洪開榮， 杜彥良， 陳 饋， 馮歡歡， *， 賈連輝， 徐 飛

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 3. 石家莊鐵道大學， 河北 石家莊 050043； 4. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

改革開放的春風，帶來了中國基礎設施建設的提速發(fā)展，交通、城鎮(zhèn)、能源、水利等領域基礎設施建設全面鋪開，需要在各類復雜地層中快速建設眾多的隧道與地下工程。全斷面隧道掘進機(簡稱“隧道掘進機”，本文特指盾構(gòu)和巖石隧道掘進機(TBM))是隧道及地下工程建設最先進的高端裝備，與鉆爆法相比，其具有安全環(huán)保、掘進速度快、勞動強度低等優(yōu)點[1-4]。

隧道掘進機在地鐵、公路、鐵路、市政、水利水電等領域均得到了廣泛應用[5-7]。目前，國產(chǎn)盾構(gòu)產(chǎn)銷量已躍居世界第一，在國內(nèi)的市場占有率從2008年以前的0增長到現(xiàn)在的90%以上。截至2021年底，我國累計開通運營地鐵7 252.73 km，其中，“十三五”期間新增運營里程達到3 622.80 km。盾構(gòu)在推動地鐵快速建設方面發(fā)揮了重要作用，相信在“十四五”期間及更遠時段內(nèi)，盾構(gòu)法在城市地鐵建設中將占據(jù)著主導地位。同時，隨著西部大開發(fā)、“一帶一路”、“150項重大水利工程”等國家戰(zhàn)略規(guī)劃的推進，川藏鐵路、滇中引水等重大工程已開工建設，TBM將有更廣闊的應用前景；隨著多模式TBM技術(shù)逐步完善及樂西高速大涼山1號隧道、烏蔚高速天山勝利隧道等典型工程的成功修建，TBM應用領域?qū)玫竭M一步拓展。

針對不同階段隧道掘進機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有相關(guān)學者進行了總結(jié)與論述。自1985年劉仁鵬[8]向國人介紹盾構(gòu)技術(shù)以來，王振信[9]、張鳳祥等[10]、薛備芳[11]、洪開榮[12]、傅德明等[12]、陳饋等[14-15]相繼對我國不同階段的盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展及應用情況進行了總結(jié)與分析，并提出了相對應的建議；楊文武[16]、肖明清[17]、何川等[18]分別研究論述了盾構(gòu)在水下隧道、地鐵隧道等不同領域的應用情況；李建斌[19]、譚順輝[20]、荊留杰等[21]、苗圩巍等[22]則對不同階段的TBM技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題和發(fā)展思路提出了獨到見解。

本文在前人研究的基礎上，進一步總結(jié)我國隧道掘進機技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀，并對未來隧道掘進機技術(shù)的發(fā)展趨勢進行展望，為我國隧道裝備技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 隧道掘進機發(fā)展及應用歷程

1.1 隧道掘進機發(fā)展歷程

自1825年盾構(gòu)問世至今已有197年歷史，其起源于英國，發(fā)展于德國、法國、意大利、美國、日本和中國等。世界盾構(gòu)發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 世界盾構(gòu)發(fā)展歷程示意圖

1846年，意大利人Maus發(fā)明了世界首臺TBM；1953年，美國羅賓斯公司研制出世界首臺現(xiàn)代意義上的TBM(φ7.85 m)，2006年8月制造出當時世界最大直徑TBM(φ14.4 m)； 1967年，德國維爾特公司開始制造TBM； 1975年，德國海瑞克公司成立，1989年開始制造TBM；目前世界最大直徑TBM由中鐵裝備制造(φ15.084 m)，應用于格魯吉亞KK公路隧道施工。世界TBM發(fā)展歷程如圖2所示。

1.2 中國盾構(gòu)發(fā)展歷程

突破隧道掘進機技術(shù)瓶頸，是中國“穿山、入地、下?！钡人淼拦こ探ㄔO的迫切需要，也是國家重大基礎設施快速發(fā)展的迫切需要。中國隧道掘進機技術(shù)的起步，雖滯后于世界先進國家，但在國家政策推動及行業(yè)企業(yè)齊心努力下，展現(xiàn)出了迅猛的發(fā)展趨勢，并具有鮮明的特點。

1953—2001年，是中國盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的黎明期。1953年，東北阜新煤礦開發(fā)了手掘式盾構(gòu)(φ2.6 m)用于疏水巷道施工，揭開了中國盾構(gòu)從無到有的歷史；隨后，上海城建局于1962年2月研制成功φ4.16 m手掘式盾構(gòu)。

2002—2008年，是中國盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新期。2002年，國家將盾構(gòu)研發(fā)列入“863”計劃[23]，成立了我國第1個盾構(gòu)研究項目組[24]；2004年，國產(chǎn)首臺自主知識產(chǎn)權(quán)“863”盾構(gòu)“先行號”誕生；2006年，盾構(gòu)被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和國務院裝備制造業(yè)振興計劃[25]；2008年，國產(chǎn)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復合式盾構(gòu)“中國中鐵1號”問世。盾構(gòu)領域“863”計劃的實施，揭開了中國盾構(gòu)從有到優(yōu)的歷史。

2009年至今，致力于“造世界最好的盾構(gòu)”，中國盾構(gòu)從優(yōu)到強并走向國際，主要代表企業(yè)有中鐵裝備、鐵建重工、上海隧道、中交天和、北方重工、三三工業(yè)等。

(a) TBM起源(1846年)

(b) 首臺現(xiàn)代TBM(1953年)

1.3 中國TBM發(fā)展歷程

1965—1984年，是中國TBM技術(shù)發(fā)展的黎明期。1965年，TBM研制被列入國家重點科研項目；1966年，國內(nèi)制造出首臺TBM(φ3.5 m)，該TBM的研制是中國TBM技術(shù)進入黎明期的重要標志。

