我國TBM法隧道工程技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀及展望

　　摘要：巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)在我國的應(yīng)用與發(fā)展已經(jīng)有近60年歷史，了解我國TBM法隧道工程技術(shù)發(fā)展歷程，有助于正確認(rèn)識其現(xiàn)狀，判明下一步的發(fā)展趨勢。在詳細(xì)回顧我國TBM法隧道工程5個(gè)發(fā)展階段基礎(chǔ)上，從10個(gè)方面全面分析我國TBM法隧道工程現(xiàn)狀：規(guī)模上總體呈小幅波動(dòng)、持續(xù)上升狀態(tài);分布區(qū)域上以西部地區(qū)為主，華東、西南、東北、華南占比依次下降;分布領(lǐng)域上以水利水電工程和市政工程為主(占90%);開挖直徑以6～8m直徑系列為主(占70%);施工工法方面TBM法與鉆爆法相結(jié)合、互為補(bǔ)充;TBM平均月進(jìn)尺從數(shù)十米到千米大幅波動(dòng)，以200～700m/月為主(占75%)，施工工期受平均月進(jìn)尺和掘進(jìn)長度的影響差異巨大，以1～4年為主(占70%);機(jī)型以敞開式和雙護(hù)盾TBM為主(占90%);品牌以鐵建重工、羅賓斯、中鐵裝備為主(占70%)，新增市場大多被擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵建重工和中鐵裝備設(shè)備占有(占90%以上);TBM零部件國產(chǎn)化比例越來越高，但部分關(guān)鍵部件仍然依賴進(jìn)口;有TBM施工業(yè)績的建筑企業(yè)近30家，中鐵隧道局和中鐵十八局以顯著優(yōu)勢穩(wěn)居第一梯隊(duì)。進(jìn)而提出我國TBM法隧道工程技術(shù)展望：1)從規(guī)模上將經(jīng)歷升—平—降—穩(wěn)的波動(dòng)發(fā)展過程，目前正處于上升期，從分布區(qū)域、分布領(lǐng)域上近期仍將以西部地區(qū)、水利水電工程和軌道交通工程為主;2)TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工的方法將會(huì)長期存在，并且TBM法占比及單臺(tái)TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢;3)支護(hù)技術(shù)、支護(hù)系統(tǒng)將迎來重大創(chuàng)新;4)復(fù)雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)正在全面研發(fā)與實(shí)踐，即將實(shí)現(xiàn)巨大突破;5)斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復(fù)合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經(jīng)開始研發(fā)應(yīng)用，正在取得長足進(jìn)步，技術(shù)成熟后將得以大力推廣，TBM關(guān)鍵部件必將全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化;6)大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G技術(shù)將助力TBM施工管理更加科學(xué)、客觀、全面，并最終實(shí)現(xiàn)智能化施工。

　　關(guān)鍵詞：巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM);TBM發(fā)展歷程;TBM現(xiàn)狀;TBM展望;支護(hù);復(fù)雜地質(zhì);新型TBM;微型TBM;智能化

　　引言

　　隧道在我國歷史悠久，可上溯至約公元前700年東周初期，《左傳》記載了莊公與其母親武姜在隧道內(nèi)相見的故事，“……對曰：君何患焉?若闕(通‘掘’)地及泉，隧而相見，其誰曰不然?公從之。公入而賦：大隧之中，其樂也融融!……”。我國道路史上最早的行車隧道，是位于陜西省漢中市的石門隧道，長14m，寬3.95～4.75m，修建于漢明帝劉莊永平四年(公元61年)，20世紀(jì)70年代淹沒在石門水庫之中[1];我國最早的城市地下隧道，是安徽省亳州市古地下通道，系曹操的運(yùn)兵道，始建于東漢末年，因非一個(gè)朝代修筑使用，故結(jié)構(gòu)不一、寬窄不同、高低不等，全長逾8000m[2]。

　　隧道施工論文：黃土V級圍巖隧道快速開挖方法研究

　　隧道技術(shù)隨著時(shí)代變遷、技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展，總結(jié)為5個(gè)發(fā)展階段：古代的火焚法、近代的鋼釬大錘法、手風(fēng)槍鉆爆法、現(xiàn)代的鑿巖臺(tái)車鉆爆法、機(jī)械法(巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)法、盾構(gòu)法、頂管法)。鉆爆法隧道大多遵循“新奧法”原理，其理論基礎(chǔ)是圍巖具有自承能力，隧道設(shè)計(jì)與開挖要充分發(fā)揮圍巖的自承能力[3]。

