苗圩巍 顏世鐺 李紀(jì)強(qiáng) 丁煒 李優(yōu)華

摘要：我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的愿景是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，模塊化制造、智能化掘進(jìn)、遠(yuǎn)程化管理;盾構(gòu)的施工則實(shí)現(xiàn)無(wú)人化智能掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在辦公室遠(yuǎn)程控制盾構(gòu)操作。本文簡(jiǎn)述了我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： The vision of china shield technology is to realize digital design， modular manufacturing， intelligent tunnelling， and remote management;The construction of shield machine realizes unmanned intelligent tunneling and remote control of Shield operation in office.This paper briefly describes the development process and current situation of TBM in China， and expounds the future development trend.

關(guān)鍵詞：全斷面隧道掘進(jìn)機(jī);智能化;發(fā)展趨勢(shì)

Key words： full-face TBM;intelligentization;development trend

中圖分類號(hào)：U455.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0203-03

0? 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)/TBM）俗稱盾構(gòu)機(jī)，被稱為“世界工程機(jī)械之王”、工程機(jī)械中的“航空母艦”，它是集隧道掘進(jìn)、出渣、拼裝隧道襯砌、導(dǎo)向糾偏功能于一體，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、地下綜合管廊、鐵路及公路隧道工程、引水隧洞工程及軍事防護(hù)工程施工的特大型專用工程設(shè)備。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)具有安全、快速、高效、不受氣候影響、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)綠色施工，且安全保障程度高，成為隧道施工的主流技術(shù)和發(fā)展方向[1]。

1? 我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程

1963年，上海市隧道工程局研制了國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)手掘式盾構(gòu)，直徑4.2m。

1966年，中國(guó)制造出第一臺(tái)全斷面硬巖TBM，直徑3.5m。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)才將TBM推廣應(yīng)用到引水隧道、鐵路隧道及交通隧道等隧道工程中。

2002年，國(guó)家863計(jì)劃首次立項(xiàng)開(kāi)展盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，正式拉開(kāi)國(guó)家層面自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)的序幕;國(guó)內(nèi)首個(gè)國(guó)家級(jí)盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化基地在河南新鄉(xiāng)落成，正式掀開(kāi)了我國(guó)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)研發(fā)的新篇章。

2008年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在河南新鄉(xiāng)下線，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人從盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)到整機(jī)制造的歷史跨越，打破了“洋盾構(gòu)”一統(tǒng)天下的局面，拉開(kāi)中國(guó)盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的序幕。（圖1）

2013年，全球首臺(tái)雙模式煤礦斜井TBM通過(guò)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)隧道技術(shù)運(yùn)用于煤炭開(kāi)采取得重大突破;我國(guó)研制成功當(dāng)時(shí)世界上最大斷面的矩形掘進(jìn)機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了城市地下空間開(kāi)發(fā)與隧道建設(shè)的新模式。（圖2）

2014年，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（敞開(kāi)式TBM）在長(zhǎng)沙下線，標(biāo)志著我國(guó)在大型高端裝備制造領(lǐng)域已取得了重大突破。

2015年，全國(guó)首臺(tái)立井煤礦全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）在淮南張集礦實(shí)現(xiàn)貫通，是我國(guó)煤礦井下巖巷掘進(jìn)具有里程碑意義的一場(chǎng)革命;亞洲最大直徑（14.1米）的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)下線;國(guó)產(chǎn)首臺(tái)單護(hù)盾巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）“領(lǐng)航一號(hào)”在重慶成功始發(fā);我國(guó)首臺(tái)雙護(hù)盾硬巖全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）“新水源一號(hào)”在長(zhǎng)沙下線，填補(bǔ)了中國(guó)雙護(hù)盾硬巖TBM研制的空白。

2016年，我國(guó)首臺(tái)雙X撐靴式TBM在鄭州下線，標(biāo)志著我國(guó)隧道掘進(jìn)機(jī)研制和產(chǎn)業(yè)化水平已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

2016年，“國(guó)產(chǎn)首臺(tái)鐵路雙線大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)”、“國(guó)產(chǎn)首臺(tái)高鐵大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)”在長(zhǎng)沙下線，標(biāo)志著我國(guó)掘進(jìn)裝備已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，也是我國(guó)高端地下裝備制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的又一座“里程碑”;世界首臺(tái)大斷面馬蹄形盾構(gòu)——“蒙華號(hào)”順利始發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)在異型盾構(gòu)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。