1985—2012年，是中國TBM技術(shù)引進消化期。1985年，天生橋二級水電站引水隧洞工程引進美國羅賓斯公司φ10.8 m敞開式TBM，標志著中國TBM技術(shù)進入引進消化期。

2013年以來，中國進入TBM技術(shù)自主創(chuàng)新期，開始設計制造具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM。

1.4 中國隧道掘進機應用歷程

1.4.1 艱辛探索自主研發(fā)階段

階段特點： 中國基礎工業(yè)水平薄弱，核心技術(shù)不過關(guān)，設備掘進速度慢、故障率高、可靠性差，不能滿足隧道快速施工的要求，并且研制與施工一度中斷，在隧道與地下工程建設中發(fā)揮作用不太明顯。

階段成就： 為多年后隧道掘進機自主研發(fā)與應用，培養(yǎng)了一批基礎理論較扎實的專業(yè)人才。

1.4.2 國外制造國外施工階段

階段特點： 中國難以自主設計制造滿足使用要求的隧道掘進機，也不能自主應用，由國外主導施工。

階段成就： 在外商的主導下，完成了廣州地鐵1號線、山西引黃入晉、甘肅引大入秦等工程施工，一批施工作業(yè)人員得到了鍛煉和成長，但缺乏能夠統(tǒng)籌工程全過程的工程師隊伍和專家人才。

1.4.3 國外制造自主施工階段

階段特點： 中國可自主完成隧道掘進機的選型，并開始建立自主施工隊伍，但設備仍然依靠國外制造。

階段成就： 基于重大工程建設，掌握了隧道掘進機自主施工技術(shù)，鍛煉培養(yǎng)了一大批專業(yè)技術(shù)骨干、專家隊伍和自主施工隊伍，以廣州地鐵2號線越三區(qū)間、西康鐵路秦嶺隧道(見圖3)等為典型代表。

圖3 西康鐵路秦嶺隧道TBM

1.4.4 聯(lián)合制造自主施工階段

階段特點： 中國進入與外商聯(lián)合設計制造隧道掘進機并自主施工的快速發(fā)展階段。

階段成就： 隧道掘進機施工隊伍不斷壯大，在隧道掘進機設計制造技術(shù)、施工技術(shù)和人才隊伍建設上，有了扎實的積累和跨越式發(fā)展，以廣深港高鐵獅子洋隧道、大伙房輸水隧洞(見圖4)、引洮供水隧洞等工程為典型代表。

圖4 大伙房輸水隧洞TBM

1.4.5 自主制造自主施工階段

階段特點： 面向國內(nèi)外隧道掘進機市場，實現(xiàn)了國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，邁入了隧道掘進機自主創(chuàng)新的新時代。

階段成就： 實現(xiàn)了隧道掘進機裝備與施工技術(shù)的全面國產(chǎn)化，代表性的有應用于天津地鐵3號線4標的“中國中鐵1號”盾構(gòu)、吉林引松供水工程的φ8.03 m敞開式TBM等。

1.4.6 中國技術(shù)走出國門階段

階段特點： 針對國際市場需求，中國隧道裝備制造及施工企業(yè)聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，推動中國隧道建造技術(shù)走向國外，推動世界隧道技術(shù)發(fā)展。

階段成就： 中國隧道建造技術(shù)先后助力新加坡、以色列、澳大利亞、格魯吉亞等國家的基礎設施建設，典型工程有新加坡地鐵環(huán)線、以色列特拉維夫輕軌紅線、澳大利亞雪山隧道、格魯吉亞KK公路隧道等。

2 發(fā)展成就及特點

重大工程需求推動了隧道掘進機的快速發(fā)展，通過自主創(chuàng)新，突破了關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)了隧道掘進機的自主化、產(chǎn)業(yè)化、系列化，并呈現(xiàn)出了由常規(guī)斷面向超大/微小斷面發(fā)展、由單一模式向多模式發(fā)展、由圓形斷面向異形斷面發(fā)展、由傳統(tǒng)水平方向向多維度發(fā)展等顯著特點。

2.1 重大工程建設

在地鐵、公路、鐵路、市政等多領域基礎設施建設需求的帶動下，南疆鐵路中天山隧道、廣州地鐵2號線、上海上中路越江隧道等一大批重大隧道工程應運而生。

2.1.1 穿山——超長山嶺隧道

基于南疆鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、陜西引紅濟石引水隧洞等工程建設，通過“理論—裝備—工法—標準”協(xié)同創(chuàng)新，在超長山嶺隧道深部地層難探測、高效掘進難實現(xiàn)、地質(zhì)災害難控制、復雜地質(zhì)難適應等方面取得了一定突破。

2.1.1.1 西康鐵路秦嶺隧道(1995年)

西康鐵路秦嶺隧道長18.46 km，巖石抗壓強度為105～315 MPa，采用2臺φ8.8 m敞開式TBM施工，實現(xiàn)了TBM法隧道自主施工，在極硬巖條件下最高月進尺達531 m。

2.1.1.2 遼寧大伙房輸水隧洞(2005年)

遼寧大伙房輸水隧洞總長85.3 km，為當時世界最長引水隧洞，采用3臺φ8 m敞開式TBM施工(配置48.26 cm(19英寸)大直徑刀具)，最高月進尺達到1 208 m，突破了連續(xù)皮帶機出渣、變頻傳動、連續(xù)鋼筋排支護等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1.1.3 南疆鐵路中天山隧道(2007年)

