备条件。换言之，不得不采用TBM法施工。

3)采用TBM法施工的已完工和正在施工的隧道工程中，水工隧洞约占2/3。

4)2000年之后开工的项目比例大，约占3/4，且近5年开工的项目约占1/2。

5)进口品牌的TBM市场占有率具有统治性，调查的50多台次应用实例中，只有2台次是自主品牌的产品，且还在制造过程中。

2 TBM应用推广慢的原因分析

TBM正在我国得到推广应用，但与我国隧道建设规模的扩大化相比，其发展速度仍然较慢。

2.1 TBM设备及施工成本高、工程造价低

1)TBM设备结构复杂、系统庞大、设计制造成本高；截至目前国产品牌的TBM应用量极少，尚不能与进口品牌相抗衡，采购成本难以有效下浮；采用全新TBM的比例较高。因此，TBM设备成本普遍偏高。

2)组装、掘进施工和拆卸过程中，所需要的TBM施工配套设备品种多、数量大，部分设备还要依赖于进口；由于市场规模不够大，尚不能有效地循环周转使用。因此，配套设备采购成本偏高。

3)TBM自身的特征决定了其配件消耗较大(特别是刀具配件)，远高于钻爆法的钻头和钻杆等常规设备的消耗成本。

4)绝大多数情况下，单台TBM的使用寿命远小于其固有寿命，且普遍缺乏后续工程，导致旧TBM长期闲置，存储与维护保养成本高，自然老化等带来的损失较大，甚至报废，造成资产浪费。

5)TBM运输、施工配套设施、组装调试、拆卸等工序占用的人力、物力、财力、时间等资源较多，这是TBM施工中必不可少的成本消耗，无法规避。

6)TBM工程设计所采用的定额明显滞后于时代发展，定额低于实际成本消耗，即便允许调差，也只能是少量弥补，而不能真正解决其中的差额。例如：2000年前后农民工工资标准为1 000～2 000元/人月，此时制定实施的定额标准一直在沿用，而现阶段工资标准低于4 000元/人月几乎无法请到农民工上岗。该问题一直未能得到科学、合理的解决。

7)工程项目的建造要有科学合理的造价,一些地方一味压低造价，忽视了复杂的地质条件[2]。

8)最低价中标制度被普遍滥用[2]。部分施工单位为了抢占市场，盲目降价，以低于成本的价格投标，造成某些项目以TBM法中标后改为钻爆法施工，这对于TBM的发展极为不利。

不论是建设单位，还是施工企业，都不可忽视成本控制，实际施工成本与定额或者中标价之间的不协调必然会影响到TBM的长期发展。

2.2 TBM制造、施工准备周期长，工程施工工期短

1)TBM制造周期长。以直径为8 m左右的开敞式TBM为例，通常情况下，其长度近200 m，总质量约1 500 t，在主轴承等事先采购的前提下，其设计制造周期约为1年。

2)TBM主机部件存在超重、超宽件，对进场运输条件要求高，有时需要专门修建或改建道路。

3)TBM对组装场地、起重运输设备等配套设施要求高，准备时间长。

4)TBM对地质的适应性较差，每一种类型的TBM都有其适宜的地质条件，否则施工进度将严重受阻，甚至造成重大安全、质量事故。然而，长大隧道的地质条件必然存在较大范围的变化，部分洞段TBM无法实现较快速度施工。

5)一些地方为追求政绩，科学的工期被一再提前[2]。

科学的设计制造与施工周期是保障工程安全与质量的重要条件。如果TBM计划掘进长度不是足够长，与钻爆法相比，TBM施工工期和施工成本都明显存在劣势；如果具备设置施工支洞的条件，增加工作面、采用钻爆法施工有可能会取代原计划的TBM法施工。这也是TBM法尚未在我国广泛应用的、不可忽视的影响因素。

