引江補漢工程超大直徑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，牛運華，朱學(xué)賢，李雅詩

1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，430010，武漢；2.水資源工程與調(diào)度全國重點實驗室，430010，武漢

摘要：引江補漢工程是我國骨干水網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，擁有我國在建單洞最長、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，突破了我國水工隧洞TBM選型與配置的技術(shù)局限。在引江補漢工程輸水隧洞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)綜合評價等量化選型技術(shù)，通過地質(zhì)與結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、安全性、經(jīng)濟性、工期保障率等多要素綜合評價，提出了4臺敞開式、3臺單護盾式、2臺雙護盾式和1臺雙模式共10臺TBM集群選型方案，同時配置了敞開式TBM鋼管片安裝系統(tǒng)、法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機、雙護盾式TBM錨網(wǎng)噴支護系統(tǒng)、超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、多功能超前鉆機系統(tǒng)和TBM集群智能管控平臺裝備等創(chuàng)新性技術(shù)系統(tǒng)，探索形成我國復(fù)雜地層深埋長大隧洞工程超大直徑TBM集群選型與針對性配置新模式。

關(guān)鍵詞：引江補漢工程；深埋長大隧洞；水工隧洞；超大直徑TBM；TBM集群；TBM選型與配置；適應(yīng)性評價

作者簡介：宋志忠，副總工程師，正高級工程師，主要研究方向為長距離引調(diào)水和高壩通航工程勘察設(shè)計。

基金項目：中國博士后科學(xué)基金（2025M773260）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.21.010

引言

輸水工程是長距離引調(diào)水工程的關(guān)鍵控制性項目，建設(shè)工期長，投資占比高，并且面臨復(fù)雜的施工風(fēng)險。目前，TBM（全斷面巖石掘進機）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)用于深埋長大隧洞掘進。如何根據(jù)工程特點選擇適宜的TBM類型和配置設(shè)計是深埋復(fù)雜地層隧洞工程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，對工程投資和建設(shè)周期甚至隧洞能否順利貫通都有重要影響。

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

在TBM與地質(zhì)適應(yīng)性選型研究方面，成果也較為豐富。司富安等針對水工隧洞TBM施工特點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)性評價方法，綜合考慮了隧洞設(shè)計、主要地質(zhì)條件、不良地質(zhì)和環(huán)境因素對TBM選型的影響；馮歡歡等總結(jié)了國內(nèi)典型TBM隧洞（道）工程面臨的不良地質(zhì)問題，提出了TBM針對性設(shè)計與改造技術(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、施工環(huán)境等角度進行綜合比選；洪開榮從色季拉山隧道地質(zhì)適應(yīng)性、風(fēng)險可控性、工期、經(jīng)濟等方面進行TBM選型和針對性設(shè)計；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羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞TBM進行選型；鄧銘江和譚忠盛提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下敞開式TBM適應(yīng)性量化評價方法。這些研究為單臺TBM選型提供了較充足的理論與實踐支撐，但多聚焦于大中型直徑設(shè)備（≤10m）或單一機型，尚未形成針對12m級超大直徑TBM集群的系統(tǒng)選型理論和成功經(jīng)驗。

TBM選型的核心是實現(xiàn)地層與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)、工期與經(jīng)濟相協(xié)調(diào)、安全與效率有保障。盡管國內(nèi)外學(xué)者與工程師采用工程案例類比、定性和定量評價等方法，不斷完善TBM選型理論框架，但結(jié)合引江補漢工程“超大直徑、超長隧洞集群施工，復(fù)雜地質(zhì)風(fēng)險疊加”特點和難點，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展，圍繞“集群選型、設(shè)備配置”兩大核心問題展開系統(tǒng)研究，可填補超大直徑TBM集群選型與配置領(lǐng)域的空白，促進我國深埋長大隧洞TBM技術(shù)向“集群化、超大直徑化、智能化”發(fā)展。

引江補漢工程概況

引江補漢工程從長江三峽水庫引水入漢江，輸水隧洞長約194.3km，過水平均洞徑10.2m，TBM開挖直徑達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，計劃采用10臺TBM進行施工，TBM施工長度約124km，占線路總長約64%。

1.地質(zhì)概況

引江補漢工程隧洞線路長且隧洞埋深大，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。沿線實測水平主應(yīng)力達35.2MPa，最大水壓超過5MPa，最大巖石強度達354MPa，穿越軟質(zhì)巖總長度達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約26km，工程面臨的主要地質(zhì)問題有突涌水（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開挖直徑12.2m，屬超大直徑。如何根據(jù)工程條件進行合理的TBM選型一直是隧洞工程實施中的關(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比評估法，定量分析法較為欠缺，針對復(fù)雜不良地質(zhì)條件的實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

