引江補(bǔ)漢工程超大直徑TBM集群設(shè)備選型及配置關(guān)鍵技術(shù)

Key technologies for type-selection and configuration of super-large-diameter TBM clusters in the Water Diversion Project from the Yangtze River to the Hanjiang River

宋志忠李蘅邵小康，牛運(yùn)華，朱學(xué)賢，李雅詩(shī)

1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢；2.水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430010，武漢

摘要：引江補(bǔ)漢工程是我國(guó)骨干水網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，擁有我國(guó)在建單洞最長(zhǎng)、洞徑最大、綜合技術(shù)難度最高的有壓輸水隧洞，工程建設(shè)中首次應(yīng)用超大直徑TBM集群施工，突破了我國(guó)水工隧洞TBM選型與配置的技術(shù)局限。在引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞TBM集群選型研究中，應(yīng)用了基于不利地質(zhì)條件閾值和深部復(fù)合地層TBM適應(yīng)性模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)等量化選型技術(shù)，通過(guò)地質(zhì)與結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期保障率等多要素綜合評(píng)價(jià)，提出了4臺(tái)敞開(kāi)式、3臺(tái)單護(hù)盾式、2臺(tái)雙護(hù)盾式和1臺(tái)雙模式共10臺(tái)TBM集群選型方案，同時(shí)配置了敞開(kāi)式TBM鋼管片安裝系統(tǒng)、法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機(jī)、雙護(hù)盾式TBM錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、多功能超前鉆機(jī)系統(tǒng)和TBM集群智能管控平臺(tái)裝備等創(chuàng)新性技術(shù)系統(tǒng)，探索形成我國(guó)復(fù)雜地層深埋長(zhǎng)大隧洞工程超大直徑TBM集群選型與針對(duì)性配置新模式。

關(guān)鍵詞：引江補(bǔ)漢工程；深埋長(zhǎng)大隧洞；水工隧洞；超大直徑TBM；TBM集群；TBM選型與配置；適應(yīng)性評(píng)價(jià)

作者簡(jiǎn)介：宋志忠，副總工程師，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殚L(zhǎng)距離引調(diào)水和高壩通航工程勘察設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金（2025M773260）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.21.010

引言

輸水工程是長(zhǎng)距離引調(diào)水工程的關(guān)鍵控制性項(xiàng)目，建設(shè)工期長(zhǎng)，投資占比高，并且面臨復(fù)雜的施工風(fēng)險(xiǎn)。目前，TBM（全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)）因其比傳統(tǒng)鉆爆法更加高效、安全、環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用于深埋長(zhǎng)大隧洞掘進(jìn)。如何根據(jù)工程特點(diǎn)選擇適宜的TBM類型和配置設(shè)計(jì)是深埋復(fù)雜地層隧洞工程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，對(duì)工程投資和建設(shè)周期甚至隧洞能否順利貫通都有重要影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞TBM選型理論、復(fù)雜地質(zhì)條件下設(shè)備適應(yīng)性等開(kāi)展了大量研究，形成了豐富的理論成果與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。自從敞開(kāi)式TBM技術(shù)在西康鐵路秦嶺隧道和大伙房水庫(kù)輸水工程等項(xiàng)目成功示范應(yīng)用，我國(guó)的TBM技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)得到了不斷積累。早期開(kāi)展的重大水工隧洞工程TBM選型幾乎均采用敞開(kāi)式TBM，并結(jié)合工程和施工組織特點(diǎn)開(kāi)展配置探索和優(yōu)化。例如，魏永慶、杜士斌分析了大伙房水庫(kù)輸水工程地質(zhì)條件，選取敞開(kāi)式TBM施工并首次配置了連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)、19英寸滾刀等以適應(yīng)超長(zhǎng)距離掘進(jìn)。在大伙房水庫(kù)輸水工程TBM選型與施工經(jīng)驗(yàn)輔助下，齊文彪和劉陽(yáng)分析了吉林省中部城市引松供水工程主要地質(zhì)情況，同樣選取了敞開(kāi)式TBM進(jìn)行施工；吳世勇等分析了錦屏二級(jí)水電站敞開(kāi)式TBM針對(duì)主要不良地質(zhì)做出的針對(duì)性配置，如刀盤(pán)擴(kuò)挖功能；張榮山和范貴隆分析了旁多水利樞紐工程TBM選型時(shí)考慮的地質(zhì)條件、支護(hù)方式、施工成本、工期等因素，選取了敞開(kāi)式TBM，并對(duì)后配套設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；黨建濤等依托引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞敞開(kāi)式TBM進(jìn)行刀盤(pán)刀具配置試驗(yàn)，為硬巖地層TBM刀具選型提供了經(jīng)驗(yàn)。上述工程均選用敞開(kāi)式TBM施工，一方面選型時(shí)采用了工程類比法，敞開(kāi)式TBM憑借豐富的工程經(jīng)驗(yàn)更容易得到青睞；另一方面，受限于當(dāng)時(shí)對(duì)地層適應(yīng)性認(rèn)識(shí)以及TBM配置技術(shù)水平，敞開(kāi)式TBM可更加靈活地與鉆爆法結(jié)合，以處理不良地質(zhì)時(shí)更為方便。

