齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700)

0 引言

隧道在我國歷史悠久，可上溯至約公元前700年東周初期，《左傳》記載了莊公與其母親武姜在隧道內(nèi)相見的故事，“……對曰： 君何患焉？若闕(通‘掘’)地及泉，隧而相見，其誰曰不然？公從之。公入而賦： 大隧之中，其樂也融融！……”。我國道路史上最早的行車隧道，是位于陜西省漢中市的石門隧道，長14 m，寬3.95～4.75 m，修建于漢明帝劉莊永平四年(公元61年)，20世紀70年代淹沒在石門水庫之中[1]；我國最早的城市地下隧道，是安徽省亳州市古地下通道，系曹操的運兵道，始建于東漢末年，因非一個朝代修筑使用，故結(jié)構(gòu)不一、寬窄不同、高低不等，全長逾8 000 m[2]。隧道技術(shù)隨著時代變遷、技術(shù)進步而不斷發(fā)展，總結(jié)為5個發(fā)展階段： 古代的火焚法、近代的鋼釬大錘法、手風槍鉆爆法、現(xiàn)代的鑿巖臺車鉆爆法、機械法(巖石隧道掘進機(TBM)法、盾構(gòu)法、頂管法)。

鉆爆法隧道大多遵循“新奧法”原理，其理論基礎是圍巖具有自承能力，隧道設計與開挖要充分發(fā)揮圍巖的自承能力[3]。

機械法隧道，根據(jù)機型、施工工藝、支護技術(shù)不同，分為2種： 1)遵循“新奧法”原理的敞開式TBM施工的隧道，開挖后施作初期支護，必要時施作二次襯砌作為永久支護結(jié)構(gòu)； 2)護盾式TBM、盾構(gòu)和頂管機施工的隧道，以預制管片或者管節(jié)作為永久支護結(jié)構(gòu)。

目前，我國隧道修建規(guī)模和修建難度都是世界上最大的，TBM用于隧道施工的發(fā)展速度也是最快的[4-6]。以史為鑒，回顧我國TBM法隧道工程發(fā)展歷史，明晰TBM法隧道工程技術(shù)現(xiàn)狀，才能清晰認識TBM法隧道工程技術(shù)面臨的問題，合理展望，未雨綢繆，為我國隧道工程技術(shù)進步、基礎建設的更好發(fā)展做出更大貢獻。

1 我國TBM法隧道工程發(fā)展歷程

我國于20世紀60年代開始研究與應用TBM，近60年來發(fā)展歷程大致可以分為5個階段[7-8]。其中，每個階段，起始時間為里程碑式工程開始時間，結(jié)束時間為下一階段的開始時間，所以某一階段的部分工程完工時間會延續(xù)到下一階段。

1.1 自力更生，研發(fā)探索(1964—1990年)

1964年前，國內(nèi)很少有人了解TBM法隧道工程技術(shù)，但其優(yōu)點通過科技圖書等媒體傳入中國，引起了國家的高度重視。經(jīng)周恩來總理批準，在國家科委領(lǐng)導下成立全斷面巖石隧道掘進機攻關(guān)小組。受當時國際背景和政治環(huán)境影響，我國無法引進先進的TBM設備及技術(shù)資料，只能被迫自力更生，封閉式研究探索。

1964年，原水電部上海水電勘測設計院機械設計室和北京水電學院機電系等單位聯(lián)合研究設計了φ3.4 m的TBM，1965年被列為國家科委重點科研項目。1966年，原水電部上海水工機械廠制造了φ3.4 m的SJ34型TBM，用于杭州玉皇山、寶石山人防洞。20世紀70年代初，原水電部上海水工機械廠相繼研制了φ5.5 m、φ5.8 m和φ6.8 m的多臺TBM，但破巖能力弱、掘進速度慢、故障率高、可靠性差、實用性差，經(jīng)過一段時期的實踐，多數(shù)不能使用[9-10]。

20世紀70年代中期，針對TBM研制存在的關(guān)鍵問題，集中技術(shù)力量組織聯(lián)合攻關(guān)。通過出國考察、外國專家來華座談等技術(shù)交流活動搜集到大量技術(shù)資料，在總結(jié)之前產(chǎn)品經(jīng)驗和教訓的基礎上又研制出一批TBM，例如： 上海水工機械廠研制的φ5.8 m的TBM，1982—1984年在引灤入津工程新王莊和古人莊2座隧洞合計掘進2 723 m，最高月進尺213.4 m，最高日進尺21.35 m，平均月進尺92.5 m；煤炭科學研究院上海分院設計、上海第一石油機械廠制造的φ3.0 m的TBM，1977—1982年分別在江西萍鄉(xiāng)、河北遷西、山西懷仁合計掘進2 633 m，最高月進尺218.3 m，最高日進尺14.5 m，平均月進尺90 m(有水)、150 m(無水)。

20世紀80年代中期，我國在TBM關(guān)鍵零部件的攻關(guān)研究方面取得一定進展，進一步研發(fā)并應用。煤炭科學研究院上海分院在原有基礎上做了改進，由山西省5409廠制造了φ3.2 m的TBM，分別在云南省羊場煤礦(1988年開始，掘進2 500 m)、貴州省南山煤礦(1990年開始，掘進780 m)、北京十三陵抽水蓄能電站(1992年掘進91.7 m)施工。1986—1990年，由煤科院上海分院設計、上海重型機器廠研制的φ5.0 m的TBM，在山西古交東曲煤礦掘進3 654 m，最高月進尺202 m，最高日進尺12.7 m，月平均進尺85 m；由原水電部杭州機械設計研究所設計、上海水工機械廠研制的φ4.0 m的TBM，在福建龍門灘工地現(xiàn)場將直徑改造為4.5 m。但上述應用基本上以失敗告終。

以上研究探索與工業(yè)性試驗表明，國產(chǎn)TBM還存在巨大差距，但是該階段為多年后的TBM繼續(xù)研發(fā)和應用培養(yǎng)了一批基礎理論扎實的專業(yè)人才。

1.2 引進設備，外企施工(1990—1995年)

20世紀90年代，隨著我國對外開放的深入，國外TBM設備和施工企業(yè)進入我國隧道施工市場，如甘肅省引大入秦、山西省引黃入晉輸水工程隧洞分別由意大利CMC公司與英潑基諾(Impregilo)公司用Robbins雙護盾TBM施工。該階段以山西萬家寨引黃入晉工程南干線為典型代表，隧洞地質(zhì)以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，采用Robbins 1617-290雙護盾TBM施工，最高月進尺1 821.49 m，平均月進尺784 m。

