齊夢學(xué)， 周雁領(lǐng)

(1. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司， 重慶 400700； 2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)為依靠刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)、通過盤形滾刀破巖實(shí)現(xiàn)隧道全斷面一次開挖成型、采用主機(jī)帶式輸送機(jī)出渣的大型機(jī)械設(shè)備[1-2]，具有技術(shù)先進(jìn)、速度快、一次成型、工作環(huán)境好、安全性高、對圍巖擾動小、對自然環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)[3]，是目前最先進(jìn)的隧道施工設(shè)備之一。TBM法已成為發(fā)達(dá)國家隧道施工的首選工法[4]，也是我國長大隧道特別是山嶺隧道的首選工法。

關(guān)于某某工程TBM施工創(chuàng)最高月進(jìn)尺、最高日進(jìn)尺等施工紀(jì)錄的報道[5-6]有很多，而關(guān)于某某工程TBM施工受阻、卡機(jī)等長時間停機(jī)處理的文獻(xiàn)[7-8]也不少，這也是為何稱TBM“特別猛”又“特別慢”的緣故[4]。TBM施工究竟是“猛”還是“慢”呢？筆者的觀點(diǎn)是： 地質(zhì)條件適宜時TBM“特別猛”，其單日掘進(jìn)速度甚至可達(dá)近百m； 地質(zhì)條件惡劣時TBM“特別慢”，需要人工干預(yù)甚至礦山法開挖后通過。當(dāng)遭遇地質(zhì)難題以及外部環(huán)境長期干擾而無法正常施工時，TBM人會感到“特別茫”，因?yàn)闆]有好的解決措施而迷茫； 當(dāng)齊心協(xié)力攻克難關(guān)，成功解決一項(xiàng)又一項(xiàng)難題時，TBM人會感到“特別美”，成就感會油然而生； 當(dāng)TBM法隧道建設(shè)的規(guī)模越來越大時，TBM人會感到“特別忙”，整年奔波或者堅(jiān)守在工地現(xiàn)場； 同時，TBM人都懷著一個“特別夢”，即在重大工程中依靠集體的聰明才智和吃苦耐勞的精神，攻堅(jiān)克難駕馭TBM勇往直前，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢貢獻(xiàn)力量。

隨著我國TBM設(shè)備研制、應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，針對TBM的研究很多，有設(shè)備技術(shù)方面的，有TBM選型方面的，也有施工技術(shù)與管理方面的，但關(guān)于TBM施工管理理念和綜合管理的研究較少。為了科學(xué)認(rèn)識、正確認(rèn)知TBM施工，在安全與質(zhì)量的前提下，以保工期、控投資、降成本、增效益，促進(jìn)TBM工法科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展為著力點(diǎn)，筆者結(jié)合近20年的TBM施工實(shí)踐，不斷總結(jié)和探索，在遼寧重點(diǎn)供水工程二段四標(biāo)TBM施工過程中，逐步形成并首次提出TBM“持續(xù)、均衡、快速”施工理念，即SPS作業(yè)法。

本文簡要匯總TBM在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對TBM施工進(jìn)度不均衡的問題進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐闡述TBM施工SPS作業(yè)法及其必要性，從需要具備的“3個基礎(chǔ)”著手，提出“七持續(xù)”“三均衡”10項(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)適宜地質(zhì)條件下TBM穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，而在惡劣地質(zhì)條件下努力提升TBM工程適應(yīng)性，以期TBM工法能夠更加適應(yīng)我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模巨大、工期普遍緊張的特點(diǎn)，促進(jìn)TBM工程的合理規(guī)劃以及TBM工法的科學(xué)使用，不斷提升我國TBM施工水平。

1 我國TBM應(yīng)用現(xiàn)狀與問題分析

1.1 我國TBM應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

目前我國TBM法隧道建設(shè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展態(tài)勢，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了鐵路、水利、能源、軌道交通、礦山、綜合管廊等，同時施工的TBM數(shù)量已達(dá)40余臺(套)。例如： 西部某長隧引水工程3條隧洞總長520 km，采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合施工，主體工程同時采用18臺敞開式TBM、3臺盾構(gòu)施工，其中2條支洞采用2臺二手TBM施工，如此大規(guī)模的集群化TBM施工，在國際上也是前所未有的； 同時，引綽濟(jì)遼、滇中引水、青島地鐵、深圳地鐵、重慶軌道交通、西(寧)成(都)鐵路、川藏鐵路等項(xiàng)目也正在和即將采用大量TBM施工，從目前我國的設(shè)備設(shè)計(jì)制造以及施工能力和水平來看，這些工程將完全由國內(nèi)企業(yè)承建，并且絕大多數(shù)將采用自主品牌的TBM設(shè)備。

國內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造企業(yè)主要有3家，分別是完全自主研發(fā)的鐵建重工、收購了德國WIRTH公司的中鐵裝備和收購了美國ROBBINS公司的北方重工。筆者希望國內(nèi)完全自主品牌能夠健康發(fā)展，也希望融合了境外資源的國內(nèi)品牌能夠提供更好的產(chǎn)品和服務(wù)，促進(jìn)我國TBM設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，使其更加符合隧道建設(shè)的市場需求。

TBM法隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張，自然而然地帶動了國內(nèi)施工企業(yè)的迅猛發(fā)展，從原來中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)發(fā)展到目前的近20家企業(yè)同時施工。