2017年，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告2017年28號(hào)文“關(guān)于批準(zhǔn)發(fā)布《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 盾構(gòu)機(jī)安全要求》等5項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的公告”，標(biāo)志著首批全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布;國(guó)產(chǎn)首臺(tái)最小直徑敞開(kāi)式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）、國(guó)內(nèi)首臺(tái)用于城際軌道交通工程的大型盾構(gòu)機(jī)、國(guó)產(chǎn)首臺(tái)常壓換刀超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“沅安號(hào)”等紛紛下線，標(biāo)志著我國(guó)高端地下裝備制造的自主創(chuàng)新能力完全升級(jí)。

2018年，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)鐵路大直徑在線式土壓/TBM雙模掘進(jìn)機(jī)在長(zhǎng)沙下線，填補(bǔ)了我國(guó)國(guó)產(chǎn)鐵路大直徑雙模掘進(jìn)機(jī)系列當(dāng)中土壓/TBM雙模掘進(jìn)機(jī)的空白;我國(guó)首臺(tái)出口海外的超大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)下線，打破了由發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)海外超大直徑盾構(gòu)市場(chǎng)的壟斷;我國(guó)自主研制的最大直徑（直徑15.8米）的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“春風(fēng)號(hào)”在鄭州下線，標(biāo)志著中國(guó)盾構(gòu)的設(shè)計(jì)制造邁向高端化。

2019年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)螺旋輸送式雙模盾構(gòu)機(jī)在佛山始發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)由中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造的重大轉(zhuǎn)變;中國(guó)內(nèi)地直徑達(dá)16.03米的“和平號(hào)”泥水平衡盾構(gòu)機(jī)順利下線，這是目前我國(guó)內(nèi)地最大直徑盾構(gòu)機(jī)。

2020年，世界最大斷面矩形盾構(gòu)機(jī)“南湖號(hào)”成功下線，標(biāo)志著我國(guó)矩形盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)再次刷新世界紀(jì)錄。

2? 我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 由常規(guī)地鐵隧道向公路、鐵路隧道發(fā)展? 隧道的種類有很多，但實(shí)際開(kāi)發(fā)和使用率最高的便是鐵路、公路隧道、城市軌道以及引水隧洞等。目前盾構(gòu)法技術(shù)已在地鐵隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但在公路、鐵路隧道建設(shè)中使用較少，未來(lái)盾構(gòu)法技術(shù)在建設(shè)大直徑公路隧道、鐵路隧道中應(yīng)用將成為一種趨勢(shì)。

2.2 微型盾構(gòu)、管廊盾構(gòu)設(shè)備發(fā)展? 微型盾構(gòu)機(jī)全程在地下作業(yè)，避免了對(duì)沿線區(qū)域的明挖，轉(zhuǎn)變了對(duì)道路的“開(kāi)膛破肚”的施工方式。用地下管廊建設(shè)管網(wǎng)后，專線專用，同時(shí)深埋地下，可以獨(dú)立地進(jìn)行管網(wǎng)檢修，避免與其他管網(wǎng)“打腳”，最大程度減少管線遷改，進(jìn)而減少對(duì)道路的反復(fù)開(kāi)挖，破解拉鏈路尷尬。

2.3 綜合地下空間開(kāi)發(fā)設(shè)備? 目前我國(guó)地下空間所包容的地物可分為交通系統(tǒng)、管線系統(tǒng)、商業(yè)娛樂(lè)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)、其它可能轉(zhuǎn)入地下的設(shè)備系統(tǒng)。針對(duì)不同的地物需要開(kāi)發(fā)不同的地下空間，需要采用不同的開(kāi)發(fā)設(shè)備有效開(kāi)發(fā)地下空間。

3? 我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 多元化發(fā)展趨勢(shì)

3.1.1 大直徑? 隨著社會(huì)的發(fā)展和施工的新要求，常規(guī)直徑的盾構(gòu)法逐漸向大深度、大斷面、長(zhǎng)距離的“大盾構(gòu)”方向發(fā)展。大盾構(gòu)施工的蓬勃之勢(shì)，是當(dāng)今時(shí)代高新技術(shù)的集成和交通建設(shè)硬實(shí)力的體現(xiàn)。正是因?yàn)槊恳淮卧谥睆缴系耐黄贫紭?biāo)志著人類對(duì)隧道掘進(jìn)領(lǐng)域的一個(gè)突破，大盾構(gòu)隧道因而成為整個(gè)隧道行業(yè)的一個(gè)具有代表性版塊。