中天山隧道位于中國新疆維吾爾自治區(qū)，是南疆鐵路吐魯番至庫爾勒段增建第2線工程特長隧道，全長22.47 km。采用之前用于西康鐵路秦嶺隧道的TBM施工，先后成功穿越3條區(qū)域性深大斷裂(F2、F3、F4)和8條次級斷裂，在TBM獨頭長距離掘進、長距離巷道式通風等方面取得了一定突破。

2.1.1.4 遼西北引水隧洞(2010年)

遼西北引水隧洞采用9臺8 m級敞開式TBM施工(TBM施工總長109.5 km)，巖石抗壓強度為60～180 MPa，突破了主軸承潤滑水沖洗、大直徑滾刀等技術(shù)，最高月進尺達1 079 m。

2.1.1.5 陜西引漢濟渭引水隧洞(2012年)

陜西引漢濟渭引水隧洞全長81.8 km，屬于超長、深埋隧洞，最高巖石單軸抗壓強度達317 MPa，最大埋深達2 012 m，采用敞開式TBM相向掘進。攻克了極硬巖TBM高效掘進和巖爆分級防護技術(shù)[26]，實現(xiàn)了TBM連續(xù)安全穿越10 km巖爆洞段，解決了超大埋深極硬巖隧道掘進低效率、高能耗、巖爆安全威脅等技術(shù)難題。

2.1.1.6 吉林引松供水工程(2015年)

吉林引松供水總干線隧洞全長72.3 km，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的φ8.03 m敞開式TBM施工，突破了長距離灰?guī)r巖溶及淺埋地層TBM快速掘進、適用于TBM法施工的超前地質(zhì)預報技術(shù)，創(chuàng)造了最高日進尺86.5 m、最高月進尺1 226 m的掘進記錄。

2.1.1.7 大瑞鐵路高黎貢山隧道(2018年)

大瑞鐵路高黎貢山隧道全長34.5 km，橫斷山脈斷層破碎帶、構(gòu)造影響帶等極端圍巖占比40%以上，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的φ9.03 m“彩云號”TBM施工，創(chuàng)新了TBM穿越軟弱破碎地層分級支護技術(shù)，解決了極端軟弱破碎地層隧道變形坍塌、TBM被卡被困等技術(shù)難題[27-28]。

2.1.1.8 川藏鐵路色季拉山隧道(2020年)

色季拉山隧道是新建川藏鐵路雅安至林芝段最西端的隧道，全長37.965 km，采用φ10.2 m敞開式TBM+鉆爆法聯(lián)合施工，隧道最大埋深1 687.85 m，最大水平主應力為45.52 MPa，隧道進口海拔3 158 m，出口海拔2 969 m。針對極高地應力硬巖巖爆和軟巖大變形等典型難題，在超前地質(zhì)預報、刀盤破巖、主機結(jié)構(gòu)強度、防卡機等方面進行了強化設計，自主研制的雙結(jié)構(gòu)TBM已于2021年9月成功始發(fā)。

此外，TBM應用于山嶺隧道建設的典型工程，還有錦屏電站引水隧洞、新疆ABH輸水隧洞、山西中部引黃工程等，具體特點及其意義不再贅述。同時，也有盾構(gòu)成功應用于山嶺隧道施工的案例，如北京西六環(huán)中段天然氣工程等。

2.1.2 入地——城市地下隧道

創(chuàng)建了均質(zhì)軟土地層和軟硬不均地層盾構(gòu)掘進技術(shù)體系，實現(xiàn)了城市地下隧道盾構(gòu)由均質(zhì)軟土地層向軟硬不均地層的突破，解決了盾構(gòu)掘進受阻、地面坍塌、人員傷亡、設備損壞等難題。

2.1.2.1 廣州地鐵2號線越三區(qū)間(2000年)

廣州地鐵2號線越三區(qū)間為典型的軟硬不均復合地層，創(chuàng)新性采用了φ6.28 m土壓平衡盾構(gòu)，構(gòu)建了軟土地層、土-巖復合地層、巖石地層3種不同地層的掘進模式，開發(fā)了艙內(nèi)土-氣置換連續(xù)掘進的模式快速轉(zhuǎn)換技術(shù)(見圖5)，創(chuàng)建了軟硬不均地層盾構(gòu)掘進技術(shù)體系。

(a) 敞開模式 (b) 局部氣壓模式 (c) 土壓平衡模式

2.1.2.2 北京地下直徑線隧道(2005年)

北京地下直徑線隧道處于卵石地層，采用φ12.04 m大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，突破了砂卵石地層盾構(gòu)刀具配置方式、盾構(gòu)刀盤帶壓動火修復、繁華城區(qū)盾構(gòu)掘進沉降控制技術(shù)，解決了盾構(gòu)在砂卵石地層因刀具過載、沖擊損壞而引起的掘進難題和地表失穩(wěn)問題。

2.1.2.3 天津地鐵3號線(2008年)

天津地鐵3號線營口道站—和平站區(qū)間位于天津市繁華的金街商業(yè)區(qū)，采用我國自主研制的φ6.3 m復合盾構(gòu)“中國中鐵1號”施工，順利穿越了張學良故居、“瓷房子”、范竹齋舊居、天津電報總局、渤海大樓等歷史風貌建筑，解決了復雜環(huán)境下盾構(gòu)法修建地鐵的地表沉降控制難題。

2.1.2.4 天津地鐵5、6號線并行段(2012年)

天津地鐵5、6號線并行段長約8 km，隧道上下重疊、并排前行、交叉纏繞(見圖6)，最小隧道間距僅2.3 m，地面距離隧道最近處僅0.6 m，地質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復雜，為國內(nèi)目前規(guī)模最大的麻花狀地鐵隧道群，均采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m。該工程在沒有經(jīng)驗可循的情況下，突破了交叉、重疊麻花型隧道施工技術(shù)難題，并于2018年開通運營。