　　機(jī)械法隧道，根據(jù)機(jī)型、施工工藝、支護(hù)技術(shù)不同，分為2種：1)遵循“新奧法”原理的敞開式TBM施工的隧道，開挖后施作初期支護(hù)，必要時(shí)施作二次襯砌作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu);2)護(hù)盾式TBM、盾構(gòu)和頂管機(jī)施工的隧道，以預(yù)制管片或者管節(jié)作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。目前，我國隧道修建規(guī)模和修建難度都是世界上最大的，TBM用于隧道施工的發(fā)展速度也是最快的[4-6]。以史為鑒，回顧我國TBM法隧道工程發(fā)展歷史，明晰TBM法隧道工程技術(shù)現(xiàn)狀，才能清晰認(rèn)識TBM法隧道工程技術(shù)面臨的問題，合理展望，未雨綢繆，為我國隧道工程技術(shù)進(jìn)步、基礎(chǔ)建設(shè)的更好發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

　　1我國TBM法隧道工程發(fā)展歷程

　　我國于20世紀(jì)60年代開始研究與應(yīng)用TBM，近60年來發(fā)展歷程大致可以分為5個(gè)階段[7-8]。其中，每個(gè)階段，起始時(shí)間為里程碑式工程開始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間為下一階段的開始時(shí)間，所以某一階段的部分工程完工時(shí)間會(huì)延續(xù)到下一階段。

　　1.1自力更生，研發(fā)探索(1964—1990年)

　　1964年前，國內(nèi)很少有人了解TBM法隧道工程技術(shù)，但其優(yōu)點(diǎn)通過科技圖書等媒體傳入中國，引起了國家的高度重視。經(jīng)周恩來總理批準(zhǔn)，在國家科委領(lǐng)導(dǎo)下成立全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)攻關(guān)小組。受當(dāng)時(shí)國際背景和政治環(huán)境影響，我國無法引進(jìn)先進(jìn)的TBM設(shè)備及技術(shù)資料，只能被迫自力更生，封閉式研究探索。1964年，原水電部上海水電勘測設(shè)計(jì)院機(jī)械設(shè)計(jì)室和北京水電學(xué)院機(jī)電系等單位聯(lián)合研究設(shè)計(jì)了ϕ3.4m的TBM，1965年被列為國家科委重點(diǎn)科研項(xiàng)目。

　　1966年，原水電部上海水工機(jī)械廠制造了ϕ3.4m的SJ34型TBM，用于杭州玉皇山、寶石山人防洞。20世紀(jì)70年代初，原水電部上海水工機(jī)械廠相繼研制了ϕ5.5m、ϕ5.8m和ϕ6.8m的多臺(tái)TBM，但破巖能力弱、掘進(jìn)速度慢、故障率高、可靠性差、實(shí)用性差，經(jīng)過一段時(shí)期的實(shí)踐，多數(shù)不能使用[9-10]。20世紀(jì)70年代中期，針對TBM研制存在的關(guān)鍵問題，集中技術(shù)力量組織聯(lián)合攻關(guān)。

　　通過出國考察、外國專家來華座談等技術(shù)交流活動(dòng)搜集到大量技術(shù)資料，在總結(jié)之前產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上又研制出一批TBM，例如：上海水工機(jī)械廠研制的ϕ5.8m的TBM，1982—1984年在引灤入津工程新王莊和古人莊2座隧洞合計(jì)掘進(jìn)2723m，最高月進(jìn)尺213.4m，最高日進(jìn)尺21.35m，平均月進(jìn)尺92.5m;煤炭科學(xué)研究院上海分院設(shè)計(jì)、上海第一石油機(jī)械廠制造的ϕ3.0m的TBM，1977—1982年分別在江西萍鄉(xiāng)、河北遷西、山西懷仁合計(jì)掘進(jìn)2633m，最高月進(jìn)尺218.3m，最高日進(jìn)尺14.5m，平均月進(jìn)尺90m(有水)、150m(無水)。

