前不久，全球首臺緊湊型、超小轉彎半徑硬巖全斷面隧道掘進機（TBM）“文登號”順利出洞，完成了山東文登抽水蓄能電站工程高壓引水上層排水廊道試驗段的掘進。這也是TBM工法在我國抽水蓄能電站工程建設領域的首次成功應用。
“文登號”處于始發(fā)狀態(tài)。
文登抽水蓄能電站三維透視圖
我國隧道工程施工技術經歷了鋼釬大錘（20世紀四五十年代）、手持風鉆（20世紀五六十年代）、鑿巖臺車（20世紀八九十年代）、隧道掘進機（2000年后）幾個發(fā)展階段。硬巖全斷面隧道掘進機是目前最先進的掘進設備，其設計、制造技術已被我國掌握，并在交通、礦山等長隧道中應用，提高了隧道工程的安全、質量水平及施工效率。
TBM有何技術特點？在抽水蓄能電站隧道洞室施工中引入TBM工法具有哪些優(yōu)勢？適用于抽水蓄能電站的TBM又做了哪些優(yōu)化？
TBM的發(fā)展歷程
我國TBM自主研發(fā)、制造、施工技術已成熟
我國一般將硬巖全斷面隧道掘進機簡稱為TBM。TBM主要適用于直徑2.5～10米的全斷面巖石隧道，可一次截割出所需斷面，且形狀多為圓形，多用于工程隧道施工中，主要分為敞開式、單護盾式和雙護盾式三種型式。
1851年，美國工程師設計了世界首臺可連續(xù)掘進的TBM。然而由于一些技術問題沒有得到有效解決，直到20世紀50年代，TBM才得到廣泛應用。此前，TBM技術一直被國外壟斷。1996年，我國首次引進TBM，應用于西康鐵路秦嶺隧道的施工，建立起自主的TBM施工隊伍，并逐步進入聯合設計制造、自主施工的發(fā)展階段。目前，我國TBM自主研發(fā)、制造、施工技術已經成熟。2017年8月，我國首臺再制造TBM“彩云1號”在大瑞鐵路項目高黎貢山隧道順利始發(fā)，標志著我國TBM施工技術邁上更高臺階。
TBM是怎樣連續(xù)掘進并打通隧道的？
TBM通過支撐機構撐緊洞壁，承受刀盤旋轉掘進傳來的反作用力和反扭矩，推進液壓系統(tǒng)推壓刀盤。隨著刀盤旋轉，鑲嵌在刀盤上的滾刀切入巖石，在巖石面上做同心圓軌跡的滾動破巖，巖渣靠自重落在隧洞底部，由刀盤上的渣斗鏟起，再經溜槽進入皮帶機，實現連續(xù)掘進成洞。
抽蓄電站應用TBM有何優(yōu)勢
掘進速度約為傳統(tǒng)鉆爆法的4～6倍，更加安全經濟
抽水蓄能電站的隧道洞室深藏于山體內，是電站的核心區(qū)域。洞室和通道的開挖、支護是抽水蓄能電站施工中難度最大的部分。
國內抽水蓄能電站隧道洞室多采用傳統(tǒng)人工鉆爆法施工。現場施工作業(yè)人員較多且以外來務工人員為主，勞動力流動性較大、專業(yè)技能水平不高。采用人工鉆爆法施工，隧道洞室超挖、欠挖控制難度較大，對洞室圍巖還會產生一定的擾動，造成環(huán)境污染。爆破施工中，火工品采購、出庫、運輸、裝藥、聯網起爆、爆后安全檢查、退庫等環(huán)節(jié)均存在一定的安全風險，安全管理成本較高。此外，受法定節(jié)假日及國內大型活動期間火工品停止供應等限制，現場還可能停工，影響工程進度。
TBM在日本的抽水蓄能電站施工中已得到廣泛應用。在相同條件下，TBM的掘進速度約為傳統(tǒng)鉆爆法施工的4～6倍，具有快速、安全、經濟、利于環(huán)境保護和勞動力保護等優(yōu)點，符合當前綠色施工的新要求。
TBM工法在抽水蓄能電站的應用，不僅能大幅提升工程的安全性和實體質量，還可縮短工程工期，實現“機械化換人，自動化提效”，是貫徹創(chuàng)新、協調、綠色、開放、共享新發(fā)展理念的重要舉措。
“文登號”和常規(guī)TBM有何不同
體積小、更靈活，適用于抽水蓄能工程彎曲隧道掘進施工
此前，TBM多應用于交通、水利等領域的隧道施工。此次在抽水蓄能隧道洞室應用的TBM，和常見的TBM有何不同，做了哪些改進？
交通、水利等工程的隧道長且直。抽水蓄能電站的隧道洞室與之不同，洞室間的距離很近，常常需要打通彎曲的隧道。如文登抽水蓄能電站此次應用TBM挖掘的試驗段就是環(huán)形布置，橫剖圖看起來像一個被橫向拉扁的橢圓形跑道。
常規(guī)TBM的轉彎半徑為150～500米，整機長度在150～300米左右，相對抽水蓄能電站地下短洞室，顯得龐大笨重，并且轉彎半徑太大。經過科學論證，國網新源控股有限公司提出適用于抽水蓄能電站隧道洞室施工的TBM技術要求：靈活，具有較短的后配套、較小的轉彎半徑。通過設計單位、制造廠家各方的共同努力，2019年9月10日，緊湊型超小轉彎半徑硬巖全斷面隧道掘進機“文登號”下線。為抽水蓄能電站隧道洞室施工量身定制的“文登號”長約37米，體積只有常規(guī)TBM的80%左右，開挖直徑3.53米，轉彎半徑30米，是常規(guī)TBM的十分之一，最大程度提高了靈活性、機動性。整臺設備在掘進中可以進行60度左右的轉彎操作。
4月14日，“文登號”在山東文登抽水蓄能電站高壓引水上層排水廊道試驗段應用成功，掘進總長度達872.8米，實現直線段最高日進尺20.548米、曲線段最高日進尺11.165米。
“文登號”將轉場文登抽水蓄能電站地下廠房，開展第二階段的試驗。國網新源公司總結應用成果，計劃在河南洛寧、浙江寧海、河北撫寧等抽水蓄能項目中推廣應用TBM工法。TBM在抽水蓄能電站施工中的應用將進一步拓展TBM在國內工程領域的應用范圍，提升國內TBM研發(fā)制造水平，提高國內抽水蓄能電站建設的安全性和先進性，為抽水蓄能電站的設計、施工和建設管理注入新的理念，帶來巨大的經濟效益和社會效益。
（供圖及作者單位：國網新源公司山東文登抽水蓄能有限公司）
