李建斌

(中國中鐵股份有限公司， 北京 100039)

0 引言

近幾十年來，隨著中國經(jīng)濟水平和科學技術的不斷發(fā)展，國家重大工程如南水北調(diào)、西部大開發(fā)、西氣東輸、川藏鐵路等相繼開工，城市軌道交通、地下空間開發(fā)和跨區(qū)域交通不斷推進，中國的隧道和地下工程修建規(guī)模和難度均為世界最大[1-4]。在國家戰(zhàn)略和市場需求的推動下，全斷面隧道掘進機作為集機、電、液、信息、人工智能于一體的現(xiàn)代化隧道專用裝備，在中國也獲得了巨大的發(fā)展，由原來的國外壟斷逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并走向世界[5-6]。

尤其是進入21世紀以來，中國掘進機制造企業(yè)迅速崛起，在20年的時間里，實現(xiàn)了掘進機從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強的轉(zhuǎn)變。中國涌現(xiàn)了中鐵工程裝備集團有限公司(簡稱中鐵裝備)、中國鐵建重工集團股份有限公司(簡稱鐵建重工)、上海隧道工程股份有限公司(簡稱上海隧道股份)、中交天和機械設備制造有限公司(簡稱中交天和)、北方重工集團有限公司(簡稱北方重工)等幾十家掘進機制造企業(yè)，實現(xiàn)了土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、巖石隧道掘進機(TBM)、頂管掘進機等系列產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品性能指標達到或者超過了國際同類產(chǎn)品[7-8]。但是，由于我國隧道施工涵蓋了鐵路公路交通、水利水電、能源礦山、市政工程等多個領域，工程分布于國內(nèi)不同地域，施工需求和地質(zhì)環(huán)境差異很大。同時，隨著人們對施工智能、綠色、環(huán)保等要求的不斷提高，掘進機作為一種“量體裁衣”的高端裝備，其設計制造也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)[9-10]。

筆者在總結(jié)我國掘進機研發(fā)、設計和制造現(xiàn)狀的基礎上指出當前我國掘進機技術發(fā)展中存在的一些問題，探討我國掘進機技術未來的發(fā)展方向和策略，以期能為促進我國掘進機技術進步和掘進機行業(yè)健康發(fā)展提供參考。

1 國產(chǎn)掘進機研制技術現(xiàn)狀

1.1 3大主力機型的發(fā)展躍上新高度

全斷面隧道掘進機包括盾構(gòu)和TBM，我國習慣上將用于水下及軟土地層的隧道掘進機稱為盾構(gòu)，將用于巖石地層的掘進機稱為TBM。

掘進機技術起源于歐美國家，在我國起步較晚。我國盾構(gòu)技術的發(fā)展大致分為3個歷史時期： 1)1953—2002年是我國盾構(gòu)技術的探索期，中國相繼研制了多種類型的盾構(gòu)，開始了盾構(gòu)的自主生產(chǎn)制造； 2)2003—2008年是我國盾構(gòu)技術的消化吸收階段，中國成功研制了具有完全自主知識產(chǎn)權的盾構(gòu)； 3)2009年起我國進入到盾構(gòu)技術跨越發(fā)展期，中國盾構(gòu)自主創(chuàng)新能力顯著提升，盾構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國產(chǎn)盾構(gòu)開始走向世界。

我國的TBM設計制造也主要經(jīng)歷了3個階段： 1)1964—1984年是我國的TBM自主探索制造時期，水利水電、煤礦等行業(yè)相繼研發(fā)了我國第1代TBM和第2代TBM，但是與同時期國外TBM技術水平相差甚遠； 2)1985—2012年是我國TBM技術引進、消化吸收階段，羅賓斯、海瑞克、法馬通、賽利等公司的TBM產(chǎn)品隨著國外承包商進入中國市場，國外TBM生產(chǎn)商與我國企業(yè)聯(lián)合設計制造了多臺TBM； 3)2013年起我國TBM研制進入自主研發(fā)創(chuàng)新階段，以中鐵裝備、鐵建重工等掘進機制造企業(yè)為代表，聯(lián)合國內(nèi)高等院校和科研單位，拉開了國產(chǎn)TBM設計制造的序幕。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，特別是近10年以來，中國土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、巖石隧道掘進機(TBM)3種主力機型的自主設計制造技術日趨成熟。伴隨著經(jīng)濟技術水平和隧道施工需求的不斷提升，國產(chǎn)掘進機技術不斷突破新高度。

1.1.1 土壓平衡盾構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

2004年10月，上海隧道股份研發(fā)的中國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權的土壓平衡盾構(gòu)——“先行號”樣機，在上海地鐵2號線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)；2008年4月，中鐵隧道局集團自主研發(fā)制造的首臺土壓平衡盾構(gòu)——“中鐵1號”，在天津地鐵項目中順利下穿“瓷房子”、渤海大樓等標志性建筑，地表沉降在3 mm以內(nèi)。這2臺土壓平衡盾構(gòu)的成功應用，實現(xiàn)了國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)從關鍵技術向整機制造的跨越，打破了國外企業(yè)長期以來在盾構(gòu)制造方面的技術壟斷。

伴隨著土壓平衡盾構(gòu)的不斷推廣，盾構(gòu)地質(zhì)適應能力逐漸提升，相繼在成都富水砂卵石地層、華南上軟下硬地層、武漢全斷面泥巖砂巖、華東極軟土地層等典型地層中成功應用。土壓平衡盾構(gòu)關鍵技術，如冷凍換刀技術、刀具狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)、壓力動態(tài)平衡技術、盾構(gòu)姿態(tài)糾偏技術等，取得重大進展，其應用已經(jīng)相當成熟。典型工程案例如下：

1)香港蓮塘公路隧道。

2015年4月，亞洲最大直徑土壓平衡盾構(gòu)在北方重工下線(見圖1)。盾構(gòu)的開挖直徑為14.1 m，整機質(zhì)量約3 370 t，整機長度110 m。設備配置了Mobydic蛇形探測臂及Telemac三維模擬系統(tǒng)，可實時勘察開挖面。

圖1 香港蓮塘公路隧道盾構(gòu)

2)太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道。

2016年10月，由中鐵裝備設計制造、用于太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道的12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)下線(見圖2)。設備獨頭掘進4 850 m卵石、圓礫、黃土、粉土地層，最大卵石粒徑達870 mm。

圖2 太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)

