秦海洋+劉厚全+周慧+馮志華

TBM起源于英國(guó)，之后在日本、德國(guó)得到了發(fā)展。1884年，在英法海底隧道的修建過(guò)程中，首次使用了Bohmont設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)（Φ2.1 m）進(jìn)行施工，由于技術(shù)不成熟，導(dǎo)致滾刀磨損嚴(yán)重、液壓器件密封不足等，使其難以得到廣泛的應(yīng)用。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，TBM理論相繼傳入美、法、德等發(fā)達(dá)國(guó)家。各國(guó)開始投入大量精力開展TBM研究。例如：1932年，美國(guó)研制出了可用于采礦行業(yè)的懸臂式TBM，1956年，美國(guó)Robbins公司率先研發(fā)出用于硬巖掘進(jìn)的全斷面掘進(jìn)機(jī)，并于1963年研發(fā)出Φ11.2 m的世界首臺(tái)大直徑硬巖TBM；日本為發(fā)展本國(guó)的TBM技術(shù)，和Robbins公司進(jìn)行合作，并于1973年生產(chǎn)出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)TBM；此后，發(fā)達(dá)國(guó)家相繼建立起屬于本國(guó)的TBM企業(yè)。20世紀(jì)80年代，TBM生產(chǎn)企業(yè)較少，主要分布于美國(guó)（Robbins、Jarva）和德國(guó)（Wirth、Demag）?，F(xiàn)今，除了老牌生產(chǎn)企業(yè)外，加拿大的Lovat、日本的Komatsu等新型企業(yè)也得到快速發(fā)展，逐漸成為生產(chǎn)TBM的一線品牌。目前，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)正向以下方向發(fā)展：擴(kuò)大適用范圍；增強(qiáng)可靠性；增加斷面；加強(qiáng)截割力；完善配套；提高智控。

中國(guó)TBM技術(shù)的發(fā)展源自20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了2個(gè)階段。20世紀(jì)50年代至20世紀(jì)末是第一階段，當(dāng)時(shí)幾乎無(wú)創(chuàng)新性可言，主要依靠進(jìn)口前蘇聯(lián)煤用TBM，并對(duì)其進(jìn)行改造生產(chǎn)，例如，在前蘇聯(lián)JLK型TBM基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，生產(chǎn)出“開馬型”國(guó)產(chǎn)TBM。該階段末，依靠“引進(jìn)吸收”模式，具備了批量生產(chǎn)中型TBM的技術(shù)。20世紀(jì)末進(jìn)入第二階段，即采用“引進(jìn)—消化—再創(chuàng)造”模式步入重型TBM的研發(fā)階段。例如，引進(jìn)日系S200M型TBM后，研發(fā)出國(guó)產(chǎn)EBE160型TBM。相比于國(guó)外TBM生產(chǎn)企業(yè)，我國(guó)的TBM生成企業(yè)在技術(shù)、裝配方面均較為落后。

雖然中國(guó)的TBM起步不晚，國(guó)產(chǎn)TBM也具有自己的優(yōu)勢(shì)，但是在基礎(chǔ)理論研究、材料研發(fā)、使用可靠性方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。鑒于此，為了掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在中國(guó)更好地發(fā)展，有必要對(duì)其存在的問(wèn)題及相應(yīng)的研究成果加以整理分析，以期為相關(guān)的理論研究和工程施工提供參考。

掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)的發(fā)展概況

自20世紀(jì)50年代開始，中國(guó)逐步開始了對(duì)TBM的研究，發(fā)展歷程可以概括為：手掘式—網(wǎng)格式—超大網(wǎng)格式—小斷面硬巖TBM—重型TBM。

手掘式開挖是中國(guó)最早采用的隧道開挖方法。1956年，在中國(guó)東北阜新海州巷道的開挖過(guò)程中曾采用人工挖土的方法。

進(jìn)入60年代，原先簡(jiǎn)單的手掘式開挖已不能滿足大直徑隧道開挖的要求，因此網(wǎng)格式TBM應(yīng)運(yùn)而生。1965～1966年，國(guó)產(chǎn)網(wǎng)格TBM（Φ5.8 m和Φ10.2 m）投入到上海地鐵的施工中。

60年代中期，首臺(tái)國(guó)產(chǎn)硬巖TBM（Φ3.5 m）在上海水工機(jī)械廠裝配完畢，并成功在西洱河引水隧道進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，為之后全斷面硬巖TBM工業(yè)性試驗(yàn)開創(chuàng)了先河。