該階段一直延續(xù)到2005年結(jié)束。昆明掌鳩河供水工程上公山隧道地質(zhì)條件復雜，主要為斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、軟巖大變形、巖溶、突涌水、突泥(砂)等，第1年平均月進尺388.46 m，第2年停機時間占70%，2005年9月決定拆除TBM改用傳統(tǒng)鉆爆法施工。這一階段由國外制造商和承包商主導TBM設計和施工，但施工過程中鍛煉、培養(yǎng)了一批國內(nèi)TBM操作人員，這些人大部分仍在參與TBM設計制造與施工工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，該階段外企施工的TBM法隧道工程見表1。

1.3 引進設備，自主施工(1995—2013年)

1995年，為了修建全長18.45 km的西康鐵路秦嶺隧道，原鐵道部從德國引進2臺敞開式TBM，該工程由鐵道部第十八工程局和隧道局2家國企承建。這是我國首次獨立使用和管理TBM，實現(xiàn)了自主施工，TBM最高月進尺分別為509 m和531 m，平均月進尺310 m。TBM在該工程的成功應用奠定了我國推廣應用TBM的堅實基礎，之后的西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、引大濟湟工程、大伙房水庫輸水工程、錦屏二級電站引水洞、遼西北供水工程等，全部采用國外的TBM設備，國內(nèi)企業(yè)自主施工。施工中克服了一系列地質(zhì)難題，也取得了較好業(yè)績，如遼西北供水工程TBM進度普遍較好，2段4標TBM平均月進尺616 m。

該階段，培養(yǎng)、鍛煉了一大批TBM技術(shù)和管理人才，能獨立駕馭TBM法隧道工程的規(guī)劃、勘察、設計、施工和管理，為我國大規(guī)模隧道建設打下了基礎，為國內(nèi)科研院所及企業(yè)深入研究TBM提供了有利條件并取得了豐碩成果，TBM法隧道工程技術(shù)逐步得到推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，該階段TBM法隧道工程見表2。

表2(續(xù))

期間，原鐵道部曾效仿高鐵技術(shù)發(fā)展路徑，以市場換技術(shù)，計劃引進100臺TBM用于鐵路隧道修建，先期招標采購20臺，由于國外制造商報價過高而放棄。

實際上，該階段前期是與引進設備、外企施工并存的。

1.4 強強聯(lián)合，自主研發(fā)(2013—2016年)

隨著我國各類隧道規(guī)模的快速增長，為了提高我國掘進裝備的設計制造水平，發(fā)展核心競爭力，我國在2006年就將隧道掘進機列入國家重大裝備產(chǎn)業(yè)。近十余年來，國家積極推動掘進裝備制造業(yè)的發(fā)展，不斷增加科技研發(fā)投入。2007年，科學技術(shù)部組織了國內(nèi)的地質(zhì)勘探單位、科研院校、設計制造單位和施工單位，以國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)的形式積極推進隧道掘進裝備的理論創(chuàng)新和設計攻關(guān)。2012年，由鐵建重工和中鐵裝備牽頭，開展了國家高技術(shù)研究計劃(863計劃)“大直徑硬巖隧道掘進裝備(TBM)關(guān)鍵技術(shù)及應用”研究。

2013年和2014年，浙江大學和武漢大學分別作為牽頭單位，先后開展了973項目“硬巖掘進裝備的關(guān)鍵基礎問題”和“深部復合地層圍巖與TBM相互作用機理及安全控制”研究。2014年國家再次批準大連理工大學牽頭的國家2011協(xié)同創(chuàng)新中心第二批計劃——遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心，以區(qū)域合作的形式再次向大直徑敞開式硬巖掘進機攻堅克難。在國家這一系列的科技計劃投入下，國內(nèi)TBM的基礎理論、設計制造和施工水平有了大幅提高。

2013年，中信重工率先研制了國內(nèi)首臺敞開式TBM，開挖直徑5 m，于2015年10月開始應用于洛陽故縣水庫引水工程全長6.64 km的洛寧段1號隧洞，2017年7月貫通。

2015年1月和3月，鐵建重工和中鐵裝備2家制造企業(yè)，在中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)的鼎力支持下，聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所，自主研發(fā)設計制造了2臺φ7.93 m的敞開式TBM(見圖1)，并應用于吉林省中部城市引松供水工程。2017年8月28日，在洞長22.6 km的吉林省中部城市引松供水工程2標段，TBM提前14個月貫通，平均月進尺643 m，最高月進尺1 209 m； 2018年1月22日，在洞長22.955 km的4標段，TBM提前9個月貫通，平均月進尺546 m，最高月進尺1 318.7 m，見圖2。這在我國TBM領(lǐng)域具有里程碑式的意義，標志著國內(nèi)自主研制的TBM從無到有。此后，自主品牌TBM陸續(xù)研發(fā)出不同規(guī)格的產(chǎn)品，應用于重慶軌道交通5號線、重慶軌道環(huán)線、新疆ABH輸水隧洞、蘭州水源地、神東補連塔煤礦巷道等工程。

(a) 鐵建重工-中鐵十八局敞開式TBM

(b) 中鐵裝備-中鐵隧道局敞開式TBM

(a) 鐵建重工-中鐵十八局TBM貫通

(b) 中鐵裝備-中鐵隧道局TBM貫通

1.5 自主品牌，推廣應用(2016年至今)

以吉林引松工程為代表的自主品牌TBM的成功應用，為TBM設備獨立設計制造奠定了基礎，也使自主品牌TBM贏得了建設單位、施工企業(yè)的信賴，進而在國內(nèi)外迅速推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，鄂北水資源配置寶林隧洞、重慶地鐵、深圳地鐵、青島地鐵、新疆某輸水隧洞、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經(jīng)采用自主品牌TBM 70余臺套；并且，自主品牌TBM已經(jīng)走出國門，出口數(shù)量為16臺(截至2020年6月底)，標志著中國TBM已經(jīng)走向世界。

2016年4月，新疆EH工程一次性集中采購18臺TBM，用于全長516 km的引水隧洞施工。2018年10月10日，習近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第三次會議，全面啟動川藏鐵路規(guī)劃建設。川藏鐵路建設項目不良地質(zhì)多且集中，需要面對崇山峻嶺、地形高差大、地質(zhì)復雜等建設難題；隧道總長占線路總長的70%以上，且多為長大隧道，其中4座隧道計劃采用10臺TBM施工。