3.1.2 小直徑? 根據(jù)國(guó)家大力推進(jìn)城市市政管線改造、綜合管廊及海綿城市建設(shè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向[2]，未來(lái)中小直徑盾構(gòu)機(jī)在各類市政管線及綜合管廊工程施工中的推廣應(yīng)用前景將十分廣闊。

3.1.3 多模式? 單一模式盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)選型比選、適應(yīng)性評(píng)估，選定土壓平衡式或泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)中的一種或者同時(shí)選定兩種，分別應(yīng)用到工程中，從而增加了高額的費(fèi)用。雙模式盾構(gòu)機(jī)能夠同時(shí)滿足泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工的工程環(huán)境，在不同的地層和不同的地表建構(gòu)筑物等復(fù)雜環(huán)境，可選取不同模式進(jìn)行掘進(jìn)施工。

3.1.4 異形? 馬蹄形盾構(gòu)機(jī)有調(diào)試、掘進(jìn)、維保三種模式可供選擇進(jìn)行全斷面切削。相對(duì)圓形盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)大刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、一套控制系統(tǒng)的“粗放”施工，馬蹄形盾構(gòu)機(jī)可以針對(duì)不同土質(zhì)層進(jìn)行最大面積、最大角度的精細(xì)開(kāi)挖;矩形盾構(gòu)機(jī)采用矩形盾構(gòu)施工，與以往傳統(tǒng)的明挖、暗挖以及箱涵頂推等的人工施工方法相比，具有施工安全性高、施工效率高，對(duì)周邊環(huán)境影響小的特點(diǎn)。與圓形盾構(gòu)相比，矩形盾構(gòu)施工，可使隧道的空間利用率提高近20%，且隧道埋深淺、坡度小，更有利于通行。

3.2 維度發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 斜井? 斜井掘進(jìn)機(jī)是針對(duì)“埋深超長(zhǎng)、連續(xù)下坡、富水高壓、地層多變”等困難地質(zhì)條件下的技術(shù)難點(diǎn)，綜合盾構(gòu)與TBM的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)的一種全新的施工法，滿足煤礦礦井建設(shè)安全、環(huán)保、快速的要求。煤礦斜井TBM投入使用將改變我國(guó)乃至世界煤礦礦井建設(shè)模式，推動(dòng)煤礦建設(shè)技術(shù)升級(jí)，是煤礦建設(shè)模式的革命性變革。

3.2.2 豎井? 豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)豎井施工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、物料垂直提升技術(shù)提出全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)理念。設(shè)備集成了開(kāi)挖掘進(jìn)系統(tǒng)、清渣、出渣系統(tǒng)、井壁支護(hù)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，其具有施工精度高，地層擾動(dòng)小;盲井施工，開(kāi)挖、出渣、砌壁同步施工，效率更高;設(shè)備掘進(jìn)機(jī)可地面遠(yuǎn)程控制，井下人員少;設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)、設(shè)計(jì)多層平臺(tái)，施工更安全;機(jī)械化程度高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度小，施工環(huán)境更好等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.3 反井? 反井掘進(jìn)機(jī)是將隧道掘進(jìn)機(jī)和鉆井法鑿井機(jī)結(jié)合形成的井筒施工設(shè)備，目前在鐵路隧道建設(shè)應(yīng)用比較少見(jiàn)。反井鉆機(jī)靠多刃盤(pán)形滾刀對(duì)巖石的擠壓、刮削及剪切破碎磨損巖石一次成孔，不僅保證了小斷面超深豎井的施工安全，更提高了豎井施工效率。

3.3 創(chuàng)新工法研究

3.3.1 地下停車(chē)場(chǎng)盾構(gòu)法? 地下停車(chē)場(chǎng)的建設(shè)采用盾構(gòu)技術(shù)不用大量拆遷，不用開(kāi)挖地面，地面上無(wú)噪音、無(wú)塵土、不擾民，且全部采用自動(dòng)化控制，工程進(jìn)度比傳統(tǒng)明挖法要節(jié)省一半工期，因此是一種既可減少工程污染，又可大幅度節(jié)約工程投資的施工技術(shù)。