針對長距離的卵石地層，設備設計采用大口徑螺旋輸送機，并創(chuàng)新地開發(fā)了大粒徑卵石出渣及篩分系統(tǒng)，為長距離、大卵石物消化料運輸提供保障；可拆卸式擋板的設計與多層刀具布置，可根據(jù)地質(zhì)變化相應地調(diào)整刀盤開口率，廣泛適應長距離復雜地質(zhì)的掘進。同時，提出了主動式艙內(nèi)中心攪拌系統(tǒng)和沖刷系統(tǒng)，解決了大斷面盾構(gòu)在黏土地層中心結(jié)泥餅的問題。除此之外，淺覆土拱頂塌方檢測、同步拱頂壓力平衡、掌子面輔助支撐系統(tǒng)有效解決了工程穿越建筑物和淺覆土地層時的沉降問題。

目前隧道已貫通，最高日掘進24 m，地表沉降控制在±15 mm。該設備是目前世界上超過12 m的大直徑土壓盾構(gòu)穿越復雜地層距離最長的盾構(gòu)，同時首次應用于單洞雙線長距離鐵路隧道。

3)武漢地鐵27號線。

2016年鐵建重工首臺采用永磁電機驅(qū)動的盾構(gòu)在武漢地鐵27號線成功始發(fā)。永磁電機驅(qū)動具有節(jié)能環(huán)保高效、簡化驅(qū)動結(jié)構(gòu)、電機控制簡單穩(wěn)定、啟動轉(zhuǎn)矩高等特點，降低了能耗，方便維護保養(yǎng)。該技術的成功運用，標志著掘進機在節(jié)能技術研究上又邁進一步。

隨著國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)技術的成熟，國產(chǎn)盾構(gòu)開始走向世界舞臺，用于迪拜DS233/2深埋雨水隧道項目的2臺直徑11.05 m的盾構(gòu)(見圖3)最高日進尺40 m、最高月進尺970 m；服役于多哈排水隧洞的土壓平衡盾構(gòu)獨頭掘進10 km，創(chuàng)造了全球盾構(gòu)獨頭掘進的紀錄。出口法國的2臺盾構(gòu)直徑9.86 m、出口意大利的盾構(gòu)直徑10.03 m、出口阿爾及利亞的盾構(gòu)直徑10.5 m、出口哥本哈根的盾構(gòu)直徑5.81 m等，這些盾構(gòu)將國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)技術帶入世界舞臺。

圖3 迪拜項目直徑11.05 m的土壓平衡盾構(gòu)

1.1.2 泥水平衡盾構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

2008年，國家863項目(泥水平衡盾構(gòu)關鍵技術與樣機研制)成功研制了國內(nèi)第1臺具有完全自主產(chǎn)權的國產(chǎn)泥水盾構(gòu)，國產(chǎn)泥水盾構(gòu)迎來了跨越發(fā)展時期。在蘭州地鐵1號線穿黃工程、武漢地鐵6號線琴臺站等項目中，常規(guī)泥水平衡盾構(gòu)在卵石、泥巖等復合地層成功應用，國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)在國內(nèi)市場的占有份額不斷擴大，繼而應用至廣州—深圳—珠海城際軌道交通線、洛陽地鐵、福州地鐵等多個重大項目，并推廣至海外，如新加坡地鐵湯申線等。

隨著市場的不斷開發(fā)，地質(zhì)復雜、環(huán)境惡劣的項目越來越多，泥水平衡盾構(gòu)朝著長距離、大埋深、高水壓、大直徑的方向發(fā)展[11-12]。如已貫通的廣深港客運專線獅子洋隧道、蘇通電力管廊隧道，施工壓力達到了約0.8 MPa；正在施工設計的俄東線天然氣管道工程，獨頭掘進里程約10.3 km、凈水頭壓力達0.73 MPa；未來的煙大渤海海峽、瓊州海峽隧道工程,壓力將超過1.4 MPa，隧道設計、盾構(gòu)設計與施工都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)也不斷提出針對性的創(chuàng)新技術，如常壓換刀刀盤、高精度保壓、主驅(qū)動補償式高承壓密封系統(tǒng)、刀具狀態(tài)智能監(jiān)測、雙破碎渣土分級處理等技術在多個項目中得到了工程應用，不斷拓寬泥水平衡盾構(gòu)的地質(zhì)適應性。典型工程案例如下：

1)京沈望京隧道。

京沈望京隧道是北京至沈陽鐵路客運專線的雙洞單線隧道，速度達350 km/h，全長8 km，地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉砂地層為主，采用了4臺國產(chǎn)化的大直徑泥水平衡盾構(gòu)(中鐵裝備與鐵建重工各2臺)，開挖直徑分別為10.9 m和10.87 m(見圖4)。盾構(gòu)從2016年12月開始陸續(xù)始發(fā)，2018年8月全線貫通，掘進需下穿北京機場快軌，地表沉降控制要求極高。

盾構(gòu)針對性地配置了四回路保壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度、快響應氣墊壓力平衡控制，在施工時，壓力精準控制在±0.005 MPa，最終實現(xiàn)地表沉降控制在1 mm之內(nèi)。施工同時全程使用了泥漿管路延伸“零排放”技術，通過收漿泵將泥漿管內(nèi)的泥漿重新打回艙內(nèi)，實現(xiàn)快速漿液回收，整個隧道環(huán)境干凈、友好。該工程無論是在壓力控制還是綠色施工方面，都表現(xiàn)出了我國高水平盾構(gòu)設計與施工技術。

圖4 京沈望京隧道泥水平衡盾構(gòu)

2)汕頭海灣隧道。

汕頭海灣隧道是連通汕頭灣南北兩岸的過海隧道，線路全長約6.68 km，幾乎全程在海面下掘進，最大水壓力為0.45 MPa。地層以始發(fā)段孤石、淤泥、淤泥質(zhì)土，中粗砂以及3段基巖凸起為主，其中凸起段花崗巖高度約6.3 m，強度達到210 MPa。工程采用了中鐵裝備研制的盾構(gòu)，開挖直徑15.03 m，這也是我國自主研制的首臺15 m級超大直徑泥水平衡盾構(gòu)(見圖5)。

設備采用了常壓換刀刀盤，通過在中空箱體閉式刀盤中間安裝開合裝置，實現(xiàn)人員常壓環(huán)境下的刀具更換；國產(chǎn)的常壓換刀技術也在本項目孤石、基巖凸起、砂層地層的應用中不斷優(yōu)化，為高水壓工程提供了可靠的換刀技術。同時，設備開發(fā)了刀具狀態(tài)智能診斷技術，通過實時獲取刀具的各項參數(shù)，實時感知刀具使用狀態(tài)。此外，設備還搭載了補償式高承壓密封系統(tǒng)、推進油缸自由分組、伸縮擺動主驅(qū)動等多個創(chuàng)新技術。隧道于2018年10月盾構(gòu)始發(fā)，2020年8月貫通，開創(chuàng)了國產(chǎn)超大直徑盾構(gòu)服役于我國越江跨海隧道建設的新篇章。

