TBM及其施工技术在中国的发展与趋势

荆留杰， 张　娜， 杨　晨

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州　450016)



TBM及其施工技术在中国的发展与趋势

荆留杰， 张娜， 杨晨

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州450016)

摘要：自1964年开始，中国TBM设备研制与施工应用已有50余年，回顾总结TBM设备及施工技术的发展历程和趋势，对于认识把握TBM行业现状和未来发展方向有着重要意义。文章首先列举了国际TBM发展的重大事件； 之后分4个阶段梳理国内TBM发展历史，结合具体工程实例描述当时国内TBM研发、引入、施工和制造的历史事实，总结半个世纪来国内TBM行业从无到有所取得的巨大成就； 最后综合分析TBM市场需求、研制环境、施工水平和未来方向，并针对以上不足之处，预测了TBM未来发展趋势，提出一些改进建议。

关键词：TBM； 制造； 施工； 发展； 趋势

0引言

传统的岩石隧道掘进依靠人工、机械或爆破等方法将岩石破碎再进行外运，根据围岩级别进行支护、衬砌。繁重的破碎、挖掘、出碴和支护等作业使得传统方法施工速度慢、劳动强度高、安全保障低。全断面隧道掘进机简称TBM，它能够满足掘进、出碴和支护等多道工序同时作业，具有掘进速度快、成形质量好、安全和环保等多种优点[1]。

自1964年至2015年，中国TBM设备研制与施工应用已有50余年。一方面，国内TBM从打破国际技术封锁到迎来自主知识产权的产品下线，从引进国外施工承包到走出国门对外承包，TBM行业取得了骄人的成绩，也有力地推动了国家交通、水利和矿山等多行业的基础建设； 另一方面，国内TBM研制仍然面临着关键部件制造能力和核心技术欠缺等挑战，施工市场不规范、施工企业管理粗放和应对地质灾害手段不足等问题依然严峻。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]，中国TBM的制造和施工是否能够满足市场应用需求，以上存在的种种问题都亟待解决。

本文拟将中国TBM发展历程分为4个阶段，回顾TBM研制和施工应用历程，总结目前所取得的巨大成就，同时深刻分析发展现状，并针对现存问题和未来需求提出一些建议。

1TBM在国外的发展

TBM的推广应用并非一蹴而就，而是工程技术人员饱尝失败后的宝贵成果，表1概括了国外TBM发展过程中的一系列重大历史事件。

表1　国外TBM发展重大事件[3-7]

2TBM在中国的发展

国产TBM研发最早可追溯到1964年，经历了半个世纪曲折终于迎来拥有自主知识产权的TBM下线。具体发展历程可分为以下4个阶段： 自力更生，国外承包、国外引进，自主施工联合生产，自主研发创新[8]。

2.1自力更生(1964—1985年)

1964年，由上海勘测设计院和北京电力学院开始承担TBM自主研发任务； 20世纪70—80年代，国内多家单位完成样机研发和试制，但所造TBM可靠性差、掘进速度慢，使用效果不佳。如在贵阳煤矿、萍乡青山矿(1970年)、云南西洱河水电工程(1977年)、河北引滦工程(1982年)、福建龙滩水电工程和山西古交东曲煤矿等工程中使用，掘进速度只能达到同期国际水平的1/5，甚至更低[9-10]。

2.2国外承包、国外引进(1985—1998年)

改革开放后，众多国外承包商中标水利工程，携带先进TBM设备和施工技术进入中国，如意大利CMC公司承建的引大入秦(1991年)、引黄入晋(1994年)和引黄南干线(1997年)水利工程均取得巨大成功，创造出双护盾TBM单月最高掘进1 800 m的好成绩，震惊国内隧道界，重新燃起了国内对TBM的信心[11]。

2.3自主施工联合生产(1998—2010年)

1996年，铁道部引进2台维尔特敞开式TBM，由中铁隧道局和中铁十八局完成秦岭隧道施工，随后又成功完成磨沟岭隧道和桃花铺隧道施工，标志着中国开始真正建立了自主施工队伍和专家队伍； 2005年由辽宁水利工程局、北京振冲公司和中铁隧道局引进2台罗宾斯敞开式TBM和1台维尔特敞开式TBM完成辽宁大伙房供水工程； 山西水利工程局采用海瑞克TBM完成新疆大坂引水工程； 之后青海引大入湟引水工程、中天山铁路隧道工程和掘进中的辽宁某工程都是由国内施工方独立完成的。国内TBM施工队伍迅速成长，基本掌握了TBM施工技术并积累了丰富的施工经验，也对先进TBM技术的引进、消化吸收和推广创新起到了重要的作用。国内承包商部分TBM施工工程见表2[12-15]。

鉴于国内的巨大市场和低廉制造成本，国外众多TBM生产商选择和国内盾构生产商合作，中方只承担较为简单的结构件制造工作，液压系统、控制系统和主轴承等关键部件由国外完成。部分合作情况见表3[8,16]。