在TBM與地質(zhì)適應(yīng)性選型研究方面，成果也較為豐富。司富安等針對(duì)水工隧洞TBM施工特點(diǎn)提出了圍巖綜合分類方法，為復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM選型提供依據(jù)；詹金武等提出了復(fù)雜地質(zhì)條件TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，綜合考慮了隧洞設(shè)計(jì)、主要地質(zhì)條件、不良地質(zhì)和環(huán)境因素對(duì)TBM選型的影響；馮歡歡等總結(jié)了國(guó)內(nèi)典型TBM隧洞（道）工程面臨的不良地質(zhì)問(wèn)題，提出了TBM針對(duì)性設(shè)計(jì)與改造技術(shù)；倪錦初等結(jié)合香爐山隧洞主要不良地質(zhì)條件，從地質(zhì)條件、工期、造價(jià)、施工環(huán)境等角度進(jìn)行綜合比選；洪開(kāi)榮從色季拉山隧道地質(zhì)適應(yīng)性、風(fēng)險(xiǎn)可控性、工期、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行TBM選型和針對(duì)性設(shè)計(jì)；袁葳等分別從地質(zhì)條件、不良地質(zhì)處理、工期、安全、環(huán)保及投資等多角度對(duì)羅田水庫(kù)-鐵崗水庫(kù)輸水隧洞TBM進(jìn)行選型；鄧銘江和譚忠盛提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下敞開(kāi)式TBM適應(yīng)性量化評(píng)價(jià)方法。這些研究為單臺(tái)TBM選型提供了較充足的理論與實(shí)踐支撐，但多聚焦于大中型直徑設(shè)備（≤10m）或單一機(jī)型，尚未形成針對(duì)12m級(jí)超大直徑TBM集群的系統(tǒng)選型理論和成功經(jīng)驗(yàn)。

TBM選型的核心是實(shí)現(xiàn)地層與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)、工期與經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)、安全與效率有保障。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程師采用工程案例類比、定性和定量評(píng)價(jià)等方法，不斷完善TBM選型理論框架，但結(jié)合引江補(bǔ)漢工程“超大直徑、超長(zhǎng)隧洞集群施工，復(fù)雜地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)疊加”特點(diǎn)和難點(diǎn)，現(xiàn)有研究仍不足。本文綜述超大直徑TBM集群設(shè)備選型及配置方面的研究進(jìn)展，圍繞“集群選型、設(shè)備配置”兩大核心問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)研究，可填補(bǔ)超大直徑TBM集群選型與配置領(lǐng)域的空白，促進(jìn)我國(guó)深埋長(zhǎng)大隧洞TBM技術(shù)向“集群化、超大直徑化、智能化”發(fā)展。

引江補(bǔ)漢工程概況

引江補(bǔ)漢工程從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)引水入漢江，輸水隧洞長(zhǎng)約194.3km，過(guò)水平均洞徑10.2m，TBM開(kāi)挖直徑達(dá)12.2m。綜合輸水隧洞沿線施工支洞布置條件、環(huán)境敏感區(qū)分布、地質(zhì)條件等因素，計(jì)劃采用10臺(tái)TBM進(jìn)行施工，TBM施工長(zhǎng)度約124km，占線路總長(zhǎng)約64%。