2.3 TBM施工不顺利的项目较多

长大隧道施工不可避免地会存在不可预知风险，对地质适应性要求较高的TBM施工更是如此，诸多因素的综合作用，导致我国采用TBM施工的项目存在较多不顺利的实例。例如：由于建设周期或者惯例等原因，我国的长大隧道地质勘察技术远没有欧美国家的详尽，增加了地质风险的可能性；对不同类型TBM的地质适应性认识不足，在某些工程中存在设备选型、结构设计、设备配套等方面不尽合理的现象；TBM使用与维护保养不当而导致掘进受阻；二手TBM应用前整修或者翻修不彻底，导致故障率高、进度迟缓。

2.4 认知程度偏低

我国隧道工程量大、劳动力充足等因素促使我国培养和锻炼出了采用钻爆法施工的高水平技术队伍，特别是目前仍在盛行的手风钻施工，更是堪称世界之首；同时，随着技术的进步和劳动保护意识的加强，凿岩台车也正在不断得以推广。因此，总体上，在隧道领域偏向于采用钻爆法的观点比较多，在具备条件采用钻爆法施工的工程，很多情况下会首选钻爆法而不是TBM法。

由于TBM的普及程度不够、应用范围较小，能够深入了解、全面掌握TBM的人相对较少，造成与隧道建设相关的建设、设计、施工单位对TBM的认识不足，没有清晰地认识TBM的特点、应用范围和地质适应性等；甚至，由于部分工程进展不顺利而对TBM施工工法产生偏见，有的单纯指出TBM施工成本高。

由于工期、地质条件、施工成本和经营策略等因素的影响，存在大幅消减既定TBM施工长度，甚至全标段取消TBM施工的现象，这对于TBM法的科学推广应用具有一定的负面影响。

3 大力推广TBM法的意义

我国铁路、公路、市政、供水、供气、防洪、水电等工程的需求量大，由于建设环境和工程条件的原因，隧道(隧洞)的需求量巨大[2]。城市地铁建设力度的不断加大；国家重点建设项目，如西部大开发、长距离供水、西气东输、跨海通道等工程中隧道所占的比例越来越高。作为当今世界上最先进隧道施工技术和施工方法的TBM法，存在着诸多优势，必将大有用武之地。

我国隧道建设有3个非常明显的趋势：1)需修建的长隧道越来越多，且长度越来越长；2)以隧道方式跨越江、河、湖、海水域的工程越来越多；3)水工隧洞、城市隧道和地下铁道的建设将迎来高潮[1]。因此，推广应用TBM法隧道施工技术意义重大。

3.1 技术进步的需要

科技时代，技术为王。长大隧道、多山城区隧道采用TBM法施工，是技术进步的需要，也是技术发展的必然选择。

3.2 环境保护的需要

工业化的突飞猛进，使环境遭受严重破坏，已经引起相关部门的高度重视。传统的钻爆法施工由于破岩方式、最大独头施工长度等因素的制约，对环境破坏较为严重。TBM法具有低污染、一次性掘进长度大、需要支洞少等优势，可大大降低对环境的破坏。

3.3 施工条件有限

由于工程建设的需要，长大隧道大多地处偏远山区，埋深往往较大，不论植被脆弱或丰富都要尽量较少破坏，需要尽量减少对地表和地下水的不利影响；城区轨道交通或市政管线网络所需隧道，同样存在诸多因素的制约。因此，TBM法成为某些隧道最佳，甚至是唯一的施工方法。

3.4 劳动保护要求不断提高

社会在进步，劳动者的权益保护意识在不断加强，以往钻爆法施工中大量出现的尘肺等职业病已经引起相关部门的高度重视，但钻爆法施工工艺无法从根本上消除洞内环境对人体健康的不利影响。TBM法设备配置合理，辅以规范的操作和维护，可将洞内灰尘降至最低限度，有利于保护劳动者的健康。

3.5 安全的需要

TBM为机械式破岩，不使用火工品，安全性大大提升；掘进时对围岩的扰动小，围岩松动范围小，可充分利用围岩的自稳能力；护盾对围岩具有一定的支撑作用，辅以适用的支护措施可有效地减少围岩失稳及坍塌。因此，采用TBM法施工发生安全事故的概率明显低于钻爆法。

