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. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 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，國產盾構產銷量已躍居世界第一，在國內的市場占有率從2008年以前的0增長到現在的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，盾構法在城市地鐵建設中將占據著主導地位。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應用領域將會得到進一步拓展。

針對不同階段隧道掘進機技術的發(fā)展，國內已有相關學者進行了總結與論述。自1985年劉仁鵬[8]向國人介紹盾構技術以來，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技術發(fā)展及應用情況進行了總結與分析，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技術現狀、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，進一步總結我國隧道掘進機技術的發(fā)展歷程、現狀，并對未來隧道掘進機技術的發(fā)展趨勢進行展望，為我國隧道裝備技術的發(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。世界盾構發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 世界盾構發(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 中國盾構發(fā)展歷程

突破隧道掘進機技術瓶頸，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，是中國盾構技術發(fā)展的黎明期。1953年，東北阜新煤礦開發(fā)了手掘式盾構(φ2.6 m)用于疏水巷道施工，揭開了中國盾構從無到有的歷史；隨后，上海城建局于1962年2月研制成功φ4.16 m手掘式盾構。

2002—2008年，是中國盾構技術創(chuàng)新期。2002年，國家將盾構研發(fā)列入“863”計劃[23]，成立了我國第1個盾構研究項目組[24]；2004年，國產首臺自主知識產權“863”盾構“先行號”誕生；2006年，盾構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，國產首臺具有自主知識產權的復合式盾構“中國中鐵1號”問世。盾構領域“863”計劃的實施，揭開了中國盾構從有到優(yōu)的歷史。

2009年至今，致力于“造世界最好的盾構”，中國盾構從優(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) 首臺現代TBM(1953年)

1.3 中國TBM發(fā)展歷程

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

1985—2012年，是中國TBM技術引進消化期。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技術進入引進消化期。

2013年以來，中國進入TBM技術自主創(chuàng)新期，開始設計制造具有完全自主知識產權的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，核心技術不過關，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，鍛煉培養(yǎng)了一大批專業(yè)技術骨干、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 聯合制造自主施工階段

階段特點： 中國進入與外商聯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、施工技術和人才隊伍建設上，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： 面向國內外隧道掘進機市場，實現了國產化、產業(yè)化，邁入了隧道掘進機自主創(chuàng)新的新時代。

階段成就： 實現了隧道掘進機裝備與施工技術的全面國產化，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、吉林引松供水工程的φ8.03 m敞開式TBM等。

1.4.6 中國技術走出國門階段

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)聯合開展技術攻關，推動中國隧道建造技術走向國外，推動世界隧道技術發(fā)展。

階段成就： 中國隧道建造技術先后助力新加坡、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，突破了關鍵核心技術，實現了隧道掘進機的自主化、產業(yè)化、系列化，并呈現出了由常規(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、地質災害難控制、復雜地質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)鋼筋排支護等關鍵技術。

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，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[26]，實現了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權的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法施工的超前地質預報技術，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、構造影響帶等極端圍巖占比40%以上，采用具有自主知識產權的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，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，在超前地質預報、刀盤破巖、主機結構強度、防卡機等方面進行了強化設計，自主研制的雙結構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)建了均質軟土地層和軟硬不均地層盾構掘進技術體系，實現了城市地下隧道盾構由均質軟土地層向軟硬不均地層的突破，解決了盾構掘進受阻、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，構建了軟土地層、土-巖復合地層、巖石地層3種不同地層的掘進模式，開發(fā)了艙內土-氣置換連續(xù)掘進的模式快速轉換技術(見圖5)，創(chuàng)建了軟硬不均地層盾構掘進技術體系。

(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施工，突破了砂卵石地層盾構刀具配置方式、盾構刀盤帶壓動火修復、繁華城區(qū)盾構掘進沉降控制技術，解決了盾構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“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，地質條件差、周邊環(huán)境復雜，為國內目前規(guī)模最大的麻花狀地鐵隧道群，均采用盾構法施工，隧道內徑5.5 m、外徑6.2 m。該工程在沒有經驗可循的情況下，突破了交叉、重疊麻花型隧道施工技術難題，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大直徑盾構成套技術與裝備體系，為國內首次將土壓平衡盾構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難題。