2.4自主研发创新(2010年至今)

2010年后，中国重型装备的设计和制造能力飞速进步，盾构产品率先拥有自主知识产权并实现了国产化，迅速完成了品质与产量的双重提升。

随着TBM在广州、上海、沈阳、大连、德阳、新乡和秦皇岛等地完成组装，国内已有多家企业具备了一定规模的TBM设计和制造团队。至此，我国TBM产业基础基本形成，TBM自主设计和创新能力逐步提高，关键部件制造能力也有所突破[17-18]。

2012年，中国铁建重工集团和神华集团联合研发长距离大坡度煤矿斜井TBM，开挖直径达7.62 m，用于煤矿斜井施工； 2013年，中信重工完成直径5.0 m的硬岩TBM，计划用于云南某矿山井巷工程； 2013年，中铁工程装备收购德国维尔特公司，成为全球第三家拥有完整TBM知识产权的公司； 2014年，中铁工程装备集团和铁建重工中标吉林引松工程，自主知识产权的TBM相继下线； 2015年新疆某输水工程和兰州水源地建设工程供水隧道所需要的TBM也投入设计和生产； 2015年，北方重工生产的立井煤矿岩巷全断面硬岩掘进机也在淮南张集煤矿完成掘进试验。

表2　国内承包商TBM施工工程

表3　中外合作生产TBM设备

随着“一带一路”战略兴起，国产TBM正以中国创造的品牌走向国际，如2015年意大利CMC公司采购中铁装备2台护盾式TBM用于黎巴嫩大贝鲁特供水隧道。

3TBM施工技术在中国的发展

3.1多类型工程应用

目前，中国已建TBM工程涵盖了多类型工程领域： 1)水利水电工程，如引汉济渭、锦屏水电站和大伙房输水工程等； 2)交通工程，如秦岭隧道、中天山隧道等； 3)矿山工程，如王家岭矿、大同塔山煤矿等； 4)地铁工程，如重庆6号线、青岛2号线等[19]。

随着中国TBM施工日益成熟，国内承包商也开始走出国门。2011年，葛洲坝集团采购φ8.1 m的TBM用于埃塞俄比亚GD-3水电站工程； 2012年葛洲坝集团承建巴基斯坦N-J水电站； 2012年中国水利水电十局和十四局承建厄瓜多尔CCS水电站项目，2015年2台双护盾TBM贯通完成22.8 km隧洞。

3.2设备选型及配置

在TBM引入中国早期，一些工程由于设备选型与配置不当使得项目参与方经历了工期延迟和经济损失之痛，见表4[20-22]。

目前，TBM项目各参与方已能充分考虑结构耐久性、不良地质长度、严重程度及工期等多种要求，恰当选择TBM类型，保证其适应性、经济性和风险可控性[23]。此外，丰富的施工经验使得他们对主机掘进能力与后配套、碴土运输、通风、通讯、供水和供电等多环节匹配深有心得，甚至多数已具备后配套自行设计和改造的能力[24-26]。

表4　TBM选型失当造成的事故

TBM配置也在不断升级，特别是在敞开式TBM中增设了拱架安装机、超前钻机、应急混凝土喷射系统、带夹层钢筋排储存舱的顶护盾和可回缩护盾等装置，针对不良地质起到良好的应对效果。

3.3地质灾害预防及处理

通过不断移植和借鉴其他施工领域工法，各类TBM辅助工法也快速发展，如注浆、冷冻、管棚、锚固、喷护和减降水等工程措施均在TBM施工中应用并得以成功，见表5[27-30]。

TBM施工灾害预防的关键在于地质超前预报，目前国内已经形成了采用地表地质调查法作宏观长距离指导性预报，各类电、波预报工具进行中短距离预报，对重大不良地质体超前钻孔重点预报等3类预报相结合的方式，最大程度预报不良地质，提前做好应急预案[31-33]。

表5　不良地质情况下TBM施工处理措施

3.4TBM施工管理

在长期施工实践中，国内已经建立了以下较为完善的TBM施工管理体系：

1)组织管理，施工承包商有完备的人员配置体系，班组间彼此独立又相互配合，能够满足工序衔接和质量要求； 2)设备管理，已建立固定的日常和定期巡检制度，有细致的设备操作、保养手册和维修记录； 3)质量管理，已建立明确的开挖、支护和衬砌(管片安装)3大工序质量控制标准，能够满足特长隧道单向及双向开挖的导向控制技术，满足隧道轴线坡度、纵向和横向偏差要求[34-36]。

综上所述，我国已经形成了以TBM掘进关键技术为核心，掘进、支护一体化的施工工艺流程，综合TBM选型与后配套集成、超前地质预报、地质灾害处理、辅助工法配合的整套施工技术。