圖6 交叉重疊隧道空間展布圖

2.1.2.5 太原鐵路西南環(huán)線隧道(2016年)

太原鐵路西南環(huán)線隧道為單洞雙線貨運重載項目，采用了φ12.14 m大直徑盾構(gòu)成套技術(shù)與裝備體系，為國內(nèi)首次將土壓平衡盾構(gòu)應用于鐵路隧道施工(見圖7)。

2.1.2.6 深圳春風隧道(2019年)

深圳春風隧道盾構(gòu)段長3.58 km，區(qū)間穿越11條破碎帶，采用自主研制的φ15.80 m常壓刀盤泥水平衡盾構(gòu)施工，突破了高水壓環(huán)境換刀(0.59 MPa)、長距離硬巖掘進、破碎帶快速出渣、下穿建筑物沉降控制等技術(shù)難題。

圖7 φ12.14 m復合式土壓平衡盾構(gòu)

隧道掘進機在城市地下隧道中的應用以盾構(gòu)為主，同時也有部分TBM應用于城市地鐵建設的案例，典型的有重慶地鐵6號線、重慶地鐵5號線、青島地鐵2號線、青島地鐵1號線、青島地鐵4號線、深圳地鐵10號線等線路區(qū)間。

2.1.3 下?！┙胶４髷嗝嫠淼?/p>

基于上海上中路越江隧道、武漢長江隧道、臺山核電站取水隧洞、廣深港獅子洋隧道、汕頭海灣隧道等重大工程建設，成功突破了穿江越海隧道結(jié)構(gòu)設計理論與方法、突水控制、高水壓下盾構(gòu)長距離掘進等方面的難題。

2.1.3.1 廣深港獅子洋隧道(2006年)

廣深港獅子洋隧道采用φ11.18 m泥水平衡盾構(gòu)施工(見圖8)，針對軟硬不均地層刀具消耗大、過江段隧道水壓高(水深67 m)、基巖地層滲透性強等難題，創(chuàng)新并成功應用了“復雜地層、高水壓、長距離”水下盾構(gòu)隧道“相向掘進、地中對接、洞內(nèi)解體”修建技術(shù)。

2.1.3.2 南京緯三路過江隧道(2010年)

南京緯三路過江隧道采用φ14.96 m超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工(見圖9)，突破了水深75 m下的常壓可更換式長距離掘進刀盤、刀盤伸縮、冷凍法更換盾尾刷及飽和氣體壓氣作業(yè)等技術(shù)難題。

圖8 φ11.18 m泥水平衡盾構(gòu)

圖9 φ14.96 m超大直徑泥水平衡盾構(gòu)

2.1.3.3 廈門地鐵2號線過海隧道(2015年)

廈門地鐵2號線過海隧道長2.8 km，主要穿越上軟下硬、上硬下軟、砂層侵入、斷裂帶等地層，采用φ7.043 m復合式泥水平衡盾構(gòu)施工，突破了設備適應性配置、孤石定點爆破、高頻次帶壓進艙安全控制、海底隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)施工等關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.1.3.4 汕頭海灣隧道(2015年)

汕頭海灣隧道采用自主研制、配置常壓刀盤的φ15.03 m超大直徑泥水盾構(gòu)施工，在補償式高承壓密封、推進油缸自動分組、刀具狀態(tài)智能診斷、水艙可視化等方面進行了裝備技術(shù)創(chuàng)新，突破了極軟極硬復合地層超大直徑泥水盾構(gòu)直接掘進技術(shù)難題。

2.1.3.5 濟南黃河濟濼路隧道(2017年)

濟南黃河濟濼路隧道是黃河上首條公軌合建的交通隧道，上層為雙向6車道公路，下層為軌道交通預留空間，采用φ15.76 m盾構(gòu)施工。隧道施工過程中克服了曲線段淺覆土始發(fā)、盾構(gòu)主驅(qū)動密封更換、鈣質(zhì)結(jié)核卡管等難題，并于2021年9月實現(xiàn)通車。

2.1.3.6 深圳媽灣跨海通道(2019年)

深圳媽灣跨海通道工程起于前海媽灣港區(qū)的媽灣大道與月亮灣大道交叉處，終于寶安大鏟灣片區(qū)沿江高速大鏟灣收費站及金灣大道-西鄉(xiāng)大道交叉口，線路全長8.05 km，采用φ15.53 m盾構(gòu)施工。針對長距離高強度巖層、海底復雜地形及高水壓等難點，盾構(gòu)采用了刀具磨損檢測、大流量沖刷系統(tǒng)等多項針對性設計，并于2021年7月成功始發(fā)。

2.2 重大裝備技術(shù)

伴隨著“穿山、入地、下?！彼淼拦こ痰慕ㄔO，我國隧道掘進機技術(shù)取得了跨越發(fā)展。

2.2.1 復合盾構(gòu)自主設計制造

針對復合式土壓平衡盾構(gòu)“切削破巖難、開挖穩(wěn)定難、姿態(tài)控制難”的難題，依托國家“863”計劃，自主研制復合式土壓平衡盾構(gòu)，突破了復合地層盾構(gòu)刀盤刀具設計、盾構(gòu)泡沫注入系統(tǒng)設計、盾構(gòu)掘進過程尋位技術(shù)等技術(shù)瓶頸，如圖10所示。

圖10 復合式土壓平衡盾構(gòu)自主設計制造技術(shù)路線

2.2.2 大直徑盾構(gòu)自主設計制造

針對“換刀難、出渣難、控制難”的難題，依托國家“863”計劃，自主研制大直徑泥水盾構(gòu)，突破了高水壓環(huán)境下常壓換刀、復雜地層高效排渣、多系統(tǒng)智能感知控制、伸縮擺動式主驅(qū)動設計等多項關(guān)鍵技術(shù)，如圖11所示。成功應用于沅江公路隧道、南京緯三路過江隧道、汕頭海灣隧道和深圳春風隧道等工程。