　　20世紀(jì)80年代中期，我國在TBM關(guān)鍵零部件的攻關(guān)研究方面取得一定進(jìn)展，進(jìn)一步研發(fā)并應(yīng)用。煤炭科學(xué)研究院上海分院在原有基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，由山西省5409廠制造了ϕ3.2m的TBM，分別在云南省羊場煤礦(1988年開始，掘進(jìn)2500m)、貴州省南山煤礦(1990年開始，掘進(jìn)780m)、北京十三陵抽水蓄能電站(1992年掘進(jìn)91.7m)施工。

　　1986—1990年，由煤科院上海分院設(shè)計(jì)、上海重型機(jī)器廠研制的ϕ5.0m的TBM，在山西古交東曲煤礦掘進(jìn)3654m，最高月進(jìn)尺202m，最高日進(jìn)尺12.7m，月平均進(jìn)尺85m;由原水電部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所設(shè)計(jì)、上海水工機(jī)械廠研制的ϕ4.0m的TBM，在福建龍門灘工地現(xiàn)場將直徑改造為4.5m。但上述應(yīng)用基本上以失敗告終。以上研究探索與工業(yè)性試驗(yàn)表明，國產(chǎn)TBM還存在巨大差距，但是該階段為多年后的TBM繼續(xù)研發(fā)和應(yīng)用培養(yǎng)了一批基礎(chǔ)理論扎實(shí)的專業(yè)人才。

　　1.2引進(jìn)設(shè)備，外企施工(1990—1995年)

　　20世紀(jì)90年代，隨著我國對外開放的深入，國外TBM設(shè)備和施工企業(yè)進(jìn)入我國隧道施工市場，如甘肅省引大入秦、山西省引黃入晉輸水工程隧洞分別由意大利CMC公司與英潑基諾(Impregilo)公司用Robbins雙護(hù)盾TBM施工。該階段以山西萬家寨引黃入晉工程南干線為典型代表，隧洞地質(zhì)以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，采用Robbins1617-290雙護(hù)盾TBM施工，最高月進(jìn)尺1821.49m，平均月進(jìn)尺784m。

　　該階段一直延續(xù)到2005年結(jié)束。昆明掌鳩河供水工程上公山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，主要為斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、軟巖大變形、巖溶、突涌水、突泥(砂)等，第1年平均月進(jìn)尺388.46m，第2年停機(jī)時(shí)間占70%，2005年9月決定拆除TBM改用傳統(tǒng)鉆爆法施工。這一階段由國外制造商和承包商主導(dǎo)TBM設(shè)計(jì)和施工，但施工過程中鍛煉、培養(yǎng)了一批國內(nèi)TBM操作人員，這些人大部分仍在參與TBM設(shè)計(jì)制造與施工工作。

　　1.3引進(jìn)設(shè)備，自主施工(1995—2013年)

　　1995年，為了修建全長18.45km的西康鐵路秦嶺隧道，原鐵道部從德國引進(jìn)2臺(tái)敞開式TBM，該工程由鐵道部第十八工程局和隧道局2家國企承建。這是我國首次獨(dú)立使用和管理TBM，實(shí)現(xiàn)了自主施工，TBM最高月進(jìn)尺分別為509m和531m，平均月進(jìn)尺310m。TBM在該工程的成功應(yīng)用奠定了我國推廣應(yīng)用TBM的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，之后的西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、引大濟(jì)湟工程、大伙房水庫輸水工程、錦屏二級電站引水洞、遼西北供水工程等，全部采用國外的TBM設(shè)備，國內(nèi)企業(yè)自主施工。施工中克服了一系列地質(zhì)難題，也取得了較好業(yè)績，如遼西北供水工程TBM進(jìn)度普遍較好，2段4標(biāo)TBM平均月進(jìn)尺616m。

　　該階段，培養(yǎng)、鍛煉了一大批TBM技術(shù)和管理人才，能獨(dú)立駕馭TBM法隧道工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工和管理，為我國大規(guī)模隧道建設(shè)打下了基礎(chǔ)，為國內(nèi)科研院所及企業(yè)深入研究TBM提供了有利條件并取得了豐碩成果，TBM法隧道工程技術(shù)逐步得到推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該階段TBM法隧道工程。期間，原鐵道部曾效仿高鐵技術(shù)發(fā)展路徑，以市場換技術(shù)，計(jì)劃引進(jìn)100臺(tái)TBM用于鐵路隧道修建，先期招標(biāo)采購20臺(tái)，由于國外制造商報(bào)價(jià)過高而放棄。實(shí)際上，該階段前期是與引進(jìn)設(shè)備、外企施工并存的。