我國TBM法隧道的建設(shè)環(huán)境也呈現(xiàn)出兩極化發(fā)展趨勢，一是朝向地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺隧道發(fā)展，二是朝向建設(shè)環(huán)境嚴(yán)苛的城市地下工程發(fā)展。

業(yè)內(nèi)專家與相關(guān)從業(yè)人員對于TBM施工綜合管理與存在問題方面的研究，涵蓋了宏觀管控與具體的技術(shù)層面。文獻(xiàn)[9]指出我國工程建設(shè)中存在不合理建設(shè)工期、不合理工程造價、不合理施工合同、不合理施工方案4大不合理現(xiàn)象，同樣適用于TBM法隧道施工；文獻(xiàn)[4,9]提出了正確認(rèn)識TBM工程適應(yīng)性與適用范圍、降低設(shè)備成本、提高隧道規(guī)劃設(shè)計(jì)水平、科學(xué)籌劃工期、合理控制工程造價、盡量開展地質(zhì)詳勘等觀點(diǎn)。由于施工進(jìn)度關(guān)乎工期、施工成本、建設(shè)投資以及項(xiàng)目收益，因而受到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。

1.2 TBM施工進(jìn)度不均衡問題分析

縱觀國內(nèi)TBM施工項(xiàng)目，施工進(jìn)度總體上存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象。西康鐵路秦嶺隧道及西南鐵路敞開式TBM平均月進(jìn)尺約300 m、最高月進(jìn)尺500～600 m；山西引黃入晉工程采用雙護(hù)盾TBM施工，總干線月進(jìn)尺約700 m、最高月進(jìn)尺約1 100 m，南干線平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 800 m，南干聯(lián)絡(luò)段平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 600 m；中天山隧道敞開式TBM前期平均月進(jìn)尺約400 m、后期約100 m；蘭渝鐵路西秦嶺隧道敞開式TBM平均月進(jìn)尺約400 m；遼寧重點(diǎn)供水工程敞開式TBM平均月進(jìn)尺約600 m。為增強(qiáng)可比性，以同一工程不同標(biāo)段、同一施工單位不同項(xiàng)目的同機(jī)型TBM施工進(jìn)度為例，分析如下。

1)吉林省中部城市引松供水工程采用3臺敞開式TBM施工，開挖直徑7.93 m，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，相關(guān)信息見表1，施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)見圖1(圖中折線斷開部分為TBM中間轉(zhuǎn)場時間，計(jì)算平均月進(jìn)尺時將其扣除)。TBM1平均月進(jìn)尺643 m、最高月進(jìn)尺983 m；TBM2平均月進(jìn)尺549 m、最高月進(jìn)尺1 336 m；TBM3平均月進(jìn)尺652 m、最高月進(jìn)尺1 406 m。3臺TBM月進(jìn)尺的離散性對比見圖2(已經(jīng)扣除開始掘進(jìn)、貫通、中間轉(zhuǎn)場等不滿整月的月份)，顯然月進(jìn)尺離散性由低到高排序依次為TBM1—TBM3—TBM2。經(jīng)初步調(diào)研，地質(zhì)原因、設(shè)備完好率、施工技術(shù)、施工理念、組織管理等的差異是影響施工進(jìn)度均衡性的主要因素。

表1引松供水工程TBM施工信息匯總

Table 1 Statistics of TBM construction information of Songhua River Water Conveyance Project

TBM設(shè)備隧道區(qū)段長/m區(qū)段1區(qū)段2區(qū)段3隧道總長/m施工狀態(tài)TBM開始掘進(jìn)時間TBM完工時間累計(jì)掘進(jìn)長度/m平均月進(jìn)尺/m最高月進(jìn)尺/mTBM111 4998 29819 797貫通2015-042017-0715 528643983TBM210 15210 99621 148掘進(jìn)2015-0514 5525491 336TBM310 5155 0564 62720 198貫通2015-062018-0118 7986521 406

注： 不同的月份起止日期，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析存在一定影響，但不影響本文研究分析及結(jié)果。

圖1 引松供水工程3臺TBM月進(jìn)尺對比

Fig. 1 Comparison of monthly advance among 3 TBMs used in Songhua River Water Conveyance Project

圖2 引松供水工程3臺TBM月進(jìn)尺離散性對比

Fig. 2 Comparison of discreteness of monthly advance among 3 TBMs used in Songhua River Water Conveyance Project

2)遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞，均為敞開式TBM施工，前者TBM開挖直徑為8.53 m，后者TBM開挖直徑為6.53 m，由同一個TBM團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)施工(后者主要的TBM技術(shù)與管理人員由前者整體調(diào)遣)。2臺TBM月進(jìn)尺對比見圖3，其中遼寧重點(diǎn)供水工程折線斷開部分為TBM中間轉(zhuǎn)場時間，西部輸水隧洞在第1個月份TBM掘進(jìn)時間只有2 d，計(jì)算平均月進(jìn)尺時將其扣除，其TBM平均月進(jìn)尺根據(jù)圍巖條件選取第2—7個月的平均值。2臺TBM月進(jìn)尺的離散性對比見圖4(已扣除開始掘進(jìn)、貫通、中間轉(zhuǎn)場等不滿整月的月份)。西部輸水隧洞TBM月進(jìn)尺嚴(yán)重不均衡且后期持續(xù)低迷，影響因素在于惡劣的地質(zhì)條件和施工干擾。該工程自第7個月開始遭遇嚴(yán)重蝕變巖，之后是極度破碎圍巖，且涌泥、涌砂現(xiàn)象非常嚴(yán)重，TBM對于該段隧洞的地質(zhì)適應(yīng)性極差，不適合采用TBM施工，若選用機(jī)械法則應(yīng)該考慮土壓平衡盾構(gòu)；實(shí)際揭露的圍巖與施工圖地勘成果相去甚遠(yuǎn)，且遭遇極度破碎圍巖8個月之前提供給施工單位的地質(zhì)信息為“節(jié)理密集帶”，從而給掘進(jìn)施工造成了很大的誤導(dǎo)；此外，建設(shè)單位的盲目指揮、不當(dāng)指導(dǎo)，施工單位未能及時扭轉(zhuǎn)影響也是制約施工進(jìn)展不可忽視的一個因素。