3.3.2 聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法? 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道技術(shù)為聯(lián)絡(luò)通道修建提供了更加可行的技術(shù)選項(xiàng)，具有安全、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，符合行業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外均在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。

3.4 高端、智能技術(shù)

3.4.1 常壓換刀技術(shù)? 常壓換刀就是刀盤(pán)的每個(gè)輻臂都是一個(gè)密閉的空間，工人在正常的大氣壓下直接進(jìn)入每個(gè)輻臂中，進(jìn)行刀具更換操作，而隧道開(kāi)挖面仍然能夠通過(guò)高壓氣體和泥漿獲得足夠的穩(wěn)定支撐。常壓換刀具有安全性高、換刀工期短、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.4.2 刀具狀態(tài)感知技術(shù)? 盾構(gòu)刀盤(pán)刀具的在線檢測(cè)技術(shù)一直都是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。刀具的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由磨損感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及無(wú)線傳輸模塊3部分組成。電渦流磨損傳感器：有效測(cè)量刀刃的連續(xù)磨損量;轉(zhuǎn)速傳感器：四象限脈沖測(cè)量，測(cè)量轉(zhuǎn)速同時(shí)準(zhǔn)備分辨滾刀區(qū)域;溫度傳感器：準(zhǔn)備測(cè)量刀筒內(nèi)部泥漿溫度，為滾刀狀態(tài)判斷提供數(shù)據(jù)。

3.4.3 輔助換刀技術(shù)? 輔助換刀技術(shù)可以有效降低工人換刀時(shí)的工作強(qiáng)度，提高工作效率，還能大大降低惡劣環(huán)境下盾構(gòu)機(jī)換刀的危險(xiǎn)系數(shù)。

3.4.4 智能系統(tǒng)? 全自動(dòng)智能化管片拼裝技術(shù)——只需一個(gè)按鈕，盾構(gòu)機(jī)就能實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)管片的自動(dòng)運(yùn)輸抓舉拼裝，可以大幅提高管片拼裝質(zhì)量與進(jìn)度，更可減輕工人作業(yè)強(qiáng)度、提高拼裝效率;智慧化遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)——可以實(shí)時(shí)記錄盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，管理風(fēng)險(xiǎn)邊界，及時(shí)報(bào)警并提供解決措施預(yù)案，還可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷及遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)全生命周期管控;綠色環(huán)保管路延長(zhǎng)裝置——徹底解決了隧道內(nèi)泥水溢出的施工環(huán)境污染;泥水分層逆銑循環(huán)技術(shù)——能有效應(yīng)對(duì)巖溶復(fù)合地層及斷裂帶的掌子面塌方、泥水管路堵倉(cāng)滯排、刀盤(pán)結(jié)泥餅等施工風(fēng)險(xiǎn)，迅速恢復(fù)刀盤(pán)掘進(jìn)功能。

3.4.5 機(jī)器人? 自動(dòng)換刀機(jī)器人系統(tǒng)是通過(guò)三自由度機(jī)械滑軌搭載蛇形六自由度機(jī)械臂，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間內(nèi)完成相應(yīng)動(dòng)作。配合設(shè)計(jì)的改進(jìn)刀箱刀具單元以及機(jī)器人末端手爪，操作人員能夠在安全環(huán)境下遠(yuǎn)程操控機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的刀具進(jìn)行更換，提升換刀效率的同時(shí)確保了操作人員的安全。

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)具有橫焊、平焊、立焊三種位置的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中層數(shù)、道數(shù)可靈活設(shè)置;具有坡口規(guī)劃和軌跡存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則坡口的多層多道自動(dòng)焊，利用焊接機(jī)器人進(jìn)行盾體自動(dòng)焊接工作，與人工焊接工藝相比，焊接系統(tǒng)不僅能夠快速提高盾構(gòu)機(jī)的焊接效率，同時(shí)也改善了焊接工藝質(zhì)量。

4? 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)的施工是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化智能掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在辦公室遠(yuǎn)程控制盾構(gòu)操作。中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的愿景是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、模塊化制造、智能化掘進(jìn)、遠(yuǎn)程化管理，即輸入地質(zhì)參數(shù)和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能設(shè)計(jì)出適應(yīng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的盾構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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