　　1.4強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，自主研發(fā)(2013—2016年)

　　隨著我國各類隧道規(guī)模的快速增長，為了提高我國掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)制造水平，發(fā)展核心競爭力，我國在2006年就將隧道掘進(jìn)機(jī)列入國家重大裝備產(chǎn)業(yè)。近十余年來，國家積極推動(dòng)掘進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)展，不斷增加科技研發(fā)投入。

　　2007年，科學(xué)技術(shù)部組織了國內(nèi)的地質(zhì)勘探單位、科研院校、設(shè)計(jì)制造單位和施工單位，以國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的形式積極推進(jìn)隧道掘進(jìn)裝備的理論創(chuàng)新和設(shè)計(jì)攻關(guān)。

　　2012年，由鐵建重工和中鐵裝備牽頭，開展了國家高技術(shù)研究計(jì)劃(863計(jì)劃)“大直徑硬巖隧道掘進(jìn)裝備(TBM)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”研究。2013年和2014年，浙江大學(xué)和武漢大學(xué)分別作為牽頭單位，先后開展了973項(xiàng)目“硬巖掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題”和“深部復(fù)合地層圍巖與TBM相互作用機(jī)理及安全控制”研究。

　　2014年國家再次批準(zhǔn)大連理工大學(xué)牽頭的國家2011協(xié)同創(chuàng)新中心第二批計(jì)劃———遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心，以區(qū)域合作的形式再次向大直徑敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)攻堅(jiān)克難。在國家這一系列的科技計(jì)劃投入下，國內(nèi)TBM的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)制造和施工水平有了大幅提高。2013年，中信重工率先研制了國內(nèi)首臺(tái)敞開式TBM，開挖直徑5m，于2015年10月開始應(yīng)用于洛陽故縣水庫引水工程全長6.64km的洛寧段1號隧洞，2017年7月貫通。

　　2015年1月和3月，鐵建重工和中鐵裝備2家制造企業(yè)，在中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)的鼎力支持下，聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所，自主研發(fā)設(shè)計(jì)制造了2臺(tái)ϕ7.93m的敞開式TBM，并應(yīng)用于吉林省中部城市引松供水工程。2017年8月28日，在洞長22.6km的吉林省中部城市引松供水工程2標(biāo)段，TBM提前14個(gè)月貫通，平均月進(jìn)尺643m，最高月進(jìn)尺1209m;2018年1月22日，在洞長22.955km的4標(biāo)段，TBM提前9個(gè)月貫通，平均月進(jìn)尺546m，最高月進(jìn)尺1318.7m。

　　這在我國TBM領(lǐng)域具有里程碑式的意義，標(biāo)志著國內(nèi)自主研制的TBM從無到有。此后，自主品牌TBM陸續(xù)研發(fā)出不同規(guī)格的產(chǎn)品，應(yīng)用于重慶軌道交通5號線、重慶軌道環(huán)線、新疆ABH輸水隧洞、蘭州水源地、神東補(bǔ)連塔煤礦巷道等工程。

　　1.5自主品牌，推廣應(yīng)用(2016年至今)

　　以吉林引松工程為代表的自主品牌TBM的成功應(yīng)用，為TBM設(shè)備獨(dú)立設(shè)計(jì)制造奠定了基礎(chǔ)，也使自主品牌TBM贏得了建設(shè)單位、施工企業(yè)的信賴，進(jìn)而在國內(nèi)外迅速推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鄂北水資源配置寶林隧洞、重慶地鐵、深圳地鐵、青島地鐵、新疆某輸水隧洞、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經(jīng)采用自主品牌TBM70余臺(tái)套;并且，自主品牌TBM已經(jīng)走出國門，出口數(shù)量為16臺(tái)(截至2020年6月底)。

　　標(biāo)志著中國TBM已經(jīng)走向世界。2016年4月，新疆EH工程一次性集中采購18臺(tái)TBM，用于全長516km的引水隧洞施工。2018年10月10日，習(xí)近平同志主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議，全面啟動(dòng)川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)。川藏鐵路建設(shè)項(xiàng)目不良地質(zhì)多且集中，需要面對崇山峻嶺、地形高差大、地質(zhì)復(fù)雜等建設(shè)難題;隧道總長占線路總長的70%以上，且多為長大隧道，其中4座隧道計(jì)劃采用10臺(tái)TBM施工。