從目前施工經(jīng)驗來看，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，掘進效率較高。而超大直徑TBM，支護工程量大，支護時間長，清渣工作量也大，掘進效率較低。大直徑TBM施工時對圍巖擾動大，開挖后隧洞跨度大，如采用敞開式TBM施工，初期支護工程量大且支護時間長，在圍巖破碎洞段的自穩(wěn)能力差。

（3）超大直徑TBM制造

相對于小直徑TBM，超大直徑TBM制造存在以下難點：①整機結(jié)構(gòu)強度和剛度要求高。刀盤正常掘進時整機受力大，整體設(shè)計難度大。②部件分塊設(shè)計，組裝工作量大。出于運輸需要，盾體等尺寸較大部件需根據(jù)運輸尺寸限制進行分塊設(shè)計，分塊數(shù)量多導(dǎo)致裝配工作量大，同時對于加工精度要求也高。③整機尺寸較大，且各部件組裝后重量較重，起吊較困難，運輸轉(zhuǎn)場難度加大。④設(shè)備制造周期長。

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機型主要有敞開式、單護盾式、雙護盾式、雙（多）模式等類型。分析TBM在我國隧洞（道）工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，給引江補漢工程TBM選型提供更多參考，本文統(tǒng)計分析了各行業(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、鐵路以及煤炭開采等行業(yè)領(lǐng)域，TBM均應(yīng)用廣泛。依據(jù)相關(guān)文獻資料進行統(tǒng)計分析，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、單洞長度長等特點。

1.TBM選型與直徑分析

（1）TBM選型分析

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

（2）TBM直徑分析

我國TBM隧洞開挖直徑以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隧洞開挖直徑超過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)。

對國內(nèi)外部分開挖直徑超過10m的TBM工程案例進行統(tǒng)計分析，采用敞開式TBM施工的占比約為41.2%，高于單護盾式TBM和雙護盾式TBM。其中，公路及鐵路隧道多選擇單護盾式或敞開式TBM，而水利水電工程隧洞多選擇敞開式TBM，其次為雙護盾式TBM，使用單護盾式TBM的情況較少。相較而言，國內(nèi)尚無超大直徑單護盾式TBM隧洞的施工案例。目前，國內(nèi)水利水電行業(yè)最大直徑TBM隧洞為錦屏二級水電站引水隧洞，直徑為12.4m，選用的TBM類型為敞開式。綜合分析國內(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)先選擇敞開式TBM或雙護盾式TBM施工。

2.水工隧洞TBM應(yīng)用情況分析

對國內(nèi)50余項水利水電工程TBM類型進行統(tǒng)計，約有60%的水工隧洞選用敞開式TBM施工，其次是雙護盾式TBM，單護盾式TBM的應(yīng)用案例較少。其中，隧洞開挖直徑超過8m的水利水電工程，隧洞TBM類型均為敞開式TBM。

國內(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及評價

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）三個級別，考慮的主要因素為圍巖類別和TBM掘進效率指標(biāo)，其中TBM掘進效率指標(biāo)包含巖體完整性、巖石飽和單軸抗壓強度以及圍巖強度應(yīng)力比。

（2）特殊地質(zhì)洞段適應(yīng)性評價

《全斷面巖石掘進機法水工隧洞工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T 839—2025）對超硬巖（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對主要地質(zhì)條件適宜性評價基礎(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TBM選型的影響，通過地質(zhì)條件劃分可得到區(qū)段內(nèi)各類不利地質(zhì)條件的等級與占比。

（3）不利地質(zhì)條件對TBM選型影響定量評價方法

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）等最高等級的不利地質(zhì)中，A對機型影響較小，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%時適宜性等級為差，10%～15%為中，超過15%為好，B、C、D則以0～3%、3%～5%、>5%對應(yīng)好、中、差。TBM對4類不利地質(zhì)條件適應(yīng)性評分按下表權(quán)重加權(quán)求和得總分。

不良地質(zhì)圍巖分類評分權(quán)重

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

（4）深部復(fù)合地層TBM選型適應(yīng)性模糊數(shù)學(xué)綜合評價法

①評價方法。基于資料調(diào)研與施工經(jīng)驗，從TBM設(shè)計、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、代表性評價指標(biāo)，構(gòu)建含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的TBM選型評價體系。采用模糊綜合評價法，結(jié)合工程經(jīng)驗與專家建議確定模糊隸屬函數(shù)，實現(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)度并進行決策。多數(shù)工程可在設(shè)計階段用參數(shù)代表值（如加權(quán)平均值）進行適應(yīng)度評價，而對于引江補漢工程等復(fù)雜長隧洞，地質(zhì)差異大時可分段評價，即將隧洞分段，分別計算適應(yīng)度，再依據(jù)段長加權(quán)平均得綜合適應(yīng)度。

