引江補漢工程超大直徑TBM集群設備選型及配置關鍵技術

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，朱學賢，李雅詩

1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，430010，武漢；2.水資源工程與調度全國重點實驗室，430010，武漢

摘要：引江補漢工程是我國骨干水網建設的重要組成部分，擁有我國在建單洞最長、洞徑最大、綜合技術難度最高的有壓輸水隧洞，工程建設中首次應用超大直徑TBM集群施工，突破了我國水工隧洞TBM選型與配置的技術局限。在引江補漢工程輸水隧洞TBM集群選型研究中，應用了基于不利地質條件閾值和深部復合地層TBM適應性模糊數學綜合評價等量化選型技術，通過地質與結構適應性、安全性、經濟性、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、法向預應力錨固鉆機、雙護盾式TBM錨網噴支護系統、超前地質預報系統、多功能超前鉆機系統和TBM集群智能管控平臺裝備等創新性技術系統，探索形成我國復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水和高壩通航工程勘察設計。

基金項目：中國博士后科學基金（2025M773260）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.21.010

引言

輸水工程是長距離引調水工程的關鍵控制性項目，建設工期長，投資占比高，并且面臨復雜的施工風險。目前，TBM（全斷面巖石掘進機）因其比傳統鉆爆法更加高效、安全、環境友好，被廣泛應用于深埋長大隧洞掘進。如何根據工程特點選擇適宜的TBM類型和配置設計是深埋復雜地層隧洞工程中的關鍵技術難題，對工程投資和建設周期甚至隧洞能否順利貫通都有重要影響。

近年來，國內外學者圍繞TBM選型理論、復雜地質條件下設備適應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驗。自從敞開式TBM技術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用，我國的TBM技術、經驗得到了不斷積累。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，并結合工程和施工組織特點開展配置探索和優化。例如，魏永慶、杜士斌分析了大伙房水庫輸水工程地質條件，選取敞開式TBM施工并首次配置了連續皮帶機出渣系統、19英寸滾刀等以適應超長距離掘進。在大伙房水庫輸水工程TBM選型與施工經驗輔助下，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，并對后配套設備參數進行優化設計；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憑借豐富的工程經驗更容易得到青睞；另一方面，受限于當時對地層適應性認識以及TBM配置技術水平，敞開式TBM可更加靈活地與鉆爆法結合，以處理不良地質時更為方便。

在TBM與地質適應性選型研究方面，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，為復雜地質條件下TBM選型提供依據；詹金武等提出了復雜地質條件TBM選型適應性評價方法，綜合考慮了隧洞設計、主要地質條件、不良地質和環境因素對TBM選型的影響；馮歡歡等總結了國內典型TBM隧洞（道）工程面臨的不良地質問題，提出了TBM針對性設計與改造技術；倪錦初等結合香爐山隧洞主要不良地質條件，從地質條件、工期、造價、施工環境等角度進行綜合比選；洪開榮從色季拉山隧道地質適應性、風險可控性、工期、經濟等方面進行TBM選型和針對性設計；袁葳等分別從地質條件、不良地質處理、工期、安全、環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雜地質條件下敞開式TBM適應性量化評價方法。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集群的系統選型理論和成功經驗。

TBM選型的核心是實現地層與結構相適應、工期與經濟相協調、安全與效率有保障。盡管國內外學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，但結合引江補漢工程“超大直徑、超長隧洞集群施工，復雜地質風險疊加”特點和難點，現有研究仍不足。本文綜述超大直徑TBM集群設備選型及配置方面的研究進展，圍繞“集群選型、設備配置”兩大核心問題展開系統研究，可填補超大直徑TBM集群選型與配置領域的空白，促進我國深埋長大隧洞TBM技術向“集群化、超大直徑化、智能化”發展。

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、環境敏感區分布、地質條件等因素，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，穿越地帶地質條件復雜，地層巖性復雜多樣，可溶巖和軟質巖分布較多，具有地質構造背景復雜、巖溶水文地質條件復雜、總體地應力水平高等地質特點。沿線實測水平主應力達35.2MPa，最大水壓超過5MPa，最大巖石強度達354MPa，穿越軟質巖總長度達48.5km，占比約25%，可能發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.主要技術難題與挑戰

（1）超大直徑TBM集群選型

引江補漢工程輸水隧洞建設面臨著復雜地質條件，輸水隧洞TBM開挖直徑12.2m，屬超大直徑。如何根據工程條件進行合理的TBM選型一直是隧洞工程實施中的關鍵難題。由于行業和工程類型不同，隧洞結構、功能和設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規定。現有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，針對復雜不良地質條件的實用性定量分析法研究和應用尤為不足。

