硬岩掘进机在中国的发展与展望

秦海洋+刘厚全+周慧+冯志华

TBM起源于英国，之后在日本、德国得到了发展。1884年，在英法海底隧道的修建过程中，首次使用了Bohmont设计的掘进机（Φ2.1 m）进行施工，由于技术不成熟，导致滚刀磨损严重、液压器件密封不足等，使其难以得到广泛的应用。19世纪末至20世纪初，TBM理论相继传入美、法、德等发达国家。各国开始投入大量精力开展TBM研究。例如：1932年，美国研制出了可用于采矿行业的悬臂式TBM，1956年，美国Robbins公司率先研发出用于硬岩掘进的全断面掘进机，并于1963年研发出Φ11.2 m的世界首台大直径硬岩TBM；日本为发展本国的TBM技术，和Robbins公司进行合作，并于1973年生产出首台国产TBM；此后，发达国家相继建立起属于本国的TBM企业。20世纪80年代，TBM生产企业较少，主要分布于美国（Robbins、Jarva）和德国（Wirth、Demag）。现今，除了老牌生产企业外，加拿大的Lovat、日本的Komatsu等新型企业也得到快速发展，逐渐成为生产TBM的一线品牌。目前，掘进机技术正向以下方向发展：扩大适用范围；增强可靠性；增加断面；加强截割力；完善配套；提高智控。

中国TBM技术的发展源自20世纪50年代，经历了2个阶段。20世纪50年代至20世纪末是第一阶段，当时几乎无创新性可言，主要依靠进口前苏联煤用TBM，并对其进行改造生产，例如，在前苏联JLK型TBM基础上进行改造，生产出“开马型”国产TBM。该阶段末，依靠“引进吸收”模式，具备了批量生产中型TBM的技术。20世纪末进入第二阶段，即采用“引进—消化—再创造”模式步入重型TBM的研发阶段。例如，引进日系S200M型TBM后，研发出国产EBE160型TBM。相比于国外TBM生产企业，我国的TBM生成企业在技术、装配方面均较为落后。

虽然中国的TBM起步不晚，国产TBM也具有自己的优势，但是在基础理论研究、材料研发、使用可靠性方面与发达国家存在较大差距。鉴于此，为了掘进机技术在中国更好地发展，有必要对其存在的问题及相应的研究成果加以整理分析，以期为相关的理论研究和工程施工提供参考。

掘进机在中国的发展概况

自20世纪50年代开始，中国逐步开始了对TBM的研究，发展历程可以概括为：手掘式—网格式—超大网格式—小断面硬岩TBM—重型TBM。

手掘式开挖是中国最早采用的隧道开挖方法。1956年，在中国东北阜新海州巷道的开挖过程中曾采用人工挖土的方法。

进入60年代，原先简单的手掘式开挖已不能满足大直径隧道开挖的要求，因此网格式TBM应运而生。1965～1966年，国产网格TBM（Φ5.8 m和Φ10.2 m）投入到上海地铁的施工中。

60年代中期，首台国产硬岩TBM（Φ3.5 m）在上海水工机械厂装配完毕，并成功在西洱河引水隧道进行了工业性试验，为之后全断面硬岩TBM工业性试验开创了先河。

70年代中后期，TBM技术进入了工业性试验阶段，相继研制出多款TBM机型（SJ系列、EJ系列）并用于工程试验。80年代步入工业生产、工程使用阶段，SJ和EJ系列TBM在多个引水隧道和煤矿工程中得到使用。当时，相比国外TBM，国产TBM在技术应用、生产工艺、可靠性方面均较为落后。

