我国掘进机研制现状、问题和展望

李建斌

(中国中铁股份有限公司， 北京 100039)

0 引言

近几十年来，随着中国经济水平和科学技术的不断发展，国家重大工程如南水北调、西部大开发、西气东输、川藏铁路等相继开工，城市轨道交通、地下空间开发和跨区域交通不断推进，中国的隧道和地下工程修建规模和难度均为世界最大[1-4]。在国家战略和市场需求的推动下，全断面隧道掘进机作为集机、电、液、信息、人工智能于一体的现代化隧道专用装备，在中国也获得了巨大的发展，由原来的国外垄断逐步实现了国产化，并走向世界[5-6]。

尤其是进入21世纪以来，中国掘进机制造企业迅速崛起，在20年的时间里，实现了掘进机从无到有、从有到优、从优到强的转变。中国涌现了中铁工程装备集团有限公司(简称中铁装备)、中国铁建重工集团股份有限公司(简称铁建重工)、上海隧道工程股份有限公司(简称上海隧道股份)、中交天和机械设备制造有限公司(简称中交天和)、北方重工集团有限公司(简称北方重工)等几十家掘进机制造企业，实现了土压平衡盾构、泥水平衡盾构、岩石隧道掘进机(TBM)、顶管掘进机等系列产品的产业化生产，产品性能指标达到或者超过了国际同类产品[7-8]。但是，由于我国隧道施工涵盖了铁路公路交通、水利水电、能源矿山、市政工程等多个领域，工程分布于国内不同地域，施工需求和地质环境差异很大。同时，随着人们对施工智能、绿色、环保等要求的不断提高，掘进机作为一种“量体裁衣”的高端装备，其设计制造也面临着诸多问题和挑战[9-10]。

笔者在总结我国掘进机研发、设计和制造现状的基础上指出当前我国掘进机技术发展中存在的一些问题，探讨我国掘进机技术未来的发展方向和策略，以期能为促进我国掘进机技术进步和掘进机行业健康发展提供参考。

1 国产掘进机研制技术现状

1.1 3大主力机型的发展跃上新高度

全断面隧道掘进机包括盾构和TBM，我国习惯上将用于水下及软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的掘进机称为TBM。

掘进机技术起源于欧美国家，在我国起步较晚。我国盾构技术的发展大致分为3个历史时期： 1)1953—2002年是我国盾构技术的探索期，中国相继研制了多种类型的盾构，开始了盾构的自主生产制造； 2)2003—2008年是我国盾构技术的消化吸收阶段，中国成功研制了具有完全自主知识产权的盾构； 3)2009年起我国进入到盾构技术跨越发展期，中国盾构自主创新能力显著提升，盾构实现产业化生产，国产盾构开始走向世界。

我国的TBM设计制造也主要经历了3个阶段： 1)1964—1984年是我国的TBM自主探索制造时期，水利水电、煤矿等行业相继研发了我国第1代TBM和第2代TBM，但是与同时期国外TBM技术水平相差甚远； 2)1985—2012年是我国TBM技术引进、消化吸收阶段，罗宾斯、海瑞克、法马通、赛利等公司的TBM产品随着国外承包商进入中国市场，国外TBM生产商与我国企业联合设计制造了多台TBM； 3)2013年起我国TBM研制进入自主研发创新阶段，以中铁装备、铁建重工等掘进机制造企业为代表，联合国内高等院校和科研单位，拉开了国产TBM设计制造的序幕。

经过几十年的发展，特别是近10年以来，中国土压平衡盾构、泥水平衡盾构、岩石隧道掘进机(TBM)3种主力机型的自主设计制造技术日趋成熟。伴随着经济技术水平和隧道施工需求的不断提升，国产掘进机技术不断突破新高度。

1.1.1 土压平衡盾构发展现状

2004年10月，上海隧道股份研发的中国首台具有完全自主知识产权的土压平衡盾构——“先行号”样机，在上海地铁2号线西延伸段区间隧道始发；2008年4月，中铁隧道局集团自主研发制造的首台土压平衡盾构——“中铁1号”，在天津地铁项目中顺利下穿“瓷房子”、渤海大楼等标志性建筑，地表沉降在3 mm以内。这2台土压平衡盾构的成功应用，实现了国产土压平衡盾构从关键技术向整机制造的跨越，打破了国外企业长期以来在盾构制造方面的技术垄断。

伴随着土压平衡盾构的不断推广，盾构地质适应能力逐渐提升，相继在成都富水砂卵石地层、华南上软下硬地层、武汉全断面泥岩砂岩、华东极软土地层等典型地层中成功应用。土压平衡盾构关键技术，如冷冻换刀技术、刀具状态在线监测系统、压力动态平衡技术、盾构姿态纠偏技术等，取得重大进展，其应用已经相当成熟。典型工程案例如下：

1)香港莲塘公路隧道。

2015年4月，亚洲最大直径土压平衡盾构在北方重工下线(见图1)。盾构的开挖直径为14.1 m，整机质量约3 370 t，整机长度110 m。设备配置了Mobydic蛇形探测臂及Telemac三维模拟系统，可实时勘察开挖面。

图1 香港莲塘公路隧道盾构

2)太原枢纽西南环线铁路隧道。

2016年10月，由中铁装备设计制造、用于太原枢纽西南环线铁路隧道的12.14 m大直径土压平衡盾构下线(见图2)。设备独头掘进4 850 m卵石、圆砾、黄土、粉土地层，最大卵石粒径达870 mm。