圖3遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞工程2臺TBM月進(jìn)尺對比

Fig. 3 Comparison of monthly advance between TBM used in water conveyance projects in Liaoning and that in west China

圖4遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞工程2臺TBM月進(jìn)尺離散性對比

Fig. 4 Comparison of discreteness of monthly advance between TBM used in water conveyance projects in Liaoning and that in west of China

擴(kuò)展研究范圍發(fā)現(xiàn)，上述TBM施工進(jìn)度不均衡問題并非個例，已經(jīng)成為較為普遍的問題，不利于TBM法的科學(xué)合理推廣與健康持續(xù)發(fā)展。

2 SPS作業(yè)法及其必要性

2.1 SPS作業(yè)法(持續(xù)、均衡、快速施工)

SPS作業(yè)法是TBM持續(xù)(sustained)、均衡(proportional)、快速(speedy)施工的英文縮寫，包括2重含義： 1)地質(zhì)條件適宜時實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)施工的長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)； 2)地質(zhì)條件惡劣時攻堅(jiān)克難，通過改進(jìn)施工工藝、改善設(shè)備功能與性能，提升TBM的工程適應(yīng)性。

2.2 SPS作業(yè)法的必要性

如前所述的引松供水工程是國務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一，可以解決長春、四平、遼源等吉林中部城市群水資源嚴(yán)重短缺問題，保證城鄉(xiāng)居民飲水安全和保障國家糧食安全，設(shè)計(jì)水平年(2030年)多年平均引水量為7.31億m3[10]。該引水隧洞采用3臺TBM施工，原計(jì)劃掘進(jìn)貫通時間基本相同，但實(shí)際貫通時間差異較大，與另2臺相比TBM2貫通滯后時間折中按10個月計(jì)算，引水量取設(shè)計(jì)值的60%，水量損失約6億m3，社會效益與經(jīng)濟(jì)效益損失慘重；TBM施工期間人工費(fèi)月均按1萬元/人計(jì)算，施工與管理人員按150人考慮，工期滯后10個月將增加人工費(fèi)1 500萬元，還會產(chǎn)生大量的設(shè)備折舊費(fèi)、水電油消耗、管理費(fèi)等成本，因而工期對施工成本的影響是不言而喻的。提高TBM綜合月進(jìn)尺，確保工程如期甚至提前竣工至關(guān)重要。

我國有句諺語 “不怕慢只怕站”，TBM法施工也是如此。如圖1所示，引松供水工程TBM1最高月進(jìn)尺只有983 m，但平均月進(jìn)尺為643 m；TBM2最高月進(jìn)尺為1 336 m，是TBM1的1.4倍，而平均月進(jìn)尺只有549 m，為TBM1的85.4%，如果加入中間轉(zhuǎn)場時間，其綜合施工速度更低，原因是施工進(jìn)度不均衡導(dǎo)致了TBM2綜合掘進(jìn)速度相對偏低。

由此可見，努力實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工是非常必要的，否則會明顯延誤工期、造成施工成本的增加和社會經(jīng)濟(jì)效益的巨大損失。

3 SPS作業(yè)法的基礎(chǔ)條件

倡導(dǎo)TBM持續(xù)、均衡、快速施工理念，需要打好必要的基礎(chǔ)條件，否則只能事倍功半。筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下3個方面著手。

3.1 真實(shí)、準(zhǔn)確、完整的地質(zhì)勘查

地質(zhì)條件是隧道建設(shè)最重要的影響因素，自選線開始直到開挖貫通，需要全過程關(guān)注?？尚哦容^高的地勘成果能夠?yàn)門BM掘進(jìn)提供較為準(zhǔn)確的指導(dǎo)，事先做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作，否則就如雨雪霧天或者高峰期駕車出行而不關(guān)注路況信息，使得發(fā)生堵車甚至引發(fā)交通事故的概率大大增加。