②評價標(biāo)準(zhǔn)。為了量化評判復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM的選型適應(yīng)性，需要給出適應(yīng)性評價的標(biāo)準(zhǔn)。為此，將TBM選型適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)分為5個等級，其中第Ⅱ級又細分為兩個亞級，不同評價等級與適應(yīng)度的關(guān)系及適應(yīng)性評價見下表。

復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM選型適應(yīng)性評價分級標(biāo)準(zhǔn)

（5）TBM選型經(jīng)濟性分析

從經(jīng)濟性角度，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，僅需初期支護或小規(guī)模二次襯砌即可保障穩(wěn)定時，敞開式TBM通常為優(yōu)選方案，因其市場采購價格低于護盾式TBM，能直接降低設(shè)備投入成本，且因施工特性無需管片襯砌，可大幅度減少材料采購、運輸及安裝等一系列襯砌相關(guān)費用。

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

對于適用多種TBM且必須二次襯砌的隧洞，經(jīng)濟性比較需以滿足工期要求為前提。即不僅要對比不同TBM的采購、租賃及維護成本，還需精確核算各機型對應(yīng)的襯砌工程量、施工工藝及工期長短，通過建立詳細成本模型，最終選出兼顧工程質(zhì)量、進度與經(jīng)濟效益的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)綜合評價法和模型，對引江補漢隧洞工程TBM8施工洞段主洞的TBM適應(yīng)性進行計算分析，以確定該洞段最優(yōu)的TBM選型。

TBM8洞段主洞全長11125m，分為L1～L9共9個分段，將各分段的評價指標(biāo)輸入TBM選型適應(yīng)性評價模型中，計算不同類型TBM選型適應(yīng)度。敞開式、單護盾式和雙護盾式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，采用敞開式TBM初期支護工程量較大，施工效率較低，安全性差，而采用護盾式TBM開挖后，直接拼裝管片，可確保施工安全，減少施工程序，加快施工進度；采用單護盾式TBM相對雙護盾式TBM卡機風(fēng)險小。據(jù)此，TBM8洞段主洞選擇單護盾式TBM。

引江補漢工程TBM8施工洞段TBM選型適應(yīng)度計算評價

2.引江補漢工程超大直徑TBM集群選型

引江補漢工程TBM選型從TBM對主要地質(zhì)條件的適應(yīng)性、對特殊地質(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)性評價、隧洞結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析、經(jīng)濟性分析、工期分析等方面進行研究，最后進行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。

引江補漢工程各TBM施工段TBM選型

超大直徑TBM針對性配置

隨著我國隧洞工程走向地層深部，越來越復(fù)雜、嚴(yán)苛的施工條件對TBM的設(shè)計、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主機型式區(qū)別的影響逐漸小于配置的影響。例如，引江補漢工程中敞開式TBM上配備了鋼管片支護系統(tǒng)，單護盾式TBM具備同步拼推功能，雙護盾式TBM配備錨網(wǎng)噴支護系統(tǒng)，主機型式與功能性配置界限的關(guān)聯(lián)性正在減弱。引江補漢工程在TBM“主機配置、輔助支護、超前探測、智能管控”等方面的針對性配置，探索形成一系列創(chuàng)新成果。

1.TBM主機特色配置

以單護盾式TBM推拼同步系統(tǒng)為例：推拼同步就是在單護盾式TBM向前掘進的時段內(nèi)完成前一環(huán)管片拼裝，實現(xiàn)單護盾式TBM連續(xù)掘進，從而避免掘進與拼裝的交替循環(huán)，以提高功效、降低成本。推拼同步技術(shù)一改傳統(tǒng)單護盾式TBM推進—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作業(yè)中，在保證單護盾式TBM掘進姿態(tài)穩(wěn)定的情況下，將掘進與拼裝從“串聯(lián)”走向“并聯(lián)”，相比于常規(guī)的推進系統(tǒng)，推拼同步系統(tǒng)可提高效率達26%。

▲推拼同步過程中管片拼裝示意

2.TBM輔助支護特色配置

（1）敞開式TBM鋼管片安裝系統(tǒng)