3.6 成本的需要

中国廉价劳动力的优势正在逐步降低，人工费在不断上涨，同时劳动者的劳动保护意识在不断加强，在给劳动者身体健康造成不利影响的领域和行业，工资水平在不断上涨，但仍然难以解决劳动力缺乏的现状；火工品等隧道施工物资价格居高不下；长大隧道钻爆法施工需要配置更多的施工支洞，且超欠挖偏大，处理成本较高，导致TBM法与钻爆法综合施工成本之间的差距正在逐渐缩小。

3.7 国家建设的需要

TBM施工最突出的特点是快速掘进，可以达到钻爆法施工的3～10倍。如前所述，我国基础建设中长大隧道的需求量大，推广TBM法可以大大缩短工程建设周期，对加快国家基础建设作用巨大。

4 推广TBM的建议措施

4.1加强普及、正确认识TBM

TBM法施工的健康发展，需要施工、设计、建设、监理、审批各个环节对其有正确的认识，这就要求相关单位和人员要结合工作内容加强对TBM知识的学习。

1)TBM及其工艺特点与施工方案规划之间存在一定的对应关系。

2)根据TBM对地质条件的适应性安排合理的施工进度指标。

3)TBM设计制造周期、施工准备期较长，适于较长隧道施工。

4)TBM本身造价和施工消耗要与工程预算相匹配，不可盲目降低或者抬高工程造价。

5)施工管理，特别是TBM维护保养及操作管理至关重要。

4.2 正确对待TBM的适用范围

1)TBM开挖断面为圆形，从充分利用开挖断面的角度分析，TBM更适合于水工隧洞或者共同沟等建筑的施工。

2)TBM独头掘进距离长，对环境破坏小，但施工准备期长，适用于长大隧道施工；特别是在环境保护意识普遍提升的今天，更应该大力推广TBM法施工。

3)TBM为机械式破岩，不会产生钻爆法不可避免的冲击波和爆破噪音，因而适合在城市、自然保护区等环境中推广应用。

4)不同类型的TBM，其地质适应性不同，需要依据地质条件和建设要求等合理选型。开敞式TBM适用于围岩整体性较好的隧道施工，同时利用临时支护手段可以应对短距离的不良地质洞段；单护盾TBM主要适用于围岩自稳能力较差的脆性围岩或软岩地层隧道施工[1]；双护盾TBM适用于总体围岩自稳能力较好、自稳能力较差洞段比例不大、塑性变形较小的隧道，其突出特点是综合成洞速度快。

4.3 降低设备成本

目前，TBM设计和主要部件的制造仍以国外品牌为主，价格普遍偏高，建议从以下几方面降低TBM法施工的设备成本。

1)降低TBM采购价格。一是以招标方式落实采购，提高合同谈判水平，在此过程中谋取合理的利益，降低设备采购综合成本。二是通过扶持国产品牌促进采购价格趋于合理，预期可以使造价降低20%～30%，通过土压平衡盾构的价格变化以及近期硬岩掘进机采购价格可见一斑。

2)推进施工配套设备国产化。TBM施工的主要配套设备，如连续皮带机、内燃牵引机车、隧道施工通风系统等，以往大多依赖于进口，并且取得了良好的应用效果，但其采购价格偏高。通过对其主要部件、系统集成的研究，发现存在较大幅度下调价格的空间，应创造适宜的条件，以国产化或者国内集成等方式降低采购价格。

3)TBM及配套设备重复利用。全新TBM的使用寿命国内通常按25～30 km考虑，而单项工程TBM掘进任务往往无法达到该长度，固定资产闲置浪费较严重。因此，可以主动创造机会使二手TBM再次使用，充分发挥其价值；也可以在适当的条件下推广再制造TBM 的应用比例与范围,可取得较好的工期效益、技术效益以及经济效益,这也是建设节约型社会、发展低碳经济的需要[5]。其他配套施工设备同样需要周转使用，方可降低设备配置成本。