1)開工前的地質(zhì)勘查，應(yīng)盡量真實(shí)、準(zhǔn)確、完整。開工前的地勘成果，會直接決定隧道施工工法選擇、TBM機(jī)型選擇、工期與進(jìn)度計(jì)劃，是隧道工程設(shè)計(jì)施工的首要條件。如前所述，西部某長隧引水工程，平均1～2 km布設(shè)一個地質(zhì)鉆孔，對初步分析存在不良地質(zhì)的洞段加密探孔，詳盡而相對準(zhǔn)確的地勘成果為TBM順利施工奠定了良好的基礎(chǔ)，該工程第1臺TBM自2017年9月15日開始掘進(jìn)，至2018年2月底累計(jì)掘進(jìn)4 729 m，實(shí)際揭露圍巖與施工圖地勘成果的吻合性約為70%，平均月進(jìn)尺860 m；而同一地區(qū)另外一條輸水隧洞，全長41 km，以2臺敞開式TBM施工為主，前期地勘粗略，洞身段絕大部分未詳勘，甚至由于埋深大導(dǎo)致布設(shè)地質(zhì)鉆孔困難，在出口段TBM已經(jīng)完成掘進(jìn)的2 773 m洞段，實(shí)際揭露圍巖與施工圖地勘成果的吻合性只有29.7%，并且出現(xiàn)了該洞段未預(yù)見的嚴(yán)重蝕變、長距離極度破碎圍巖，TBM掘進(jìn)施工嚴(yán)重受阻，平均月進(jìn)尺僅146 m。地勘成果相對地質(zhì)條件的準(zhǔn)確度對于TBM順利施工的重要影響可見一斑。

2)TBM掘進(jìn)過程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報。由于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制，深埋于地下的圍巖情況總是讓人捉摸不透，地質(zhì)勘查成果與實(shí)際揭露的圍巖總會存在一定的偏差，因而超前地質(zhì)預(yù)報是隧道施工地質(zhì)勘查工作的必要補(bǔ)充，特別是在地質(zhì)條件欠佳洞段，具有參考價值的超前地質(zhì)預(yù)報成果能夠?yàn)門BM掘進(jìn)施工提供有效指引。施工圖地勘成果、TBM掘進(jìn)揭露圍巖狀況、超前地質(zhì)預(yù)報三者相結(jié)合，能夠?yàn)門BM掘進(jìn)施工時做到基本探明前方地質(zhì)以及科學(xué)決策提供依據(jù)。

3)及時修正地勘成果。如果施工圖地勘成果與TBM掘進(jìn)實(shí)際揭露的圍巖存在較大出入，則應(yīng)該結(jié)合實(shí)際揭露圍巖狀態(tài)、地勘原始信息重新分析并修正原來的地勘成果，甚至補(bǔ)勘或者重新勘察，否則會嚴(yán)重誤導(dǎo)TBM掘進(jìn)施工，給隧道施工安全、質(zhì)量、工期、成本埋下隱患。如前所述，全長41 km、地質(zhì)吻合性只有29.7%的隧洞，應(yīng)該立即開展該項(xiàng)工作。

3.2 TBM具有良好的工程適應(yīng)性

TBM屬于專用設(shè)備，每種類型的TBM都有其相應(yīng)的工程適應(yīng)性，甚至同類型的TBM每一臺的工程適應(yīng)性也會存在明顯差異，需要根據(jù)隧道工程的地質(zhì)條件和建設(shè)需求選型并進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。截至目前尚未出現(xiàn)可以應(yīng)對所有地質(zhì)條件和建設(shè)要求的“全能型”TBM。例如： 開挖直徑相同的敞開式TBM，如果隧道地質(zhì)以完整硬巖為主，則需要強(qiáng)大可靠的破巖能力，對初期支護(hù)能力的需求相對較弱；如果隧道地質(zhì)以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，則需要高效的初期支護(hù)能力，適合較軟圍巖的破巖能力。因此，選擇隧道施工工法時，首先要根據(jù)地勘成果全面論證TBM的工程適應(yīng)性，合理選型、科學(xué)配置。

TBM工程適應(yīng)性是一個動態(tài)管理過程。隧道工程的地質(zhì)條件總是存在不確定性，特別對于深埋長隧更是如此，因此要求TBM在能夠很好地適應(yīng)大多數(shù)地質(zhì)條件的同時，也要盡量滿足可預(yù)判的本工程可能存在的不良地質(zhì)或者惡劣地質(zhì)，并在施工實(shí)踐中不斷總結(jié)和探索，通過工藝和設(shè)備改進(jìn)提升TBM對不良地質(zhì)及惡劣地質(zhì)條件的適應(yīng)能力。但上述措施不應(yīng)該成為極端惡劣地質(zhì)條件下普遍采用的方法，只能作為應(yīng)急措施短時間、短距離應(yīng)用；TBM工程適應(yīng)性很差、施工嚴(yán)重受阻甚至長時間卡機(jī)的洞段應(yīng)果斷地依據(jù)地質(zhì)勘查與超前地質(zhì)預(yù)報成果、TBM設(shè)備及施工能力，科學(xué)決策，采用適宜的工法施工，而不能一味堅(jiān)持TBM工法，否則仍然會嚴(yán)重影響工程工期、成本，甚至造成TBM嚴(yán)重?fù)p傷。

3.3 合理規(guī)劃施工方案

對于相同的地質(zhì)條件、施工工法以及TBM類型和配置，合理的施工規(guī)劃能夠大大降低施工難度和施工風(fēng)險，縮短工期、節(jié)約投資。例如： 現(xiàn)有先進(jìn)的TBM設(shè)計(jì)制造水平、設(shè)備管理與施工技術(shù)水平，單臺TBM在同一隧道工程持續(xù)掘進(jìn)20～25 km完全可以實(shí)現(xiàn)，施工區(qū)段劃分、施工支洞設(shè)計(jì)、長距離通風(fēng)與供排水、長距離出渣與運(yùn)輸、中間是否存在不良地質(zhì)洞段及其應(yīng)對措施等眾多影響因素，都需要統(tǒng)籌規(guī)劃，合理設(shè)計(jì)。