2 我國TBM法隧道工程現(xiàn)狀

自1990年引大入秦工程開始，我國TBM法隧道工程技術(shù)進入成功應用階段，應用與發(fā)展現(xiàn)狀分析如下。

2.1 TBM法隧道工程規(guī)模

30年來，我國TBM法隧道工程規(guī)模發(fā)展趨勢如圖3所示，總體上呈現(xiàn)小幅波動、持續(xù)上升狀態(tài)，大致可以分為2個階段。第1階段為1990—2012年，基本上呈持續(xù)應用狀態(tài)，約1/3年份無新項目開工，其他年份每年的TBM法隧道也較少，在前半段波動范圍為0～1； 1997年，山西引黃入晉和西康鐵路秦嶺隧道采用TBM施工，出現(xiàn)小高峰； 2009年，TBM法隧道工程包括2項水利工程、1項鐵路工程和1項市政工程，出現(xiàn)第2個小高峰。第2階段為2012—2020年，TBM法隧道工程總體呈上升趨勢，其中，2012—2016年，新疆EH工程(支洞采用2臺二手TBM施工、主洞全線集中招標采購18臺TBM)、青島地鐵及深圳地鐵全面開工建設，TBM法隧道規(guī)?？焖贁U張，出現(xiàn)高峰；之后回歸并保持較高水平，后續(xù)將呈波動發(fā)展、波浪式增長態(tài)勢，并且會出現(xiàn)新的應用規(guī)模高峰。

如無特殊說明，文中數(shù)據(jù)統(tǒng)計截至2020年6月底，包含已完工工程和在建工程。

概要分析國內(nèi)TBM法隧道工程發(fā)展，主要受到5方面的影響： 1)國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展水平，隨著國內(nèi)經(jīng)濟能力的提升，TBM法隧道工程規(guī)模穩(wěn)步攀升； 2)對TBM的認可程度不斷提升，TBM應用經(jīng)歷了由少到多的歷程； 3)隨著技術(shù)水平的提升，隧道建設規(guī)模增大、長度增長，TBM法隧道工程數(shù)量顯著增加； 4)環(huán)境保護、勞動保護的不斷規(guī)范，促進了TBM法隧道工程修建； 5)國內(nèi)勞動力成本的增加和國產(chǎn)TBM的成功應用，讓長期居高不下的TBM施工成本顯著降低，促進了TBM法隧道工程技術(shù)的推廣。

2.2 TBM法隧道工程分布區(qū)域

我國TBM法隧道工程分布區(qū)域如圖4所示(以TBM應用數(shù)量作為統(tǒng)計依據(jù))。大多集中于西部地區(qū)，占比高達約60%，主要是由于西部地區(qū)多山，并且是大江大河的發(fā)源地，水利水電與鐵路工程規(guī)模大，深埋長隧居多，且近年來西北和西南區(qū)域水利水電工程、城市軌道交通工程建設時間相對集中；華東地區(qū)TBM法隧道工程約占20%，主要原因是TBM法在重慶軌道交通6號線和青島地鐵2號線成功應用后得以大范圍推廣；東北地區(qū)TBM法隧道工程主要集中在遼寧和內(nèi)蒙古水利工程；華南地區(qū)TBM法隧道工程主要分布于深圳地鐵。

圖4 我國TBM法隧道分布區(qū)域統(tǒng)計

2.3 TBM法隧道工程分布領(lǐng)域

我國TBM法隧道工程分布領(lǐng)域如圖5所示。其中，水利水電隧洞占比約50%，居首位，主要原因是： 1)TBM開挖斷面為圓形，是水利水電隧洞最合理的斷面型式； 2)水利水電隧道建設規(guī)模大、單洞長度長、埋深大的隧道居多； 3)TBM在水利水電隧洞開始應用早，市場認可度高。市政領(lǐng)域占比約40%，居第2位，主要是由于青島、重慶、深圳等巖石地層城市的軌道交通隧道不適合鉆爆法施工，TBM法成了最佳選擇[11-12]；鐵路隧道引進TBM法施工雖然較早，但發(fā)展緩慢。

圖5 我國TBM法隧道分布領(lǐng)域統(tǒng)計

2.4 TBM法隧道開挖直徑

我國TBM法隧道開挖直徑分布統(tǒng)計如圖6所示。3 m及以下小直徑TBM法隧道工程較少，主要是由于斷面空間小，難以實現(xiàn)長距離連續(xù)掘進施工，TBM法長距離連續(xù)快速施工的優(yōu)勢難以體現(xiàn)。10 m及以上大直徑TBM法隧道工程較少，主要是由于大斷面隧道穩(wěn)定性差、刀盤轉(zhuǎn)速低導致掘進速度慢，應用于交通領(lǐng)域存在巨大的空間浪費。TBM法隧道開挖直徑以3～10 m為主，約占95%，其中6～8 m直徑系列占比最大，約占70%，主要集中于市政和水利領(lǐng)域；6 m直徑系列數(shù)量最多，占比約40%，主要是城市軌道交通隧道； 7 m和8 m直徑系列中，絕大部分用于水利水電工程隧洞。

圖6 我國TBM法隧道開挖直徑統(tǒng)計

2.5 TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工

我國TBM法隧道工程全部是采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合修建的，這是隧道施工工法選擇的現(xiàn)狀，也是工法選擇的必然，其能夠更好地發(fā)揮2種工法的優(yōu)勢，最大程度實現(xiàn)快速、低價修建隧道工程的目標。

圖7和圖8對比分析了部分工程2種工法的施工長度及其占比，同一隧道工程中TBM法施工合計長度及單臺TBM施工長度呈上升趨勢。一方面是TBM裝備與施工技術(shù)進步的影響，以往受技術(shù)水平的制約無法規(guī)劃設計長大隧道工程，即便存在長大隧道也只能被迫采用“長隧短打”的方式；另一方面是TBM技術(shù)進步讓更長隧道修建成為現(xiàn)實，單洞長度增加，相應地TBM法施工長度增加。例如： 20世紀90年代開工建設的西康鐵路秦嶺隧道全長18.456 km，Ⅰ線隧道采用TBM與鉆爆法相結(jié)合施工，洞口段采用鉆爆法施工TBM預備洞，為趕工期臨時決定中間通過平導采用鉆爆法施工，其余洞段采用TBM施工，2臺TBM合計掘進長度10.8 km，單臺TBM掘進長度分別為5.2 km和5.6 km； 2010年代開工建設的引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段全長81.8 km，嶺脊段采用2臺TBM施工，合計掘進長度34.5 km，單臺TBM掘進長度16～18 km；新疆EH工程XE引水1#隧洞全長72.9 km，3臺TBM計劃掘進總長度63.9 km，單臺TBM掘進長度15～24 km；新疆EH工程KS隧洞全長283 km，11臺TBM計劃掘進總長度212 km。

已完工和在建鐵路工程10 km以上長大隧道中，TBM法施工長度占比相對較小，平均51%，最高60%(吐庫二線鐵路中天山隧道)，最低36%(大瑞鐵路高黎貢山隧道)。其中，全長34.538 km的高黎貢山隧道，1臺TBM的計劃掘進長度為12.5 km，主要是由于復雜地質(zhì)條件的影響，部分洞段TBM工程適應性不足。水工隧洞TBM法施工長度占比相對較大，平均70%，最高95%(XE引水4#隧洞)，最低42%(引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段)，原因是： 1)部分洞段TBM工程適應性差； 2)工程造價的影響； 3)工法選擇受綜合因素影響。全長92 km的EH工程SS隧洞，2臺TBM計劃掘進長度41 km，占隧洞總長的44%，主要原因是可行性研究和設計階段認為存在較多洞段不適合采用TBM施工。