圖11 大直徑泥水盾構(gòu)自主設計制造技術(shù)路線

2.2.3 TBM自主設計制造

針對“三高”地質(zhì)特點(高巖石強度、高地應力、高磨蝕性)、圍巖構(gòu)造復雜(軟硬不均、破碎等)、掘進靠經(jīng)驗(缺乏地質(zhì)條件精確感知、缺少施工技術(shù)科學決策)的難題，突破了TBM施工“破巖難、預探難、感知難”的技術(shù)瓶頸，如圖12所示。

圖12 TBM自主設計制造技術(shù)路線

依托國家“863”及“973”計劃，自主研制TBM，突破了刀盤刀具長距離止裂與抗損設計制造技術(shù)、超前地質(zhì)預報技術(shù)、圍巖識別感知技術(shù)、截面可抬升開挖系統(tǒng)、前置式自動化混噴系統(tǒng)、隱藏式常態(tài)化超前鉆探系統(tǒng)、加強型大范圍初期支護系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。成功應用于吉林引松供水工程、大瑞鐵路高黎貢山隧道、云南滇中引水工程，出口并應用于澳大利亞雪山隧道和格魯吉亞KK公路隧道等工程。

2.2.4 異形掘進機自主設計制造

針對異形掘進機“開挖成型難、位姿控型難、拼裝定型難”的難題，自主研制馬蹄形盾構(gòu)、類矩形盾構(gòu)、矩形頂管機，突破了多刀盤協(xié)同開挖、多維度位姿測控、多曲率管片拼裝等技術(shù)難題，如圖13所示。成功應用于蒙華鐵路白城隧道、寧波地鐵3號線、鄭州中州大道及浙江嘉興下穿工程等，為異形斷面隧道施工提供了新型工法和成套解決方案。

圖13 異形掘進機自主設計制造技術(shù)路線

2.3 技術(shù)發(fā)展特點

2.3.1 由常規(guī)斷面向超大/微小斷面發(fā)展

隨著隧道掘進機裝備技術(shù)的快速發(fā)展，其在水利、輸氣、交通等領域得到了更為廣泛的應用，且呈現(xiàn)出由常規(guī)斷面向超大/微小斷面發(fā)展的趨勢，如圖14所示。

2.3.1.1 最大直徑TBM

世界最大直徑TBM“中鐵859號”(φ15.084 m)，用于格魯吉亞KK公路近10 km的隧道建設，針對項目長距離、大埋深、高巖石強度帶來的施工難題，采用超大直徑單護盾TBM主動鉸接系統(tǒng)、雙速減速機系統(tǒng)、箱涵同步拼裝等針對性設計，實現(xiàn)了主機姿態(tài)的精確調(diào)整和大埋深設備強脫困功能。

圖14 全尺寸系列隧道掘進機產(chǎn)品

2.3.1.2 超大直徑盾構(gòu)

繼自主開發(fā)φ15.80 m超大直徑泥水盾構(gòu)應用于深圳春風隧道建設后，開發(fā)了φ16.07 m超大直徑泥水盾構(gòu)用于北京東六壞入地改造工程；正在制造的φ16.24 m超大直徑泥水盾構(gòu)擬應用于深圳望海路快速化改造工程；正在設計的φ18.1 m超大直徑泥水盾構(gòu)擬應用于深圳機荷高速改擴建工程荷坳隧道施工。超大直徑泥水盾構(gòu)從超聲波法地質(zhì)預報、聚焦電法地質(zhì)預報、滾刀狀態(tài)實時監(jiān)測、刀盤磨損及溫度監(jiān)測、滾刀荷載實時監(jiān)測等方面，實現(xiàn)了裝備的地質(zhì)適應性創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)及應用。

2.3.1.3 小直徑TBM

針對抽水蓄能電站工程建設特點，提出適用于抽水蓄能電站隧道洞室施工的TBM應具有較短的后配套、較小的轉(zhuǎn)彎半徑的技術(shù)要求，成功研制了全球首臺緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM“文登號”(φ3.5 m，長35 m，轉(zhuǎn)彎半徑為30 m)，并在國網(wǎng)新源文登抽水蓄能電站試驗成功；同時，開發(fā)了國內(nèi)最小直徑TBM“水源號”(φ2.5 m，長約60 m)，正應用于十堰市中心城區(qū)水資源配置工程中馬家河水庫引水至百二河水庫支線輸水隧洞(長4.155 km)施工。2016年，中國制造的φ3.5 m雙X型支撐TBM出口應用于黎巴嫩大貝魯特引水隧洞建設，并取得了最高月進尺1 244 m的成績。

2.3.2 由圓形斷面向異形斷面發(fā)展

多圓掘進機結(jié)構(gòu)受力好，開挖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但開挖控制技術(shù)相對復雜，易造成設備海鷗塊處土層坍塌和背土、隧道空間使用彈性不大、泵房施工繁瑣等問題，對施工管理要求較高。橢圓掘進機兼具了空間利用率與結(jié)構(gòu)受力的優(yōu)點，但掘進姿態(tài)不易控制，僅適用于單線。矩形掘進機空間利用率高，開挖形式多樣，但結(jié)構(gòu)受力相對較差，適用于淺覆土。馬蹄形掘進機綜合考慮了空間利用率、結(jié)構(gòu)受力、姿態(tài)控制等。U形敞開式掘進機結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)合了機械暗挖與明挖的優(yōu)點，適用于可明挖且需要打樁支護的工程。

