我国隧道和地下工程施工技术与装备发展战略研究

李 喆， 江 媛， 姜礼杰， 黄 文， 舒乐时， 梅勇兵， 李建斌, *

(1. 中国工程院战略咨询中心， 北京 100088； 2. 中国中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016；3. 深圳大学土木与交通工程学院， 广东 深圳 518060； 4. 华中科技大学机械科学与工程学院， 湖北 武汉 430074; 5. 中国铁建重工集团股份有限公司， 湖南 长沙 410100)

0 引言

近年来，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]。截至2020年底，我国铁路营业里程达14.5万km，其中，投入运营的铁路隧道共16 798座，总长约19 630 km[2]；截至2019年底中国已建公路隧道累计19 067座，总里程1 896.66万km，与2009年底的总里程相比，增长了381.14%[3]；截至2020年底，我国共修建245条水下隧道[4]。

在城市发展进程中，全世界都在寻求更多的城市空间。地铁、地下停车场、综合管廊等城市地下工程的开发利用,是人类社会和经济实现可持续发展、建设资源节约型和环境友好型社会的重要途经[5]。“十二五”以来，我国城市地下空间建设量显著增长，年均增速达到20%以上，约60%的现状地下空间为“十二五”时期建设完成[6]。“十三五”阶段，以轨道交通和综合管廊为主导的地下交通和市政设施的建设规模、建设水平及工程运维等已赶超世界。

我国在隧道和城市地下工程的开发技术和装备领域已经取得了巨大的成就。经过20年的持续攻关，我国的盾构及其施工工法已从“跟跑”发展到“并跑”，部分技术已经跻身世界前列。自主设计制造的土压平衡盾构、泥水平衡盾构、全断面非圆盾构以及全断面硬岩掘进机(TBM)在国家重大基础设施建设方面发挥了决定性作用。然而，我国在隧道和地下工程领域仍然面临着诸多严峻挑战，山岭隧道和穿江越海隧道的施工难度显著增大，大埋深、大断面、高地应力、多破碎带、高地温、高瓦斯及高水压等复杂条件隧道越来越多，亟需开展新一代开发技术和装备的发展战略研究。

本文结合我国隧道和地下工程施工技术与装备的发展现状及面临的问题，研究隧道和地下工程施工技术及装备的中长期发展方向、核心和短板技术发展战略、技术体系标准以及产业发展布局，并提出相关发展建议。

1 我国隧道和地下工程施工技术与装备发展现状及存在的问题

1.1 施工技术发展现状与存在的问题

1.1.1 发展现状

近30年来，大量隧道和地下工程项目的建设，为多种施工方法的应用提供了广阔的舞台。建设过程广泛吸纳了世界各国先进的建设理念、方法和技术，并在此基础上自主创新，取得一系列针对我国复杂地质环境的技术创新和突破[7]。例如： 地铁盾构隧道工法、近接施工安全控制等技术取得了长足进步；顶管技术、非开挖技术和水下沉管技术等取得积极进展；地层位移和变形控制技术引领全球；水下沉管隧道技术、大断面顶管技术等领先世界[8]；在软岩大变形控制技术、瓦斯隧道施工通风技术、大断面盾构施工技术、隧道全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术等方面也处于世界先进水平[8]。大量新技术的研发应用，提升了我国隧道和地下工程建设的地质适应能力和施工效率。

1.1.2 存在的问题

随着隧道和地下工程开发不断朝着“深、大、长”方向发展，地质环境亦趋于复杂，高地应力、高地温、高瓦斯、高水压等引起的突发性工程灾害和重大恶性事故频发，现有技术面临着巨大的挑战。设计计算理论体系不完善，复杂地质条件下特深综合设施结构设计、建造技术体系亟需完善[9]。此外，还面临着以下几个方面的问题：

1)深层地下结构设计理论不完善。对于山岭隧道和穿江越海隧道，随着开挖深度不断增加，围岩变形及稳定性控制难度也急剧增加。深层土与浅层土的赋存环境和力学性态存在显著差异，现有的地下结构设计理论已不适用于“高水压、高应力、灾变难预测”的深层环境。