圖7 部分工程TBM法與鉆爆法施工長度

圖8 部分工程TBM法與鉆爆法施工長度百分比

2.6 TBM法隧道施工進度與工期

縱觀我國TBM法隧道工程，施工進度總體上存在嚴重的不均衡現(xiàn)象，波動較大，其中月進尺以200～700 m為主，占3/4； 700～900 m以及200 m以下各占1/9。掘進工期受平均月進尺和掘進長度的影響，同樣差異巨大，以1～4年為主，占70%以上； 1～3年占60%以上，4～6年占1/9。部分工程TBM平均月進尺及工期統(tǒng)計見圖9。

圖9 部分工程TBM施工進度與工期

例如： 西康鐵路秦嶺隧道及西南鐵路采用敞開式TBM施工，平均月進尺約300 m，最高月進尺逾500 m；山西引黃入晉工程采用雙護盾TBM施工，總干線月進尺約700 m、最高月進尺約1 100 m，南干線平均月進尺約1 300 m、最高月進尺約1 800 m，南干聯(lián)絡段平均月進尺約1 300 m、最高月進尺約1 600 m；中天山隧道采用敞開式TBM施工，前期平均月進尺約400 m，后期平均月進尺約100 m；蘭渝鐵路西秦嶺隧道采用敞開式TBM施工，平均月進尺約400 m；遼西北供水工程采用敞開式TBM施工，平均月進尺約600 m。這些進度數(shù)據(jù)，讓人眼花繚亂，為增強可比性，以同一工程不同標段、同一施工單位不同項目的同機型TBM施工進度為例分析。

吉林省中部城市引松供水工程(以下簡稱引松供水)采用3臺敞開式TBM施工，開挖直徑7.93 m，連續(xù)皮帶機出渣，TBM基本參數(shù)和施工進度相關(guān)信息見表3和圖10。TBM 1平均月進尺643 m，最高月進尺1 209.8 m；TBM 2平均月進尺500 m，最高月進尺1 423.5 m；TBM 3平均月進尺652 m，最高月進尺1 318.7 m。地質(zhì)原因、設備完好率、施工技術(shù)、施工理念和組織管理的差異是影響施工進度均衡性的主要因素。

表3 引松供水TBM法隧道施工信息

圖10 引松供水3臺TBM月進尺對比

遼西北供水工程2段4標和新疆ABH輸水隧洞，均為敞開式TBM施工，TBM開挖直徑分別為8.53 m和6.53 m，由同一個TBM團隊負責施工(主要的TBM技術(shù)與管理人員從遼西北整體調(diào)遣至ABH)。2項工程TBM月進尺對比見圖11(遼西北折線斷開部分為TBM中間轉(zhuǎn)場)。ABH第1個月份TBM掘進只有2 d，計算平均月進尺時將其扣除；TBM平均月進尺根據(jù)圍巖條件選取第2—7個月的平均值。ABH項目TBM月進尺嚴重不均衡且后期持續(xù)較低，主要原因是惡劣的地質(zhì)條件和施工干擾。自第7個月開始遭遇嚴重蝕變巖和極度破碎圍巖，涌泥涌砂現(xiàn)象非常嚴重，TBM對于該洞段的地質(zhì)適應性極差，說明不適合采用TBM法施工，若選用機械法則應該考慮土壓平衡盾構(gòu)。實際揭露的圍巖與施工圖地勘成果相去甚遠，該工程的極度破碎圍巖洞段在地勘報告中無顯示，揭露后調(diào)整為“節(jié)理密集帶”，給掘進施工造成了很大的誤導。此外，建設單位的盲目指揮、不當指導，施工單位未能及時強制采取合理措施處理等也是導致施工進展緩慢的因素。

2.7 TBM機型

我國TBM機型統(tǒng)計如圖12所示，以敞開式為主，約占50%，主要原因是采用敞開式TBM施工的隧道支護結(jié)構(gòu)為初期支護與二次襯砌相結(jié)合，綜合成本較低；但工法選擇時不僅要充分考慮TBM的工程適用性，還需兼顧施工措施的靈活性；敞開式TBM總體風險可控性較好。其次，雙護盾TBM應用較多，占比約40%，大多數(shù)應用于青島地鐵、深圳地鐵和山西引水工程等，主要是受建設環(huán)境、地質(zhì)條件和綜合成洞速度的影響。單護盾TBM應用較少，主要集中在重慶地鐵，其主要影響因素為建設環(huán)境和地質(zhì)條件。

圖11 2項工程TBM月進尺對比

圖12 我國TBM機型統(tǒng)計

2.8 TBM品牌

我國所使用的TBM品牌較多，已完工工程所使用的TBM以國外品牌為主；自吉林引松供水工程之后的新增市場份額中，TBM應用品牌相對集中，主要被中國鐵建旗下的鐵建重工、中國中鐵旗下的中鐵裝備2家公司占有，市場占有率高達90%以上，并且均擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。主要原因有3個方面： 1)2家公司的設備設計制造技術(shù)與美國羅賓斯公司、德國海瑞克公司基本保持了同等水平； 2)技術(shù)溝通便捷，TBM設計方案能夠充分融合施工單位的經(jīng)驗； 3)價格優(yōu)勢。在建工程所使用的TBM以國產(chǎn)品牌為主。截至2020年6月底，我國已完工和在建工程中各品牌TBM市場占有率統(tǒng)計見圖13。

2.9 TBM零部件來源

圖13 各TBM品牌在我國的市場占有率統(tǒng)計

表4 TBM主要零部件來源

2.10 TBM法隧道施工企業(yè)

TBM法隧道工程規(guī)模的擴張，帶動了國內(nèi)施工企業(yè)的迅猛發(fā)展，從原來意大利公司負責施工、僅從國內(nèi)雇用部分勞務人員，發(fā)展到中鐵十八局和中鐵隧道局首次在西康鐵路秦嶺隧道自主施工，目前我國具有TBM法隧道施工業(yè)績的企業(yè)約30家，大多集中于建筑央企，其中60%以上集中于中國鐵建和中國中鐵。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年6月底國內(nèi)TBM施工企業(yè)使用TBM數(shù)量見圖14和圖15。