1.地質(zhì)概況

引江補(bǔ)漢工程隧洞線路長(zhǎng)且隧洞埋深大，穿越地帶地質(zhì)條件復(fù)雜，地層巖性復(fù)雜多樣，可溶巖和軟質(zhì)巖分布較多，具有地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜、巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜、總體地應(yīng)力水平高等地質(zhì)特點(diǎn)。沿線實(shí)測(cè)水平主應(yīng)力達(dá)35.2MPa，最大水壓超過(guò)5MPa，最大巖石強(qiáng)度達(dá)354MPa，穿越軟質(zhì)巖總長(zhǎng)度達(dá)48.5km，占比約25%，可能發(fā)生中等及以上軟巖大變形的洞段長(zhǎng)約26km，工程面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題有突涌水（泥）、軟巖大變形、硬巖巖爆、高外水壓力、超硬巖等。

2.主要技術(shù)難題與挑戰(zhàn)

（1）超大直徑TBM集群選型

引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞建設(shè)面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件，輸水隧洞TBM開(kāi)挖直徑12.2m，屬超大直徑。如何根據(jù)工程條件進(jìn)行合理的TBM選型一直是隧洞工程實(shí)施中的關(guān)鍵難題。由于行業(yè)和工程類型不同，隧洞結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)理念等方面存在差異，TBM選型尚未形成成熟體系，僅有一些原則性指導(dǎo)規(guī)定?，F(xiàn)有TBM選型仍多采用工程類比法或定性對(duì)比評(píng)估法，定量分析法較為欠缺，針對(duì)復(fù)雜不良地質(zhì)條件的實(shí)用性定量分析法研究和應(yīng)用尤為不足。

（2）超大直徑TBM掘進(jìn)

從目前施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在同等地質(zhì)條件下，直徑4～8m的TBM因其內(nèi)部空間足夠、人員操作方便，能充分發(fā)揮施工和設(shè)備效能，掘進(jìn)效率較高。而超大直徑TBM，支護(hù)工程量大，支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，清渣工作量也大，掘進(jìn)效率較低。大直徑TBM施工時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)大，開(kāi)挖后隧洞跨度大，如采用敞開(kāi)式TBM施工，初期支護(hù)工程量大且支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，在圍巖破碎洞段的自穩(wěn)能力差。

（3）超大直徑TBM制造

相對(duì)于小直徑TBM，超大直徑TBM制造存在以下難點(diǎn)：①整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求高。刀盤(pán)正常掘進(jìn)時(shí)整機(jī)受力大，整體設(shè)計(jì)難度大。②部件分塊設(shè)計(jì)，組裝工作量大。出于運(yùn)輸需要，盾體等尺寸較大部件需根據(jù)運(yùn)輸尺寸限制進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，分塊數(shù)量多導(dǎo)致裝配工作量大，同時(shí)對(duì)于加工精度要求也高。③整機(jī)尺寸較大，且各部件組裝后重量較重，起吊較困難，運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)難度加大。④設(shè)備制造周期長(zhǎng)。

水工隧洞TBM應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前水利水電工程隧洞建設(shè)中采用的TBM機(jī)型主要有敞開(kāi)式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式、雙（多）模式等類型。分析TBM在我國(guó)隧洞（道）工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，給引江補(bǔ)漢工程TBM選型提供更多參考，本文統(tǒng)計(jì)分析了各行業(yè)領(lǐng)域（特別是水工隧洞）截至2022年的重大工程中TBM應(yīng)用情況。結(jié)果顯示，在水利、市政、公路、鐵路以及煤炭開(kāi)采等行業(yè)領(lǐng)域，TBM均應(yīng)用廣泛。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，TBM在水利水電工程隧洞建設(shè)中應(yīng)用早、占比最高（約50%），具有建設(shè)規(guī)模大、單洞長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1.TBM選型與直徑分析

（1）TBM選型分析

我國(guó)TBM應(yīng)用類型以敞開(kāi)式為主，約占50%，其次是雙護(hù)盾式TBM，占比約40%。單護(hù)盾式TBM應(yīng)用較少。