以下述3點(diǎn)為例，通常情況下：

1)TBM單區(qū)段連續(xù)掘進(jìn)長度以10～15 km為宜。連續(xù)掘進(jìn)長度過長則設(shè)備持續(xù)完好性難以保證，掘進(jìn)過程中較長時間停機(jī)處理設(shè)備問題的概率較大；劃分的掘進(jìn)區(qū)段過多，雖然施工難度降低了，但中間轉(zhuǎn)場每次耗時約2個月，也會嚴(yán)重影響工期和成本。

2)最大通風(fēng)長度最好不超過15 km。采用ECE等知名品牌的高效變頻軸流風(fēng)機(jī)和適宜的通風(fēng)軟管，能夠較好地保證通風(fēng)效果且能耗低；對于更長距離的通風(fēng)方案，技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但加大風(fēng)管直徑可能會侵占洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)空間或?qū)е露磸郊哟螅嗯_風(fēng)機(jī)串聯(lián)通風(fēng)效果較差且增加能耗，中間增設(shè)接力風(fēng)機(jī)需要布設(shè)電纜和變壓器，都會增加通風(fēng)難度和成本，需要結(jié)合工程建設(shè)條件綜合論證；長隧施工的通風(fēng)距離偏小，則會增加通風(fēng)支洞/豎井以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)場工程量，工期和成本也會受到影響。

3)不良地質(zhì)洞段需要謹(jǐn)慎對待。首先是需要更加詳盡的地質(zhì)調(diào)查與勘察，其次是按照現(xiàn)有的TBM設(shè)備能力、初期支護(hù)措施、可以實(shí)現(xiàn)的超前加固措施和效果評判TBM針對不良地質(zhì)洞段的適應(yīng)性，能夠安全掘進(jìn)施工則采用TBM法，否則需要考慮采用礦山法等其他施工工法處理后TBM步進(jìn)通過或者下半斷面掘進(jìn)通過。

4 “七持續(xù)”“三均衡”實(shí)現(xiàn)TBM長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)

“天下武功唯快不破”，TBM掘進(jìn)施工同樣如此，但一時之快并不能保證全程快速和綜合成洞速度高，好比跑馬拉松必須根據(jù)個人體能和耐力合理控制全程速度、分配體能。

我們都希望TBM能夠充分發(fā)揮其“快速”的優(yōu)勢，在日常的TBM設(shè)備管理和施工管理中，重點(diǎn)體現(xiàn)為2個重要指標(biāo)： 1)設(shè)備完好率； 2)純掘進(jìn)時間利用率。TBM完好的狀態(tài)是隧道順利掘進(jìn)的根本；提到TBM純掘進(jìn)時間利用率，讓筆者想起小學(xué)語文課文《挑山工》，挑山工走“之”字形路線，登一次山走的路程大約比游人多一倍，但花的時間并不比游人多，關(guān)鍵在于挑山工持續(xù)緩速前進(jìn)，具有很高的時間利用率，而游人瞬時速度快但停歇太多，時間利用率較低，龜兔賽跑的寓言故事講的也是這個道理。較高的設(shè)備完好率和純掘進(jìn)時間利用率是TBM持續(xù)、均衡、快速施工的重要指標(biāo)。經(jīng)研究認(rèn)為，需要在施工全過程中貫徹執(zhí)行“七持續(xù)”“三均衡”10項(xiàng)措施。

4.1 設(shè)備狀態(tài)持續(xù)完好

持續(xù)保證TBM及關(guān)鍵配套施工設(shè)備狀態(tài)完好，是貫穿TBM施工始終的全過程動態(tài)管理。以TBM設(shè)備為例闡述如下：

1)TBM招標(biāo)采購階段，需要全面、詳細(xì)地研究，根據(jù)工程需求提出合理的TBM功能、性能、壽命、工作能力等全方位的要求。

2)TBM設(shè)計(jì)階段，需要充分溝通，合理調(diào)整完善其功能、性能、各系統(tǒng)的能力、壽命，且各系統(tǒng)相互匹配，設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)過程中需要相關(guān)各方緊密配合。

3)制造階段，制造單位嚴(yán)格按工藝流程生產(chǎn)，買方(用戶)需要嚴(yán)格按規(guī)程監(jiān)造，及時發(fā)現(xiàn)問題并整改完善。

4)驗(yàn)收階段，需要高度關(guān)注出廠驗(yàn)收，目標(biāo)是消除存在的一切缺陷，各方共同嚴(yán)格要求、逐項(xiàng)檢查、努力發(fā)現(xiàn)存在的問題和必要的改進(jìn)可能性，消除設(shè)備缺陷，原則上驗(yàn)收合格率達(dá)到100%方可出廠。出廠驗(yàn)收與工地組裝調(diào)試驗(yàn)收，均為空載驗(yàn)收，重點(diǎn)關(guān)注TBM的設(shè)計(jì)功能是否滿足驗(yàn)收要求；試掘進(jìn)驗(yàn)收為負(fù)載驗(yàn)收，重點(diǎn)關(guān)注TBM工作性能是否滿足驗(yàn)收要求。把好驗(yàn)收關(guān)，才能把好設(shè)備質(zhì)量關(guān)。