圖7 φ12.14 m復合式土壓平衡盾構

隧道掘進機在城市地下隧道中的應用以盾構為主，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構設計理論與方法、突水控制、高水壓下盾構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”水下盾構隧道“相向掘進、地中對接、洞內解體”修建技術。

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)等技術難題。

圖8 φ11.18 m泥水平衡盾構

圖9 φ14.96 m超大直徑泥水平衡盾構

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、海底隧道聯絡通道凍結施工等關鍵技術難題。

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創(chuàng)新，突破了極軟極硬復合地層超大直徑泥水盾構直接掘進技術難題。

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盾構施工。隧道施工過程中克服了曲線段淺覆土始發(fā)、盾構主驅動密封更換、鈣質結核卡管等難題，并于2021年9月實現通車。

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，盾構采用了刀具磨損檢測、大流量沖刷系統等多項針對性設計，并于2021年7月成功始發(fā)。

2.2 重大裝備技術

伴隨著“穿山、入地、下海”隧道工程的建設，我國隧道掘進機技術取得了跨越發(fā)展。

2.2.1 復合盾構自主設計制造

針對復合式土壓平衡盾構“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，突破了復合地層盾構刀盤刀具設計、盾構泡沫注入系統設計、盾構掘進過程尋位技術等技術瓶頸，如圖10所示。

圖10 復合式土壓平衡盾構自主設計制造技術路線

2.2.2 大直徑盾構自主設計制造

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，突破了高水壓環(huán)境下常壓換刀、復雜地層高效排渣、多系統智能感知控制、伸縮擺動式主驅動設計等多項關鍵技術，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 大直徑泥水盾構自主設計制造技術路線

2.2.3 TBM自主設計制造

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

圖12 TBM自主設計制造技術路線

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、超前地質預報技術、圍巖識別感知技術、截面可抬升開挖系統、前置式自動化混噴系統、隱藏式常態(tài)化超前鉆探系統、加強型大范圍初期支護系統等關鍵技術。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、類矩形盾構、矩形頂管機，突破了多刀盤協同開挖、多維度位姿測控、多曲率管片拼裝等技術難題，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路線

2.3 技術發(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、雙速減速機系統、箱涵同步拼裝等針對性設計，實現了主機姿態(tài)的精確調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品

2.3.1.2 超大直徑盾構

繼自主開發(fā)φ15.80 m超大直徑泥水盾構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。超大直徑泥水盾構從超聲波法地質預報、聚焦電法地質預報、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，實現了裝備的地質適應性創(chuàng)新技術開發(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、較小的轉彎半徑的技術要求，成功研制了全球首臺緊湊型超小轉彎半徑TBM“文登號”(φ3.5 m，長35 m，轉彎半徑為30 m)，并在國網新源文登抽水蓄能電站試驗成功；同時，開發(fā)了國內最小直徑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

多圓掘進機結構受力好，開挖系統結構簡單，但開挖控制技術相對復雜，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構受力的優(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，但結構受力相對較差，適用于淺覆土。馬蹄形掘進機綜合考慮了空間利用率、結構受力、姿態(tài)控制等。U形敞開式掘進機結構簡單，結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——“蒙華號”施工，較傳統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”盾構隧道施工成套技術。

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，單一模式的盾構已無法滿足工程建設需求，多模式盾構應運而生(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白云機場至廣州北站項目，地層主要為中粗砂、粉質黏土、含礫粉質黏土、礫砂，采用φ9.13 m土壓/泥水雙模式盾構進行施工(見圖17)。

2.3.4 由傳統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 地鐵聯絡通道

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

圖18 寧波地鐵機械法聯絡通道

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豎井施工技術為基礎，結合隧道掘進機技術、物料垂直提升技術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，在復合盾構、大直徑盾構/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