圖5 汕頭海灣隧道泥水平衡盾構(gòu)

3)深圳春風隧道。

春風隧道是為解決春風高架和羅芳立交等節(jié)點交通擁堵問題而啟動的重大項目。盾構(gòu)段全長3.6 km，最小平曲線半徑750 m，主要穿越地層為花崗巖、片巖、砂巖、糜棱巖，需穿越11條破碎帶，同時下穿布吉河、海關宿舍樓、深圳站等。無論是施工規(guī)模還是施工難度，春風路隧道均為國內(nèi)同類工程之首。

工程采用了中鐵裝備研制的開挖直徑為15.8 m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)(見圖6)，配置有常壓換刀刀盤、伸縮擺動式主驅(qū)動、刀具狀態(tài)實時監(jiān)測等技術。此外，搭載了雙破碎分級處理渣土技術。考慮氣墊艙內(nèi)可能出現(xiàn)的堵艙滯排現(xiàn)象，基于多級處理的理念，在排漿泵前設置滾齒破碎機，實現(xiàn)渣石分級破碎和增大排渣粒徑的目的，降低了大粒徑渣石堵艙、卡泵風險，這也是該項技術首次在大直徑盾構(gòu)上應用(見圖7)。針對性開發(fā)的小曲線掘進卡盾預警系統(tǒng)，順利地指導設備穿越R750 mm轉(zhuǎn)彎段。目前這臺盾構(gòu)已掘進1 200 m，單日最大掘進進尺12 m，是我國高端泥水盾構(gòu)的代表。

圖6 春風隧道泥水平衡盾構(gòu)

圖7 雙破碎分級處理渣土技術

2020年9月，2臺由鐵建重工和中交天和研制的開挖直徑為16.1 m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下線，這是目前我國自主研發(fā)的最大直徑盾構(gòu)，應用于北京東六環(huán)提升改造工程，將挑戰(zhàn)獨頭掘進7.5 km的難題。深江鐵路珠江口隧道作為深圳至江門鐵路的重點工程，盾構(gòu)段全長約6 km，最大凈水頭壓力約為1.06 MPa，盾構(gòu)開挖直徑13.3/13.4 m，設計壓力達到1.2 MPa，是目前國內(nèi)設計壓力最高的泥水盾構(gòu)。

此外，深圳媽灣隧道(直徑15.53 m)、南京和燕路隧道(直徑15.01 m)、杭州艮山東路過江隧道(直徑15.01 m)等都采用國產(chǎn)泥水盾構(gòu)施工，工程應用證明國產(chǎn)泥水盾構(gòu)技術可靠、先進。現(xiàn)國產(chǎn)泥水盾構(gòu)已陸續(xù)出口海外市場，如印度的12.8 m泥水盾構(gòu)、波蘭希維諾烏伊西切的13.46 m泥水盾構(gòu)等。

1.1.3 TBM發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，由中鐵裝備和鐵建重工分別研制的2臺8 m級敞開式TBM成功下線(見圖8)，應用于吉林引松供水工程，標志著中國TBM具有了完全自主知識產(chǎn)權。隨后蘭州水源地引水工程、新疆ABH工程、新疆EH工程、內(nèi)蒙古引綽濟遼工程、大瑞鐵路高黎貢山隧道等國內(nèi)一大批重大工程全部采用了國產(chǎn)TBM，由中鐵裝備、鐵建重工、北方重工等企業(yè)自主設計制造。經(jīng)過設計企業(yè)、施工企業(yè)、學者、專家的長期研究攻關，TBM關鍵技術水平不斷提升， TBM刀盤、盤形滾刀、主驅(qū)動等關鍵部件性能獲得極大提高、使用壽命增長[13-16]，同時TBM的應用領域逐漸由傳統(tǒng)隧道(洞)領域擴展到煤礦巷道開挖、抽水蓄能電站等項目[17-18]。目前，國產(chǎn)TBM已經(jīng)占據(jù)我國TBM的主流市場，涵蓋了敞開式、單護盾和雙護盾全類型TBM，實現(xiàn)了TBM裝備的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應用。同時，國產(chǎn)TBM逐漸走向海外，應用于黎巴嫩大貝魯特引水項目、澳大利亞雪山2.0項目、格魯吉亞Kvesheti-Kobi公路隧道等國外項目。

圖8 吉林引松供水工程敞開式TBM

1)吉林引松供水工程。

吉林引松供水工程總干線隧洞全長72.3 km，開挖直徑7.93 m，采用了“永吉號”、“長春號”2臺國產(chǎn)TBM和1臺羅賓斯公司TBM施工。掘進地層較為復雜，面臨巖石強度高、石英含量高、斷層破碎帶、風化灰?guī)r、涌水等不良地質(zhì)。2臺國產(chǎn)TBM自2015年上半年始發(fā)，至2018年中貫通，創(chuàng)造了最高日進尺86.5 m、最高月進尺1 318.7 m的掘進紀錄。單臺TBM施工距離超17 km，設備完好率最高達98.1%，項目工期分別提前9個月和1年多。其中，“永吉號”TBM成功穿越7.9 km長的巖溶灰?guī)r區(qū)地層，屬國內(nèi)首例。吉林引松供水項目的成功，是我國完全自主知識產(chǎn)權TBM的開始，為國產(chǎn)TBM的推廣帶來了極大的信心。后續(xù)開工的新疆EH工程，主洞總長約516 km，項目共采用18 臺TBM施工，均由中鐵裝備、鐵建重工和北方重工3家國內(nèi)廠家生產(chǎn)。

2)大瑞鐵路高黎貢山隧道。

云南大瑞鐵路高黎貢山隧道正洞開挖直徑9.03 m，采用中鐵裝備研發(fā)的 “彩云號”敞開式TBM掘進(見圖9)，計劃掘進長度12.37 km。隧道以花崗巖為主，Ⅳ—Ⅴ類圍巖占比超過50%，飽和抗壓強度為20～65 MPa。隧道地質(zhì)條件極為復雜，具有“三高”(高地熱、高地應力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件、活躍的岸坡度淺表改造過程)的地質(zhì)特征，對TBM設計、制造提出了極大挑戰(zhàn)?！安试铺枴盩BM針對高黎貢山隧道軟弱地層、斷層破碎帶、高地熱、高地應力等諸多不良地質(zhì)提出解決方案，在大直徑高性能刀盤設計、長距離變截面開挖、快速聯(lián)合支護技術、高效物料運輸系統(tǒng)、前方災害源超前預警等方面實現(xiàn)技術突破與創(chuàng)新?！安试铺枴盩BM的應用，是TBM首次嘗試穿越橫斷山脈軟弱破碎地層，將大大增強TBM在復雜地質(zhì)條件下的適應性及應用范圍。