5)掘進(jìn)施工過程中，規(guī)范操作，按規(guī)程維護(hù)保養(yǎng)，及時維修，避免和減少故障，降低故障對掘進(jìn)施工的影響。

只有從設(shè)備選型與功能配置的源頭抓起，確保出廠的設(shè)備質(zhì)量可靠，并且在使用全過程中加強(qiáng)管理，加大設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)力度，正確處置設(shè)備故障，才能保持設(shè)備長期處于良好工作狀態(tài)。

4.2 操作執(zhí)行持續(xù)規(guī)范

“沒有規(guī)矩不成方圓”，TBM施工過程中，規(guī)范操作涉及到每道工序，大到掘進(jìn)操作，小到洞底清理都要按規(guī)范執(zhí)行。編制完整的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書并貫徹執(zhí)行，包括維護(hù)保養(yǎng)、掘進(jìn)操作、管片拼裝與回填、拼裝鋼拱架、打錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、安裝鋼筋排、噴射混凝土、洞底清理、刀具檢查與更換、管線延伸、連續(xù)皮帶機(jī)延伸、皮帶硫化、物料運(yùn)輸、刀具維修裝配、設(shè)備維修、軸線控制……規(guī)矩有了之后，關(guān)鍵在于按規(guī)矩執(zhí)行，增強(qiáng)執(zhí)行力。

例如： 掘進(jìn)操作環(huán)節(jié)，規(guī)范操作可以讓TBM長期保持在合理的負(fù)載范圍內(nèi)工作，并留有足夠的余量應(yīng)對突發(fā)情況而盡量避免TBM超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；可以大大規(guī)避設(shè)備故障而提高設(shè)備完好率；可以減少和避免意外情況發(fā)生而提高TBM純掘進(jìn)時間利用率。所以，規(guī)范操作是實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工的重要影響因素。

4.3 施工準(zhǔn)備持續(xù)完備

“未雨綢繆”、“謀定而后動”、“工欲善其事必先利其器”、“七分準(zhǔn)備三分干”，這些諺語都在說明一個道理——“準(zhǔn)備”的重要性。持續(xù)做好各項(xiàng)施工準(zhǔn)備，是TBM順利施工的重要保障。道路不通TBM無法運(yùn)輸進(jìn)場，場地不平TBM配套設(shè)施沒有布設(shè)空間，起重設(shè)備不到位TBM無法組裝，施工組織設(shè)計(jì)不齊備TBM無法開始掘進(jìn)，風(fēng)水電不通、施工材料未加工、備品備件不到場TBM也同樣無法開工。

施工準(zhǔn)備無處不在，施工準(zhǔn)備貫穿始終。TBM維修保養(yǎng)是為掘進(jìn)施工做準(zhǔn)備，本掘進(jìn)循環(huán)的完成是為下一個循環(huán)的開始做準(zhǔn)備，每道工序?qū)嶋H上都是在為下一道工序做準(zhǔn)備，直到隧道貫通、TBM拆卸并運(yùn)出隧道為止，此時又要為TBM后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)與存儲、后續(xù)工程施工做好必要的準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備充分完備，就能減少非掘進(jìn)所占用的時間，提高TBM純掘進(jìn)時間利用率，提高TBM設(shè)備完好率。

4.4 工序銜接持續(xù)緊湊

工序銜接緊湊能夠最大程度地避免時間浪費(fèi)，提高TBM純掘進(jìn)時間利用率。例如： 西康鐵路秦嶺隧道TBM施工采用有軌運(yùn)輸出渣，平均月進(jìn)尺310 m，TBM純掘進(jìn)時間利用率29.8%，運(yùn)輸故障導(dǎo)致TBM停機(jī)等待時間占20%以上[11]，因而工序銜接不暢對TBM施工進(jìn)度的影響很大；引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺北工程第1階段TBM掘進(jìn)過程中，平均月進(jìn)尺517 m，純掘進(jìn)時間利用率只有約20%，主要原因之一是皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)經(jīng)常性故障導(dǎo)致TBM掘進(jìn)施工無法長時間緊密銜接，只能間歇性掘進(jìn),而TBM本身的工程適應(yīng)性很好，假設(shè)該工程的皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)配置合理、性能可靠，故障率會顯著降低，TBM純掘進(jìn)時間利用率達(dá)到業(yè)界平均30%以上的水平是可以實(shí)現(xiàn)的，即使提高5%平均月進(jìn)尺也會達(dá)到650 m。除設(shè)備原因之外，施工組織對工序銜接的影響也很大，勞動力配置不足會增加工序作業(yè)時間，技術(shù)力量不足會增加措施決策時間，上下工序沒有統(tǒng)籌安排會增加單位工程量作業(yè)時間，工序交接拖沓、勞動積極性不高同樣會影響施工效率。

工序銜接緊湊并且做到持之以恒，需要具備強(qiáng)有力的綜合施工管理水平，包括技術(shù)保障、資源投入、現(xiàn)場管理、人員管理、安全文明施工、質(zhì)量控制等各個方面，任何一個環(huán)節(jié)的問題都會影響TBM順利掘進(jìn)，多個短時間影響匯集到一起就會嚴(yán)重影響TBM純掘進(jìn)時間利用率，而TBM掘進(jìn)進(jìn)尺是由掘進(jìn)速率與純掘進(jìn)時間共同決定的。

4.5 施工工藝持續(xù)改進(jìn)