（2）TBM直徑分析

我國(guó)TBM隧洞開(kāi)挖直徑以3～10m為主，其中6m直徑系列數(shù)量最多，主要集中于城市軌道交通隧道，7m和8m直徑隧洞大部分為水利水電工程隧洞，大直徑（8~12m）和超大直徑（12~16m）TBM占比較少。TBM隧洞開(kāi)挖直徑超過(guò)8m的工程大多屬于水利水電和鐵路行業(yè)，少數(shù)存在于公路行業(yè)。

對(duì)國(guó)內(nèi)外部分開(kāi)挖直徑超過(guò)10m的TBM工程案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用敞開(kāi)式TBM施工的占比約為41.2%，高于單護(hù)盾式TBM和雙護(hù)盾式TBM。其中，公路及鐵路隧道多選擇單護(hù)盾式或敞開(kāi)式TBM，而水利水電工程隧洞多選擇敞開(kāi)式TBM，其次為雙護(hù)盾式TBM，使用單護(hù)盾式TBM的情況較少。相較而言，國(guó)內(nèi)尚無(wú)超大直徑單護(hù)盾式TBM隧洞的施工案例。目前，國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè)最大直徑TBM隧洞為錦屏二級(jí)水電站引水隧洞，直徑為12.4m，選用的TBM類型為敞開(kāi)式。綜合分析國(guó)內(nèi)外隧洞TBM直徑與選型情況，若采用工程類比法，大直徑水工隧洞應(yīng)優(yōu)先選擇敞開(kāi)式TBM或雙護(hù)盾式TBM施工。

2.水工隧洞TBM應(yīng)用情況分析

對(duì)國(guó)內(nèi)50余項(xiàng)水利水電工程TBM類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，約有60%的水工隧洞選用敞開(kāi)式TBM施工，其次是雙護(hù)盾式TBM，單護(hù)盾式TBM的應(yīng)用案例較少。其中，隧洞開(kāi)挖直徑超過(guò)8m的水利水電工程，隧洞TBM類型均為敞開(kāi)式TBM。

國(guó)內(nèi)重大水利水電工程隧洞8m以上直徑TBM應(yīng)用情況

超大直徑TBM適應(yīng)性綜合量化選型技術(shù)

1.TBM適應(yīng)性綜合量化選型技術(shù)

（1）TBM施工適宜性初步分級(jí)及評(píng)價(jià)

根據(jù)《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL/T 629—2014）中的隧洞TBM施工適宜性判定標(biāo)準(zhǔn)，TBM施工適宜性分為適宜（A）、基本適宜（B）、適宜性差（C）三個(gè)級(jí)別，考慮的主要因素為圍巖類別和TBM掘進(jìn)效率指標(biāo)，其中TBM掘進(jìn)效率指標(biāo)包含巖體完整性、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度以及圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比。

（2）特殊地質(zhì)洞段適應(yīng)性評(píng)價(jià)

《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法水工隧洞工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T 839—2025）對(duì)超硬巖（A）、巖爆（B）、圍巖大變形（C）、構(gòu)造破碎帶（D）、突涌水（泥）（E）等不利地質(zhì)條件給出了相應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

在TBM對(duì)主要地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，考慮超硬巖地層、高地應(yīng)力巖爆地層、斷層破碎帶、大變形圍巖、突涌水（泥）等五類不利地質(zhì)條件對(duì)TBM選型的影響，通過(guò)地質(zhì)條件劃分可得到區(qū)段內(nèi)各類不利地質(zhì)條件的等級(jí)與占比。

（3）不利地質(zhì)條件對(duì)TBM選型影響定量評(píng)價(jià)方法

TBM施工順利與否常由占比超5%的最不利地質(zhì)洞段決定，超硬巖（A）、巖爆（B）、圍巖大變形（C）、構(gòu)造破碎帶（D）等最高等級(jí)的不利地質(zhì)中，A對(duì)機(jī)型影響較小，閾值提至15%，其余仍為5%。按占比將適宜性分為好（90分）、中（60分）、差（30分）：A占比小于10%時(shí)適宜性等級(jí)為差，10%～15%為中，超過(guò)15%為好，B、C、D則以0～3%、3%～5%、>5%對(duì)應(yīng)好、中、差。TBM對(duì)4類不利地質(zhì)條件適應(yīng)性評(píng)分按下表權(quán)重加權(quán)求和得總分。