70年代末（改革开放后），我国开始着手进行重型TBM的研制工作，该过程可以划分为“引进”和“合资”2个阶段。1978～2003年为“引进”阶段，TBM基本依赖进口，外企凭借TBM核心技术控制了80%以上的中国市场；2003年至今，进入了“合资”阶段，“合资”表现在两方面，一方面是技术合作，另一方面是公司合营。截至2016年，国内TBM生产厂家中，中外合资企业占据了很大一部分，且比例逐年上升。在技术合作方面：中国第二重型机械集团与Robbins公司合作生产的TBM（Φ3.65 m）于2003年出厂，用于掌鸠河隧道施工；Robbins公司与大连重工合作生产的TBM（Φ8.03 m）于2005年出厂，用于大伙房隧道工程施工。在公司合营方面：2007年沈阳重型机械与法国NFM公司、德国Wirth公司合资成立了沈阳维尔特重型隧道工程机械设备公司，共同致力于中国TBM技术的发展。20世纪50年代至今，TBM在中国的发展状况如图1所示。

硬岩掘进机在中国的发展现状

在中国的研究现状

截止2016年，针对TBM技术，中国的研究热点集中在：滚刀破岩机制的研究、滚刀磨损研究、刀圈保护研究、TBM施工预测研究、不连续岩体中的TBM掘进研究等。

破岩机制的研究

滚刀破岩机理在中国存在多种版本，其中较为普遍接受的是“压入-贯通”机理，该机理将TBM掘进过程中掌子面岩体的变形分为压入和破岩2个阶段。

“压入”是破岩过程中的第一阶段，即来自于刀盘的压力将滚刀压入掌子面的岩体中，掌子面和滚刀接触部位的岩体开始产生裂缝并向四周延伸（图2）。根据岩体的变形程度可将变形岩体归为3类：粉碎核（刀盘和岩体接触部位，变形最大）、弹性区（距离接触部位较远，变形较小）和非弹性区（粉碎核和弹性区的过渡区）。根据形状，非弹性区的裂缝可以分为3种：中心裂纹、放射裂纹和边裂纹。对于该区间内裂纹的形成原因目前主要存在3种：岩体剪切破坏、岩体的脆性受拉破坏、在相近数量级的剪切和受拉混合作用下破坏。

“贯通”是整个破岩过程的第二阶段。在该阶段，刀盘旋转使得滚刀之间的裂纹（多为边裂纹和中心裂纹）得以贯通，形成岩片。

滚刀破岩机制的研究目的主要在于开发新的滚刀材料和优化刀盘结构。优化刀盘结构的研究中，线性切割试验是常用的方法。通过计算刀盘在间距和切入深度的不同工况组合下的破岩效率，确定最佳参数。

滚刀磨损研究

TBM破岩过程属于磨料磨损过程，滚刀属于磨料，岩体属于材料。现阶段，磨料磨損机理分为4种，即微量切削、疲劳破坏、压痕破坏、断裂破坏。其中，TBM破岩机制归属为最后一种。TBM滚刀与岩体的相互作用如图3所示。其中，正应力fN和切向力fR对滚刀的磨损有显著的影响。endprint

根据上述破岩机理，结合滚刀的受力特征和运动学特性，采用有限元分析方法，建立滚刀的相对滑移模型；将此滑移数据与工程测量数据或滚刀对磨试验结果进行比较，便可确定刀盘磨损系数，而刀盘磨损系数是建立TBM滚刀预测模型最重要的参数。该过程如图4所示。

刀圈保护研究

掘进时间长、岩体强度高等原因决定了TBM掘进过程中刀圈的磨损必然很严重。因此，对于刀盘保护的研究至关重要。在刀圈的保护方面，进行了以下研究。

（1）刀圈材料选择。近年来，逐步采用钎焊硬质合金制作传统刀圈，从根本上提高刀圈寿命。

（2）刀圈结构设计。对刀圈结构进行因地制宜的设计，用以增强刀圈不同部位的硬度。例如，为了进行岩体压入和切割，刀刃部必须耐磨，硬度必须很高；芯部硬度可适当降低。因此，刀圈硬度可做成HRC59～35的梯度渐变。

（3）在刀具材料的修补方面，研发出了新型焊丝DG7。采用该焊丝对刀具断裂处施焊，强度显著增强。北京地铁5号线施工过程中曾采用该方法，效果明显，修复前后的刀具如图5所示。