圖9 高黎貢山項目“彩云號”TBM

3)福建龍巖市萬安溪引水工程隧洞。

2019年6月，國內(nèi)首臺高壓水力耦合破巖“龍巖號”TBM在中鐵裝備下線(見圖10)，應用于福建龍巖市萬安溪引水工程隧洞。該工程地層主要為黑云母花崗巖、花崗閃長巖、石英砂巖和石英礫巖，大部分巖石強度超過200 MPa。之前我國已經(jīng)在西康鐵路秦嶺隧道、云南那邦水電站引水隧洞、引漢濟渭工程等極硬巖工程中采用維爾特、羅賓斯、海瑞克等國外廠家的TBM施工，但滾刀磨損、異常損壞現(xiàn)象頻發(fā)，掘進極其緩慢。極硬巖環(huán)境對于TBM刀盤刀具性能、關鍵部件壽命、掘進效率和施工成本等造成極大困擾和挑戰(zhàn)?！褒垘r號”TBM搭載了高壓水力破巖系統(tǒng)，借助高壓水射流的沖擊作用使掌子面巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋或者破碎，再結(jié)合滾刀破巖實現(xiàn)掌子面巖石開挖作業(yè)。通過“水刀”和滾刀的耦合破巖，提升了TBM在極硬巖地層的掘進能力。

圖10 高壓水力耦合破巖“龍巖號”TBM下線

1.1.4 3大機型現(xiàn)狀分析

1)產(chǎn)業(yè)化情況。隧道掘進機3大主力機型自主設計制造技術不斷成熟，實現(xiàn)了直徑3～16 m全尺寸系列的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且逐漸向微型化和超大型化擴展。目前，國產(chǎn)掘進機已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)90%以上的市場份額(見表1)，并且逐漸走向海外市場。

2)關鍵技術實現(xiàn)創(chuàng)新突破。掘進機技術瓶頸不斷突破，自主創(chuàng)新水平不斷提升： ①土壓平衡盾構(gòu)在渣土改良技術方面取得突破，泡沫、膨潤土、聚合物等改良劑的合理配比，降低了螺旋輸送機噴涌、刀盤結(jié)泥餅等問題； ②泥水盾構(gòu)承壓能力不斷提高，尤其是在常壓換刀技術與補償式高承壓技術方面取得突破，國產(chǎn)盾構(gòu)已經(jīng)能適應1 MPa以上工作壓力，同時自主創(chuàng)新的氣墊式直排技術、雙破碎分級處理渣土技術在緩解泥水盾構(gòu)堵艙滯排現(xiàn)象方面具有較好的效果； ③TBM在應對極硬巖、斷層破碎帶、軟巖大變形、涌水等不良地質(zhì)方面適應性不斷提升，在刀具材料、工藝方面取得技術突破，實現(xiàn)了耐磨增韌滾刀的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

表1 2019年國產(chǎn)全斷面隧道掘進機生產(chǎn)信息統(tǒng)計

3)智能化水平不斷提升。開發(fā)的刀具狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷技術，能夠監(jiān)測并獲取刀具受力、轉(zhuǎn)速、溫度、磨損量等參數(shù)，正在逐步實現(xiàn)刀具狀態(tài)“可知”；開發(fā)的開挖艙可視化監(jiān)控系統(tǒng)，能對土艙、刀盤刀具、掌子面等部位進行觀測，實現(xiàn)了開挖艙“可視”；TBM隧道綜合超前地質(zhì)預報體系，實現(xiàn)了掘進前方不良地質(zhì)的“可探”。

4)衍生機型逐漸增多。由于應用環(huán)境的逐漸擴展，在常規(guī)掘進機技術基礎上，逐漸衍生出了多種模式的掘進機。例如： 土壓-泥水雙模式盾構(gòu)，兼具土壓平衡和泥水平衡2種掘進模式，在白云機場、南寧地鐵等項目成功應用；土壓-TBM雙模式盾構(gòu)，可同時適應軟土地層、破碎地層和硬巖地層，在青島地鐵8號線、廣佛環(huán)線等項目成功應用；泥水-敞開雙模式TBM，采用泥水模式應用于地質(zhì)穩(wěn)定性較差的軟土、軟泥、高水壓等地層帶壓掘進，采用敞開模式應用于地質(zhì)穩(wěn)定性較好的硬巖地層常壓掘進；雙結(jié)構(gòu)TBM，是在傳統(tǒng)敞開式TBM的基礎上，增加管片安裝和輔助推進功能，以應對巖爆、軟弱圍巖、斷層破碎帶等不良地質(zhì)。各種新型式的掘進機，提升了掘進機地質(zhì)適應能力，對掘進機的進一步推廣具有重要意義。

1.2 異形斷面掘進機技術處于國際領先水平

隨著我國海綿城市、城市立體交通、人防戰(zhàn)略等基礎設施建設的深入推進，隧道斷面多樣化需求急劇增加。相比圓形隧道，異形斷面隧道具有斷面靈活、空間利用率高、功能匹配性強等特點。在圓形斷面隧道掘進機快速發(fā)展的同時，我國異形斷面隧道掘進機也得到了長足的發(fā)展。國產(chǎn)異形斷面隧道掘進機經(jīng)歷了從模仿跟隨到同步突破再到創(chuàng)新引領的發(fā)展歷程，特別是在異形全斷面切削、異形護盾結(jié)構(gòu)設計、復雜位姿測控、異形斷面渣土改良和排放、異形管片拼裝等方面取得關鍵技術突破，形成了馬蹄形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)、矩形頂管機等多種類型的異形斷面掘進機[19-21]。

1.2.1 馬蹄形盾構(gòu)

2016年7月，由中鐵裝備研制的土壓平衡馬蹄形盾構(gòu)在鄭州成功下線，這是世界首臺超大斷面馬蹄形盾構(gòu)(見圖11)，應用于浩吉鐵路白城隧道。該隧道為單洞雙線電氣化重載煤運鐵路隧道，隧道斷面呈“馬蹄形”，尺寸大于11 m，全長3 345 m，最大埋深81 m。馬蹄形盾構(gòu)較圓形盾構(gòu)截面減少了10%～15%的開挖面積。在開挖進度上，鉆爆法施工即使4個掌子面同時作業(yè)，單日進尺最多4 m，且投入人力、物力較大；盾構(gòu)法施工僅需單個掌子面作業(yè)，不僅使得作業(yè)人員大幅度減少，而且單日進尺可達10 m以上。較之鉆爆法，盾構(gòu)法在投入人員減少至少3/4的前提下，提高了2.5倍以上的效率。