不良地質(zhì)圍巖分類評(píng)分權(quán)重

根據(jù)評(píng)分結(jié)果確定設(shè)備選型，若總分大于70分宜采用敞開(kāi)式TBM；總分在60～70時(shí)，既適用于敞開(kāi)式TBM，又適用于護(hù)盾式TBM；總分小于60分，則適用于護(hù)盾式TBM。選用護(hù)盾式TBM時(shí)，若隧洞的圍巖大變形C等級(jí)洞段長(zhǎng)度占比在3%以下，宜采用雙護(hù)盾式TBM，否則宜采用單護(hù)盾式TBM。

（4）深部復(fù)合地層TBM選型適應(yīng)性模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法

①評(píng)價(jià)方法。基于資料調(diào)研與施工經(jīng)驗(yàn)，從TBM設(shè)計(jì)、施工、隧洞地質(zhì)、不良地質(zhì)、施工組織五方面，篩選高區(qū)分度、代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的TBM選型評(píng)價(jià)體系。采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與專家建議確定模糊隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)公度性；依適應(yīng)性關(guān)聯(lián)原則，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等劃分指標(biāo)層次與重要性；用層次分析法確定單層次及總層次指標(biāo)權(quán)重。提取隧洞地質(zhì)勘查等資料參數(shù)，結(jié)合隸屬函數(shù)結(jié)果與權(quán)重，確定三種類型TBM適應(yīng)度并進(jìn)行決策。多數(shù)工程可在設(shè)計(jì)階段用參數(shù)代表值（如加權(quán)平均值）進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，而對(duì)于引江補(bǔ)漢工程等復(fù)雜長(zhǎng)隧洞，地質(zhì)差異大時(shí)可分段評(píng)價(jià)，即將隧洞分段，分別計(jì)算適應(yīng)度，再依據(jù)段長(zhǎng)加權(quán)平均得綜合適應(yīng)度。

②評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了量化評(píng)判復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM的選型適應(yīng)性，需要給出適應(yīng)性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。為此，將TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，其中第Ⅱ級(jí)又細(xì)分為兩個(gè)亞級(jí)，不同評(píng)價(jià)等級(jí)與適應(yīng)度的關(guān)系及適應(yīng)性評(píng)價(jià)見(jiàn)下表。

復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

（5）TBM選型經(jīng)濟(jì)性分析

從經(jīng)濟(jì)性角度，TBM選型需綜合圍巖條件、襯砌工程量、設(shè)備成本及工期等核心因素統(tǒng)籌考量。當(dāng)隧洞圍巖條件較好，僅需初期支護(hù)或小規(guī)模二次襯砌即可保障穩(wěn)定時(shí)，敞開(kāi)式TBM通常為優(yōu)選方案，因其市場(chǎng)采購(gòu)價(jià)格低于護(hù)盾式TBM，能直接降低設(shè)備投入成本，且因施工特性無(wú)需管片襯砌，可大幅度減少材料采購(gòu)、運(yùn)輸及安裝等一系列襯砌相關(guān)費(fèi)用。

若隧洞圍巖條件較差，選型決策則更復(fù)雜。采用敞開(kāi)式TBM時(shí)，為確保施工安全與隧洞穩(wěn)定，初期支護(hù)工程量會(huì)大幅增加，材料、人工等成本顯著上升；而護(hù)盾式TBM雖設(shè)備成本較高，但其自帶的護(hù)盾可抵御不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，管片襯砌也能快速形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，此時(shí)需細(xì)致測(cè)算兩種機(jī)型的設(shè)備購(gòu)置成本、施工效率、支護(hù)成本等，通過(guò)對(duì)比確定更經(jīng)濟(jì)的方案。