图2 太原枢纽西南环线铁路隧道12.14 m大直径土压平衡盾构

针对长距离的卵石地层，设备设计采用大口径螺旋输送机，并创新地开发了大粒径卵石出渣及筛分系统，为长距离、大卵石物消化料运输提供保障；可拆卸式挡板的设计与多层刀具布置，可根据地质变化相应地调整刀盘开口率，广泛适应长距离复杂地质的掘进。同时，提出了主动式舱内中心搅拌系统和冲刷系统，解决了大断面盾构在黏土地层中心结泥饼的问题。除此之外，浅覆土拱顶塌方检测、同步拱顶压力平衡、掌子面辅助支撑系统有效解决了工程穿越建筑物和浅覆土地层时的沉降问题。

目前隧道已贯通，最高日掘进24 m，地表沉降控制在±15 mm。该设备是目前世界上超过12 m的大直径土压盾构穿越复杂地层距离最长的盾构，同时首次应用于单洞双线长距离铁路隧道。

3)武汉地铁27号线。

2016年铁建重工首台采用永磁电机驱动的盾构在武汉地铁27号线成功始发。永磁电机驱动具有节能环保高效、简化驱动结构、电机控制简单稳定、启动转矩高等特点，降低了能耗，方便维护保养。该技术的成功运用，标志着掘进机在节能技术研究上又迈进一步。

随着国产土压平衡盾构技术的成熟，国产盾构开始走向世界舞台，用于迪拜DS233/2深埋雨水隧道项目的2台直径11.05 m的盾构(见图3)最高日进尺40 m、最高月进尺970 m；服役于多哈排水隧洞的土压平衡盾构独头掘进10 km，创造了全球盾构独头掘进的纪录。出口法国的2台盾构直径9.86 m、出口意大利的盾构直径10.03 m、出口阿尔及利亚的盾构直径10.5 m、出口哥本哈根的盾构直径5.81 m等，这些盾构将国产土压平衡盾构技术带入世界舞台。

图3 迪拜项目直径11.05 m的土压平衡盾构

1.1.2 泥水平衡盾构发展现状

2008年，国家863项目(泥水平衡盾构关键技术与样机研制)成功研制了国内第1台具有完全自主产权的国产泥水盾构，国产泥水盾构迎来了跨越发展时期。在兰州地铁1号线穿黄工程、武汉地铁6号线琴台站等项目中，常规泥水平衡盾构在卵石、泥岩等复合地层成功应用，国产泥水平衡盾构在国内市场的占有份额不断扩大，继而应用至广州—深圳—珠海城际轨道交通线、洛阳地铁、福州地铁等多个重大项目，并推广至海外，如新加坡地铁汤申线等。

随着市场的不断开发，地质复杂、环境恶劣的项目越来越多，泥水平衡盾构朝着长距离、大埋深、高水压、大直径的方向发展[11-12]。如已贯通的广深港客运专线狮子洋隧道、苏通电力管廊隧道，施工压力达到了约0.8 MPa；正在施工设计的俄东线天然气管道工程，独头掘进里程约10.3 km、净水头压力达0.73 MPa；未来的烟大渤海海峡、琼州海峡隧道工程,压力将超过1.4 MPa，隧道设计、盾构设计与施工都将面临巨大的挑战。

国产泥水平衡盾构也不断提出针对性的创新技术，如常压换刀刀盘、高精度保压、主驱动补偿式高承压密封系统、刀具状态智能监测、双破碎渣土分级处理等技术在多个项目中得到了工程应用，不断拓宽泥水平衡盾构的地质适应性。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阳铁路客运专线的双洞单线隧道，速度达350 km/h，全长8 km，地质以粉质黏土、粉砂地层为主，采用了4台国产化的大直径泥水平衡盾构(中铁装备与铁建重工各2台)，开挖直径分别为10.9 m和10.87 m(见图4)。盾构从2016年12月开始陆续始发，2018年8月全线贯通，掘进需下穿北京机场快轨，地表沉降控制要求极高。

盾构针对性地配置了四回路保压系统，实现了高精度、快响应气垫压力平衡控制，在施工时，压力精准控制在±0.005 MPa，最终实现地表沉降控制在1 mm之内。施工同时全程使用了泥浆管路延伸“零排放”技术，通过收浆泵将泥浆管内的泥浆重新打回舱内，实现快速浆液回收，整个隧道环境干净、友好。该工程无论是在压力控制还是绿色施工方面，都表现出了我国高水平盾构设计与施工技术。

图4 京沈望京隧道泥水平衡盾构

2)汕头海湾隧道。

汕头海湾隧道是连通汕头湾南北两岸的过海隧道，线路全长约6.68 km，几乎全程在海面下掘进，最大水压力为0.45 MPa。地层以始发段孤石、淤泥、淤泥质土，中粗砂以及3段基岩凸起为主，其中凸起段花岗岩高度约6.3 m，强度达到210 MPa。工程采用了中铁装备研制的盾构，开挖直径15.03 m，这也是我国自主研制的首台15 m级超大直径泥水平衡盾构(见图5)。

设备采用了常压换刀刀盘，通过在中空箱体闭式刀盘中间安装开合装置，实现人员常压环境下的刀具更换；国产的常压换刀技术也在本项目孤石、基岩凸起、砂层地层的应用中不断优化，为高水压工程提供了可靠的换刀技术。同时，设备开发了刀具状态智能诊断技术，通过实时获取刀具的各项参数，实时感知刀具使用状态。此外，设备还搭载了补偿式高承压密封系统、推进油缸自由分组、伸缩摆动主驱动等多个创新技术。隧道于2018年10月盾构始发，2020年8月贯通，开创了国产超大直径盾构服役于我国越江跨海隧道建设的新篇章。

图5 汕头海湾隧道泥水平衡盾构

3)深圳春风隧道。

春风隧道是为解决春风高架和罗芳立交等节点交通拥堵问题而启动的重大项目。盾构段全长3.6 km，最小平曲线半径750 m，主要穿越地层为花岗岩、片岩、砂岩、糜棱岩，需穿越11条破碎带，同时下穿布吉河、海关宿舍楼、深圳站等。无论是施工规模还是施工难度，春风路隧道均为国内同类工程之首。