TBM 施工预测研究

由于岩体具有组分不均匀、非线性、受力时的变形各向异性等特点，使得TBM掘进过程中刀盘与岩体的受力复杂，不可能进行准确的施工计算。而且TBM本身机械结构复杂、施工障碍较多，导致施工过程中刀盘与岩体的相互作用难以确定，从而使TBM施工预测难以顺利进行。而正确的施工预测模型则可以很好地模拟施工过程中岩体与掘进机受力、变形的变化，改善掘进机的结构设计，促进TBM技术的发展。

TBM施工预测模型在中国的研究成果可以归纳为“模型-反馈”模式，如图6所示。从滚刀和岩体的作用机制出发，结合滚刀间距和切入深度工况组合建立模型，进行“刀盘-岩体”的施工过程模拟。结合TBM现场施工时围岩和刀盘的数据变化，对上述施工模型进行修正，优化预测模型。该过程可以实现围岩状况与掘进参数的正确匹配，指导TBM掘进过程顺利进行。

不连续岩体中的TBM掘进研究

软硬岩交替出现会严重阻碍TBM掘进过程。TBM穿越软岩时，易加速岩体变形，填埋机头。TBM穿越硬岩时，易引发岩爆、卡机等现象。山岭隧道中，软硬岩交替出现的现象频繁。现阶段，中国在这方面的研究主要是基于对象的建模思想，建立模型，探讨掘进机与岩体作用的感应识别方法，具体过程如下。

首先针对隧道掘进机的不同类型进行模拟建模程序编写，结合隧道掘进机对开挖面岩体作用力的分析方法，在BLKLAB应用平台中评价掘进开挖过程和开挖面岩体稳定性可视化分析的可行性，如图7所示。该方法实现了掘进机与开挖面作用力与扭矩的简化分析，为深入研究TBM穿越不连续岩体奠定了基础。

应用统计

分析评价

由表1可知：截至2016年，硬岩掘进机的应用范围已逐渐覆盖全国。但是，就市场占有而言，施工所用的掘进机较多是国外进口的，国产掘进机占有比例较少，表明中国正处于以市场换技术的状态。究其根本原因，主要为技术落后、管理落后和制度落后。

（1）技术落后。中国掘进机行业虽然起步不晚，但对于液压、电控等核心技术尚没有完全掌握，在材料、液压元件、结构设计、转配技术、系统可靠性等方面与国外存在较大差距。

（2）管理落后。对进入该行业企业的资质审批过于简单。目前有近30家企业已经或准备进军该行业，主要包括2类，一类来自于施工企业外延，另一类是装备制造企业与外资的合资公司。这些企业都忽略了掘進机基础理论的研究，以市场占有为目的。

（3）制度落后。TBM装配制造方面，国家缺乏统一管理，企业也无统一标准，仅于近几年成立了掘进机械行业分会，隶属于工程机械协会。仅仅这些与掘进机的发展创新相差甚远，要想从根本上推动TBM在中国的发展，就必须从制度上建立起相应的机制。

问题归纳

建议和展望

一方面，与爆破开挖相比，TBM施工具有施工快、安全可靠、不受气候影响等优点，当隧道长度大于3 km时，采用TBM施工更经济。另一方面，中国市场对TBM的需求量大，截止2016年底，中国已有37座城市进行了地铁施工。据统计，2016～2017年，中国将建成5 000 km隧道，年均500 km，很多隧道的长度和难度都是空前的。因此，TBM在中国的发展将是大势所趋。为此，针对TBM在未来的发展方向提出几点建议，如图9所示。

（1）材料研究。良好的材料性能、先进的加工工艺是促进掘进机在中国发展的关键因素，因此需加强机用材料的研究。中国目前采用的机用材料存在众多问题，对此提出相应的解决方案，如图10所示。