作為TBM掘進(jìn)施工技術(shù)保障的一個不可或缺的環(huán)節(jié)是不斷優(yōu)化施工工藝，完善設(shè)備性能。

雖然開工之前已經(jīng)制定了當(dāng)時認(rèn)為完善的施工方案和施工工藝，但掘進(jìn)施工過程中，還需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)存在的問題，努力探索，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷增強(qiáng)設(shè)備的工程適應(yīng)性，提高技術(shù)措施的實(shí)施效率，提升施工能力，減少非掘進(jìn)工序占用時間，提高TBM掘進(jìn)施工過程中的設(shè)備完好率和純掘進(jìn)時間利用率。

例如： 敞開式TBM同步襯砌施工技術(shù)能夠大大提升隧道施工綜合成洞速度與安全性；鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)的合理應(yīng)用能夠大幅減少破碎地質(zhì)條件下的圍巖坍塌；連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)可以助力提升TBM純掘進(jìn)時間利用率和施工速度。

4.6 安全質(zhì)量持續(xù)保證

安全事故帶來的損失巨大，直接影響施工進(jìn)度與工期、社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益等，國家、行業(yè)、企業(yè)對于安全生產(chǎn)的重視程度越來越高，相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章制度也越來越健全，安全體系、安全措施不斷完善，共同為施工生產(chǎn)保駕護(hù)航。

百年大計(jì)，質(zhì)量第一。沒有質(zhì)量保證就無法保證隧道全壽命周期內(nèi)的安全運(yùn)營。

TBM施工安全，首先是人的安全，其次是設(shè)備安全，需要相應(yīng)的安全措施與資源投入方可實(shí)現(xiàn)，這是安全生產(chǎn)的重要保證。遇到惡劣地質(zhì)條件時，更要增強(qiáng)風(fēng)險意識。例如： 為錨桿鉆機(jī)等初期支護(hù)設(shè)備配備足夠的防護(hù)措施可以有效避免拱頂坍塌造成設(shè)備損傷；作業(yè)人員充分了解巖爆風(fēng)險及其危害能夠及時躲避危險并提前采取預(yù)防措施；破碎圍巖條件下合理及時支護(hù)能夠保證隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)。

安全與質(zhì)量密不可分，必須常抓不懈，不能出現(xiàn)斷檔，務(wù)必做到時時刻刻講安全、時時刻刻保質(zhì)量，唯有如此我們才能安心地使用TBM，配合TBM順利掘進(jìn)施工。

4.7 施工管理持續(xù)完善

施工管理貫穿于TBM掘進(jìn)施工的全方位、全過程，除了前文所述，還包括生產(chǎn)組織管理模式、人力資源管理、執(zhí)行力建設(shè)、成本控制、資金管理等。例如： 20世紀(jì)90年代采用的“9 + 9 + 6”工作制(即2個掘進(jìn)班每天分別工作9 h，1個整備班每天工作6 h，交替循環(huán))與長距離連續(xù)掘進(jìn)的施工現(xiàn)狀相比已經(jīng)落伍，逐步改為“12 + 12并6”工作制(即3個掘進(jìn)班每次工作12 h休息24 h，輪班作業(yè)；同時，1個整備班每天固定時間開始工作6 h，整備完畢則掘進(jìn)班開始掘進(jìn)施工，實(shí)現(xiàn)無縫銜接)，既保證了工人充分休息又提升了TBM施工效率。

著重提及一點(diǎn)，人力資源是第一生產(chǎn)要素，即便TBM這樣的機(jī)械化施工，也同樣離不開人。TBM應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，帶來建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、制造單位對TBM專業(yè)人才需求的增加，TBM人才流動在所難免，如何聘人、育人、用人、留人，營造寬松的勞動氛圍、培養(yǎng)健康樂觀的工作作風(fēng)，激發(fā)人的主觀能動性和創(chuàng)造性，是一個大課題，且已經(jīng)有很多研究成果，但仍需與時俱進(jìn)、研究出更加適用的解決之道，為TBM施工留住可用人才。

4.8 生產(chǎn)資源均衡匹配

TBM掘進(jìn)施工的生產(chǎn)要素涉及人、機(jī)、料、財、法、環(huán)，既要滿足掘進(jìn)施工需求，又要合理控制，與工程本身、施工進(jìn)展、施工進(jìn)度動態(tài)匹配。資源配置不足會制約TBM掘進(jìn)，過多又會造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)，均衡匹配才符合TBM持續(xù)、均衡、快速施工的要求。

以人力資源為例，TBM施工需要大量有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人，也需要清理虛渣的普通工人，更離不開主司機(jī)、機(jī)電液工程師等專業(yè)技術(shù)人才和高水平的技術(shù)管理與綜合管理人才，只有具備與崗位相適應(yīng)的良好素質(zhì)和較強(qiáng)能力的人力資源的合理匹配才能形成有機(jī)整體，為掘進(jìn)施工全面服務(wù)。

4.9 成本消耗均衡控制

控制TBM施工成本要與當(dāng)前的建設(shè)環(huán)境、地質(zhì)條件、面臨的主要困難相匹配，并非一味減少投入。成本控制涉及所有的生產(chǎn)要素和施工環(huán)節(jié)，與生產(chǎn)資源均衡匹配是相輔相成的，需要有大局觀、整體意識。成本消耗與TBM掘進(jìn)施工進(jìn)展存在必然的內(nèi)在聯(lián)系，均衡控制才能實(shí)現(xiàn)保生產(chǎn)和降成本雙贏的局面。