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

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，從施工安全、技術難度、工期、成本及環(huán)境保護等方面考慮，傳統單一模式無法應對復雜地質的挑戰(zhàn)，對于能夠實現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(見圖20)、適應于軟巖大變形地層施工的“軟馬”盾構和適應于大埋深高水壓地層的閉式TBM多模盾構。

圖20 適應破碎帶地層的“半馬”盾構

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

閉式TBM多模盾構以單護盾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，具有盾構閉式功能，可以在地層發(fā)生突泥突水時，迅速隔絕土艙，轉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、三圓盾構、馬蹄形盾構、矩形盾構、類矩形盾構、U形盾構等機型，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，配合主驅動的運動，通過盤形滾刀的仿形運動實現異形斷面的開挖。

3.1.4 無刀化隧道掘進機

自1825年麥克·布魯內爾和金德姆·布魯內爾發(fā)明了世界首臺盾構以來，隧道掘進機發(fā)展經歷了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、化學物質等一種或多種物質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： 高壓水射流技術是指通過加壓泵等加壓裝置，將常壓水加壓至數十甚至數百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，即可對巖石產生破碎作用。

2)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生等離子體通道的膨脹應力，放電瞬間通道內形成的應力大于巖石強度，使巖石產生裂紋并破碎，是一種非常具有潛力的新型破巖方式。

3)激光破巖技術： 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： 依靠高能粒子球撞擊破壞巖石，使巖石出現裂紋，從而降低巖石強度，在機械刀具的輔助作用下實現巖石的破碎，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。在新型破巖方式下，巖石產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，巖石內部裂紋拓展多且深，此時盾構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)盾構一般只能適應單一尺寸圓形斷面開挖，異形盾構只能適應特定的異形斷面開挖。國內正在研究的柔臂盾構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，結合了常規(guī)盾構刀盤高效率開挖和機器人技術高靈活度、高精度的優(yōu)勢，將盾構刀盤支撐推進系統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，從而實現隧道變斷面開挖。柔臂盾構具有靈活機動、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)性能自適應調節(jié)等方面存在的技術難題，從掘進環(huán)境智能感知、裝備壽命智能預測、整機多系統智能抗震等方面開展技術攻關，努力實現新一代智能隧道掘進機的研發(fā)，進而實現隧道掘進機長距離、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，將施工經驗及技術參數轉化為標準化數據，結合人工智能神經網絡而形成的新型隧道掘進機，實現施工的無人化；同時，通過實現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量的管控能力。

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

3.2.1 地質可感

基于地質環(huán)境-設備-結構一體化的智能感知技術，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亞米級精細探測技術，實現不良地質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，為設備掘進參數的動態(tài)感知與健康評價提供數據支撐。

3)研究工程結構群全壽命周期協同監(jiān)測技術，增強結構狀態(tài)感知可靠性、可用性、系統性，實現協同一體化感知，監(jiān)測結構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/TBM掘進保障技術，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/TBM掘進參數動態(tài)調控方法，建立掘進參數多模態(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，建立基于掘進參數實時反饋、動態(tài)調整、許可施工機制，實現閉環(huán)控制。

3.2.3 施工可控

基于盾構/TBM掘進的智能糾偏、韌性支護技術等，主要包含：

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

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

3)研究不良地質段襯砌結構長期變形協調支護結構。

4 結語

隨著我國經濟社會從高速發(fā)展到高質量發(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勘探、極端地質全能型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。

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、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、地下數據中心等工程需要，未來需重點研究探索異形盾構技術和非開挖技術。

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、離岸結構修建及高水壓下施工裝備地質環(huán)境適應等技術。

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實現了從跟跑、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“三個轉變”——推動中國制造向中國創(chuàng)造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變，為爭取早日實現交通強國、制造強國和科技強國目標而繼續(xù)努力！