圖11 馬蹄形盾構(gòu)

1.2.2 矩形盾構(gòu)/頂管機

20世紀90年代以后，我國開始對矩形掘進機開展技術研究和應用，應用案例主要集中在長三角、珠三角等沿海發(fā)達地區(qū)。1995—2010年，國內(nèi)已經(jīng)相繼研制了2.5 m×2.5 m可變網(wǎng)格式矩形斷面掘進機、3.8 m×3.8 m土壓平衡矩形頂管機、20 m×6.2 m敞開式矩形盾構(gòu)等多種類型矩形掘進機，并得到了成功應用。

2010年以后，隨著我國城市發(fā)展理念的不斷轉(zhuǎn)變，矩形頂管技術逐步在全國推廣，應用領域進一步拓展，工程條件更加復雜多樣，開挖斷面也越來越大，典型施工案例見表2。2020年6月18日，由中鐵裝備生產(chǎn)的世界最大斷面矩形頂管機“南湖號”順利下線(見圖12)，應用于嘉興快速路環(huán)線項目下穿南湖大道工程。該設備開挖斷面尺寸為14.82 m×9.446 m，采用6前8后多刀盤低擾動開挖、盾體分塊優(yōu)化、多螺機出渣以及自動減摩等技術，解決了超大斷面矩形頂管施工一次開挖成型、主機姿態(tài)控制以及土體沉降控制等技術難題。同年10月21日頂管機破土而出，完成隧道的雙向貫通任務，開創(chuàng)了矩形頂管應用于3車道矩形隧道的先例，示范效應顯著。

表2 矩形頂管典型施工案例

通過以上工程的實踐，矩形頂管技術在多個方面取得了突破與創(chuàng)新：

1)矩形頂管機的研發(fā)和制造水平大幅提升，主要體現(xiàn)在種類更多、功能更全、可靠性更高、成本更低；

2)驗證了泥水平衡矩形頂管機的適應性；

3)矩形頂管機的地質(zhì)適應性從淤泥軟土地層擴展到砂層、卵石層；

4)攻克了超大斷面、超淺覆土、超小間距、超長距離的頂進技術；

5)減摩注漿技術水平得到較大程度提高；

6)姿態(tài)控制、沉降控制技術日趨成熟；

7)探索了組合式矩形頂管機的施工工藝。

圖12 “南湖號”矩形頂管機

1.2.3 聯(lián)絡通道掘進機

聯(lián)絡通道是設置在2條并行主隧道之間的通道，實現(xiàn)2條隧道的相互連通，在隧道排水、維護、檢修、消防、逃生等方面起著至關重要的作用。聯(lián)絡通道具有斷面小、施工距離短、與主隧道有較高的匹配性等特點，施工過程中不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)和地面構(gòu)筑物的安全，更要確保主隧道的安全穩(wěn)定。傳統(tǒng)的聯(lián)絡通道施工常采用的地層加固方式有注漿加固、冷凍加固等，工法機械化程度較低，具有施工周期長、前期準備工作及輔助工法的投入多、安全風險高等問題。

2016年，寧波地鐵、中鐵上海局、中鐵裝備、寧波大學等單位組成的聯(lián)合體，對采用盾構(gòu)法和頂管法施工地鐵聯(lián)絡通道的施工工法、施工設備、施工工序進行深入研究。寧波地鐵2號線、3號線、4號線，共有26座聯(lián)絡通道，最短區(qū)間10.79 m，最長區(qū)間36 m，先后嘗試了盾構(gòu)法和頂管法施工。其中，首條盾構(gòu)法聯(lián)絡通道試驗段為3號線鄞南區(qū)間，區(qū)間長度為17.04 m，覆土埋深約16 m，主要地質(zhì)為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土。聯(lián)絡通道管片直徑為3 150/2 650 mm(外徑/內(nèi)徑)，環(huán)寬550 mm。成型消防通道高2 050 mm，寬1 400 mm。項目平均日進度1.5 m，最快日進度2 m，相比較凍結(jié)法節(jié)約工期80 d以上，單條通道施工節(jié)約成本50萬元。寧波地鐵聯(lián)絡通道項目雖然采用的是圓形掘進機施工，但卻是我國首個真正意義上的機械法施工聯(lián)絡通道項目，對于矩形支線掘進機的施工有一定的參考意義。

1.3 豎井掘進機開始應用

豎井是礦藏開采、水利水電、國防建設、交通隧道等地下工程的重要組成部分，其通常的修建方法為普通鑿井法和鉆井法。近年來，隨著我國對豎井施工領域機械化、自動化、智能化需求的不斷提高，豎井掘進機技術開始應用于豎井施工項目[22-23]。目前在國內(nèi)主要形成了SBM(shaft boring machine)豎井掘進機、沉井掘進機、擴孔式豎井掘進機等幾種新型豎井掘進機。

1.3.1 SBM豎井掘進機

SBM豎井掘進機是將全斷面巖石隧道掘進機(TBM)設計理論引入豎井施工，能夠一次完成豎井隧洞開挖、支護、出渣等功能的大型豎井施工裝備。設備通過地面遠程控制，井下人員少、機械化程度高。相比傳統(tǒng)鉆爆法，具有成洞質(zhì)量好、施工效率高、施工更安全的特點。其適用于地質(zhì)條件好、圍巖穩(wěn)定的中—高強度巖層的大深豎井開挖。

浙江寧海抽水蓄能電站排風豎井項目豎井深度198 m，開挖直徑為7.83 m。排風豎井井口0～5 m為強風化層，圍巖為Ⅳ類；井深5～25 m 為弱風化巖石，陡傾角節(jié)理較發(fā)育，局部密集，圍巖較破碎為主，成井條件差，圍巖為Ⅳ—Ⅲ類；井深25 m以下為微新巖石，以完整性差—較完整巖體為主，成洞條件好，圍巖為Ⅲ—Ⅱ類。該項目首次使用了中鐵裝備研制的1臺直徑7.83 m的SBM豎井掘進機(見圖13和圖14)，整機采用分體式設計，分為主機和后配套吊盤系統(tǒng)。刀盤采用滾刀擠壓破巖，破碎的巖渣通過刮板鏈清渣、斗提機提渣、吊桶出渣3級出渣系統(tǒng)排出洞外。目前已經(jīng)完成整機的組裝、調(diào)試等工作，正在進行地面設備的安裝。該項目對于國內(nèi)各抽水蓄能電站及其他行業(yè)相同類型的大直徑、深豎井施工具有示范意義。