（2）超大直徑TBM掘進

從目前施工經驗來看，在同等地質條件下，直徑4～8m的TBM因其內部空間足夠、人員操作方便，能充分發揮施工和設備效能，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整機結構強度和剛度要求高。刀盤正常掘進時整機受力大，整體設計難度大。②部件分塊設計，組裝工作量大。出于運輸需要，盾體等尺寸較大部件需根據運輸尺寸限制進行分塊設計，分塊數量多導致裝配工作量大，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，運輸轉場難度加大。④設備制造周期長。

水工隧洞TBM應用現狀分析

目前水利水電工程隧洞建設中采用的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）工程中的應用現狀，給引江補漢工程TBM選型提供更多參考，本文統計分析了各行業領域（特別是水工隧洞）截至2022年的重大工程中TBM應用情況。結果顯示，在水利、市政、公路、鐵路以及煤炭開采等行業領域，TBM均應用廣泛。依據相關文獻資料進行統計分析，TBM在水利水電工程隧洞建設中應用早、占比最高（約50%），具有建設規模大、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，少數存在于公路行業。

對國內外部分開挖直徑超過10m的TBM工程案例進行統計分析，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，國內尚無超大直徑單護盾式TBM隧洞的施工案例。目前，國內水利水電行業最大直徑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，大直徑水工隧洞應優先選擇敞開式TBM或雙護盾式TBM施工。

2.水工隧洞TBM應用情況分析

對國內50余項水利水電工程TBM類型進行統計，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。

國內重大水利水電工程隧洞8m以上直徑TBM應用情況

超大直徑TBM適應性綜合量化選型技術

1.TBM適應性綜合量化選型技術

（1）TBM施工適宜性初步分級及評價

根據《引調水線路工程地質勘察規范》（SL/T 629—2014）中的隧洞TBM施工適宜性判定標準，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，其中TBM掘進效率指標包含巖體完整性、巖石飽和單軸抗壓強度以及圍巖強度應力比。

（2）特殊地質洞段適應性評價

《全斷面巖石掘進機法水工隧洞工程技術規范》（SL/T 839—2025）對超硬巖（A）、巖爆（B）、圍巖大變形（C）、構造破碎帶（D）、突涌水（泥）（E）等不利地質條件給出了相應劃分標準。

在TBM對主要地質條件適宜性評價基礎上，考慮超硬巖地層、高地應力巖爆地層、斷層破碎帶、大變形圍巖、突涌水（泥）等五類不利地質條件對TBM選型的影響，通過地質條件劃分可得到區段內各類不利地質條件的等級與占比。

（3）不利地質條件對TBM選型影響定量評價方法

TBM施工順利與否常由占比超5%的最不利地質洞段決定，超硬巖（A）、巖爆（B）、圍巖大變形（C）、構造破碎帶（D）等最高等級的不利地質中，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%對應好、中、差。TBM對4類不利地質條件適應性評分按下表權重加權求和得總分。

不良地質圍巖分類評分權重

根據評分結果確定設備選型，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）深部復合地層TBM選型適應性模糊數學綜合評價法

①評價方法。基于資料調研與施工經驗，從TBM設計、施工、隧洞地質、不良地質、施工組織五方面，篩選高區分度、代表性評價指標，構建含目標層、準則層、指標層的TBM選型評價體系。采用模糊綜合評價法，結合工程經驗與專家建議確定模糊隸屬函數，實現指標公度性；依適應性關聯原則，用數理統計等劃分指標層次與重要性；用層次分析法確定單層次及總層次指標權重。提取隧洞地質勘查等資料參數，結合隸屬函數結果與權重，確定三種類型TBM適應度并進行決策。多數工程可在設計階段用參數代表值（如加權平均值）進行適應度評價，而對于引江補漢工程等復雜長隧洞，地質差異大時可分段評價，即將隧洞分段，分別計算適應度，再依據段長加權平均得綜合適應度。

②評價標準。為了量化評判復雜地質條件下TBM的選型適應性，需要給出適應性評價的標準。為此，將TBM選型適應性評價標準分為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度的關系及適應性評價見下表。

復雜地質條件下TBM選型適應性評價分級標準

（5）TBM選型經濟性分析

從經濟性角度，TBM選型需綜合圍巖條件、襯砌工程量、設備成本及工期等核心因素統籌考量。當隧洞圍巖條件較好，僅需初期支護或小規模二次襯砌即可保障穩定時，敞開式TBM通常為優選方案，因其市場采購價格低于護盾式TBM，能直接降低設備投入成本，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費用。

若隧洞圍巖條件較差，選型決策則更復雜。采用敞開式TBM時，為確保施工安全與隧洞穩定，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雖設備成本較高，但其自帶的護盾可抵御不良地質風險，管片襯砌也能快速形成穩定結構，此時需細致測算兩種機型的設備購置成本、施工效率、支護成本等，通過對比確定更經濟的方案。

對于適用多種TBM且必須二次襯砌的隧洞，經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量、進度與經濟效益的TBM類型。