對(duì)于適用多種TBM且必須二次襯砌的隧洞，經(jīng)濟(jì)性比較需以滿足工期要求為前提。即不僅要對(duì)比不同TBM的采購(gòu)、租賃及維護(hù)成本，還需精確核算各機(jī)型對(duì)應(yīng)的襯砌工程量、施工工藝及工期長(zhǎng)短，通過(guò)建立詳細(xì)成本模型，最終選出兼顧工程質(zhì)量、進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)效益的TBM類型。

（6）案例分析

采用深部復(fù)合地層TBM選型適應(yīng)性模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法和模型，對(duì)引江補(bǔ)漢隧洞工程TBM8施工洞段主洞的TBM適應(yīng)性進(jìn)行計(jì)算分析，以確定該洞段最優(yōu)的TBM選型。

TBM8洞段主洞全長(zhǎng)11125m，分為L(zhǎng)1～L9共9個(gè)分段，將各分段的評(píng)價(jià)指標(biāo)輸入TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型中，計(jì)算不同類型TBM選型適應(yīng)度。敞開(kāi)式、單護(hù)盾式和雙護(hù)盾式TBM的綜合適應(yīng)度分別為0.885、0.885和0.788，均具有較高適應(yīng)性。進(jìn)一步從施工安全、工期保障率等方面綜合考慮：TBM8施工段地質(zhì)條件復(fù)雜，采用敞開(kāi)式TBM初期支護(hù)工程量較大，施工效率較低，安全性差，而采用護(hù)盾式TBM開(kāi)挖后，直接拼裝管片，可確保施工安全，減少施工程序，加快施工進(jìn)度；采用單護(hù)盾式TBM相對(duì)雙護(hù)盾式TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)小。據(jù)此，TBM8洞段主洞選擇單護(hù)盾式TBM。

引江補(bǔ)漢工程TBM8施工洞段TBM選型適應(yīng)度計(jì)算評(píng)價(jià)

2.引江補(bǔ)漢工程超大直徑TBM集群選型

引江補(bǔ)漢工程TBM選型從TBM對(duì)主要地質(zhì)條件的適應(yīng)性、對(duì)特殊地質(zhì)洞段的適應(yīng)性，以及不良地質(zhì)條件的閾值分析、深部復(fù)合地層TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)、隧洞結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析、經(jīng)濟(jì)性分析、工期分析等方面進(jìn)行研究，最后進(jìn)行TBM適應(yīng)性綜合比選，選定能適應(yīng)主要地質(zhì)條件和不良地質(zhì)條件，并且經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、工期滿足要求的TBM型式。各TBM施工段TBM選型如下表所示。

引江補(bǔ)漢工程各TBM施工段TBM選型

超大直徑TBM針對(duì)性配置

隨著我國(guó)隧洞工程走向地層深部，越來(lái)越復(fù)雜、嚴(yán)苛的施工條件對(duì)TBM的設(shè)計(jì)、選型與智能化配置提出更高要求。新技術(shù)的不斷研發(fā)和應(yīng)用，使得TBM主機(jī)型式區(qū)別的影響逐漸小于配置的影響。例如，引江補(bǔ)漢工程中敞開(kāi)式TBM上配備了鋼管片支護(hù)系統(tǒng)，單護(hù)盾式TBM具備同步拼推功能，雙護(hù)盾式TBM配備錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)，主機(jī)型式與功能性配置界限的關(guān)聯(lián)性正在減弱。引江補(bǔ)漢工程在TBM“主機(jī)配置、輔助支護(hù)、超前探測(cè)、智能管控”等方面的針對(duì)性配置，探索形成一系列創(chuàng)新成果。

1.TBM主機(jī)特色配置

以單護(hù)盾式TBM推拼同步系統(tǒng)為例：推拼同步就是在單護(hù)盾式TBM向前掘進(jìn)的時(shí)段內(nèi)完成前一環(huán)管片拼裝，實(shí)現(xiàn)單護(hù)盾式TBM連續(xù)掘進(jìn)，從而避免掘進(jìn)與拼裝的交替循環(huán)，以提高功效、降低成本。推拼同步技術(shù)一改傳統(tǒng)單護(hù)盾式TBM推進(jìn)—停止—拼裝的施工工序，基于推力矢量控制技術(shù)把管片拼裝融于掘進(jìn)作業(yè)中，在保證單護(hù)盾式TBM掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定的情況下，將掘進(jìn)與拼裝從“串聯(lián)”走向“并聯(lián)”，相比于常規(guī)的推進(jìn)系統(tǒng)，推拼同步系統(tǒng)可提高效率達(dá)26%。