70年代中后期，TBM技術(shù)進(jìn)入了工業(yè)性試驗(yàn)階段，相繼研制出多款TBM機(jī)型（SJ系列、EJ系列）并用于工程試驗(yàn)。80年代步入工業(yè)生產(chǎn)、工程使用階段，SJ和EJ系列TBM在多個(gè)引水隧道和煤礦工程中得到使用。當(dāng)時(shí)，相比國(guó)外TBM，國(guó)產(chǎn)TBM在技術(shù)應(yīng)用、生產(chǎn)工藝、可靠性方面均較為落后。

70年代末（改革開放后），我國(guó)開始著手進(jìn)行重型TBM的研制工作，該過(guò)程可以劃分為“引進(jìn)”和“合資”2個(gè)階段。1978～2003年為“引進(jìn)”階段，TBM基本依賴進(jìn)口，外企憑借TBM核心技術(shù)控制了80%以上的中國(guó)市場(chǎng)；2003年至今，進(jìn)入了“合資”階段，“合資”表現(xiàn)在兩方面，一方面是技術(shù)合作，另一方面是公司合營(yíng)。截至2016年，國(guó)內(nèi)TBM生產(chǎn)廠家中，中外合資企業(yè)占據(jù)了很大一部分，且比例逐年上升。在技術(shù)合作方面：中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)與Robbins公司合作生產(chǎn)的TBM（Φ3.65 m）于2003年出廠，用于掌鳩河隧道施工；Robbins公司與大連重工合作生產(chǎn)的TBM（Φ8.03 m）于2005年出廠，用于大伙房隧道工程施工。在公司合營(yíng)方面：2007年沈陽(yáng)重型機(jī)械與法國(guó)NFM公司、德國(guó)Wirth公司合資成立了沈陽(yáng)維爾特重型隧道工程機(jī)械設(shè)備公司，共同致力于中國(guó)TBM技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)50年代至今，TBM在中國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r如圖1所示。

硬巖掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

在中國(guó)的研究現(xiàn)狀

截止2016年，針對(duì)TBM技術(shù)，中國(guó)的研究熱點(diǎn)集中在：滾刀破巖機(jī)制的研究、滾刀磨損研究、刀圈保護(hù)研究、TBM施工預(yù)測(cè)研究、不連續(xù)巖體中的TBM掘進(jìn)研究等。

破巖機(jī)制的研究

滾刀破巖機(jī)理在中國(guó)存在多種版本，其中較為普遍接受的是“壓入-貫通”機(jī)理，該機(jī)理將TBM掘進(jìn)過(guò)程中掌子面巖體的變形分為壓入和破巖2個(gè)階段。

“壓入”是破巖過(guò)程中的第一階段，即來(lái)自于刀盤的壓力將滾刀壓入掌子面的巖體中，掌子面和滾刀接觸部位的巖體開始產(chǎn)生裂縫并向四周延伸（圖2）。根據(jù)巖體的變形程度可將變形巖體歸為3類：粉碎核（刀盤和巖體接觸部位，變形最大）、彈性區(qū)（距離接觸部位較遠(yuǎn)，變形較?。┖头菑椥詤^(qū)（粉碎核和彈性區(qū)的過(guò)渡區(qū)）。根據(jù)形狀，非彈性區(qū)的裂縫可以分為3種：中心裂紋、放射裂紋和邊裂紋。對(duì)于該區(qū)間內(nèi)裂紋的形成原因目前主要存在3種：巖體剪切破壞、巖體的脆性受拉破壞、在相近數(shù)量級(jí)的剪切和受拉混合作用下破壞。

“貫通”是整個(gè)破巖過(guò)程的第二階段。在該階段，刀盤旋轉(zhuǎn)使得滾刀之間的裂紋（多為邊裂紋和中心裂紋）得以貫通，形成巖片。

滾刀破巖機(jī)制的研究目的主要在于開發(fā)新的滾刀材料和優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)。優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)的研究中，線性切割試驗(yàn)是常用的方法。通過(guò)計(jì)算刀盤在間距和切入深度的不同工況組合下的破巖效率，確定最佳參數(shù)。