（6）案例分析

采用深部復合地層TBM選型適應性模糊數學綜合評價法和模型，對引江補漢隧洞工程TBM8施工洞段主洞的TBM適應性進行計算分析，以確定該洞段最優的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輸入TBM選型適應性評價模型中，計算不同類型TBM選型適應度。敞開式、單護盾式和雙護盾式TBM的綜合適應度分別為0.885、0.885和0.788，均具有較高適應性。進一步從施工安全、工期保障率等方面綜合考慮：TBM8施工段地質條件復雜，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卡機風險小。據此，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對主要地質條件的適應性、對特殊地質洞段的適應性，以及不良地質條件的閾值分析、深部復合地層TBM適應性評價、隧洞結構適應性分析、經濟性分析、工期分析等方面進行研究，最后進行TBM適應性綜合比選，選定能適應主要地質條件和不良地質條件，并且經濟合理、技術可行、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，越來越復雜、嚴苛的施工條件對TBM的設計、選型與智能化配置提出更高要求。新技術的不斷研發和應用，使得TBM主機型式區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，單護盾式TBM具備同步拼推功能，雙護盾式TBM配備錨網噴支護系統，主機型式與功能性配置界限的關聯性正在減弱。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，探索形成一系列創新成果。

1.TBM主機特色配置

以單護盾式TBM推拼同步系統為例：推拼同步就是在單護盾式TBM向前掘進的時段內完成前一環管片拼裝，實現單護盾式TBM連續掘進，從而避免掘進與拼裝的交替循環，以提高功效、降低成本。推拼同步技術一改傳統單護盾式TBM推進—停止—拼裝的施工工序，基于推力矢量控制技術把管片拼裝融于掘進作業中，在保證單護盾式TBM掘進姿態穩定的情況下，將掘進與拼裝從“串聯”走向“并聯”，相比于常規的推進系統，推拼同步系統可提高效率達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

引江補漢工程敞開式TBM上配備了鋼管片安裝系統。對于敞開式TBM，在其護盾內部設計一組多支護推進系統，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域增加導向座，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，可實現上下左右調向和糾滾。

▲敞開式TBM多支護輔助推進系統示意

（2）法向預應力錨固鉆機

敞開式TBM一般在L1區或L2區（即TBM后方的初期支護工作區）配備兩臺主梁式錨桿鉆機，作業范圍可達到拱部270°。然而，傳統的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鉆桿，導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、續接、拆卸鉆桿，增加了現場施工人員的勞動強度和施工風險，降低了施工作業效率。

為了克服傳統TBM主梁式錨桿鉆機存在的諸多不足，本工程研發了法向預應力錨固鉆機。相比于傳統TBM錨桿鉆機，法向預應力錨固鉆機增加了錨固鉆機的運動自由度，可實現錨固鉆機全周向垂直洞壁打設鉆桿，提升錨桿的錨固效果。

▲法向預應力錨固鉆機橫剖面圖

（3）雙護盾式TBM錨網噴支護系統

引江補漢工程雙護盾式TBM隧洞段存在巖爆、斷層破碎帶及穩定圍巖等多類型地質工況，不同工況隧洞存在不同支護需求。雙護盾式TBM在常規預制混凝土管片拼裝設備的基礎上，增加配置錨網噴支護設備，具體包括錨桿鉆機、鋼筋網安裝器、混凝土噴射系統等。施工過程中可根據地質情況合理選擇支護措施，以應對各類復雜地質條件穩定高效掘進，同時降低施工成本，提高掘進效率。

3.TBM超前探測配置

（1）超前地質預報系統

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

（2）多功能超前鉆機系統

引江補漢工程TBM配置兩套超前鉆機系統：多功能超前鉆注一體機（數字鉆機）+超前管棚鉆機。超前鉆機布置于托梁上，實現對隧道360°的范圍管棚、超前錨桿、超前小導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集群管理系統運用物聯網、大數據、人工智能、BIM等技術，以施工現場的多維度數據為基礎，定制化打造TBM集群智能管控平臺，包含數字現場、風險智能預警、施工過程管控、進度效益管控等功能，實現TBM集群施工全方位數字化動態管理。通過對海量動態數據高效梳理、科學管理和智能分析，推進TBM掘進智能化和施工風險管理科學化，提高隧洞建設信息化、智能化水平。

展望

引江補漢工程屬首次大規模應用超大直徑TBM集群進行隧洞施工的工程，在TBM集群適應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創新。在引江補漢工程超大直徑TBM集群設備選型及配置的研究成果和實踐經驗基礎上，未來進一步探索TBM功能配置標準化、模塊化以及無人化自動掘進技術，必將助力我國重大引調水工程建設水平邁向新高度。

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集群設備選型及配置關鍵技術[J].中國水利2025（21）：65-72.

封面攝影林杰

責編呂彩霞

校對董林玥

審核王慧

監制楊軼

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