工程采用了中铁装备研制的开挖直径为15.8 m的超大直径泥水平衡盾构(见图6)，配置有常压换刀刀盘、伸缩摆动式主驱动、刀具状态实时监测等技术。此外，搭载了双破碎分级处理渣土技术。考虑气垫舱内可能出现的堵舱滞排现象，基于多级处理的理念，在排浆泵前设置滚齿破碎机，实现渣石分级破碎和增大排渣粒径的目的，降低了大粒径渣石堵舱、卡泵风险，这也是该项技术首次在大直径盾构上应用(见图7)。针对性开发的小曲线掘进卡盾预警系统，顺利地指导设备穿越R750 mm转弯段。目前这台盾构已掘进1 200 m，单日最大掘进进尺12 m，是我国高端泥水盾构的代表。

图6 春风隧道泥水平衡盾构

图7 双破碎分级处理渣土技术

2020年9月，2台由铁建重工和中交天和研制的开挖直径为16.1 m的超大直径泥水平衡盾构下线，这是目前我国自主研发的最大直径盾构，应用于北京东六环提升改造工程，将挑战独头掘进7.5 km的难题。深江铁路珠江口隧道作为深圳至江门铁路的重点工程，盾构段全长约6 km，最大净水头压力约为1.06 MPa，盾构开挖直径13.3/13.4 m，设计压力达到1.2 MPa，是目前国内设计压力最高的泥水盾构。

此外，深圳妈湾隧道(直径15.53 m)、南京和燕路隧道(直径15.01 m)、杭州艮山东路过江隧道(直径15.01 m)等都采用国产泥水盾构施工，工程应用证明国产泥水盾构技术可靠、先进。现国产泥水盾构已陆续出口海外市场，如印度的12.8 m泥水盾构、波兰希维诺乌伊西切的13.46 m泥水盾构等。

1.1.3 TBM发展现状

2015年，由中铁装备和铁建重工分别研制的2台8 m级敞开式TBM成功下线(见图8)，应用于吉林引松供水工程，标志着中国TBM具有了完全自主知识产权。随后兰州水源地引水工程、新疆ABH工程、新疆EH工程、内蒙古引绰济辽工程、大瑞铁路高黎贡山隧道等国内一大批重大工程全部采用了国产TBM，由中铁装备、铁建重工、北方重工等企业自主设计制造。经过设计企业、施工企业、学者、专家的长期研究攻关，TBM关键技术水平不断提升， TBM刀盘、盘形滚刀、主驱动等关键部件性能获得极大提高、使用寿命增长[13-16]，同时TBM的应用领域逐渐由传统隧道(洞)领域扩展到煤矿巷道开挖、抽水蓄能电站等项目[17-18]。目前，国产TBM已经占据我国TBM的主流市场，涵盖了敞开式、单护盾和双护盾全类型TBM，实现了TBM装备的产业化生产和应用。同时，国产TBM逐渐走向海外，应用于黎巴嫩大贝鲁特引水项目、澳大利亚雪山2.0项目、格鲁吉亚Kvesheti-Kobi公路隧道等国外项目。

图8 吉林引松供水工程敞开式TBM

1)吉林引松供水工程。

吉林引松供水工程总干线隧洞全长72.3 km，开挖直径7.93 m，采用了“永吉号”、“长春号”2台国产TBM和1台罗宾斯公司TBM施工。掘进地层较为复杂，面临岩石强度高、石英含量高、断层破碎带、风化灰岩、涌水等不良地质。2台国产TBM自2015年上半年始发，至2018年中贯通，创造了最高日进尺86.5 m、最高月进尺1 318.7 m的掘进纪录。单台TBM施工距离超17 km，设备完好率最高达98.1%，项目工期分别提前9个月和1年多。其中，“永吉号”TBM成功穿越7.9 km长的岩溶灰岩区地层，属国内首例。吉林引松供水项目的成功，是我国完全自主知识产权TBM的开始，为国产TBM的推广带来了极大的信心。后续开工的新疆EH工程，主洞总长约516 km，项目共采用18 台TBM施工，均由中铁装备、铁建重工和北方重工3家国内厂家生产。

2)大瑞铁路高黎贡山隧道。

云南大瑞铁路高黎贡山隧道正洞开挖直径9.03 m，采用中铁装备研发的 “彩云号”敞开式TBM掘进(见图9)，计划掘进长度12.37 km。隧道以花岗岩为主，Ⅳ—Ⅴ类围岩占比超过50%，饱和抗压强度为20～65 MPa。隧道地质条件极为复杂，具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡度浅表改造过程)的地质特征，对TBM设计、制造提出了极大挑战。“彩云号”TBM针对高黎贡山隧道软弱地层、断层破碎带、高地热、高地应力等诸多不良地质提出解决方案，在大直径高性能刀盘设计、长距离变截面开挖、快速联合支护技术、高效物料运输系统、前方灾害源超前预警等方面实现技术突破与创新。“彩云号”TBM的应用，是TBM首次尝试穿越横断山脉软弱破碎地层，将大大增强TBM在复杂地质条件下的适应性及应用范围。