2)复杂环境与极端地质下施工困难。复杂地质条件，如高地应力、高烈度震区、高地热、高原岩溶、深大活动断裂带等，带来岩爆、突涌水、软岩大变形等，导致施工困难。

3)超大断面隧道支护难。超大断面导致隧道掘进效率、围岩和支护的稳定性、管片拼接、隧道密封和抗浮能力等的控制难度迅速增加。

4)超长隧道施工风险高。超长隧道导致地质测量、掘进、抗震、通风、运输、安全救援等问题的难度陡增，施工风险高。

5)城市地下工程的安全开发利用难。城市地下工程的安全开发利用需要城市地质结构、岩土体特性、地下水类型及分布和地质灾害等方面的信息[10-11]。我国城市地下工程建设面临的复杂地质问题包括复杂周边环境下近接施工的扰动控制、城市深部地下工程勘察精度不足以指导工程设计和施工、地下水的控制与保护[12]、软土地区的地基处理和长期沉降控制[13]、活动断层及地裂缝[14]、复杂多元地质结构、卵砾石的开挖稳定性[15]、上软下硬地层的开挖与扰动控制[16]等。

1.2 施工装备发展现状与存在的问题

1.2.1 发展现状

隧道和地下工程建设高端装备是重大民生、战略工程的保障，更是衡量国家制造业水平的重要标志。目前，盾构已经成为“入地”的高端地下工程装备代表，且在地下空间基础设施建设的持续推动下，已经取得了巨大的成就[1]。经过十几年的引进和再创新，我国的盾构与TBM自主制造技术已经取得了骄人的成果。我国的盾构制造技术已经跻身世界前列，土压平衡盾构、泥水平衡盾构、硬岩掘进机和软土异形盾构在国家重大基础设施建设方面发挥了重要作用。中国工程机械工业协会掘进机分会统计数据显示，2019年我国全断面隧道掘进机产量为610台，且2015—2020年连续5年每年增长20%左右，一跃成为全球最大的全断面隧道掘进机生产国和最大市场。

1.2.2 存在的问题

我国在隧道和地下工程装备方面已经取得了重大突破，但极端环境下的盾构仍属于“无人区”；在异形全断面岩石掘进机方面，我国研制的软岩异形掘进设备已经处于世界领先水平，但针对工程占比最多的异形岩石掘进设备仍属于“技术空白”，具体表现为以下几方面。

1)复杂地质环境现有盾构不适应问题。山岭隧道复杂地质条件下，尚无高安全、高可靠、高效率的施工装备；海底隧道施工环境下，现有装备适应能力不足。穿江越海隧道工程呈现出“高水压、长距离、大直径”的特点，在穿越海底沟谷、风化深槽、活动断裂带、强地震带和生态敏感区时，极易造成重大灾难。

2)异形全断面岩石掘进机领域空白。目前，几乎所有的铁路和公路隧道均为非圆形断面，马蹄形掘进工法能够最大程度提高隧道空间利用率，较圆形截面减少15%的开挖面积，而城市地下工程多为矩形截面，但异形全断面岩石隧道掘进机由于技术难度大，仍属世界空白。

3)隧道和地下工程施工装备智能化程度不足。目前，国内外均在大力促进隧道和地下工程施工装备的信息化、智能化，但由于缺乏足够的工程大数据和数据共享机制，存在数据储存分散、数据格式不一等不利因素影响，且地下工程种类繁多，工程业主广泛，缺乏统一协调，存在信息“孤岛”和信息“流失”现象，地下工程装备仍以人工操作为主。

4)核心关键零部件“受制于人”。主轴承、减速机、大排量液压泵是盾构的3大核心部件，目前还主要依赖进口；土压探测与传感装置是控制盾构姿态和地表沉降的关键部件，也基本依赖进口。

2 我国隧道和地下工程施工技术与装备发展方向

2.1 我国隧道和地下工程施工技术发展方向

2.1.1 中长期发展方向

1)绿色施工技术。绿色循环、低碳发展，是当今时代科技革命和产业变革的方向，是最有前途的发展领域。我国工程建设在这方面的潜力相当大，可以形成很多新的经济增长点。绿色施工技术应着眼于建筑全生命周期，在保证工程质量和安全的前提下，通过科学管理和技术进步，在工程建造过程中最大限度地节约资源和保护环境。建筑的绿色性能和绿色施工，助推生态文明建设和社会经济可持续发展，达到工程项目全生命周期的环境、经济和技术效益最大化。以绿色发展为主线，全面深入地推动绿色施工技术、装配式建筑的实践，是我国隧道和地下工程施工技术的发展方向之一。