▲推拼同步過(guò)程中管片拼裝示意

2.TBM輔助支護(hù)特色配置

（1）敞開(kāi)式TBM鋼管片安裝系統(tǒng)

引江補(bǔ)漢工程敞開(kāi)式TBM上配備了鋼管片安裝系統(tǒng)。對(duì)于敞開(kāi)式TBM，在其護(hù)盾內(nèi)部設(shè)計(jì)一組多支護(hù)推進(jìn)系統(tǒng)，推力由拼裝的鋼管片提供，使其具備單護(hù)盾掘進(jìn)模式。掘進(jìn)時(shí)，在護(hù)盾內(nèi)部拼裝鋼管片，通過(guò)鋼管片提供推進(jìn)反力。每組輔助推進(jìn)油缸區(qū)域增加導(dǎo)向座，連接護(hù)盾與變速箱，用于傳遞推進(jìn)反力。鞍架下部增加可伸縮式支腿和小撐靴，可實(shí)現(xiàn)上下左右調(diào)向和糾滾。

▲敞開(kāi)式TBM多支護(hù)輔助推進(jìn)系統(tǒng)示意

（2）法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機(jī)

敞開(kāi)式TBM一般在L1區(qū)或L2區(qū)（即TBM后方的初期支護(hù)工作區(qū)）配備兩臺(tái)主梁式錨桿鉆機(jī)，作業(yè)范圍可達(dá)到拱部270°。然而，傳統(tǒng)的TBM主梁式錨桿鉆機(jī)存在兩個(gè)主要不足：①錨桿鉆機(jī)無(wú)法垂直洞壁打設(shè)鉆桿，導(dǎo)致錨桿無(wú)法垂直洞壁施作，極大地削弱了錨桿的錨固效果；②錨桿鉆機(jī)無(wú)法自動(dòng)地拾取、續(xù)接、拆卸鉆桿，增加了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和施工風(fēng)險(xiǎn)，降低了施工作業(yè)效率。

為了克服傳統(tǒng)TBM主梁式錨桿鉆機(jī)存在的諸多不足，本工程研發(fā)了法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機(jī)。相比于傳統(tǒng)TBM錨桿鉆機(jī)，法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機(jī)增加了錨固鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)錨固鉆機(jī)全周向垂直洞壁打設(shè)鉆桿，提升錨桿的錨固效果。

▲法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機(jī)橫剖面圖

（3）雙護(hù)盾式TBM錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)

引江補(bǔ)漢工程雙護(hù)盾式TBM隧洞段存在巖爆、斷層破碎帶及穩(wěn)定圍巖等多類型地質(zhì)工況，不同工況隧洞存在不同支護(hù)需求。雙護(hù)盾式TBM在常規(guī)預(yù)制混凝土管片拼裝設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加配置錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)備，具體包括錨桿鉆機(jī)、鋼筋網(wǎng)安裝器、混凝土噴射系統(tǒng)等。施工過(guò)程中可根據(jù)地質(zhì)情況合理選擇支護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜地質(zhì)條件穩(wěn)定高效掘進(jìn)，同時(shí)降低施工成本，提高掘進(jìn)效率。

3.TBM超前探測(cè)配置

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

引江補(bǔ)漢工程TBM配置搭載式電法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)預(yù)留地震波法、微震監(jiān)測(cè)接口。配置有兩套超前鉆機(jī)（超前鉆注一體數(shù)字化鉆機(jī)+氣動(dòng)超前管棚鉆機(jī)）。利用長(zhǎng)短結(jié)合、“物探+鉆探”結(jié)合方式進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，為T(mén)BM施工提供判斷和決策依據(jù)。電法超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)搭載在刀盤(pán)上，通過(guò)開(kāi)孔（80mm）安裝14個(gè)測(cè)量電極，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電極伸縮，TBM設(shè)備提供液壓動(dòng)力并將其引至主梁內(nèi)，可對(duì)掌子面前方約30m含水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)與三維成像。