嘉興南湖大道下穿隧道開挖面積達到123 m2(14.8 m×9.426 m)，是目前世界上最大斷面矩形頂管隧道(見圖15)，同時攻克了超小隧道間距、超淺覆土(埋深5.68～6.45 m)、長距離、穿越復雜管線、地面交通路況復雜等難題，已于2020年10月實現(xiàn)貫通。

圖15 嘉興南湖大道下穿隧道斷面圖(單位： mm)

白城隧道位于陜西省靖邊縣，隧道全長3 345 m，為時速120 km的單洞雙線電氣化鐵路隧道。采用了世界首臺大斷面“馬蹄形”盾構(gòu)——“蒙華號”施工，較傳統(tǒng)礦山法施工效率提高了5倍，成功穿越天然氣管道、供水管線、包茂高速公路、風積砂層等重大風險地帶，形成了黃土地層大斷面“馬蹄形”盾構(gòu)隧道施工成套技術(shù)。

2.3.3 由單一模式向多模式發(fā)展

由于地層條件復雜多變、水文條件及施工環(huán)境復雜等綜合因素影響，單一模式的盾構(gòu)已無法滿足工程建設需求，多模式盾構(gòu)應運而生(見圖16)。

(a) 泥水、敞開式 (b) 土壓、泥水式 (c) 土壓、敞開式

白云機場隧道——新建珠三角城際軌道交通新塘經(jīng)白云機場至廣州北站項目，地層主要為中粗砂、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、礫砂，采用φ9.13 m土壓/泥水雙模式盾構(gòu)進行施工(見圖17)。

2.3.4 由傳統(tǒng)水平方向向多維度發(fā)展

隧道掘進機性能提升，其應用維度也得到了進一步的拓展，如用于聯(lián)絡通道、煤礦斜井等工程施工。

圖17 土壓/泥水2種模式一鍵切換

2.3.4.1 地鐵聯(lián)絡通道

聯(lián)絡通道掘進機是機械法聯(lián)絡通道的專用設備，滿足快進快出、地層無加固條件下施工等要求。與傳統(tǒng)冷凍法施工相比，其施工更安全、更高效、更經(jīng)濟。寧波地鐵機械法聯(lián)絡通道見圖18。

圖18 寧波地鐵機械法聯(lián)絡通道

2.3.4.2 斜井TBM

斜井TBM施工主要挑戰(zhàn)為： 大坡度、大埋深、長距離下坡掘進對設備的特殊要求(開挖、出渣、排水、設備布置等)；潛在有害、易爆氣體對設備的安全要求。開發(fā)了世界首臺煤礦斜井TBM，成功應用于神華新街臺格廟礦區(qū)試驗斜井。

2.3.4.3 SBM豎井掘進機

SBM豎井掘進機是以傳統(tǒng)豎井施工技術(shù)為基礎，結(jié)合隧道掘進機技術(shù)、物料垂直提升技術(shù)等提出的全斷面豎井掘進機設計理念。設備采用刀盤開挖、刮板機清渣、斗式提升機提渣、儲渣艙儲渣，最終由吊桶裝渣、提升機提升出井。中鐵裝備開發(fā)的8 m級SBM，已應用于浙江寧海抽水蓄能電站豎井工程施工；同時，該類型豎井掘進機在地下停車場、國防豎井等領域也有一定的應用前景。

3 發(fā)展展望

我國全斷面隧道掘進機技術(shù)，在復合盾構(gòu)、大直徑盾構(gòu)/TBM、異型斷面掘進機等方面，取得了系列創(chuàng)新與突破，并先后在西康鐵路秦嶺隧道、北京地下直徑線隧道、廣深港獅子洋隧道等典型工程中得到成功應用。未來，為適應更復雜的地質(zhì)環(huán)境、具備更高的性能要求，仍需從裝備的多元化、智能化方面持續(xù)開展創(chuàng)新研究。

3.1 多元化

未來，隧道掘進機裝備發(fā)展趨勢主要是圍繞“重視生命安全、挑戰(zhàn)地質(zhì)極限、發(fā)展智能裝備、拓展宇宙空間”，致力于開發(fā)“多模式、無刀化、外星化”等智能裝備[29-30]。

3.1.1 救援盾構(gòu)

山嶺隧道施工中，時常會穿越軟弱、破碎地層，在施工中存在隧道坍塌風險。在隧道施工遇到坍塌事故后，如何快速、安全地進行坍塌段隧道的救援、處理、修復與安全穿越，是隧道安全施工的主要問題之一，可研究開發(fā)適用于隧道工程搶險救援的機械化裝備(見圖19)，為隧道施工事故提供整體解決方案。

圖19 搶險救援盾構(gòu)

3.1.2 多模式隧道掘進機

中國隧道建設規(guī)模不斷擴大，在長大隧道施工中地質(zhì)復雜多變，隧道可能穿越軟硬不均、硬巖、孤石、斷裂破碎帶和水底淺覆土等多種地層，面臨局部高水壓、高地應力、軟巖大變形等多種不良地質(zhì)，從施工安全、技術(shù)難度、工期、成本及環(huán)境保護等方面考慮，傳統(tǒng)單一模式無法應對復雜地質(zhì)的挑戰(zhàn)，對于能夠?qū)崿F(xiàn)多種工法掘進的多功能、多模式隧道掘進機的研發(fā)需求日益迫切。

針對極端地質(zhì)的極限挑戰(zhàn)，需進一步研究開發(fā)適應于破碎帶地層施工的“半馬”盾構(gòu)(見圖20)、適應于軟巖大變形地層施工的“軟馬”盾構(gòu)和適應于大埋深高水壓地層的閉式TBM多模盾構(gòu)。