例如： 采用TBM法施工的長大隧道，通風(fēng)距離甚至達(dá)到了20 km，通常會配置類似前文所述的高性能的通風(fēng)設(shè)備；對于通風(fēng)距離為7～8 km甚至更短一些的隧道，普通風(fēng)機(jī)也能夠滿足通風(fēng)需求，然而由于設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量的原因，能耗截然不同，最終降低了設(shè)備采購成本——“貪小便宜”，而大幅增加了風(fēng)機(jī)耗電成本——“吃大虧”。成本控制的“多”和“少”需要辯證對待。

4.10 工程造價均衡發(fā)展

上述措施保證了TBM掘進(jìn)施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本，而施工企業(yè)必須追求合理的利潤，否則企業(yè)就無法生存和發(fā)展。這就需要工程造價要合理，要與時俱進(jìn)，而不是死守多年前頒布實(shí)施的TBM定額。

TBM法隧道施工技術(shù)作為近年才推廣應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝，其技術(shù)水平、施工能力、施工規(guī)劃、施工方案正在不斷發(fā)生重大變化，定額編制時雖然合理推知、適當(dāng)超前，但仍然趕不上時代的腳步。例如： 2007年頒布實(shí)施的《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額： 掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程》，概算部分“TBM掘進(jìn)定額中軸流通風(fēng)機(jī)臺時量是按一個工作面長度6 km以內(nèi)擬定的，當(dāng)工作面長度超過6 km時，應(yīng)按表2系數(shù)調(diào)整軸流通風(fēng)機(jī)臺時量”，表2中所列工作面長度最大僅為12 km[12]，而目前實(shí)際工程中TBM最大通風(fēng)距離已經(jīng)超過20 km。再如人工費(fèi)，參照最新的《水利工程設(shè)計(jì)概(估)算編制規(guī)定: 工程部分》,TBM掘進(jìn)人工費(fèi)中級工預(yù)算單價8.90元/h[13]，與當(dāng)今不少于5 000元/月的普通農(nóng)民工工資水平相比，只有其40%。定額編制時所依據(jù)的工程實(shí)例、所采集的工程信息，數(shù)據(jù)樣本量太小、樣本代表性不足，和現(xiàn)階段的形勢相去甚遠(yuǎn)；況且上級部門審批、建設(shè)單位招標(biāo)過程中還會在此基礎(chǔ)上“揮刀砍一截”，施工虧損是不言而喻的。

此類現(xiàn)象比比皆是，大伙房輸水工程、遼寧重點(diǎn)供水工程、西部某長隧引水工程等都存在投標(biāo)價格低于成本價的問題，施工企業(yè)為了市場份額而承建，這不是長久之計(jì)。呼吁相關(guān)部門科學(xué)、理性對待工程造價控制問題，既要控制投資又要讓企業(yè)通過自己的努力獲得合理的利潤，這才是長久健康、科學(xué)、和諧發(fā)展之道，才能真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

5 工程應(yīng)用與效果

TBM施工SPS作業(yè)法，在遼寧重點(diǎn)供水工程二段四標(biāo)開始研究應(yīng)用，并且在實(shí)踐過程中不斷探索、改進(jìn)、完善，全標(biāo)段TBM平均月進(jìn)尺616 m、最高月進(jìn)尺822.6 m，最低月進(jìn)尺485 m(不滿整月的試掘進(jìn)及轉(zhuǎn)場后的第1個月)，月進(jìn)尺離散性為-25.2%～26.8%，純掘進(jìn)時間利用率達(dá)59.76%[5]。

之后，SPS作業(yè)法推廣應(yīng)用于吉林引松工程二標(biāo)段。TBM第1階段于2016年1月10日提前110 d貫通，平均月進(jìn)尺710 m，純掘進(jìn)時間利用率達(dá)63%[14-15]；二標(biāo)段全線提前14個月貫通，平均月進(jìn)尺643 m，純掘進(jìn)時間利用率達(dá)56.85%[16]。

6 結(jié)論與討論

1)SPS作業(yè)法是促進(jìn)TBM法隧道施工技術(shù)科學(xué)發(fā)展的重要保障，目前的施工技術(shù)與管理水平，能夠滿足在適宜的地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工。

2)“3個基礎(chǔ)”“10項(xiàng)措施”是實(shí)現(xiàn)適宜地質(zhì)條件下TBM持續(xù)、均衡、快速施工的必要條件和有力保障。

3)開展極端惡劣地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)研究是TBM持續(xù)、均衡、快速施工不可或缺的重要內(nèi)容。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和建設(shè)環(huán)境的變化，不良地質(zhì)條件、惡劣地質(zhì)條件是不可避免的，也無法完全預(yù)知，不良地質(zhì)條件下的TBM施工技術(shù)研究已經(jīng)很多，但極端惡劣地質(zhì)條件已經(jīng)嚴(yán)重影響了部分TBM工程的順利實(shí)施。下一步需要針對極端惡劣地質(zhì)開展系統(tǒng)研究工作，如極強(qiáng)巖爆、高巖溫、高地應(yīng)力、強(qiáng)蝕變、嚴(yán)重破碎圍巖、大變形、大流量突涌水、高壓涌水、突泥涌砂、極完整特硬巖、高磨蝕性圍巖等。

最后，倡導(dǎo)所有參建單位各司其職，通力合作，發(fā)揮專長，專業(yè)人做專業(yè)事，促進(jìn)TBM工法科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展。