4)加强设备使用阶段的维护保养。规范操作可以提高设备完好率，保证其发挥良好的性能，取得较快、较均衡的掘进速度，从而降低设备使用成本。

4.4 提高设计水平

唯有不断创新，才能持续发展。隧道施工采用TBM法和钻爆法，其破岩机制不同，设计与施工规范同样存在差异。TBM法施工的初期支护、二次衬砌、围岩变形等也需要在理论计算和工程实践中不断完善，形成趋于合理的规范，科学指导施工。这样就可以在保证施工安全和工程质量的前提下降低工程成本，提高施工速度。

同时，也要加强TBM及配套设备的设计制造水平，提高其适应能力和工作效率，降低施工消耗(电力、燃油、液压与润滑油、备品备件和劳动力等)。

4.5 科学筹划工期

采用TBM法施工的隧道，要科学安排工期，特别要注意2点。

一是TBM采购、运输、工地组装调试的周期通常需要15～18个月。该时间段可充分利用，完成TBM进场前的准备工作，如果条件允许，则可采用钻爆法尽量多施工，TBM完成组装调试后步进通过。

二是结合地质条件确定合理的TBM进度指标。既要充分发挥TBM快速掘进的优势，又要避免盲目乐观，切忌提出不切实际的进度要求。

4.6 编制合理的工程造价

工程建设中的不合理造价直接影响着工程质量和生产安全，影响建筑业的有序健康发展，冲击正常的建筑市场管理[2]。颁布实施工程定额是规范建筑市场的需要，但定额也需要与时俱进，实际建筑成本大幅上涨的情况下，需要合理调整定额。招标活动中的一项重要原则就是合理低价，也可以描述为不低于成本价，这是必要的，但不能一味坚持最低价中标原则，更不能死抱着与施工市场实践明显脱节的、尚未更新的定额。设计、建设、审批等相关单位和部门要共同努力，与时俱进，切实结合当前的市场发展现状，编制合理的工程造价。

4.7 地勘尽量详实、准确

我国的隧道建筑市场以往在地质勘查方面不够细致，经常由于环境、工期、成本等因素的制约而减少现场勘探，从而出现地勘成果与开挖揭露的实际地质存在较大偏差的情况，这对于地质适应性不够灵活的TBM法施工而言，潜在风险较高。目前，有些项目正在弥补这方面的不足。例如某引水工程在前期地勘成果的基础上，增加大量钻孔数量，不断修正前期成果，这种做法值得提倡和推广。

4.8 TBM系列化、规范化

充分利用TBM的设计寿命是降低隧道施工中设备成本的一个重要因素，需要引起业内重视。

1)工程设计和标段划分时，如果条件允许，尽量安排TBM承担的工程量接近但不超过其设计寿命，TBM采购成本可在本工程全部摊销(必要的残值除外)，可以最大程度地避免后续设备长期闲置所带来的资产流失。

2)工程设计和设备选型时，如果TBM掘进长度与新机设计寿命存在较大差距，可以考虑充分利用现有设备，通过整机修复改进、再制造等途径，保证设备使用寿命与其承担的工程量相适应。

3)倡导TBM工程及设备设计系列化和规范化，有利于充分发挥固定资产的价值，缩短工程准备期，同时，也能够促进TBM供应市场的良性发展，以及催生新的TBM设备及资产管理模式(如租赁)。

5 讨论

TBM在我国的应用，从原来同时施工的一两台，发展到今天正在掘进和已经开工的近30台，TBM的推广应用方兴未艾，并将迎来更为广阔的应用空间。例如流域和区域调水工程、水电工程、城市轨道交通工程、铁路工程、渤海湾、琼州海峡和台湾海峡等。

鉴于此，我们有责任在科学发展观的指导下，以合理的措施促进TBM产业的科学、有序发展；要为正在施工和规划中的TBM施工创造公平、适宜的发展环境，实现工程建设、技术进步、企业发展等多方共赢的目标。