圖20 適應破碎帶地層的“半馬”盾構(gòu)

“軟馬”盾構(gòu)包括刀盤裝置、盾體結(jié)構(gòu)、超前掘進裝置、渣土輸送機、管片拼裝機和推進系統(tǒng)等，結(jié)合了超前應力釋放技術(shù)與常規(guī)盾構(gòu)施工技術(shù)，不僅可以提前釋放積聚在巖體內(nèi)的能量，而且可以利用盾體的伸縮功能二次釋放應力，并采用盾構(gòu)管片襯砌一次成型技術(shù)，使隧道周邊形成的高應力區(qū)向深部巖層轉(zhuǎn)移，降低施工風險。

閉式TBM多模盾構(gòu)以單護盾TBM模式為主設計理念(見圖21)，在隧道絕大部分區(qū)間采用TBM模式施工，提升掘進效率，降低刀盤、刀具磨損，降低單位掘進里程人員進艙換刀頻次與施工風險，以適應長距離隧道高效掘進；同時，具有盾構(gòu)閉式功能，可以在地層發(fā)生突泥突水時，迅速隔絕土艙，轉(zhuǎn)換為土壓或泥水平衡模式帶壓掘進施工。

3.1.3 異形斷面硬巖隧道掘進機

在地鐵及引水隧洞領域一般采用圓形斷面，但在公路隧道、鐵路隧道、礦山開采等領域，相比于圓形斷面，異形斷面在開挖成本、效率和空間利用率等方面具有天然優(yōu)勢。市場上已有的異形斷面掘進機主要有雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)、馬蹄形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)、類矩形盾構(gòu)、U形盾構(gòu)等機型，但主要適用于軟土地層，不能應用于硬巖地層開挖。

(a) TBM模式(中心螺旋輸送機出渣)

(b) 土壓平衡模式(底部螺旋輸送機出渣)

(c) 泥水平衡模式(中心螺旋輸送機縮回封閉)

異形斷面硬巖隧道掘進機的關(guān)鍵在于刀盤設計，刀盤可采用安裝盤形滾刀的多刀盤設計，通過多個刀盤的不同組合切削，實現(xiàn)不同斷面輪廓開挖，并配合新型銑挖頭進行盲區(qū)開挖；也可設計特制的刀盤，配合主驅(qū)動的運動，通過盤形滾刀的仿形運動實現(xiàn)異形斷面的開挖。

3.1.4 無刀化隧道掘進機

自1825年麥克·布魯內(nèi)爾和金德姆·布魯內(nèi)爾發(fā)明了世界首臺盾構(gòu)以來，隧道掘進機發(fā)展經(jīng)歷了4個階段： 第1代采用機具進行人工開挖；第2代采用挖掘機械進行機械式開挖；第3代和第4代均使用切刀切削軟土以及盤形滾刀破碎巖石的方式進行隧道開挖。未來，將研究開發(fā)以激光、水射流、聲波、射線、核能源、化學物質(zhì)等一種或多種物質(zhì)為主進行掘進破巖的第5代無刀化隧道掘進機。

1)高壓水射流破巖技術(shù)： 高壓水射流技術(shù)是指通過加壓泵等加壓裝置，將常壓水加壓至數(shù)十甚至數(shù)百MPa，再通過具有細小孔徑的高壓噴嘴裝置輸出，形成直徑很小、壓力很高、速度很快的水射流。當水射流沖擊強度大于巖石的抗壓強度時，即可對巖石產(chǎn)生破碎作用。

2)高壓電脈沖破巖技術(shù)： 高壓電脈沖破碎巖石主要依靠脈沖放電產(chǎn)生等離子體通道的膨脹應力，放電瞬間通道內(nèi)形成的應力大于巖石強度，使巖石產(chǎn)生裂紋并破碎，是一種非常具有潛力的新型破巖方式。

3)激光破巖技術(shù)： 該方法主要是將高能量的光束粒子直接作用于巖石中，使得巖石在高溫的作用下被融化，融化后的巖石會轉(zhuǎn)化為氣液兩相物，在氣流的作用下，生成的氣液兩相物被帶出井口。

4)粒子沖擊破巖技術(shù)： 依靠高能粒子球撞擊破壞巖石，使巖石出現(xiàn)裂紋，從而降低巖石強度，在機械刀具的輔助作用下實現(xiàn)巖石的破碎，破巖效率極高。此種方法較為繁瑣，實施困難，目前仍處于試驗階段。

此外，還有微波破巖、超臨界二氧化碳射流破巖、液氮射流破巖、高壓氣液兩相射流破巖、超聲波破巖等新型破巖技術(shù)。在新型破巖方式下，巖石產(chǎn)生弱化甚至直接破碎作用，弱化后的巖石強度降低、脆性增加，巖石內(nèi)部裂紋拓展多且深，此時盾構(gòu)刀具能輕易地將巖石破碎，大大降低了滾刀的磨損，提高了施工效率。

這類無刀化隧道掘進機的開發(fā)，將解決當前隧道掘進機存在的掘進速度緩慢、刀具易磨損等難題，大幅度提升掘進效率，改善工作環(huán)境，為鐵路、公路、水利和地下空間開發(fā)等領域建設提供更優(yōu)選擇。

3.1.5 變斷面隧道掘進機

常規(guī)盾構(gòu)一般只能適應單一尺寸圓形斷面開挖，異形盾構(gòu)只能適應特定的異形斷面開挖。國內(nèi)正在研究的柔臂盾構(gòu)擬用于變斷面硬巖隧道的開挖。