4TBM基础研究进展

自秦岭隧道TBM施工以来，国内学者就开始对TBM相关基础问题展开研究，国家“973”计划从2007年开始，先后部署多期项目支持TBM设计施工中的基础科学问题研究，如复杂应力载荷下破岩机制、突发灾害下掘进装备的适应性、复杂岩体力学条件下超前勘探方法及预警和TBM设备系统设计等。

施虎等[37]对复杂条件破岩、掘进荷载传递、刀盘动力学行为及刀盘系统设计进行理论研究，解决了TBM装备制作关键问题；通过提高TBM掘进电液动力传递效率，提升TBM破岩效率，降低破岩能耗。

谭青等[38]在滚刀破岩机制研究的基础上进行大量切削试验和数值模拟计算，得出滚刀高效破岩理论，对指导刀盘、刀具结构设计有重要意义。

刘泉声等[39]深入研究深部地质特征及TBM施工扰动下的围岩力学行为，对深部复合地层与TBM相互作用机制及安全控制进行研究，为预防和解决高应力下围岩变形卡机致灾提供理论支持。

李术才等[40]进行深长隧道突水突泥灾害超前预报方法与定量识别理论研究，科学成果可应用于TBM施工，做好风险动态评估及预警、防护、治理工作。

盾构及掘进技术国家重点实验室、中南大学、中铁工程装备集团和北方重工等多家科研及企业单位筹建TBM试验室，建立滚刀破岩试验平台，对滚刀破岩机制、刀具形状、滚刀间距和岩体特性等在不同影响因素下的滚刀破岩效率进行研究，为刀具布置和刀盘设计提供了理论和试验依据。

通过以上关键问题的研究，逐步建立我国掘进装备设计制造和施工的理论方法和技术体系，为实现TBM装备自主设计、制造和施工奠定科学基础。

5TBM发展趋势及建议

南水北调、西部开发、高铁及高速公路、城市轨道交通工程(地铁)、输送管道(水、油、气)、海峡隧道、城市深部共同管沟开发和深部矿山采掘等多元化市场，一方面为TBM提供充足的发展空间，为国内形成巨大的TBM产业提供深厚土壤；另一方面则要求TBM制造商能够提供具有多样化功能的设备和整套解决方案，以满足不同客户需求[41-43]。针对TBM初期投入大和关键部件国产化率低的问题，TBM制造商应对关键部件的材料、工艺和制造等技术难点进行突破，进而取代国外进口； 同时要不断降低设计和制造成本，缩短设计和制造周期，增强与其他工法对比优势。

TBM施工长期存在工期与合同价格制定不合理、项目管理和施工粗放、应对不良地质灾害能力不足及项目信息化水平低等问题[44]，这些问题的出现往往是相辅相成的，如随意压缩工期迫使设备仓促出厂，造成设备配置不全和质量隐患较多，到现场后无法应对恶劣地质环境； 低价中标使施工方无力承担更多超前预报费用和时间，心存侥幸野蛮施工，更不会关心施工信息保存与发掘。因此，要提升TBM施工水平，一定要规范市场环境，科学合理地设置工程价格和工期要求； 同时，施工企业要加强内部培训，提升管理和施工精细化水平，整个行业要重视施工信息保存和深入发掘，提升施工理论水平。笔者试将以上问题归纳为3个方面，并给出针对性建议，见表6。

表6　中国TBM行业现存问题及解决建议

6结语

改革开放后我国TBM行业迅猛发展，在TBM设计、制造和施工等多方面取得了巨大成就。伴随国家“一带一路”战略实施，中国TBM设备及施工承包的国际化趋势已经显现，大规模国际化输出也值得期待。

正视TBM行业现状和问题，缩小与发达国家TBM差距甚至实现超越，是每一个从业者的责任所在，让我们为树立中国TBM行业在世界中的品牌地位而共同努力。

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Development of TBM and Its Construction Technologies in China

JING Liujie， ZHANG Na， YANG Chen

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract:The TBM equipment manufacturing and construction have been 50 years since 1964. It is of great importance for learning the state-of-the-art and development direction of TBM to summary the development course and tendency of TBM equipment and its construction technologies. In this paper, key events for international TBM development are taken for examples; then the TBM development course in China is presented in terms of 4 phases; finally, the market demand, manufacturing environment, construction level and development direction of TBM are comprehensively analyzed; the tendency of TBM development is prospected and some suggestions are given.

Keywords:TBM; manufacture; construction; development; tendency

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)03-0331-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.014

作者简介：第一 荆留杰(1983—)，男，河南新乡人，2009年毕业于中国矿业大学，岩土工程专业，硕士，工程师，现从事盾构及TBM施工技术研究工作。E-mail: 41737830@qq.com。

基金项目：国家重点基础研究发展计划“973”计划(2015CB058100)

收稿日期：2015-10-22; 修回日期： 2015-12-28