圖13 SBM豎井掘進機

圖14 寧海項目施工現(xiàn)場

1.3.2 沉井掘進機

CTM(caisson tunneling machine)沉井掘進機是結(jié)合沉井工法的一款新型懸臂式開挖掘進機。該掘進機具有結(jié)構(gòu)緊湊、基坑斷面可變、施工效率高、遠程自動控制、成井精度高等特點。設備開挖系統(tǒng)采用多組銑挖頭式開挖裝置，通過復合運動形成全斷面開挖，根據(jù)地質(zhì)含水率可采用抓斗出渣或泥水出渣的形式，具有較高的地質(zhì)適應性。CTM沉井掘進機可用于橋梁基礎工程、市政工程的給排水工程、地下停車場、礦用豎井、國防豎井等各項工程中。目前沉井掘進機已經(jīng)成功應用于國內(nèi)多個豎井項目，表現(xiàn)優(yōu)異。隨著地下空間的不斷開發(fā)，沉井掘進機未來推廣價值極高。

1.3.3 擴孔式豎井掘進機

由中國煤科旗下北京中煤自主研發(fā)的“金沙江1號”豎井掘進機(見圖15)，鉆井直徑5.8～6.0 m，鉆井深度800～1 000 m，適用于下部已有開挖巷道的情況，刀盤開挖巖渣通過先導孔落入底部巷道進行排渣。該設備應用于云南以禮河四級電站復建工程出線兼交通豎井導井施工，圍巖以Ⅳ類圍巖為主，局部為Ⅲ、Ⅴ類圍巖，巖體破碎、較破碎。該豎井施工首先采用反井鉆機進行直徑1.4 m的先導孔開挖作業(yè)，然后采用豎井掘進機進行直徑5.8 m的豎井擴挖作業(yè)，井深282.5 m。2021年1月26日，該豎井順利貫通，總施工用時90 d，極大提高了井筒鑿井成井速度，滿足了現(xiàn)代礦井建設機械化、自動化、智能化的要求，擴大了豎井掘進機施工的競爭力和應用范圍。

圖15 “金沙江1號”豎井掘進機

2 國產(chǎn)掘進機研制存在的問題

2.1 設計軟件供給不足

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分，而對隧道裝備制造業(yè)至關重要的工業(yè)軟件領域，國外軟件仍然處于壟斷地位，與發(fā)達國家相比，國產(chǎn)工業(yè)軟件還有較大的差距。例如： 三維設計軟件ProE、SolidWorks、CATIA，二維設計軟件AutoCAD，有限元分析軟件ANSYS、MARC，數(shù)值計算軟件Matlab等均為國外進口。

隨之而來的是更大的市場應用威脅，國外工業(yè)軟件“門事件”所暴露的信息安全問題僅僅是冰山一角，而要確保應用不受制約，實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加速隧道裝備制造的信息化進程，依賴國外工業(yè)軟件不是長久之計。隧道裝備制造領域乃至中國制造業(yè)，亟待突破自主知識產(chǎn)權，開發(fā)國產(chǎn)工業(yè)軟件，走穩(wěn)健、可持續(xù)發(fā)展的成長之路。

2.2 關鍵部件依賴進口

目前，在國內(nèi)隧道裝備制造領域，已逐漸形成了以中鐵裝備、鐵建重工等國內(nèi)知名生產(chǎn)企業(yè)為龍頭的國產(chǎn)掘進機研發(fā)制造產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)盾構(gòu)/TBM生產(chǎn)企業(yè)主要完成隧道裝備設計、部分零部件制造、整機安裝與調(diào)試、設備運行維護等任務，設備上包括機械零部件、液壓元件、電器元件在內(nèi)的數(shù)十萬各類零部件產(chǎn)品由近1 000家國內(nèi)外配套企業(yè)提供。我國雖已具備隧道裝備的設計、制造和集成能力，但像大直徑重載軸承、減速機、大排量液壓泵、液壓馬達、電動機、刀具、關鍵緊固件、齒輪、電氣控制元件等關鍵零部件存在可靠性問題。每臺盾構(gòu)和TBM中進口零部件成本約占整機原料成本的比例分別為25%和35%。為保證盾構(gòu)和TBM產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈安全，我國亟待開展隧道裝備基礎零部件、裝備結(jié)構(gòu)設計與分析軟件的國產(chǎn)化研發(fā)，基礎元器件研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化應用風險防控體制創(chuàng)建等工作。

隧道裝備基礎機械零部件需要解決的問題包括：

1)費用高昂導致設備成本居高不下。部分部件靠獨家供應，議價、定價權由供方主導，例如： 主驅(qū)動軸承、主驅(qū)動動力源——大流量高壓主驅(qū)動泵等，國內(nèi)相關研發(fā)工作剛剛起步，出于可靠性和品牌認知度等需求，集成后的整機成本仍相對高昂。

2)關鍵部件供貨及服務方式制約隧道裝備制造業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)基礎設施建設及隧道裝備的規(guī)模發(fā)展，國外關鍵部件供應商的產(chǎn)能及供應周期難以滿足國內(nèi)隧道裝備廠商的需求，較大程度上制約了隧道裝備行業(yè)的發(fā)展，緊急、重難點工程的建設同樣受隧道裝備這一關鍵性控制因素的影響。

3)關鍵部件技術受制于人，直接威脅工程工期。國家基礎設施建設關系國計民生，若關鍵部件受制于人，紛雜的國際形勢關系對應的供應國際關系直接會影響到一個產(chǎn)業(yè)的存亡，因此，提高隧道裝備基礎機械零部件的國產(chǎn)化水平，掌握關鍵部件的制造、工藝及工業(yè)試驗技術，有利于基礎工業(yè)能力的提升。

2.3 創(chuàng)新產(chǎn)品市場突破難度大

掘進機產(chǎn)品在進入新領域時并非一帆風順，如中鐵裝備采用矩形頂管機結(jié)合CC工法，成功完成了該公司地下停車場項目，但是由于缺乏相關規(guī)范性文件支持，后續(xù)推廣并不順利。該工法曾嘗試推廣應用于呼和浩特市地下車庫、北京某大學地下游泳館等工程項目，但均由于工程造價高、缺乏工程案例，所以無法推廣。再比如： U形盾構(gòu)作為一款適合綜合管廊施工的專用掘進機，其相對明挖法，能極大地減少圍護工作量和建筑垃圾，但目前僅成功應用于海口椰海大道綜合管廊項目試驗段；其曾嘗試應用于塔灣路管廊、新龍路管廊等工程中，但由于工期、投入費用等原因，工程采用了傳統(tǒng)工法施工。目前出現(xiàn)了新工法與新市場互為前提的怪圈。