图9 高黎贡山项目“彩云号”TBM

3)福建龙岩市万安溪引水工程隧洞。

2019年6月，国内首台高压水力耦合破岩“龙岩号”TBM在中铁装备下线(见图10)，应用于福建龙岩市万安溪引水工程隧洞。该工程地层主要为黑云母花岗岩、花岗闪长岩、石英砂岩和石英砾岩，大部分岩石强度超过200 MPa。之前我国已经在西康铁路秦岭隧道、云南那邦水电站引水隧洞、引汉济渭工程等极硬岩工程中采用维尔特、罗宾斯、海瑞克等国外厂家的TBM施工，但滚刀磨损、异常损坏现象频发，掘进极其缓慢。极硬岩环境对于TBM刀盘刀具性能、关键部件寿命、掘进效率和施工成本等造成极大困扰和挑战。“龙岩号”TBM搭载了高压水力破岩系统，借助高压水射流的冲击作用使掌子面岩石内部产生微裂纹或者破碎，再结合滚刀破岩实现掌子面岩石开挖作业。通过“水刀”和滚刀的耦合破岩，提升了TBM在极硬岩地层的掘进能力。

图10 高压水力耦合破岩“龙岩号”TBM下线

1.1.4 3大机型现状分析

1)产业化情况。隧道掘进机3大主力机型自主设计制造技术不断成熟，实现了直径3～16 m全尺寸系列的产业化生产，并且逐渐向微型化和超大型化扩展。目前，国产掘进机已经占据了国内90%以上的市场份额(见表1)，并且逐渐走向海外市场。

2)关键技术实现创新突破。掘进机技术瓶颈不断突破，自主创新水平不断提升： ①土压平衡盾构在渣土改良技术方面取得突破，泡沫、膨润土、聚合物等改良剂的合理配比，降低了螺旋输送机喷涌、刀盘结泥饼等问题； ②泥水盾构承压能力不断提高，尤其是在常压换刀技术与补偿式高承压技术方面取得突破，国产盾构已经能适应1 MPa以上工作压力，同时自主创新的气垫式直排技术、双破碎分级处理渣土技术在缓解泥水盾构堵舱滞排现象方面具有较好的效果； ③TBM在应对极硬岩、断层破碎带、软岩大变形、涌水等不良地质方面适应性不断提升，在刀具材料、工艺方面取得技术突破，实现了耐磨增韧滚刀的产业化生产。

表1 2019年国产全断面隧道掘进机生产信息统计

3)智能化水平不断提升。开发的刀具状态智能监测与诊断技术，能够监测并获取刀具受力、转速、温度、磨损量等参数，正在逐步实现刀具状态“可知”；开发的开挖舱可视化监控系统，能对土舱、刀盘刀具、掌子面等部位进行观测，实现了开挖舱“可视”；TBM隧道综合超前地质预报体系，实现了掘进前方不良地质的“可探”。

4)衍生机型逐渐增多。由于应用环境的逐渐扩展，在常规掘进机技术基础上，逐渐衍生出了多种模式的掘进机。例如： 土压-泥水双模式盾构，兼具土压平衡和泥水平衡2种掘进模式，在白云机场、南宁地铁等项目成功应用；土压-TBM双模式盾构，可同时适应软土地层、破碎地层和硬岩地层，在青岛地铁8号线、广佛环线等项目成功应用；泥水-敞开双模式TBM，采用泥水模式应用于地质稳定性较差的软土、软泥、高水压等地层带压掘进，采用敞开模式应用于地质稳定性较好的硬岩地层常压掘进；双结构TBM，是在传统敞开式TBM的基础上，增加管片安装和辅助推进功能，以应对岩爆、软弱围岩、断层破碎带等不良地质。各种新型式的掘进机，提升了掘进机地质适应能力，对掘进机的进一步推广具有重要意义。

1.2 异形断面掘进机技术处于国际领先水平

随着我国海绵城市、城市立体交通、人防战略等基础设施建设的深入推进，隧道断面多样化需求急剧增加。相比圆形隧道，异形断面隧道具有断面灵活、空间利用率高、功能匹配性强等特点。在圆形断面隧道掘进机快速发展的同时，我国异形断面隧道掘进机也得到了长足的发展。国产异形断面隧道掘进机经历了从模仿跟随到同步突破再到创新引领的发展历程，特别是在异形全断面切削、异形护盾结构设计、复杂位姿测控、异形断面渣土改良和排放、异形管片拼装等方面取得关键技术突破，形成了马蹄形盾构、矩形盾构、矩形顶管机等多种类型的异形断面掘进机[19-21]。

1.2.1 马蹄形盾构

2016年7月，由中铁装备研制的土压平衡马蹄形盾构在郑州成功下线，这是世界首台超大断面马蹄形盾构(见图11)，应用于浩吉铁路白城隧道。该隧道为单洞双线电气化重载煤运铁路隧道，隧道断面呈“马蹄形”，尺寸大于11 m，全长3 345 m，最大埋深81 m。马蹄形盾构较圆形盾构截面减少了10%～15%的开挖面积。在开挖进度上，钻爆法施工即使4个掌子面同时作业，单日进尺最多4 m，且投入人力、物力较大；盾构法施工仅需单个掌子面作业，不仅使得作业人员大幅度减少，而且单日进尺可达10 m以上。较之钻爆法，盾构法在投入人员减少至少3/4的前提下，提高了2.5倍以上的效率。

图11 马蹄形盾构

1.2.2 矩形盾构/顶管机

20世纪90年代以后，我国开始对矩形掘进机开展技术研究和应用，应用案例主要集中在长三角、珠三角等沿海发达地区。1995—2010年，国内已经相继研制了2.5 m×2.5 m可变网格式矩形断面掘进机、3.8 m×3.8 m土压平衡矩形顶管机、20 m×6.2 m敞开式矩形盾构等多种类型矩形掘进机，并得到了成功应用。