（2）多功能超前鉆機(jī)系統(tǒng)

引江補(bǔ)漢工程TBM配置兩套超前鉆機(jī)系統(tǒng)：多功能超前鉆注一體機(jī)（數(shù)字鉆機(jī)）+超前管棚鉆機(jī)。超前鉆機(jī)布置于托梁上，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道360°的范圍管棚、超前錨桿、超前小導(dǎo)管等支護(hù)及刀盤(pán)前方超前探測(cè)及超前取芯施工。

▲超前鉆注一體機(jī)和多功能超前管棚鉆機(jī)

4.TBM集群智能管控平臺(tái)

引江補(bǔ)漢工程TBM集群管理系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM等技術(shù)，以施工現(xiàn)場(chǎng)的多維度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定制化打造TBM集群智能管控平臺(tái)，包含數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)、風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警、施工過(guò)程管控、進(jìn)度效益管控等功能，實(shí)現(xiàn)TBM集群施工全方位數(shù)字化動(dòng)態(tài)管理。通過(guò)對(duì)海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)高效梳理、科學(xué)管理和智能分析，推進(jìn)TBM掘進(jìn)智能化和施工風(fēng)險(xiǎn)管理科學(xué)化，提高隧洞建設(shè)信息化、智能化水平。

展望

引江補(bǔ)漢工程屬首次大規(guī)模應(yīng)用超大直徑TBM集群進(jìn)行隧洞施工的工程，在TBM集群適應(yīng)性量化選型與配置方面做出了一系列重大突破——突破了我國(guó)以往直徑超8m的水工隧洞TBM均為敞開(kāi)式的單一選型局限，形成包括敞開(kāi)式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和雙模式等多種機(jī)型的TBM集群施工方案，并且在TBM功能配置和智能化施工與管控方面開(kāi)展了技術(shù)創(chuàng)新。在引江補(bǔ)漢工程超大直徑TBM集群設(shè)備選型及配置的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，未來(lái)進(jìn)一步探索TBM功能配置標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及無(wú)人化自動(dòng)掘進(jìn)技術(shù)，必將助力我國(guó)重大引調(diào)水工程建設(shè)水平邁向新高度。

Abstract:The Water Diversion Project from the Yangtze River to the Hanjiang River is an important component of China’s national water network construction. It includes the country’s longest single tunnel with the largest diameter and the highest overall technical difficulty among pressurized water-conveyance tunnels under construction. For the first time, a cluster of super-large-diameter tunnel boring machines (TBMs) has been applied in the project, breaking through the technical limitations of TBM type-selection and configuration for hydraulic tunnels in China. In the TBM cluster type-selection study of the project’s water-conveyance tunnel, quantitative selection methods were applied, including threshold analysis of adverse geological conditions and fuzzy comprehensive evaluation of TBM adaptability to deep composite strata. Based on a comprehensive evaluation of geological and structural adaptability, safety, economy and schedule reliability, a cluster scheme comprising 4 open-type, 3 single-shield, 2 double-shield and 1 dual-mode TBMs was proposed. Meanwhile, several innovative technical systems were configured, including the open-type TBM steel segment erection system, the normal prestressed anchoring drill rig, the double-shield TBM anchor-mesh-shotcrete support system, the advanced geological prediction system, the multifunctional forward-probing drill system, and the intelligent TBM cluster management and control platform. This approach establishes a new model for the type-selection and targeted configuration of super-large-diameter TBM clusters in deep-buried, long-distance tunnels under complex geological conditions.

KeywordsWater Diversion Project from the Yangtze River to the Hanjiang River; deep-buried long-distance tunnel; hydraulic tunnel; super-large-diameter TBM; TBM cluster; TBM type-selection and configuration; adaptability evaluation

本文引用格式：

宋志忠李蘅邵小康等.引江補(bǔ)漢工程超大直徑TBM集群設(shè)備選型及配置關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)水利2025（21）：65-72.

封面攝影林杰

責(zé)編呂彩霞

校對(duì)董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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