滾刀磨損研究

TBM破巖過(guò)程屬于磨料磨損過(guò)程，滾刀屬于磨料，巖體屬于材料?，F(xiàn)階段，磨料磨損機(jī)理分為4種，即微量切削、疲勞破壞、壓痕破壞、斷裂破壞。其中，TBM破巖機(jī)制歸屬為最后一種。TBM滾刀與巖體的相互作用如圖3所示。其中，正應(yīng)力fN和切向力fR對(duì)滾刀的磨損有顯著的影響。endprint

根據(jù)上述破巖機(jī)理，結(jié)合滾刀的受力特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，采用有限元分析方法，建立滾刀的相對(duì)滑移模型；將此滑移數(shù)據(jù)與工程測(cè)量數(shù)據(jù)或滾刀對(duì)磨試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，便可確定刀盤磨損系數(shù)，而刀盤磨損系數(shù)是建立TBM滾刀預(yù)測(cè)模型最重要的參數(shù)。該過(guò)程如圖4所示。

刀圈保護(hù)研究

掘進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、巖體強(qiáng)度高等原因決定了TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀圈的磨損必然很嚴(yán)重。因此，對(duì)于刀盤保護(hù)的研究至關(guān)重要。在刀圈的保護(hù)方面，進(jìn)行了以下研究。

（1）刀圈材料選擇。近年來(lái)，逐步采用釬焊硬質(zhì)合金制作傳統(tǒng)刀圈，從根本上提高刀圈壽命。

（2）刀圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)刀圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行因地制宜的設(shè)計(jì)，用以增強(qiáng)刀圈不同部位的硬度。例如，為了進(jìn)行巖體壓入和切割，刀刃部必須耐磨，硬度必須很高；芯部硬度可適當(dāng)降低。因此，刀圈硬度可做成HRC59～35的梯度漸變。

（3）在刀具材料的修補(bǔ)方面，研發(fā)出了新型焊絲DG7。采用該焊絲對(duì)刀具斷裂處施焊，強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。北京地鐵5號(hào)線施工過(guò)程中曾采用該方法，效果明顯，修復(fù)前后的刀具如圖5所示。

TBM 施工預(yù)測(cè)研究

由于巖體具有組分不均勻、非線性、受力時(shí)的變形各向異性等特點(diǎn)，使得TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤與巖體的受力復(fù)雜，不可能進(jìn)行準(zhǔn)確的施工計(jì)算。而且TBM本身機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工障礙較多，導(dǎo)致施工過(guò)程中刀盤與巖體的相互作用難以確定，從而使TBM施工預(yù)測(cè)難以順利進(jìn)行。而正確的施工預(yù)測(cè)模型則可以很好地模擬施工過(guò)程中巖體與掘進(jìn)機(jī)受力、變形的變化，改善掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)TBM技術(shù)的發(fā)展。

TBM施工預(yù)測(cè)模型在中國(guó)的研究成果可以歸納為“模型-反饋”模式，如圖6所示。從滾刀和巖體的作用機(jī)制出發(fā)，結(jié)合滾刀間距和切入深度工況組合建立模型，進(jìn)行“刀盤-巖體”的施工過(guò)程模擬。結(jié)合TBM現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)圍巖和刀盤的數(shù)據(jù)變化，對(duì)上述施工模型進(jìn)行修正，優(yōu)化預(yù)測(cè)模型。該過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)圍巖狀況與掘進(jìn)參數(shù)的正確匹配，指導(dǎo)TBM掘進(jìn)過(guò)程順利進(jìn)行。

不連續(xù)巖體中的TBM掘進(jìn)研究

軟硬巖交替出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重阻礙TBM掘進(jìn)過(guò)程。TBM穿越軟巖時(shí)，易加速巖體變形，填埋機(jī)頭。TBM穿越硬巖時(shí)，易引發(fā)巖爆、卡機(jī)等現(xiàn)象。山嶺隧道中，軟硬巖交替出現(xiàn)的現(xiàn)象頻繁?，F(xiàn)階段，中國(guó)在這方面的研究主要是基于對(duì)象的建模思想，建立模型，探討掘進(jìn)機(jī)與巖體作用的感應(yīng)識(shí)別方法，具體過(guò)程如下。

首先針對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)的不同類型進(jìn)行模擬建模程序編寫，結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)開挖面巖體作用力的分析方法，在BLKLAB應(yīng)用平臺(tái)中評(píng)價(jià)掘進(jìn)開挖過(guò)程和開挖面巖體穩(wěn)定性可視化分析的可行性，如圖7所示。該方法實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)與開挖面作用力與扭矩的簡(jiǎn)化分析，為深入研究TBM穿越不連續(xù)巖體奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