2010年以后，随着我国城市发展理念的不断转变，矩形顶管技术逐步在全国推广，应用领域进一步拓展，工程条件更加复杂多样，开挖断面也越来越大，典型施工案例见表2。2020年6月18日，由中铁装备生产的世界最大断面矩形顶管机“南湖号”顺利下线(见图12)，应用于嘉兴快速路环线项目下穿南湖大道工程。该设备开挖断面尺寸为14.82 m×9.446 m，采用6前8后多刀盘低扰动开挖、盾体分块优化、多螺机出渣以及自动减摩等技术，解决了超大断面矩形顶管施工一次开挖成型、主机姿态控制以及土体沉降控制等技术难题。同年10月21日顶管机破土而出，完成隧道的双向贯通任务，开创了矩形顶管应用于3车道矩形隧道的先例，示范效应显著。

表2 矩形顶管典型施工案例

通过以上工程的实践，矩形顶管技术在多个方面取得了突破与创新：

1)矩形顶管机的研发和制造水平大幅提升，主要体现在种类更多、功能更全、可靠性更高、成本更低；

2)验证了泥水平衡矩形顶管机的适应性；

3)矩形顶管机的地质适应性从淤泥软土地层扩展到砂层、卵石层；

4)攻克了超大断面、超浅覆土、超小间距、超长距离的顶进技术；

5)减摩注浆技术水平得到较大程度提高；

6)姿态控制、沉降控制技术日趋成熟；

7)探索了组合式矩形顶管机的施工工艺。

图12 “南湖号”矩形顶管机

1.2.3 联络通道掘进机

联络通道是设置在2条并行主隧道之间的通道，实现2条隧道的相互连通，在隧道排水、维护、检修、消防、逃生等方面起着至关重要的作用。联络通道具有断面小、施工距离短、与主隧道有较高的匹配性等特点，施工过程中不仅要考虑自身结构和地面构筑物的安全，更要确保主隧道的安全稳定。传统的联络通道施工常采用的地层加固方式有注浆加固、冷冻加固等，工法机械化程度较低，具有施工周期长、前期准备工作及辅助工法的投入多、安全风险高等问题。

2016年，宁波地铁、中铁上海局、中铁装备、宁波大学等单位组成的联合体，对采用盾构法和顶管法施工地铁联络通道的施工工法、施工设备、施工工序进行深入研究。宁波地铁2号线、3号线、4号线，共有26座联络通道，最短区间10.79 m，最长区间36 m，先后尝试了盾构法和顶管法施工。其中，首条盾构法联络通道试验段为3号线鄞南区间，区间长度为17.04 m，覆土埋深约16 m，主要地质为粉质黏土、淤泥质黏土。联络通道管片直径为3 150/2 650 mm(外径/内径)，环宽550 mm。成型消防通道高2 050 mm，宽1 400 mm。项目平均日进度1.5 m，最快日进度2 m，相比较冻结法节约工期80 d以上，单条通道施工节约成本50万元。宁波地铁联络通道项目虽然采用的是圆形掘进机施工，但却是我国首个真正意义上的机械法施工联络通道项目，对于矩形支线掘进机的施工有一定的参考意义。

1.3 竖井掘进机开始应用

竖井是矿藏开采、水利水电、国防建设、交通隧道等地下工程的重要组成部分，其通常的修建方法为普通凿井法和钻井法。近年来，随着我国对竖井施工领域机械化、自动化、智能化需求的不断提高，竖井掘进机技术开始应用于竖井施工项目[22-23]。目前在国内主要形成了SBM(shaft boring machine)竖井掘进机、沉井掘进机、扩孔式竖井掘进机等几种新型竖井掘进机。

1.3.1 SBM竖井掘进机

SBM竖井掘进机是将全断面岩石隧道掘进机(TBM)设计理论引入竖井施工，能够一次完成竖井隧洞开挖、支护、出渣等功能的大型竖井施工装备。设备通过地面远程控制，井下人员少、机械化程度高。相比传统钻爆法，具有成洞质量好、施工效率高、施工更安全的特点。其适用于地质条件好、围岩稳定的中—高强度岩层的大深竖井开挖。

浙江宁海抽水蓄能电站排风竖井项目竖井深度198 m，开挖直径为7.83 m。排风竖井井口0～5 m为强风化层，围岩为Ⅳ类；井深5～25 m 为弱风化岩石，陡倾角节理较发育，局部密集，围岩较破碎为主，成井条件差，围岩为Ⅳ—Ⅲ类；井深25 m以下为微新岩石，以完整性差—较完整岩体为主，成洞条件好，围岩为Ⅲ—Ⅱ类。该项目首次使用了中铁装备研制的1台直径7.83 m的SBM竖井掘进机(见图13和图14)，整机采用分体式设计，分为主机和后配套吊盘系统。刀盘采用滚刀挤压破岩，破碎的岩渣通过刮板链清渣、斗提机提渣、吊桶出渣3级出渣系统排出洞外。目前已经完成整机的组装、调试等工作，正在进行地面设备的安装。该项目对于国内各抽水蓄能电站及其他行业相同类型的大直径、深竖井施工具有示范意义。

图13 SBM竖井掘进机

图14 宁海项目施工现场

1.3.2 沉井掘进机

CTM(caisson tunneling machine)沉井掘进机是结合沉井工法的一款新型悬臂式开挖掘进机。该掘进机具有结构紧凑、基坑断面可变、施工效率高、远程自动控制、成井精度高等特点。设备开挖系统采用多组铣挖头式开挖装置，通过复合运动形成全断面开挖，根据地质含水率可采用抓斗出渣或泥水出渣的形式，具有较高的地质适应性。CTM沉井掘进机可用于桥梁基础工程、市政工程的给排水工程、地下停车场、矿用竖井、国防竖井等各项工程中。目前沉井掘进机已经成功应用于国内多个竖井项目，表现优异。随着地下空间的不断开发，沉井掘进机未来推广价值极高。