新產(chǎn)品市場突破難度大，主要有以下幾個原因： 1)觀念保守，傳統(tǒng)施工方式雖然存在一定弊端，但是在該領域應用已經(jīng)較為成熟，市場對一些新產(chǎn)品持有懷疑、觀望態(tài)度； 2)新工法、新裝備缺乏相應的技術標準、國家規(guī)范作指導，多種掘進機工法相繼問世，大大拓寬了掘進機的應用范圍，使其具有廣闊的應用前景，但這些工法的時間不長，施工應用案例不多，很多重要技術細節(jié)、施工理念不能得到很好的驗證及總結(jié)，不能有效地為同類項目提供指導； 3)設備造價高，我國掘進機年產(chǎn)能排世界第一，但基礎工業(yè)薄弱，許多關鍵部件、核心系統(tǒng)仍需進口，機械設備造價高，導致工程項目一次投資較大； 4)掘進機的普適性有待提高，不同的地質(zhì)條件、斷面形式、斷面大小或其他極端工況需設計不同的掘進機以適應工程條件，不具有一定的普適性，限制了掘進機的推廣應用。

創(chuàng)新產(chǎn)品市場突破雖然困難，但是一旦成功，將對該行業(yè)產(chǎn)生巨大的引領和示范作用。“文登號”TBM在抽水蓄能電站的應用便是一次成功的典型案例(見圖16)。抽水蓄能電站作為我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，近年來發(fā)展較快，包括引水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、交通通風系統(tǒng)地下洞室等。該領域的洞室普遍采用鉆爆法、爬罐法或反井鉆法施工，存在機械化程度低、作業(yè)環(huán)境差、安全風險大、施工效率低等問題。日本、瑞士等國家已經(jīng)成功將斜井TBM引入到抽水蓄能電站引水斜井施工中，而在我國直到文登抽水蓄能電站項目才首次將TBM工法引入抽水蓄能領域。

圖16 “文登號”TBM

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū),排水廊道長約2 406 m，開挖洞徑3.5 m，存在9處30 m轉(zhuǎn)彎半徑、4 處50 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段。隧洞地層巖性為石英二長巖、二長花崗巖,單軸飽和抗壓強度最高為200 MPa,平均為110 MPa，石英量占比50%～60%，采用了中鐵裝備生產(chǎn)的1臺緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM進行施工。TBM于2019 年10月13日始發(fā)掘進, 2020年9月30日完成項目掘進,成功應對了圍巖單軸抗壓強度高、超小曲線調(diào)向、掘進姿態(tài)控制、皮帶機超小曲線出渣等諸多施工難題。TBM工法在文登抽水蓄能電站建設工程中的成功應用,驗證了抽水蓄能電站隧洞群采用TBM 法施工是可行的,填補了國內(nèi)抽水蓄能行業(yè)TBM施工技術空白，為后續(xù)的抽水蓄能電站或類似工程建設注入了新理念。

3 展望

3.1 掘進機智能化

近年來，先進的感知技術、大數(shù)據(jù)、深度學習、控制技術等新一代信息技術的迅猛發(fā)展，為裝備制造業(yè)帶來了深刻變革。隨著新一代技術的逐步應用，隧道掘進機已從原先的人工操作到部分智能化。目前，中鐵裝備在隧道掘進機作業(yè)環(huán)境方面，研發(fā)了超前地質(zhì)預報、在掘掌子面巖土體智能感知，出渣管理與圍巖評價等地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)；在隧道掘進機設備方面，建立了刀盤刀具狀態(tài)監(jiān)測、盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測、土艙可視化、主機振動監(jiān)測等設備智能感知系統(tǒng)；在隧道掘進機智能決策方面，依托于掘進機云平臺挖掘地質(zhì)環(huán)境與掘進機掘進參數(shù)間的映射關系，特別是地層變化或復雜地質(zhì)條件下巖機參數(shù)映射規(guī)律與匹配方法，建立隧道掘進參數(shù)預測、智能導向、智能支護、故障診斷與預測等模型，開發(fā)了多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進參數(shù)的優(yōu)化與決策；在自動執(zhí)行方面，刀具監(jiān)測與換刀機器人、鋼拱架拼裝機器人及管片安裝機器人進入了關鍵的研發(fā)階段。TBM輔助智能掘進系統(tǒng)見圖17。

圖17 TBM輔助智能掘進系統(tǒng)

盡管在掘進機智能化研發(fā)上取得了長足進步，但在智能感知終端方面，開發(fā)在惡劣工況下具有高穩(wěn)定性、耐久性、高精度的智能感知終端，仍是未來的重要工作之一；隧道掘進機是多系統(tǒng)耦合的復雜系統(tǒng)，在自動執(zhí)行環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各系統(tǒng)、各類機器人的任務智能規(guī)劃與協(xié)調(diào)方面，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。智能化掘進機是從感知—大數(shù)據(jù)分析—決策—執(zhí)行整體鏈條上的智能化，因此，如何將新一代信息技術有效應用于隧道掘進機，開發(fā)研制出智能化掘進機，實現(xiàn)整體設備的智能感知、智能施工、健康管理等，將成為隧道工程領域的重大技術挑戰(zhàn)和未來的行業(yè)競爭熱點[24-25]。

3.2 多功能多模式掘進機

隨著我國隧道建設規(guī)模的不斷擴大，在一些長大隧道施工中，地層復雜多變，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，面臨局部高水壓極端地質(zhì)、高地應力、軟巖大變形等多種不良地質(zhì)。從施工安全、技術難度、工期、成本及環(huán)境保護等方面考慮，傳統(tǒng)的單一模式工法無法應對復雜多樣的挑戰(zhàn)，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。

當前國內(nèi)已經(jīng)對多功能、多模式掘進機開展了初步研究工作。多功能、多模式TBM具有閉式TBM-土壓平衡-泥水平衡3種掘進模式，兼具護盾式TBM和平衡式盾構(gòu)的優(yōu)點；具有2種出渣模式，2種模式共存，2種模式可以相互切換。以單護盾TBM模式為主設計理念，同時也為主掘進功能模式，保證在隧道絕大部分區(qū)間采用TBM模式施工，提升掘進效率，降低刀盤、刀具磨損，降低單位掘進長度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，因為是具有盾構(gòu)功能的多模閉式TBM，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。模式轉(zhuǎn)換過程無需人員進艙、無需拆裝任何部件，抗風險能力強，能夠適應不同地層的掘進要求。隨著國家一批大直徑山嶺鐵路隧道、海底長大隧道的建設，采用多功能、多模式TBM工法施工成為新一輪長大隧道建設的發(fā)展趨勢。