3 我國TBM法隧道工程技術(shù)展望

3.1 TBM法隧道工程規(guī)模、區(qū)域與領(lǐng)域分布

我國TBM法隧道工程規(guī)模在今后一定時期內(nèi)仍將保持較快增長，之后趨于平穩(wěn)并保持較長時間，最終會下降到較低水平，發(fā)展過程中大部分時段會小幅波動，也不排除偶爾大幅波動的可能性。預計未來10年各類隧道修建長度20 000 km、掘進裝備需求量600臺，未來5年我國潛在工程規(guī)劃的TBM需求量會達到200臺。

我國TBM法隧道工程仍將集中于西部地區(qū)，以水利水電工程為主；華北地區(qū)山東省、華南地區(qū)深圳市、西南地區(qū)重慶市等多山城市的軌道交通隧道對TBM的需求量呈上升趨勢；華南、華北、東北等地區(qū)TBM應用數(shù)量將會明顯受到區(qū)域性調(diào)水、海底隧道等工程建設的影響。

圖14 我國TBM法隧道施工企業(yè)(截至2020年6月底)

圖15 國內(nèi)TBM法隧道施工企業(yè)集團分布

預期未來一段時期內(nèi)，TBM法隧道工程分布領(lǐng)域仍將以水利水電和市政工程為主，前者保持較高速度發(fā)展的勢頭較為強勁，后者增長勢頭高速發(fā)展的可能性較小，但短期內(nèi)明顯下降的可能性較小。在鐵路工程領(lǐng)域中川藏鐵路將是短期內(nèi)的峰值，此后大規(guī)模應用的可能性較小。從川藏鐵路隧道施工工法論證、比選過程中可見一斑，受制于TBM對復雜地質(zhì)條件的適應性、造價、對TBM工法的認知、決策機制等因素，TBM從原計劃的36臺減少為32臺、18臺，進而減少為10臺[13]。TBM法隧道工程技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角并呈較高速度增長趨勢。隨著樂西高速大涼山1號隧道、新疆烏蔚高速天山勝利隧道TBM的成功應用[14-15]，TBM法隧道工程技術(shù)在公路領(lǐng)域?qū)瓉硇碌陌l(fā)展機遇，一定范圍內(nèi)推廣的概率較大。礦山、軍工、核工業(yè)等特種行業(yè)將會陸續(xù)開啟TBM的應用之路。若TBM破巖技術(shù)、斷面型式等出現(xiàn)重大變革，上述應用領(lǐng)域分布態(tài)勢將會發(fā)生較大改變。

3.2 TBM法與鉆爆法聯(lián)合施工且TBM施工占比逐步增加

TBM法與鉆爆法隧道施工各有優(yōu)劣，優(yōu)勢互補是最佳選擇。受地質(zhì)適應性、斷面適應性、進度與工期、造價等多方面因素影響，在今后的隧道建設中，TBM法仍將與鉆爆法聯(lián)合施工。TBM裝備技術(shù)與施工技術(shù)不斷進步，其工程適應性不斷增強，TBM法施工成本在國產(chǎn)化大規(guī)模推廣應用的影響下得到較好控制，而鉆爆法施工成本呈上升趨勢，因而TBM法施工占比會逐步增加。

山嶺隧道已完工的工程中，單臺TBM在同一工程中掘進長度為20 km以上的隧道僅5座；在建工程中單臺TBM在同一工程中計劃掘進長度為20 km以上的隧道有13座，最大長度26 km(實際施工過程中下調(diào)的概率較大)。后續(xù)，單臺TBM在同一工程中掘進長度達到20 km的概率將會繼續(xù)增大，并且，預計在不久的將來會突破30 km，甚至達到40 km，這將為在西部大山中修建隧道工程提供巨大支撐，也讓以往不具備可行性的工程變?yōu)楝F(xiàn)實，例如： 煙大海底隧道、臺灣海峽海底隧道、南水北調(diào)大西線工程等[16-19]。

3.3 TBM法隧道支護技術(shù)

3.3.1 TBM支護系統(tǒng)

目前TBM支護系統(tǒng)功能越來越完善，性能也不斷提升，但仍然存在一些問題，主要是支護效率、質(zhì)量與TBM掘進效率的匹配性差，特別是在復雜地質(zhì)段尤為突出，在一定程度上制約了TBM掘進速度優(yōu)勢的發(fā)揮，從而影響工程整體進展。

敞開式TBM由于設備結(jié)構(gòu)的制約，支護設備的工作范圍與支護質(zhì)量存在一定的局限性。錨桿鉆機的鉆孔方向難以達到與隧道法線重合的要求，只能呈發(fā)散狀；普遍采用的Atlas COP 1838型鉆機本身鉆孔能力很強、效率很高，但在TBM上難以發(fā)揮出應有的效率，主要問題是鉆機環(huán)向與軸向的移動速度和定位速度較慢。這些方面和鉆機本身性能無關(guān)，主要受限于TBM結(jié)構(gòu)及設備空間的設計局限。錨桿鉆機布置方式在部分TBM裝備上已有新的嘗試，今后將努力實現(xiàn)錨桿小角度入巖、便捷安裝、作業(yè)效率與掘進速度匹配、長度調(diào)整方便的目標。中鐵十八局聯(lián)合鐵建重工在廣州北江引水工程、十堰水源工程已經(jīng)實現(xiàn)了小斷面TBM徑向錨桿支護，見圖16。

后來，他又做了幾件讓人哭笑不得的調(diào)皮事，其中一件震驚了整個幼兒園。你知道為什么嗎？小烏龜啊，真的是一個小傻瓜。他在幼兒園結(jié)交了一個好吃懶做的壞朋友大黑貓。大黑貓心眼壞，他想吃掉小烏龜，可是小烏龜有防身的鎧甲。遇到危險的時候，小烏龜會躲到殼里一動不動，殼就是小烏龜?shù)募?，非常安全。大黑貓就想出一個壞點子，他不僅想吃掉小烏龜，還要吃烤熟的烏龜肉呢。

圖16 敞開式TBM徑向錨桿支護系統(tǒng)

噴射混凝土系統(tǒng)通常布置在連接橋后方，甚至1#拖車后方，距離掌子面50～70 m，不符合及時噴射混凝土的要求。在施工單位的主導和制造商的積極配合下，引綽濟遼供水工程有2臺敞開式TBM已經(jīng)實現(xiàn)了常規(guī)噴射混凝土系統(tǒng)前置。該設計理念已經(jīng)推廣到北江引水工程、十堰水源工程等，并將進一步推廣應用。噴射混凝土系統(tǒng)方面，護盾后方已經(jīng)可以實現(xiàn)機械化施工，但配套的混凝土供應、設備防護等方面仍存在較大的提升空間。配置更加合理、完善的TBM隧道支護體系，操作會更加便捷，安全性將不斷提升。