　　2我國TBM法隧道工程現(xiàn)狀

　　自1990年引大入秦工程開始，我國TBM法隧道工程技術(shù)進(jìn)入成功應(yīng)用階段，應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀分析如下。

　　2.1TBM法隧道工程規(guī)模

　　30年來，我國TBM法隧道工程規(guī)模發(fā)展趨勢，總體上呈現(xiàn)小幅波動(dòng)、持續(xù)上升狀態(tài)，大致可以分為2個(gè)階段。

　　第1階段為1990—2012年，基本上呈持續(xù)應(yīng)用狀態(tài)，約1/3年份無新項(xiàng)目開工，其他年份每年的TBM法隧道也較少，在前半段波動(dòng)范圍為0～1;1997年，山西引黃入晉和西康鐵路秦嶺隧道采用TBM施工，出現(xiàn)小高峰;2009年，TBM法隧道工程包括2項(xiàng)水利工程、1項(xiàng)鐵路工程和1項(xiàng)市政工程，出現(xiàn)第2個(gè)小高峰。

　　第2階段為2012—2020年，TBM法隧道工程總體呈上升趨勢，其中，2012—2016年，新疆EH工程(支洞采用2臺(tái)二手TBM施工、主洞全線集中招標(biāo)采購18臺(tái)TBM)、青島地鐵及深圳地鐵全面開工建設(shè)，TBM法隧道規(guī)模快速擴(kuò)張，出現(xiàn)高峰;之后回歸并保持較高水平，后續(xù)將呈波動(dòng)發(fā)展、波浪式增長態(tài)勢，并且會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用規(guī)模高峰。概要分析國內(nèi)TBM法隧道工程發(fā)展，主要受到5方面的影響：

　　1)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)能力的提升，TBM法隧道工程規(guī)模穩(wěn)步攀升;2)對TBM的認(rèn)可程度不斷提升，TBM應(yīng)用經(jīng)歷了由少到多的歷程;3)隨著技術(shù)水平的提升，隧道建設(shè)規(guī)模增大、長度增長，TBM法隧道工程數(shù)量顯著增加;4)環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)保護(hù)的不斷規(guī)范，促進(jìn)了TBM法隧道工程修建;5)國內(nèi)勞動(dòng)力成本的增加和國產(chǎn)TBM的成功應(yīng)用，讓長期居高不下的TBM施工成本顯著降低，促進(jìn)了TBM法隧道工程技術(shù)的推廣。

　　2.2TBM法隧道工程分布區(qū)域

　　我國TBM法隧道工程分布區(qū)域(以TBM應(yīng)用數(shù)量作為統(tǒng)計(jì)依據(jù))。大多集中于西部地區(qū)，占比高達(dá)約60%，主要是由于西部地區(qū)多山，并且是大江大河的發(fā)源地，水利水電與鐵路工程規(guī)模大，深埋長隧居多，且近年來西北和西南區(qū)域水利水電工程、城市軌道交通工程建設(shè)時(shí)間相對集中;華東地區(qū)TBM法隧道工程約占20%，主要原因是TBM法在重慶軌道交通6號線和青島地鐵2號線成功應(yīng)用后得以大范圍推廣;東北地區(qū)TBM法隧道工程主要集中在遼寧和內(nèi)蒙古水利工程;華南地區(qū)TBM法隧道工程主要分布于深圳地鐵。

　　2.3TBM法隧道工程分布領(lǐng)域

　　我國TBM法隧道工程分布領(lǐng)域。其中，水利水電隧洞占比約50%，居首位，主要原因是：1)TBM開挖斷面為圓形，是水利水電隧洞最合理的斷面型式;2)水利水電隧道建設(shè)規(guī)模大、單洞長度長、埋深大的隧道居多;3)TBM在水利水電隧洞開始應(yīng)用早，市場認(rèn)可度高。市政領(lǐng)域占比約40%，居第2位，主要是由于青島、重慶、深圳等巖石地層城市的軌道交通隧道不適合鉆爆法施工，TBM法成了最佳選擇[11-12];鐵路隧道引進(jìn)TBM法施工雖然較早，但發(fā)展緩慢。