分析評(píng)價(jià)

由表1可知：截至2016年，硬巖掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用范圍已逐漸覆蓋全國(guó)。但是，就市場(chǎng)占有而言，施工所用的掘進(jìn)機(jī)較多是國(guó)外進(jìn)口的，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)占有比例較少，表明中國(guó)正處于以市場(chǎng)換技術(shù)的狀態(tài)。究其根本原因，主要為技術(shù)落后、管理落后和制度落后。

（1）技術(shù)落后。中國(guó)掘進(jìn)機(jī)行業(yè)雖然起步不晚，但對(duì)于液壓、電控等核心技術(shù)尚沒(méi)有完全掌握，在材料、液壓元件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)配技術(shù)、系統(tǒng)可靠性等方面與國(guó)外存在較大差距。

（2）管理落后。對(duì)進(jìn)入該行業(yè)企業(yè)的資質(zhì)審批過(guò)于簡(jiǎn)單。目前有近30家企業(yè)已經(jīng)或準(zhǔn)備進(jìn)軍該行業(yè)，主要包括2類，一類來(lái)自于施工企業(yè)外延，另一類是裝備制造企業(yè)與外資的合資公司。這些企業(yè)都忽略了掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)理論的研究，以市場(chǎng)占有為目的。

（3）制度落后。TBM裝配制造方面，國(guó)家缺乏統(tǒng)一管理，企業(yè)也無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，僅于近幾年成立了掘進(jìn)機(jī)械行業(yè)分會(huì)，隸屬于工程機(jī)械協(xié)會(huì)。僅僅這些與掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展創(chuàng)新相差甚遠(yuǎn)，要想從根本上推動(dòng)TBM在中國(guó)的發(fā)展，就必須從制度上建立起相應(yīng)的機(jī)制。

問(wèn)題歸納

建議和展望

一方面，與爆破開挖相比，TBM施工具有施工快、安全可靠、不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于3 km時(shí)，采用TBM施工更經(jīng)濟(jì)。另一方面，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)TBM的需求量大，截止2016年底，中國(guó)已有37座城市進(jìn)行了地鐵施工。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016～2017年，中國(guó)將建成5 000 km隧道，年均500 km，很多隧道的長(zhǎng)度和難度都是空前的。因此，TBM在中國(guó)的發(fā)展將是大勢(shì)所趨。為此，針對(duì)TBM在未來(lái)的發(fā)展方向提出幾點(diǎn)建議，如圖9所示。

（1）材料研究。良好的材料性能、先進(jìn)的加工工藝是促進(jìn)掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此需加強(qiáng)機(jī)用材料的研究。中國(guó)目前采用的機(jī)用材料存在眾多問(wèn)題，對(duì)此提出相應(yīng)的解決方案，如圖10所示。

（2）施工預(yù)測(cè)模型的研究。預(yù)測(cè)模型主要用來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)性能。在此之前，針對(duì)不同的項(xiàng)目，已經(jīng)建立了不同施工預(yù)測(cè)模型，但是由于地質(zhì)差異和TBM多樣性，不同項(xiàng)目的預(yù)測(cè)模型不可能相同，因此，急需一套統(tǒng)一的建模方法和標(biāo)準(zhǔn)。使得不同項(xiàng)目的預(yù)測(cè)模型可以相互借鑒與參考，這樣將極大地節(jié)省建模的時(shí)間。

（3）功能復(fù)合。掘進(jìn)機(jī)的功能復(fù)合主要指強(qiáng)適應(yīng)性、健全的配套系統(tǒng)、超前預(yù)報(bào)功能。

（4）高地應(yīng)力研究。高地應(yīng)力下的強(qiáng)巖爆現(xiàn)象使得掘進(jìn)機(jī)受力復(fù)雜，工況突變?nèi)菀滓鹂C(jī)現(xiàn)象。中國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，南水北調(diào)西線工程等將在高地應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)行掘進(jìn)施工。因此，要發(fā)展適應(yīng)本國(guó)的掘進(jìn)機(jī)，就必須加強(qiáng)對(duì)高地應(yīng)力問(wèn)題的研究，主要包括高地應(yīng)力對(duì)滾刀破巖的影響、緊急情況施工預(yù)案和預(yù)測(cè)模型的研究。