3.3 異形巖石掘進機

水利水電領域一般采用圓形斷面，但是在公路隧道、鐵路隧道、礦山開采等領域，相比圓形斷面，異形斷面在開挖成本、效率和空間利用率等方面具有天然的優(yōu)勢，未來異形斷面掘進機必將受到越來越多的青睞。但是截至目前，市場上已有的異形掘進機如馬蹄形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)等機型主要適用于軟土地層，不能應用于巖石地層。

異形巖石掘進機的關鍵在于刀盤設計，刀盤可采用安裝了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。根據(jù)地層和掘進模式，硬巖地層異形斷面的掘進機方案主要包括異形土壓平衡盾構(gòu)、異形硬巖泥水平衡盾構(gòu)、敞開式異形掘進機等幾種類型。當前國內(nèi)已經(jīng)開始對異形斷面掘進機開展了一些研究和探索，隨著掘進機技術的不斷發(fā)展，各種類型的異形斷面掘進機將得到應用和推廣。

3.4 復合破巖TBM

傳統(tǒng)TBM單純依靠盤形滾刀擠壓巖石達到破碎巖體的目的，最適宜使用的圍巖強度為30～150 MPa。對于極硬巖施工環(huán)境，滾刀侵入巖石困難，刀具磨損嚴重，嚴重制約了TBM的掘進速度。頻繁的刀具維護和更換不僅嚴重制約了施工進度，也極大地增加了施工成本。鑒于此，新型破巖技術與TBM的融合設計越來越受到人們的重視。目前被國內(nèi)外認可的新型破巖方式主要有以下幾種：

1)高壓水射流技術。高壓水射流技術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)生切割破碎作用。目前該技術已經(jīng)在國內(nèi)首臺高壓水力耦合破巖“龍巖號”TBM上應用。

2)粒子沖擊破巖技術。依靠高能粒子球撞擊破壞巖石，使其出現(xiàn)裂紋，從而降低強度，再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，尚未得到大范圍的應用。

3)激光破巖技術。這種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。從此種方法的原理可以看出，該方法具有極高的技術要求，屬于一種較為前沿的技術，目前還屬于研究階段。

4)等離子體破巖技術。這種方法的作用原理是在鉆頭上增設等離子體，在直流電壓的作用下，等離子體上會產(chǎn)生大量的高頻率火花，從而產(chǎn)生大量的熱量并作用于巖石中，最終使其破碎。這種破巖鉆井方法和激光法有一定的類似之處，都是通過熱量的原理，達到破巖的效果。

5)高壓電脈沖破巖技術。高壓電脈沖破碎巖石主要依靠脈沖放電產(chǎn)生的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。目前該技術在國內(nèi)外均有研究，且國外在鉆井和巖石打磨領域均有應用，有望開拓隧道領域施工的新篇章。

此外，還有微波破巖、超臨界二氧化碳射流破巖、液氮破巖等技術。新型破巖方式會對巖石產(chǎn)生弱化甚至直接破碎的作用，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，此時掘進機滾刀或刮刀能輕易將巖石破碎，從而大大降低滾刀的磨損，提高施工效率，降低施工成本。新型破巖方式在掘進機領域的應用技術，可以輔助甚至取代傳統(tǒng)掘進機滾刀破巖方式，對促進掘進機技術的飛速發(fā)展和更新?lián)Q代具有重要意義。

3.5 部分斷面TBM

常規(guī)TBM只能適應單一尺寸圓形斷面，通過一次開挖成型實現(xiàn)隧道開挖。相對而言，部分斷面TBM需要通過開挖裝置多次開挖，實現(xiàn)隧道輪廓開挖成型。通過開挖裝置的不同運動軌跡設計，單臺裝備可實現(xiàn)不同形狀斷面開挖。國外廠家，如德國維爾特為RioTinto開發(fā)了Mobile Tunnel Miner (簡稱MTM)礦用硬巖掘進設備，但目前并沒有進行大量應用；瑞典安百拓研制了一種礦用擺臂式刀盤掘進機，可以實現(xiàn)類矩形斷面的硬巖開挖。國內(nèi)也已經(jīng)開展了部分斷面TBM的研究，開展并聯(lián)機器人TBM、懸臂TBM等機型方案設計。

機器人支撐的柔臂TBM，結(jié)合全斷面硬巖掘進機刀盤高效率開挖和機器人技術高靈活度、高精度的優(yōu)勢，將掘進機刀盤支撐推進系統(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，實現(xiàn)隧道變斷面開挖。支撐結(jié)構(gòu)可采用并聯(lián)機構(gòu)、串聯(lián)機構(gòu)或混聯(lián)機構(gòu)進行設計，動力源以液壓系統(tǒng)為主，同時還需對出渣系統(tǒng)、支護系統(tǒng)進行針對性設計，提高設備整體施工效率。懸臂TBM是在現(xiàn)有懸臂掘進機基礎上延伸開發(fā)的針對硬巖地層掘進的設備，由安裝有盤形滾刀的刀盤替代原來的銑挖頭設計。由于懸臂TBM為非全斷面開挖，在掘進過程中需要變換刀盤位置，刀盤既要能適應水平正向掘進、也要能適應上下左右側(cè)向掘進。

非全斷面TBM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，適應于所有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)和應用具有重大意義。

4 結(jié)語

1)隧道工業(yè)化將是發(fā)展大趨勢，以精準超前地質(zhì)預報、現(xiàn)代化工業(yè)手段加工、自動化流水作業(yè)、智能化控制全過程的智能建造新方法將如期而至。

2)隨著人工智能技術進入快速發(fā)展階段，開發(fā)研制出智能掘進機，實現(xiàn)設備的智能感知、智能施工、健康管理等，將成為隧道工程領域的重大技術挑戰(zhàn)和未來的行業(yè)競爭熱點；隨著隧道規(guī)模的不斷增加，隧道施工條件和需求也變得多樣化，各種新形式、新概念的掘進機必將逐漸問世，百花齊放。

3)以復合破巖為核心的第4代半掘進機將解決現(xiàn)有巖石掘進機存在的掘進效率問題，以非刀具破巖為核心的第5代掘進機將顛覆現(xiàn)有的掘進機概念。