1.3.3 扩孔式竖井掘进机

由中国煤科旗下北京中煤自主研发的“金沙江1号”竖井掘进机(见图15)，钻井直径5.8～6.0 m，钻井深度800～1 000 m，适用于下部已有开挖巷道的情况，刀盘开挖岩渣通过先导孔落入底部巷道进行排渣。该设备应用于云南以礼河四级电站复建工程出线兼交通竖井导井施工，围岩以Ⅳ类围岩为主，局部为Ⅲ、Ⅴ类围岩，岩体破碎、较破碎。该竖井施工首先采用反井钻机进行直径1.4 m的先导孔开挖作业，然后采用竖井掘进机进行直径5.8 m的竖井扩挖作业，井深282.5 m。2021年1月26日，该竖井顺利贯通，总施工用时90 d，极大提高了井筒凿井成井速度，满足了现代矿井建设机械化、自动化、智能化的要求，扩大了竖井掘进机施工的竞争力和应用范围。

图15 “金沙江1号”竖井掘进机

2 国产掘进机研制存在的问题

2.1 设计软件供给不足

制造业是我国国民经济的重要组成部分，而对隧道装备制造业至关重要的工业软件领域，国外软件仍然处于垄断地位，与发达国家相比，国产工业软件还有较大的差距。例如： 三维设计软件ProE、SolidWorks、CATIA，二维设计软件AutoCAD，有限元分析软件ANSYS、MARC，数值计算软件Matlab等均为国外进口。

随之而来的是更大的市场应用威胁，国外工业软件“门事件”所暴露的信息安全问题仅仅是冰山一角，而要确保应用不受制约，实现制造业转型升级，加速隧道装备制造的信息化进程，依赖国外工业软件不是长久之计。隧道装备制造领域乃至中国制造业，亟待突破自主知识产权，开发国产工业软件，走稳健、可持续发展的成长之路。

2.2 关键部件依赖进口

目前，在国内隧道装备制造领域，已逐渐形成了以中铁装备、铁建重工等国内知名生产企业为龙头的国产掘进机研发制造产业链。国内盾构/TBM生产企业主要完成隧道装备设计、部分零部件制造、整机安装与调试、设备运行维护等任务，设备上包括机械零部件、液压元件、电器元件在内的数十万各类零部件产品由近1 000家国内外配套企业提供。我国虽已具备隧道装备的设计、制造和集成能力，但像大直径重载轴承、减速机、大排量液压泵、液压马达、电动机、刀具、关键紧固件、齿轮、电气控制元件等关键零部件存在可靠性问题。每台盾构和TBM中进口零部件成本约占整机原料成本的比例分别为25%和35%。为保证盾构和TBM产业链、供应链安全，我国亟待开展隧道装备基础零部件、装备结构设计与分析软件的国产化研发，基础元器件研发以及产业化应用风险防控体制创建等工作。

隧道装备基础机械零部件需要解决的问题包括：

1)费用高昂导致设备成本居高不下。部分部件靠独家供应，议价、定价权由供方主导，例如： 主驱动轴承、主驱动动力源——大流量高压主驱动泵等，国内相关研发工作刚刚起步，出于可靠性和品牌认知度等需求，集成后的整机成本仍相对高昂。

2)关键部件供货及服务方式制约隧道装备制造业的发展。国内基础设施建设及隧道装备的规模发展，国外关键部件供应商的产能及供应周期难以满足国内隧道装备厂商的需求，较大程度上制约了隧道装备行业的发展，紧急、重难点工程的建设同样受隧道装备这一关键性控制因素的影响。

3)关键部件技术受制于人，直接威胁工程工期。国家基础设施建设关系国计民生，若关键部件受制于人，纷杂的国际形势关系对应的供应国际关系直接会影响到一个产业的存亡，因此，提高隧道装备基础机械零部件的国产化水平，掌握关键部件的制造、工艺及工业试验技术，有利于基础工业能力的提升。

2.3 创新产品市场突破难度大

掘进机产品在进入新领域时并非一帆风顺，如中铁装备采用矩形顶管机结合CC工法，成功完成了该公司地下停车场项目，但是由于缺乏相关规范性文件支持，后续推广并不顺利。该工法曾尝试推广应用于呼和浩特市地下车库、北京某大学地下游泳馆等工程项目，但均由于工程造价高、缺乏工程案例，所以无法推广。再比如： U形盾构作为一款适合综合管廊施工的专用掘进机，其相对明挖法，能极大地减少围护工作量和建筑垃圾，但目前仅成功应用于海口椰海大道综合管廊项目试验段；其曾尝试应用于塔湾路管廊、新龙路管廊等工程中，但由于工期、投入费用等原因，工程采用了传统工法施工。目前出现了新工法与新市场互为前提的怪圈。

新产品市场突破难度大，主要有以下几个原因： 1)观念保守，传统施工方式虽然存在一定弊端，但是在该领域应用已经较为成熟，市场对一些新产品持有怀疑、观望态度； 2)新工法、新装备缺乏相应的技术标准、国家规范作指导，多种掘进机工法相继问世，大大拓宽了掘进机的应用范围，使其具有广阔的应用前景，但这些工法的时间不长，施工应用案例不多，很多重要技术细节、施工理念不能得到很好的验证及总结，不能有效地为同类项目提供指导； 3)设备造价高，我国掘进机年产能排世界第一，但基础工业薄弱，许多关键部件、核心系统仍需进口，机械设备造价高，导致工程项目一次投资较大； 4)掘进机的普适性有待提高，不同的地质条件、断面形式、断面大小或其他极端工况需设计不同的掘进机以适应工程条件，不具有一定的普适性，限制了掘进机的推广应用。