引江補漢工程敞開式TBM上配備了鋼管片安裝系統(tǒng)。對于敞開式TBM，在其護盾內(nèi)部設(shè)計一組多支護推進系統(tǒng)，推力由拼裝的鋼管片提供，使其具備單護盾掘進模式。掘進時，在護盾內(nèi)部拼裝鋼管片，通過鋼管片提供推進反力。每組輔助推進油缸區(qū)域增加導(dǎo)向座，連接護盾與變速箱，用于傳遞推進反力。鞍架下部增加可伸縮式支腿和小撐靴，可實現(xiàn)上下左右調(diào)向和糾滾。

▲敞開式TBM多支護輔助推進系統(tǒng)示意

（2）法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機

敞開式TBM一般在L1區(qū)或L2區(qū)（即TBM后方的初期支護工作區(qū)）配備兩臺主梁式錨桿鉆機，作業(yè)范圍可達到拱部270°。然而，傳統(tǒng)的TBM主梁式錨桿鉆機存在兩個主要不足：①錨桿鉆機無法垂直洞壁打設(shè)鉆桿，導(dǎo)致錨桿無法垂直洞壁施作，極大地削弱了錨桿的錨固效果；②錨桿鉆機無法自動地拾取、續(xù)接、拆卸鉆桿，增加了現(xiàn)場施工人員的勞動強度和施工風(fēng)險，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。相比于傳統(tǒng)TBM錨桿鉆機，法向預(yù)應(yīng)力錨固鉆機增加了錨固鉆機的運動自由度，可實現(xiàn)錨固鉆機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)力錨固鉆機橫剖面圖

（3）雙護盾式TBM錨網(wǎng)噴支護系統(tǒng)

引江補漢工程雙護盾式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需求。雙護盾式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)噴支護設(shè)備，具體包括錨桿鉆機、鋼筋網(wǎng)安裝器、混凝土噴射系統(tǒng)等。施工過程中可根據(jù)地質(zhì)情況合理選擇支護措施，以應(yīng)對各類復(fù)雜地質(zhì)條件穩(wěn)定高效掘進，同時降低施工成本，提高掘進效率。

3.TBM超前探測配置

（1）超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

引江補漢工程TBM配置搭載式電法超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，同時預(yù)留地震波法、微震監(jiān)測接口。配置有兩套超前鉆機（超前鉆注一體數(shù)字化鉆機+氣動超前管棚鉆機）。利用長短結(jié)合、“物探+鉆探”結(jié)合方式進行超前地質(zhì)探測，為TBM施工提供判斷和決策依據(jù)。電法超前地質(zhì)探測系統(tǒng)搭載在刀盤上，通過開孔（80mm）安裝14個測量電極，通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)電極伸縮，TBM設(shè)備提供液壓動力并將其引至主梁內(nèi)，可對掌子面前方約30m含水構(gòu)造進行探測與三維成像。

（2）多功能超前鉆機系統(tǒng)

引江補漢工程TBM配置兩套超前鉆機系統(tǒng)：多功能超前鉆注一體機（數(shù)字鉆機）+超前管棚鉆機。超前鉆機布置于托梁上，實現(xiàn)對隧道360°的范圍管棚、超前錨桿、超前小導(dǎo)管等支護及刀盤前方超前探測及超前取芯施工。

▲超前鉆注一體機和多功能超前管棚鉆機

4.TBM集群智能管控平臺

引江補漢工程TBM集群管理系統(tǒng)運用物聯(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，包含數(shù)字現(xiàn)場、風(fēng)險智能預(yù)警、施工過程管控、進度效益管控等功能，實現(xiàn)TBM集群施工全方位數(shù)字化動態(tài)管理。通過對海量動態(tài)數(shù)據(jù)高效梳理、科學(xué)管理和智能分析，推進TBM掘進智能化和施工風(fēng)險管理科學(xué)化，提高隧洞建設(shè)信息化、智能化水平。

展望

引江補漢工程屬首次大規(guī)模應(yīng)用超大直徑TBM集群進行隧洞施工的工程，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——突破了我國以往直徑超8m的水工隧洞TBM均為敞開式的單一選型局限，形成包括敞開式、單護盾式、雙護盾式和雙模式等多種機型的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展了技術(shù)創(chuàng)新。在引江補漢工程超大直徑TBM集群設(shè)備選型及配置的研究成果和實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，未來進一步探索TBM功能配置標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及無人化自動掘進技術(shù)，必將助力我國重大引調(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].中國水利2025（21）：65-72.

封面攝影林杰

責(zé)編呂彩霞

校對董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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