（2）施工预测模型的研究。预测模型主要用来预测和评价掘进机的掘进性能。在此之前，针对不同的项目，已经建立了不同施工预测模型，但是由于地质差异和TBM多样性，不同项目的预测模型不可能相同，因此，急需一套统一的建模方法和标准。使得不同项目的预测模型可以相互借鉴与参考，这样将极大地节省建模的时间。

（3）功能复合。掘进机的功能复合主要指强适应性、健全的配套系统、超前预报功能。

（4）高地应力研究。高地应力下的强岩爆现象使得掘进机受力复杂，工况突变容易引起卡机现象。中国是一个多山的国家，南水北调西线工程等将在高地应力环境下进行掘进施工。因此，要发展适应本国的掘进机，就必须加强对高地应力问题的研究，主要包括高地应力对滚刀破岩的影响、紧急情况施工预案和预测模型的研究。

（5）促进开敞式TBM的发展。近年来的研究成果和工程统计表明，由于护盾式TBM后盾较长，产生了众多问题，如图11所示。

由于上述问题的存在，国外许多国家已经取消应用护盾式TBM，而开敞式TBM则避免了上述问题的出现。因此，发展开敞式TBM将是未来的 趋势。endprint

（6）智能控制与系统可靠性。智能控制是指“两控一检”，即自控（自动控制）、远控（远程控制）和自检（自动检测）。智能控制是将TBM与计算机紧密联系的桥梁，将把施工人员从复杂的TBM操作中解脱出来。随着计算机技术的快速发展，实现TBM智能控制指日可待。

可靠性低严重阻碍国产TBM的发展。可靠性研究包括机用材料的可靠性研究、关键部件（如轴承、密封、机电、电气元件、液压系统）的可靠性研究、工艺方法的可靠性研究等。可靠性严重影响TBM的使用寿命，提高产品可靠性是急需解决的一大问题。

（7）再制造技术。TBM再制造技术即对破损的TBM进行修复，使其能继续施工或将零件二次利用。TBM再制造过程如图12所示。

据统计，1976～2016年，国外生产的700台TBM，新机和再制造机所占的比例分别为40%和60%。而国内再制造机所占比例仅为20%，是国外水平的1/3。一方面，掘进机生产费用高，产品再制造有很大的经济意义；另一方面，TBM为非标产品，零件再制造难度较大，因此TBM再制造技术面临较大的困难。

发展TBM再制造技术必须解决的众多问题大致可分为4类，即轴承、刀具零件的再制造技术，无损清洗及表面修复技术，再制造标准化技术，以及相关的评价体系。

（8）建立掘进机研发基地。到目前为止，中国已经建成三大TBM研发基地：北方研发基地（沈阳重型机械集团牵头，联合大连重工）、东方研发基地（上海隧道工程股份有限公司牵头，联合上海重型机器厂）、西部研发基地（中国第二重型机械集团牵头，联合水利部和铁道部）。研發基地建立的同时，人才的培养、设备的改进都至关重要。

结语

2016～2036年，中国计划采用TBM建造5条长距跨海隧道，包括渤海湾隧道（150 km）、杭州湾隧道（36 km）、伶仃洋隧道（26.7 km）、琼州海峡隧道（30 km）、台湾海峡隧道（125 km）。此外，南水北调西线工程由于地处高寒、低压、缺氧地区，采用TBM进行隧道施工将成为必然的决策；工程总长度为1 525 km，约需80台TBM。广阔的市场需求为本国掘进技术的发展提供了机遇。

掘进机在中国的发展面临众多问题，包括材料和液压等核心问题、制度和管理的问题、推广问题、协同问题等，它们与掘进机技术在中国的发展密切相关。

掘进机发展带来的利益是丰厚的，同时面临的挑战也是巨大的。为了促进TBM技术在中国的发展，应该从加紧完善相关制度、改变管理模式、加强基础理论研究、掌握TBM核心技术、研发多功能TBM、提高再制造技术等方面入手，扫除TBM在中国发展所面临的障碍。endprint