创新产品市场突破虽然困难，但是一旦成功，将对该行业产生巨大的引领和示范作用。“文登号”TBM在抽水蓄能电站的应用便是一次成功的典型案例(见图16)。抽水蓄能电站作为我国电力系统的重要组成部分，近年来发展较快，包括引水系统、输水系统、排水系统、交通通风系统地下洞室等。该领域的洞室普遍采用钻爆法、爬罐法或反井钻法施工，存在机械化程度低、作业环境差、安全风险大、施工效率低等问题。日本、瑞士等国家已经成功将斜井TBM引入到抽水蓄能电站引水斜井施工中，而在我国直到文登抽水蓄能电站项目才首次将TBM工法引入抽水蓄能领域。

图16 “文登号”TBM

文登抽水蓄能电站位于山东省威海市文登区,排水廊道长约2 406 m，开挖洞径3.5 m，存在9处30 m转弯半径、4 处50 m转弯半径隧洞段。隧洞地层岩性为石英二长岩、二长花岗岩,单轴饱和抗压强度最高为200 MPa,平均为110 MPa，石英量占比50%～60%，采用了中铁装备生产的1台紧凑型超小转弯半径TBM进行施工。TBM于2019 年10月13日始发掘进, 2020年9月30日完成项目掘进,成功应对了围岩单轴抗压强度高、超小曲线调向、掘进姿态控制、皮带机超小曲线出渣等诸多施工难题。TBM工法在文登抽水蓄能电站建设工程中的成功应用,验证了抽水蓄能电站隧洞群采用TBM 法施工是可行的,填补了国内抽水蓄能行业TBM施工技术空白，为后续的抽水蓄能电站或类似工程建设注入了新理念。

3 展望

3.1 掘进机智能化

近年来，先进的感知技术、大数据、深度学习、控制技术等新一代信息技术的迅猛发展，为装备制造业带来了深刻变革。随着新一代技术的逐步应用，隧道掘进机已从原先的人工操作到部分智能化。目前，中铁装备在隧道掘进机作业环境方面，研发了超前地质预报、在掘掌子面岩土体智能感知，出渣管理与围岩评价等地质环境智能感知系统；在隧道掘进机设备方面，建立了刀盘刀具状态监测、盾尾密封状态监测、土舱可视化、主机振动监测等设备智能感知系统；在隧道掘进机智能决策方面，依托于掘进机云平台挖掘地质环境与掘进机掘进参数间的映射关系，特别是地层变化或复杂地质条件下岩机参数映射规律与匹配方法，建立隧道掘进参数预测、智能导向、智能支护、故障诊断与预测等模型，开发了多模态神经网络控制系统，实现了掘进参数的优化与决策；在自动执行方面，刀具监测与换刀机器人、钢拱架拼装机器人及管片安装机器人进入了关键的研发阶段。TBM辅助智能掘进系统见图17。

图17 TBM辅助智能掘进系统

尽管在掘进机智能化研发上取得了长足进步，但在智能感知终端方面，开发在恶劣工况下具有高稳定性、耐久性、高精度的智能感知终端，仍是未来的重要工作之一；隧道掘进机是多系统耦合的复杂系统，在自动执行环节，实现各系统、各类机器人的任务智能规划与协调方面，仍然面临巨大的挑战。智能化掘进机是从感知—大数据分析—决策—执行整体链条上的智能化，因此，如何将新一代信息技术有效应用于隧道掘进机，开发研制出智能化掘进机，实现整体设备的智能感知、智能施工、健康管理等，将成为隧道工程领域的重大技术挑战和未来的行业竞争热点[24-25]。

3.2 多功能多模式掘进机

随着我国隧道建设规模的不断扩大，在一些长大隧道施工中，地层复杂多变，隧道可能穿越软硬不均、硬岩、孤石、断裂破碎带和水底浅覆土等多种地层，面临局部高水压极端地质、高地应力、软岩大变形等多种不良地质。从施工安全、技术难度、工期、成本及环境保护等方面考虑，传统的单一模式工法无法应对复杂多样的挑战，能够实现多种工法掘进的多功能、多模式隧道掘进机的研发需求日益迫切。

当前国内已经对多功能、多模式掘进机开展了初步研究工作。多功能、多模式TBM具有闭式TBM-土压平衡-泥水平衡3种掘进模式，兼具护盾式TBM和平衡式盾构的优点；具有2种出渣模式，2种模式共存，2种模式可以相互切换。以单护盾TBM模式为主设计理念，同时也为主掘进功能模式，保证在隧道绝大部分区间采用TBM模式施工，提升掘进效率，降低刀盘、刀具磨损，降低单位掘进长度人员进舱换刀频次与施工风险，以适应长距离隧道高效掘进；同时，因为是具有盾构功能的多模闭式TBM，可以在地层发生突泥突水时，迅速隔绝土舱，转换为土压或泥水平衡模式带压掘进施工。模式转换过程无需人员进舱、无需拆装任何部件，抗风险能力强，能够适应不同地层的掘进要求。随着国家一批大直径山岭铁路隧道、海底长大隧道的建设，采用多功能、多模式TBM工法施工成为新一轮长大隧道建设的发展趋势。

3.3 异形岩石掘进机

水利水电领域一般采用圆形断面，但是在公路隧道、铁路隧道、矿山开采等领域，相比圆形断面，异形断面在开挖成本、效率和空间利用率等方面具有天然的优势，未来异形断面掘进机必将受到越来越多的青睐。但是截至目前，市场上已有的异形掘进机如马蹄形盾构、矩形盾构等机型主要适用于软土地层，不能应用于岩石地层。