（5）促進(jìn)開敞式TBM的發(fā)展。近年來(lái)的研究成果和工程統(tǒng)計(jì)表明，由于護(hù)盾式TBM后盾較長(zhǎng)，產(chǎn)生了眾多問(wèn)題，如圖11所示。

由于上述問(wèn)題的存在，國(guó)外許多國(guó)家已經(jīng)取消應(yīng)用護(hù)盾式TBM，而開敞式TBM則避免了上述問(wèn)題的出現(xiàn)。因此，發(fā)展開敞式TBM將是未來(lái)的 趨勢(shì)。endprint

（6）智能控制與系統(tǒng)可靠性。智能控制是指“兩控一檢”，即自控（自動(dòng)控制）、遠(yuǎn)控（遠(yuǎn)程控制）和自檢（自動(dòng)檢測(cè)）。智能控制是將TBM與計(jì)算機(jī)緊密聯(lián)系的橋梁，將把施工人員從復(fù)雜的TBM操作中解脫出來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)TBM智能控制指日可待。

可靠性低嚴(yán)重阻礙國(guó)產(chǎn)TBM的發(fā)展。可靠性研究包括機(jī)用材料的可靠性研究、關(guān)鍵部件（如軸承、密封、機(jī)電、電氣元件、液壓系統(tǒng)）的可靠性研究、工藝方法的可靠性研究等?？煽啃試?yán)重影響TBM的使用壽命，提高產(chǎn)品可靠性是急需解決的一大問(wèn)題。

（7）再制造技術(shù)。TBM再制造技術(shù)即對(duì)破損的TBM進(jìn)行修復(fù)，使其能繼續(xù)施工或?qū)⒘慵卫谩BM再制造過(guò)程如圖12所示。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1976～2016年，國(guó)外生產(chǎn)的700臺(tái)TBM，新機(jī)和再制造機(jī)所占的比例分別為40%和60%。而國(guó)內(nèi)再制造機(jī)所占比例僅為20%，是國(guó)外水平的1/3。一方面，掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)費(fèi)用高，產(chǎn)品再制造有很大的經(jīng)濟(jì)意義；另一方面，TBM為非標(biāo)產(chǎn)品，零件再制造難度較大，因此TBM再制造技術(shù)面臨較大的困難。

發(fā)展TBM再制造技術(shù)必須解決的眾多問(wèn)題大致可分為4類，即軸承、刀具零件的再制造技術(shù)，無(wú)損清洗及表面修復(fù)技術(shù)，再制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，以及相關(guān)的評(píng)價(jià)體系。

（8）建立掘進(jìn)機(jī)研發(fā)基地。到目前為止，中國(guó)已經(jīng)建成三大TBM研發(fā)基地：北方研發(fā)基地（沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)牽頭，聯(lián)合大連重工）、東方研發(fā)基地（上海隧道工程股份有限公司牽頭，聯(lián)合上海重型機(jī)器廠）、西部研發(fā)基地（中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)牽頭，聯(lián)合水利部和鐵道部）。研發(fā)基地建立的同時(shí)，人才的培養(yǎng)、設(shè)備的改進(jìn)都至關(guān)重要。

結(jié)語(yǔ)

2016～2036年，中國(guó)計(jì)劃采用TBM建造5條長(zhǎng)距跨海隧道，包括渤海灣隧道（150 km）、杭州灣隧道（36 km）、伶仃洋隧道（26.7 km）、瓊州海峽隧道（30 km）、臺(tái)灣海峽隧道（125 km）。此外，南水北調(diào)西線工程由于地處高寒、低壓、缺氧地區(qū)，采用TBM進(jìn)行隧道施工將成為必然的決策；工程總長(zhǎng)度為1 525 km，約需80臺(tái)TBM。廣闊的市場(chǎng)需求為本國(guó)掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。

掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)的發(fā)展面臨眾多問(wèn)題，包括材料和液壓等核心問(wèn)題、制度和管理的問(wèn)題、推廣問(wèn)題、協(xié)同問(wèn)題等，它們與掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展密切相關(guān)。

掘進(jìn)機(jī)發(fā)展帶來(lái)的利益是豐厚的，同時(shí)面臨的挑戰(zhàn)也是巨大的。為了促進(jìn)TBM技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，應(yīng)該從加緊完善相關(guān)制度、改變管理模式、加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究、掌握TBM核心技術(shù)、研發(fā)多功能TBM、提高再制造技術(shù)等方面入手，掃除TBM在中國(guó)發(fā)展所面臨的障礙。endprint