[1]邓勇,齐梦学.硬岩掘进机施工技术及工程实践[M].天津：天津大学出版社，2010：3-11.(DENG Yong,QI Mengxue.Construction technology and engineering fractice of

hard rock TBMs[M].Tianjin: Tianjin University Press,2010: 3-11.(in Chinese))

[2]王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路[J].隧道建设，2014，34(3)：179-187.(WANG Mengshu.Tunneling by TBM/shield in China:State-of-art,problems and proposals[J].Tunnel Construction,2014，34(3): 179-187.(in Chinese))

[3]杜彦良,杜立杰.全断面岩石隧道掘进机-系统原理与集成设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2011: 12.(DU Yanliang,DU Lijie.Full face hard rock tunnel boring machine-system prinsiples and integrated design[M].Wuhan: Huazhong University of Science & Technology Press,2011: 12.(in Chinese))

[4]白云,丁志诚.隧道掘进机施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008: 104-105.(BAI Yun,DING Zhicheng.Construction technology of tunnel boring machines[M].Beijing: China Architecture & Building Press,2008: 104-105.(in Chinese))

[5]齐梦学.再制造TBM在我国应用初探[J].国防交通工程与技术，2011(4): 5-8.(QI Mengxue.An exploration into the application of remanufacturing TBMs in China[J].Traffic Engineering and Technology for National Defence,2011(4): 5-8.(in Chinese))

[6]D威利斯,程方权.TBM的发展历程[J].水利水电快报，2013(11): 24-26.(D Willis,CHENG Fangquan.Develop-ment history of TBMs[J].Express Water Resources & Hydropower Information,2013(11): 24-26.(in Chinese))

[7]何川.盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望[J].隧道建设，2014，34(4): 287-297.(HE Chuan.Challenges and prospectives of construction of long-distance inclined shafts of coal mines by shield/TBM[J].Tunnel Construction,2014，34(4): 287-297.(in Chinese))

[8]齐梦学.长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势[J].隧道建设，2013，33(8): 679-683.(QI Mengxue.Application prospect and developing trend of synchronous lining construction technology for long tunnels constructed by open TBMs[J].Tunnel Construction,2013，33(8): 679-683.(in Chinese))

[9]刘小刚.TBM在岩石城市轨道交通建设中的应用研究[J].现代隧道技术，2012(5): 15-22.(LIU Xiaogang.Application of TBMs in the construction of urban rail transit[J].Modern Tunnelling Technology,2012(5): 15-22.(in Chinese))

[10]陆晓辉,齐梦学.硬岩掘进机技术发展与趋势[J].隧道建设，2012，32(6): 777-781.(LU Xiaohui,QI Mengxue.Development and trend of hard rock tunnel boring machines[J].Tunnel Construction,2012，32(6): 777-781.(in Chinese))

PromotingTBMinTunnelConstructioninChina

QI Mengxue

(TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China)

TBM is the most advanced equipment for tunnel construction.Tunneling by TBM is safe,fast and environment-friendly.TBM has become the first equipment for tunnel construction in developed countries.However,TBM has not been widely used in China,which is harmful to the enhancing of the tunnel construction technology in China.In the paper,the status of TBM application in China is presented,the problems in TBM application in China are analyzed,the reasons why TBM has not been widely used in China are discussed,measures to promote TBM application in China are explored,and suggestions,including proper understanding of the application scope of TBM,proper reducing the cost of TBM,proper planning of works construction period and proper preparing of works cost,are made.

Tunnel Boring Machine (TBM); tunneling; application promotion

2014-08-14;

2014-10-14

齐梦学(1973—)，男，河北乐亭人，2010年毕业于石家庄铁道大学，建筑与土木工程专业，硕士，教授级高级工程师，现从事TBM施工技术、施工管理研究与应用工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.001

U 455.3

A

1672-741X(2014)11-1019-05