异形岩石掘进机的关键在于刀盘设计，刀盘可采用安装了盘形滚刀的多刀盘设计，通过多个刀盘的不同组合切削实现不同断面轮廓开挖，并配合铣挖头进行盲区开挖；也可设计特制的刀盘，配合主驱动的运动，通过盘形滚刀的仿形运动实现异形断面的开挖。根据地层和掘进模式，硬岩地层异形断面的掘进机方案主要包括异形土压平衡盾构、异形硬岩泥水平衡盾构、敞开式异形掘进机等几种类型。当前国内已经开始对异形断面掘进机开展了一些研究和探索，随着掘进机技术的不断发展，各种类型的异形断面掘进机将得到应用和推广。

3.4 复合破岩TBM

传统TBM单纯依靠盘形滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，最适宜使用的围岩强度为30～150 MPa。对于极硬岩施工环境，滚刀侵入岩石困难，刀具磨损严重，严重制约了TBM的掘进速度。频繁的刀具维护和更换不仅严重制约了施工进度，也极大地增加了施工成本。鉴于此，新型破岩技术与TBM的融合设计越来越受到人们的重视。目前被国内外认可的新型破岩方式主要有以下几种：

1)高压水射流技术。高压水射流技术是指通过加压泵等加压装置将常压水加压至数十甚至数百MPa，再通过具有细小孔径的高压喷嘴装置输出，形成直径很小、压力很高、速度很快的“水射流”。当水射流冲击强度大于岩石的抗压强度时，即可对岩石产生切割破碎作用。目前该技术已经在国内首台高压水力耦合破岩“龙岩号”TBM上应用。

2)粒子冲击破岩技术。依靠高能粒子球撞击破坏岩石，使其出现裂纹，从而降低强度，再在机械刀具的辅助作用下实现岩石的破碎，破岩效率极高。此种方法较为繁琐，实施困难，目前仍处于试验阶段，尚未得到大范围的应用。

3)激光破岩技术。这种方法主要是将高能量的光束粒子直接作用于岩石中，使得岩石在高温的作用下被融化，融化后的岩石会转化为气、液两相物，在气流的作用下，生成的气、液两相物被带出井口。从此种方法的原理可以看出，该方法具有极高的技术要求，属于一种较为前沿的技术，目前还属于研究阶段。

4)等离子体破岩技术。这种方法的作用原理是在钻头上增设等离子体，在直流电压的作用下，等离子体上会产生大量的高频率火花，从而产生大量的热量并作用于岩石中，最终使其破碎。这种破岩钻井方法和激光法有一定的类似之处，都是通过热量的原理，达到破岩的效果。

5)高压电脉冲破岩技术。高压电脉冲破碎岩石主要依靠脉冲放电产生的等离子体通道的膨胀应力，放电瞬间通道内形成的应力大于岩石强度，使岩石产生裂纹并破碎，是一种非常具有潜力的新型破岩方式。目前该技术在国内外均有研究，且国外在钻井和岩石打磨领域均有应用，有望开拓隧道领域施工的新篇章。

此外，还有微波破岩、超临界二氧化碳射流破岩、液氮破岩等技术。新型破岩方式会对岩石产生弱化甚至直接破碎的作用，弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀能轻易将岩石破碎，从而大大降低滚刀的磨损，提高施工效率，降低施工成本。新型破岩方式在掘进机领域的应用技术，可以辅助甚至取代传统掘进机滚刀破岩方式，对促进掘进机技术的飞速发展和更新换代具有重要意义。

3.5 部分断面TBM

常规TBM只能适应单一尺寸圆形断面，通过一次开挖成型实现隧道开挖。相对而言，部分断面TBM需要通过开挖装置多次开挖，实现隧道轮廓开挖成型。通过开挖装置的不同运动轨迹设计，单台装备可实现不同形状断面开挖。国外厂家，如德国维尔特为RioTinto开发了Mobile Tunnel Miner (简称MTM)矿用硬岩掘进设备，但目前并没有进行大量应用；瑞典安百拓研制了一种矿用摆臂式刀盘掘进机，可以实现类矩形断面的硬岩开挖。国内也已经开展了部分断面TBM的研究，开展并联机器人TBM、悬臂TBM等机型方案设计。

机器人支撑的柔臂TBM，结合全断面硬岩掘进机刀盘高效率开挖和机器人技术高灵活度、高精度的优势，将掘进机刀盘支撑推进系统采用机械臂的形式进行设计优化，使刀盘具有多自由度运动性能，实现隧道变断面开挖。支撑结构可采用并联机构、串联机构或混联机构进行设计，动力源以液压系统为主，同时还需对出渣系统、支护系统进行针对性设计，提高设备整体施工效率。悬臂TBM是在现有悬臂掘进机基础上延伸开发的针对硬岩地层掘进的设备，由安装有盘形滚刀的刀盘替代原来的铣挖头设计。由于悬臂TBM为非全断面开挖，在掘进过程中需要变换刀盘位置，刀盘既要能适应水平正向掘进、也要能适应上下左右侧向掘进。

非全断面TBM具有灵活机动、可开挖任意断面、拆解运输方便、设备成本低等优势，适应于所有短距离任意形状隧道、硬岩地层马蹄形隧道、车站站厅层机械开挖等应用场景，对推进地下空间的开发和应用具有重大意义。

4 结语

1)隧道工业化将是发展大趋势，以精准超前地质预报、现代化工业手段加工、自动化流水作业、智能化控制全过程的智能建造新方法将如期而至。

2)随着人工智能技术进入快速发展阶段，开发研制出智能掘进机，实现设备的智能感知、智能施工、健康管理等，将成为隧道工程领域的重大技术挑战和未来的行业竞争热点；随着隧道规模的不断增加，隧道施工条件和需求也变得多样化，各种新形式、新概念的掘进机必将逐渐问世，百花齐放。

3)以复合破岩为核心的第4代半掘进机将解决现有岩石掘进机存在的掘进效率问题，以非刀具破岩为核心的第5代掘进机将颠覆现有的掘进机概念。