護盾式TBM通常以預制混凝土管片作為最終支護結(jié)構(gòu)，管片背后吹填豆礫石并注漿回填。對豆礫石粒徑、外形要求較高，獲得合適的料源難度大、成本高，這些影響設備效率的發(fā)揮且設備損耗較大?；靥钭{嚴重滯后，影響施工安全與質(zhì)量。此外，管片襯砌結(jié)構(gòu)的壽命可靠性尚未得到實踐驗證，近期有管片襯砌的引水隧洞出現(xiàn)較大范圍滲漏水問題，修復難度較大。其作業(yè)效率與質(zhì)量、及時性與操作便捷性方面仍待改進，業(yè)內(nèi)正在思考和研發(fā)新的管片支護與回填技術(shù)，研究管片用于巖爆洞段支護的可行性。

3.3.2 TBM支護技術(shù)

隧道施工已經(jīng)形成了一系列相對成熟的規(guī)范，但大多基于鉆爆法施工。相比其他斷面型式，TBM法隧道圓形斷面更有利于洞室穩(wěn)定，且機械法破巖對圍巖擾動小，因而支護體系設計的初始條件已經(jīng)發(fā)生了改變，需要相應轉(zhuǎn)變設計理論，選擇更加科學合理的支護方式，形成新的TBM法隧道支護體系。這是技術(shù)發(fā)展的需要，是節(jié)能降耗的需要，也是可持續(xù)發(fā)展的需要。

目前，敞開式TBM在Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下的工程適應性強，既能保證隧道施工安全、質(zhì)量與速度，又能節(jié)約隧道建設成本；近年來，隨著初期支護技術(shù)的發(fā)展，合理使用鋼拱架(又稱作鋼支撐)與鋼筋排綜合支護技術(shù)以及相應的施工工藝，敞開式TBM在Ⅳ類圍巖條件下的工程適應性大大加強，在確保安全與質(zhì)量的前提下，掘進速度大幅提升；然而，在Ⅴ類圍巖、破碎帶等復雜地質(zhì)條件下，敞開式TBM的工程適應性尚無突破性進展，往往月進尺只有數(shù)十m甚至數(shù)m，嚴重影響隧道施工質(zhì)量、安全、進度與成本，是困擾敞開式TBM施工的一大難題。其中，圍巖從護盾尾部出露后嚴重坍塌是重要制約因素之一，特別是圍巖極破碎，存在涌水、涌泥、涌砂等情況下，即便采用鋼筋排也無法起到較好的支護效果，并且后期注漿操作困難。開發(fā)一種安裝便捷、支護可靠的用于敞開式TBM法施工隧道的鋼管片/鋼瓦片支護系統(tǒng)[20-21]，能夠在很大程度上解決上述問題，可以考慮將其與型鋼拱架相結(jié)合設計，采用改進的鋼拱架拼裝器安裝而不必配置傳統(tǒng)的管片拼裝機。

為了應對巖爆，錦屏二級電站引水洞TBM施工過程中探索了柔性防護網(wǎng)支護技術(shù)；波紋板具有剛度大、質(zhì)量小、耗材少的特點，已經(jīng)成功應用于涵洞、管廊等工程，同樣可以應用于TBM法隧道支護。

3.4 復雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)

TBM法隧道地質(zhì)呈多樣化發(fā)展趨勢，面對諸多復雜地質(zhì)條件，如極強巖爆、極高地溫、強蝕變、嚴重破碎圍巖、大變形等，TBM施工安全、進度、成本都會受到極大影響。

TBM法隧道施工過程中，希望TBM能夠在其適用的地質(zhì)條件下發(fā)揮快速的優(yōu)勢；在復雜地質(zhì)條件下也能夠持續(xù)穩(wěn)步施工，避免長時間停機，盡量不采取礦山法等處理措施。因此，非常有必要研究復雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)，從地質(zhì)勘查與施工規(guī)劃、施工技術(shù)、施工管理3方面展開研究。開工前地質(zhì)勘查盡量詳細、準確；施工過程中輔以超前地質(zhì)預報，科學認識TBM的工程適應性并合理選型；合理規(guī)劃施工區(qū)段劃分，及時合理初期支護，必要時實施超前加固(目前仍需系統(tǒng)、深入研究)；參建單位各司其職、通力合作，合理控制工期與投資，建立健全復雜地質(zhì)條件下TBM法隧道工程建設規(guī)范[22]。

3.4.1 TBM超前地質(zhì)預報技術(shù)

受當前技術(shù)發(fā)展水平、工期、投資的影響，存在前期地勘成果有偏差，甚至因缺乏有效的勘察手段而無法準確判斷地質(zhì)的情況。鑒于地質(zhì)條件對TBM施工的直接影響，施工過程中非常有必要實施超前地質(zhì)預報，這是隧道施工地質(zhì)勘查工作的必要補充，特別是在可能存在復雜地質(zhì)的情況下，應該增加超前地質(zhì)預報的頻次和方法，采用多種方法相互印證，盡可能準確詳細地探明前方地質(zhì)條件。開工前的地質(zhì)勘查成果、TBM掘進施工過程中實際揭露的圍巖狀態(tài)、超前地質(zhì)預報相結(jié)合，物探、鉆探、地質(zhì)素描相結(jié)合，可大大提高對前方地質(zhì)條件判斷的準確性，為TBM施工提供很好的指引。

TBM施工中的超前地質(zhì)預報技術(shù)存在如下主要影響因素： TBM結(jié)構(gòu)龐大，作業(yè)空間狹小，特別是難以接近掌子面；大量金屬結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)形成強大的電磁干擾。鉆爆法施工中應用良好的超前地質(zhì)預報方法在TBM法施工中不一定適用，即便有可行的方法，其準確度仍有巨大的提升空間。慎重選擇有潛力的超前地質(zhì)預報方法，研發(fā)新的預報方法，多種方法相融合，取長補短，綜合評價，提升預報的準確性。搭載式超前地質(zhì)預報將會成為主流的設備配置方式，借助于網(wǎng)絡、人工智能技術(shù)，現(xiàn)場解析或者遠程實時解譯，融入專家知識，及時為現(xiàn)場施工提供相對準確的地質(zhì)預報成果。

3.4.2 及時可靠的支護

護盾式TBM施工采用管片支護，圍巖不出露，用于破碎圍巖、軟弱圍巖具有較好的效果，但如果遭遇大變形、強巖爆等復雜地質(zhì)，其適應性、可靠性不足；敞開式TBM施工支護方式靈活，但通常比較滯后，需要圍巖從盾尾出露后施作，容易引起塌方等現(xiàn)象。

目前，TBM法隧道支護技術(shù)正在得到更多關(guān)注，研發(fā)新的支護理念、支護技術(shù)，以應對復雜地質(zhì)，前文有所涉及，不再贅述。

3.4.3 超前處置技術(shù)