　　3我國TBM法隧道工程技術(shù)展望

　　3.1TBM法隧道工程規(guī)模、區(qū)域與領(lǐng)域分布

　　我國TBM法隧道工程規(guī)模在今后一定時(shí)期內(nèi)仍將保持較快增長，之后趨于平穩(wěn)并保持較長時(shí)間，最終會(huì)下降到較低水平，發(fā)展過程中大部分時(shí)段會(huì)小幅波動(dòng)，也不排除偶爾大幅波動(dòng)的可能性。預(yù)計(jì)未來10年各類隧道修建長度20000km、掘進(jìn)裝備需求量600臺(tái)，未來5年我國潛在工程規(guī)劃的TBM需求量會(huì)達(dá)到200臺(tái)。我國TBM法隧道工程仍將集中于西部地區(qū)，以水利水電工程為主;華北地區(qū)山東省、華南地區(qū)深圳市、西南地區(qū)重慶市等多山城市的軌道交通隧道對TBM的需求量呈上升趨勢;華南、華北、東北等地區(qū)TBM應(yīng)用數(shù)量將會(huì)明顯受到區(qū)域性調(diào)水、海底隧道等工程建設(shè)的影響。

　　預(yù)期未來一段時(shí)期內(nèi)，TBM法隧道工程分布領(lǐng)域仍將以水利水電和市政工程為主，前者保持較高速度發(fā)展的勢頭較為強(qiáng)勁，后者增長勢頭高速發(fā)展的可能性較小，但短期內(nèi)明顯下降的可能性較小。在鐵路工程領(lǐng)域中川藏鐵路將是短期內(nèi)的峰值，此后大規(guī)模應(yīng)用的可能性較小。從川藏鐵路隧道施工工法論證、比選過程中可見一斑，受制于TBM對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性、造價(jià)、對TBM工法的認(rèn)知、決策機(jī)制等因素，TBM從原計(jì)劃的36臺(tái)減少為32臺(tái)、18臺(tái)，進(jìn)而減少為10臺(tái)[13]。

　　TBM法隧道工程技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角并呈較高速度增長趨勢。隨著樂西高速大涼山1號隧道、新疆烏蔚高速天山勝利隧道TBM的成功應(yīng)用[14-15]，TBM法隧道工程技術(shù)在公路領(lǐng)域?qū)��?huì)迎來新的發(fā)展機(jī)遇，一定范圍內(nèi)推廣的概率較大。礦山、軍工、核工業(yè)等特種行業(yè)將會(huì)陸續(xù)開啟TBM的應(yīng)用之路。若TBM破巖技術(shù)、斷面型式等出現(xiàn)重大變革，上述應(yīng)用領(lǐng)域分布態(tài)勢將會(huì)發(fā)生較大改變。

　　3.2TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工且TBM施工占比逐步增加TBM法與鉆爆法隧道施工各有優(yōu)劣，優(yōu)勢互補(bǔ)是最佳選擇。受地質(zhì)適應(yīng)性、斷面適應(yīng)性、進(jìn)度與工期、造價(jià)等多方面因素影響，在今后的隧道建設(shè)中，TBM法仍將與鉆爆法聯(lián)合施工。

　　TBM裝備技術(shù)與施工技術(shù)不斷進(jìn)步，其工程適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，TBM法施工成本在國產(chǎn)化大規(guī)模推廣應(yīng)用的影響下得到較好控制，而鉆爆法施工成本呈上升趨勢，因而TBM法施工占比會(huì)逐步增加。山嶺隧道已完工的工程中，單臺(tái)TBM在同一工程中掘進(jìn)長度為20km以上的隧道僅5座;在建工程中單臺(tái)TBM在同一工程中計(jì)劃掘進(jìn)長度為20km以上的隧道有13座，最大長度26km(實(shí)際施工過程中下調(diào)的概率較大)。后續(xù)，單臺(tái)TBM在同一工程中掘進(jìn)長度達(dá)到20km的概率將會(huì)繼續(xù)增大，并且，預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)突破30km，甚至達(dá)到40km，這將為在西部大山中修建隧道工程提供巨大支撐，也讓以往不具備可行性的工程變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，例如：煙大海底隧道、臺(tái)灣海峽海底隧道、南水北調(diào)大西線工程等[16-19]。

　　3.3TBM法隧道支護(hù)技術(shù)

　　3.3.1TBM支護(hù)系統(tǒng)目前TBM支護(hù)系統(tǒng)功能越來越完善，性能也不斷提升，但仍然存在一些問題，主要是支護(hù)效率、質(zhì)量與TBM掘進(jìn)效率的匹配性差，特別是在復(fù)雜地質(zhì)段尤為突出，在一定程度上制約了TBM掘進(jìn)速度優(yōu)勢的發(fā)揮，從而影響工程整體進(jìn)展。敞開式TBM由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的制約，支護(hù)設(shè)備的工作范圍與支護(hù)質(zhì)量存在一定的局限性。