基于機器人支撐的柔臂盾構(gòu)，結(jié)合了常規(guī)盾構(gòu)刀盤高效率開挖和機器人技術(shù)高靈活度、高精度的優(yōu)勢，將盾構(gòu)刀盤支撐推進系統(tǒng)采用機械臂的形式進行設計優(yōu)化，使刀盤具有多自由度運動性能，從而實現(xiàn)隧道變斷面開挖。柔臂盾構(gòu)具有靈活機動、可開挖任意斷面、拆解運輸方便、設備成本低等優(yōu)勢，適應于短距離任意形狀隧道、硬巖地層馬蹄形隧道、車站站廳層機械開挖等應用場景，對推進地下空間的開發(fā)和利用具有重大意義。

3.1.6 外星化隧道掘進機

隨著全球航天事業(yè)的不斷發(fā)展，人類對宇宙的探索將逐漸深入；月球作為地球唯一的衛(wèi)星，未來有可能成為人類進一步在太空活動的根據(jù)地，外星化隧道掘進機將首先研究開發(fā)月球隧道掘進機。

3.2 智能化

針對傳統(tǒng)隧道掘進機在掘進環(huán)境多源信息智能感知、多傳感檢測與健康維護、動態(tài)性能自適應調(diào)節(jié)等方面存在的技術(shù)難題，從掘進環(huán)境智能感知、裝備壽命智能預測、整機多系統(tǒng)智能抗震等方面開展技術(shù)攻關(guān)，努力實現(xiàn)新一代智能隧道掘進機的研發(fā)，進而實現(xiàn)隧道掘進機長距離、智能化、無人值守及安全快速掘進。

智能化隧道掘進機是基于智能管控中心，將施工經(jīng)驗及技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為標準化數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡而形成的新型隧道掘進機，實現(xiàn)施工的無人化；同時，通過實現(xiàn)隧道掘進機遠程控制、自動巡航、智能駕駛等功能，提高隧道掘進機施工中對風險和質(zhì)量的管控能力。

基于5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代新型信息技術(shù)，研究開發(fā)可感-可掘-可控的智能裝備與施工技術(shù)體系，如圖22所示。

3.2.1 地質(zhì)可感

基于地質(zhì)環(huán)境-設備-結(jié)構(gòu)一體化的智能感知技術(shù)，主要包含：

1)研究基于搭載式物探和千米級水平鉆探的地質(zhì)亞米級精細探測技術(shù)，實現(xiàn)不良地質(zhì)三維成像與精準預報。

2)研究設備掘進狀態(tài)實時監(jiān)測技術(shù)，為設備掘進參數(shù)的動態(tài)感知與健康評價提供數(shù)據(jù)支撐。

3)研究工程結(jié)構(gòu)群全壽命周期協(xié)同監(jiān)測技術(shù)，增強結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知可靠性、可用性、系統(tǒng)性，實現(xiàn)協(xié)同一體化感知，監(jiān)測結(jié)構(gòu)災害多因素演化過程。

圖22 可感-可掘-可控的智能裝備與施工技術(shù)體系

3.2.2 裝備可掘

基于高性能刀盤刀具、巖體等級分類的盾構(gòu)/TBM掘進保障技術(shù)，主要包含：

1)從新材料、新工藝研究刀圈材料和耐磨增韌制造工藝，研究滾刀群與盤體耦合布局設計方法，解決刀盤刀具長壽命、高可靠性問題。

2)研究基于巖體等級分類的盾構(gòu)/TBM掘進參數(shù)動態(tài)調(diào)控方法，建立掘進參數(shù)多模態(tài)控制策略。

3)研究基于巖體等級分類的多模態(tài)控制模型，建立基于掘進參數(shù)實時反饋、動態(tài)調(diào)整、許可施工機制，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.2.3 施工可控

基于盾構(gòu)/TBM掘進的智能糾偏、韌性支護技術(shù)等，主要包含：

1)研究完整的盾構(gòu)/TBM掘進智能糾偏技術(shù)，包括姿態(tài)檢測、姿態(tài)規(guī)劃、機構(gòu)分析、電液控制等。

2)研究復雜地層盾構(gòu)/TBM掘進方向精準調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)掘進機多維度空間的位姿測控。

3)研究不良地質(zhì)段襯砌結(jié)構(gòu)長期變形協(xié)調(diào)支護結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟社會從高速發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展，國家“一帶一路”倡議、“兩新一重”戰(zhàn)略深入實施，越來越多的隧道工程亟待修建，為中國隧道掘進機發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，同時為工程勘察設計、裝備選型設計與施工技術(shù)提出了新的研究方向。

1)基于穿山： 針對超長山嶺隧道建設，未來需重點研究深部地下空間地質(zhì)勘探、極端地質(zhì)全能型TBM、工程環(huán)境保護、健康運營管理與防災救援及全壽命周期隧道健康評估與重置等技術(shù)。

2)基于入地： 針對開發(fā)建設深層地下空間快速軌道交通、快速道路和地下貨運物流系統(tǒng)、排水防澇設施、深層地下能源輸送管廊、能源儲存基地、地下防災避難設施、地下科學實驗室、地下數(shù)據(jù)中心等工程需要，未來需重點研究探索異形盾構(gòu)技術(shù)和非開挖技術(shù)。

3)基于下海： 針對超長水下隧道建設，未來需重點研究地震作用下超長水下隧道安全保障、防排水、離岸結(jié)構(gòu)修建及高水壓下施工裝備地質(zhì)環(huán)境適應等技術(shù)。

通過近70年的努力，我國以隧道掘進機為代表的重大工程裝備與建造技術(shù)實現(xiàn)了從跟跑、并跑到領跑，極大地推進了我國隧道工程建設的快速發(fā)展。繼往開來，我們將牢記“三個轉(zhuǎn)變”——推動中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變，為爭取早日實現(xiàn)交通強國、制造強國和科技強國目標而繼續(xù)努力！