隧道施工中圍巖出露后的處理屬于事后處置，有效但仍存在不足，超前加固、超前封堵等措施屬于事前預防，是極其重要的手段，并且在鉆爆法施工中應用相對成熟，然而由于作業(yè)條件的限制在TBM施工中難以實現(xiàn)。面對復雜地質(zhì)條件，TBM施工迫切需要可靠、及時的超前處置措施，大幅減少處理斷層、破碎帶等不良地質(zhì)的時間和難度。

TBM法隧道施工超前處置技術(shù)是應對復雜地質(zhì)條件的關(guān)鍵措施，雖然開展了很多TBM超前支護、超前封堵等事前預防技術(shù)攻關(guān)，但施工安全、超前處置質(zhì)量、施工效率等方面的應用效果還需要大幅提升，難題主要集中在2點： 1)超前鉆孔，目前所能想到的所有超前處理措施都離不開超前鉆孔，如超前小導管、超前管棚、超前灌漿、超前錨桿、超前應力釋放孔、超前鉆探等，但由于作業(yè)空間所限，鉆孔深度、間距、工效無法適應施工需求。2)超前灌漿，目前還沒有開發(fā)出廣泛適用的TBM止?jié){、灌漿施工技術(shù)?！兑环N敞開式TBM超前支護加固系統(tǒng)》《一種用于TBM隧道施工的超前小導管》等專利技術(shù)進行了有益探索，經(jīng)現(xiàn)場試驗已經(jīng)取得了較為明顯的效果[23-24]。結(jié)合面臨的地質(zhì)難題，相關(guān)單位需積極創(chuàng)造條件，鼓勵創(chuàng)新，保證安全的前提下勇于試驗，在摸索中實踐，在實踐中提升，是TBM研發(fā)、制造、工程規(guī)劃、施工的發(fā)展趨勢。

3.4.4 其他

TBM在極端破碎、嚴重蝕變、大變形等復雜地質(zhì)條件下施工，存在卡機風險，因而防卡脫困技術(shù)一直以來都被廣泛關(guān)注。大量研究與實踐取得了較為顯著的效果，但仍需進一步深入研究，并將研究重點側(cè)重于“防卡”。突泥涌水是TBM施工過程中無法完全規(guī)避的，在已有研究成果和應用經(jīng)驗的基礎上，還需要繼續(xù)深入研究新材料、新技術(shù)，開發(fā)新工法，力爭在防控技術(shù)上取得突破性進展；隨著深埋、高地應力地質(zhì)條件下隧道修建的需要，巖爆防控與監(jiān)測技術(shù)研究提上了日程，并且已經(jīng)取得了初步成效，但還需繼續(xù)深入研究，為川藏鐵路等后續(xù)工程提供更好的防控解決方案；完整硬巖中TBM破巖效率低、施工成本高，該地質(zhì)條件下TBM施工降本增效，需要從系統(tǒng)破巖和輔助破巖2方面著手創(chuàng)新。

3.5 新型TBM研發(fā)與應用

由于待開挖隧道的地質(zhì)環(huán)境、施工環(huán)境和工程建設需求對TBM提出了更高的技術(shù)要求，采用原有的TBM裝備設計理念無法適應今后的需求，必須研發(fā)、改進和完善現(xiàn)有成熟機型、拓展功能、提升性能，同時也要研發(fā)新型TBM以擴展其適用范圍和應用領(lǐng)域[8,25]，例如： 斜井TBM、豎井TBM、橫通道TBM、異形斷面TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復合式TBM(雙模式TBM、多模式TBM)等。

復合式TBM已經(jīng)有了初步研究和應用，例如： 早期的重慶軌道交通6號線銅鑼山隧道采用了2臺基于單護盾的復合式TBM，在單護盾TBM的基礎上，增加了土壓平衡功能，但實際施工實踐中并未真正使用土壓平衡功能；近年，雙模式盾構(gòu)已經(jīng)相對成熟，有過很多成功的工程應用實例。

交通領(lǐng)域、水利水電工程和采礦領(lǐng)域存在很多大坡度斜井與豎井工程，斜井TBM的設計制造與應用已經(jīng)取得了一定進展。補連塔煤礦巷道坡度9.5%，長2 745 km，采用1臺單護盾TBM施工；北京冬奧管廊隧道長5.5 km，進口段坡度4.5%，采用1臺敞開式TBM施工。但是，仍需繼續(xù)加大斜井TBM的研發(fā)和應用力度，以適應更多更嚴苛的斜井隧道施工。

地下空間開發(fā)利用以及深部地下資源開采都離不開豎井，特殊的地質(zhì)環(huán)境與施工環(huán)境對豎井TBM施工技術(shù)提出了更加迫切的需求。國內(nèi)外一次成型正井法施工的豎井TBM裝備與施工技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的基礎和前期準備，少量已經(jīng)成功應用，但很多機型仍停留在概念設計或者初級產(chǎn)品研發(fā)階段。預期TBM法深豎井施工即將成為現(xiàn)實。

鐵路隧道、地鐵隧道以及特殊功能隧道所需的大量橫通道、設備間等輔助洞室，以往只能采用礦山法施工，開挖效率低，且大多無法和正洞同步施工。隨著TBM裝備和施工技術(shù)的不斷進步，將有望解決該問題，這也是TBM裝備技術(shù)和施工工法研發(fā)的一個重要方向。

目前TBM開挖斷面均為圓形，但鐵路、公路等工程適宜的斷面型式為城門洞等型式，異形斷面TBM存在大量市場需求，但尚無相應裝備，下一步需要深入研究破巖方法、刀盤規(guī)劃與設計、驅(qū)動技術(shù)、出渣技術(shù)等。

TBM開挖直徑將向兩極化發(fā)展，超大斷面(尤其是超大異形斷面)TBM和長距離施工微型TBM，開挖直徑15 m的超大斷面單護盾TBM、開挖直徑2.5 m的微型TBM已經(jīng)完成設計制造，即將分別在格魯吉亞南北走廊Kvesheti至Kobi段公路隧道(簡稱“KK公路隧道”)、十堰水源馬百支線隧洞應用，微型TBM見圖17。