　　錨桿鉆機(jī)的鉆孔方向難以達(dá)到與隧道法線重合的要求，只能呈發(fā)散狀;普遍采用的AtlasCOP1838型鉆機(jī)本身鉆孔能力很強(qiáng)、效率很高，但在TBM上難以發(fā)揮出應(yīng)有的效率，主要問題是鉆機(jī)環(huán)向與軸向的移動(dòng)速度和定位速度較慢。

　　這些方面和鉆機(jī)本身性能無關(guān)，主要受限于TBM結(jié)構(gòu)及設(shè)備空間的設(shè)計(jì)局限。錨桿鉆機(jī)布置方式在部分TBM裝備上已有新的嘗試，今后將努力實(shí)現(xiàn)錨桿小角度入巖、便捷安裝、作業(yè)效率與掘進(jìn)速度匹配、長度調(diào)整方便的目標(biāo)。中鐵十八局聯(lián)合鐵建重工在廣州北江引水工程、十堰水源工程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小斷面TBM徑向錨桿支護(hù)。

　　4結(jié)語

　　1)我國TBM法隧道施工經(jīng)過5個(gè)階段的發(fā)展，正在廣泛推廣，并且實(shí)現(xiàn)了以采用國產(chǎn)品牌TBM自主施工為引領(lǐng)的良好局面，從規(guī)模上將呈現(xiàn)升—平—降—穩(wěn)的波動(dòng)發(fā)展過程;從分布區(qū)域、分布領(lǐng)域上近期仍將保持以西部地區(qū)、水利水電工程和軌道交通工程為主的發(fā)展態(tài)勢，同時(shí)，在鐵路、煤礦、抽水蓄能、礦山、公路等新興領(lǐng)域也將得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用;開挖直徑方面，在中等直徑TBM大范圍應(yīng)用基礎(chǔ)上，將呈現(xiàn)兩極化發(fā)展態(tài)勢，超大直徑TBM、微型TBM也會(huì)迎來發(fā)展機(jī)遇。

　　2)隧道施工中，TBM法與鉆爆法各有優(yōu)劣，取長補(bǔ)短、聯(lián)合施工的方法將會(huì)長期存在，并且TBM法占比及單臺(tái)TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢;由于建設(shè)環(huán)境、施工條件等因素影響，部分短隧道也將采用TBM法施工。

　　3)TBM法隧道施工技術(shù)的推廣應(yīng)用，機(jī)遇中伴隨著挑戰(zhàn)，TBM設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù)，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，但仍然面臨著許多問題，并且會(huì)不斷涌現(xiàn)出新的需求和問題，解決的唯一出路是科技創(chuàng)新。今后一段時(shí)期。TBM法隧道施工技術(shù)創(chuàng)新將主要集中在以下幾個(gè)方面：改進(jìn)現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)，通過“四新”完善支護(hù)系統(tǒng);復(fù)雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)正在全面研發(fā)與實(shí)踐，掘進(jìn)策略、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、合理可靠支護(hù)、超前處置等措施相結(jié)合，即將實(shí)現(xiàn)巨大突破;斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復(fù)合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經(jīng)開始研發(fā)、應(yīng)用，正在取得長足進(jìn)步，技術(shù)成熟后將得以大力推廣;TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制與應(yīng)用已經(jīng)取得了階段性成果，TBM零部件必將全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

　　4)大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G技術(shù)是當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，智能建造已經(jīng)提上日程，TBM法工程技術(shù)需要緊跟時(shí)代脈搏，充分吸納先進(jìn)的理念和技術(shù)，以信息化、大數(shù)據(jù)大幅提升TBM施工技術(shù)與施工管理水平，結(jié)合5G技術(shù)努力實(shí)現(xiàn)TBM智能化施工，這是提升TBM適用空間、解放勞動(dòng)力、適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。文中關(guān)于現(xiàn)狀的分析和技術(shù)展望，還不全面、不深入，希望能夠和行業(yè)專家、學(xué)者、同仁的研究成果形成互補(bǔ)，共同促進(jìn)我國TBM法隧道工程技術(shù)進(jìn)步。

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　　作者：齊夢學(xué)

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