圖17 十堰水源馬百支線隧洞微型TBM

3.6 TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化

進入21世紀以來，我國的綜合實力、科技水平、技術(shù)研發(fā)能力有了巨大提升，部分技術(shù)已經(jīng)進入國際領(lǐng)先水平，但很多技術(shù)、產(chǎn)品仍然需要依賴進口。全球化影響下，TBM零部件可以通過全球采購保障供給，但采購周期長、采購成本高。大直徑主軸承、減速機、大功率變頻器、重要液壓部件等，都屬于TBM的關(guān)鍵部件，實現(xiàn)其國產(chǎn)化是必然趨勢，部分產(chǎn)品已經(jīng)有了突破性進展，有些仍然存在技術(shù)瓶頸，迫切需要做好技術(shù)儲備，避免出現(xiàn)類似高端芯片的斷供危機，導致TBM關(guān)鍵部件供應制約TBM制造。為此，包括產(chǎn)學研用在內(nèi)的TBM設計制造全產(chǎn)業(yè)鏈需要繼續(xù)加大對關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制的重視。目前，TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制已經(jīng)取得了突破性進展，液壓油缸已經(jīng)全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化，部分盾構(gòu)及少量TBM已經(jīng)開始使用國產(chǎn)主軸承，3 m直徑主軸承已經(jīng)研制成功[26]，可用于直徑≤5 m的TBM。十堰水源馬百支線隧洞應用的微型TBM(φ2.53 m)主軸承、主驅(qū)動電機和減速機均采用國產(chǎn)件。TBM零部件國產(chǎn)化占比越來越高，主軸承、主軸承密封、主驅(qū)動電機、主驅(qū)動減速機、液壓系統(tǒng)泵閥與馬達、大功率變頻器等關(guān)鍵部件依賴進口的局面將會逐步改變，我們急切需要實現(xiàn)TBM零部件全面國產(chǎn)化的目標[8]。

3.7 TBM法隧道施工信息化與智能化技術(shù)

人工操作—機械化施工—自動化施工—智能建造是隧道施工技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。隨著科學技術(shù)突飛猛進和5G時代的到來，使TBM法隧道施工實現(xiàn)信息化管理、自動化操作和智能建造成為可能。

TBM法隧道施工具有相應的大數(shù)據(jù)積累、分析、計算基礎，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)應用于TBM法隧道施工，將在風險防控、提高設備完好率、純掘進時間利用率、指導TBM掘進與支護、降低人員勞動強度和提高掘進效率等方面發(fā)揮積極作用。目前，已經(jīng)有部分產(chǎn)品在應用，但技術(shù)還不夠成熟，功能不夠完善，融入地圖導航式設計理念、電子處方式操作理念的TBM施工大數(shù)據(jù)綜合管控平臺等系統(tǒng)將會廣泛應用，將具備數(shù)據(jù)采集、自動分析、綜合預判、預警管理、指導操作、多樣化適應性報表輸出、遠程監(jiān)控、智能學習、考核考評、自主總結(jié)等功能，服務于現(xiàn)場TBM施工、綜合管理、設備改進與研發(fā)。中鐵十八局集團開發(fā)的一種TBM施工大數(shù)據(jù)平臺見圖18，中鐵裝備研發(fā)的TBM輔助智能掘進系統(tǒng)見圖19[25]。利用TBM施工大數(shù)據(jù)，可開展掘進性能評價等工作，為TBM選型、設計制造和施工生產(chǎn)服務。

TBM法隧道工程智能建造將成為隧道工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和未來行業(yè)競爭熱點[27]，目前已經(jīng)起步并取得了一定進展，今后將會在智能感知、智能分析、智能決策、智能操作方面取得更多成果。智能感知前方地質(zhì)、TBM設備運行參數(shù)、掌子面巖體、狀態(tài)監(jiān)測、已開挖洞段圍巖、巖渣、隧道軸線、支護結(jié)構(gòu)等；智能決策掘進策略、優(yōu)化掘進參數(shù)、調(diào)向策略、支護結(jié)構(gòu)等；操作方面，智能掘進、智能導向調(diào)向、智能支護、智能出渣、智能狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。例如： 國家重點研發(fā)計劃項目“面向TBM施工的機器人智能作業(yè)系統(tǒng)”，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了“一種獲取TBM隧洞形貌三維點云數(shù)據(jù)的裝置及方法”、“基于輕量級模型的隧道巖性快速識別方法”等成果[27-29]。

圖18 TBM施工大數(shù)據(jù)平臺

圖19 TBM輔助智能掘進系統(tǒng)

4 結(jié)語

1)我國TBM法隧道施工經(jīng)過5個階段的發(fā)展，正在廣泛推廣，并且實現(xiàn)了以采用國產(chǎn)品牌TBM自主施工為引領(lǐng)的良好局面，從規(guī)模上將呈現(xiàn)升—平—降—穩(wěn)的波動發(fā)展過程；從分布區(qū)域、分布領(lǐng)域上近期仍將保持以西部地區(qū)、水利水電工程和軌道交通工程為主的發(fā)展態(tài)勢，同時，在鐵路、煤礦、抽水蓄能、礦山、公路等新興領(lǐng)域也將得到進一步推廣應用；開挖直徑方面，在中等直徑TBM大范圍應用基礎上，將呈現(xiàn)兩極化發(fā)展態(tài)勢，超大直徑TBM、微型TBM也會迎來發(fā)展機遇。

2)隧道施工中，TBM法與鉆爆法各有優(yōu)劣，取長補短、聯(lián)合施工的方法將會長期存在，并且TBM法占比及單臺TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢；由于建設環(huán)境、施工條件等因素影響，部分短隧道也將采用TBM法施工。

3)TBM法隧道施工技術(shù)的推廣應用，機遇中伴隨著挑戰(zhàn)，TBM設備技術(shù)與施工技術(shù)，已經(jīng)取得了顯著進步，但仍然面臨著許多問題，并且會不斷涌現(xiàn)出新的需求和問題，解決的唯一出路是科技創(chuàng)新。今后一段時期。TBM法隧道施工技術(shù)創(chuàng)新將主要集中在以下幾個方面： 改進現(xiàn)有支護技術(shù)，通過“四新”完善支護系統(tǒng)；復雜地質(zhì)TBM法隧道施工技術(shù)正在全面研發(fā)與實踐，掘進策略、超前地質(zhì)預報、合理可靠支護、超前處置等措施相結(jié)合，即將實現(xiàn)巨大突破；斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經(jīng)開始研發(fā)、應用，正在取得長足進步，技術(shù)成熟后將得以大力推廣；TBM關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制與應用已經(jīng)取得了階段性成果，TBM零部件必將全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。

4)大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G技術(shù)是當今的技術(shù)發(fā)展熱點，智能建造已經(jīng)提上日程，TBM法工程技術(shù)需要緊跟時代脈搏，充分吸納先進的理念和技術(shù)，以信息化、大數(shù)據(jù)大幅提升TBM施工技術(shù)與施工管理水平，結(jié)合5G技術(shù)努力實現(xiàn)TBM智能化施工，這是提升TBM適用空間、解放勞動力、適應時代發(fā)展的需要。

文中關(guān)于現(xiàn)狀的分析和技術(shù)展望，還不全面、不深入，希望能夠和行業(yè)專家、學者、同仁的研究成果形成互補，共同促進我國TBM法隧道工程技術(shù)進步。