2)信息化、数字化技术。随着计算机技术的发展、各类算法的出现及其越来越简便的应用，现阶段国内外研究方向主要集中在利用各种算法来简化各类设计。岩土工程领域有诸多方面都可以与人工智能算法和技术相结合，如利用人工智能算法可大量简化冗杂重复的计算过程[17]，将新的隧道图像不加注释地发送到分割网络中，使用分割网络完成裂缝的分割，提取裂缝，分析并及时采取相应的措施。数字化技术在岩土工程中得到初步应用，例如： 无人机、机器人、三维激光扫描、光纤传感等监测技术已应用于大型岩土工程中；大数据、云计算、GIS配合AI建立监测+管理系统，可对工程进行全过程管理并及时反馈；BIM、VR技术、人工智能(AI)开始用于复杂工程的项目管理。但目前数字化智能技术在隧道和地下工程的应用中，存在技术间融合不够、基础性数据不足及系统性平台缺失等问题[18]，将数字化技术与地下空间开发相融合是未来智能建造的发展趋势。

3)复杂条件下超长隧道施工技术。目前及今后较长时期内，隧道及地下工程建设普遍面临埋深大、隧道长、修建难度大的问题,且面临高地震烈度、高地应力、高落差、高地温、强活动断层等技术挑战。应对此等复杂隧道，应重点研发隔离消能技术，在初期支护和二次衬砌之间回填柔性材料，尽可能地将地层蠕变和地震引起的突变位移吸收消化在初期支护和中间的缓冲层上，从而不影响二次衬砌正常的使用功能；研发岩爆微震监测与预测预警系统，将现场监测结果传输到管理平台，及时分析和反馈，从而避免岩爆对隧道设备与人员的危害；研发高地温隧道综合降温技术，开发新型降温系统，辅助通风、蓄冰降温等多种措施，全面治理深埋隧道热害；研发使用韧性高、磨损性更好的大直径盘形滚刀或新型刀具，开发脉冲型水射流、激光、微波、高压气体膨胀破岩等TBM辅助破岩技术，使其应用更经济、破岩效率更高。

4)复杂海底隧道施工技术。根据交通运输和经济发展的需要，国家中长期规划在琼州海峡、渤海海峡和台湾海峡建立3个通道，拟建隧道长度分别为28、126、147 km。 穿江越海隧道工程呈现出“高水压、长距离、大直径”的特点，在穿越海底沟谷、风化深槽、活动断裂带、强地震带和生态敏感区时，极易造成重大灾难。当前的技术很难满足上述工程在测量、施工、运营和维护等方面的需求。针对超长海底隧道，须重点攻克悬浮隧道、超长沉管隧道的设计与施工关键技术，并对软弱围岩钻爆隧道安全快速施工、混凝土结构长寿命保障、超高水压防排水及结构体系、超长区段运营通风、隧道防灾救援、智能化运载工具等关键课题开展科技攻关[19]。

5)城市地下工程施工技术。随着城市地下工程利用越来越广，深度不断增大，土地资源立体空间利用往往与地铁及既有建(构)筑物下穿、上跨或直穿相关，面临着一系列的施工难题。关键是地下工程面临着“水、软、变形难以预测”3大技术难题，要实现地下工程施工引起的地层位移和变形尽可能控制在允许值之内，确保周边环境与建(构)筑物的安全。城市地下空间典型的近接施工技术包括： 地层冻结组合系统技术、盾构下穿控制精细技术、重叠隧道与桩基组合下穿建筑群技术、超近距离矩形顶管技术、穿越密集成片老旧小区组合技术、跨地铁运营隧道建设地下空间等。在这些综合技术研究方面还需加大投入。

2.1.2 基础技术发展方向

1)施工新材料。隧道和地下工程开发不仅需要依赖新的设计方法及施工技术，也对新材料的发展提出了要求。传统材料存在的不足会导致工程效率低、工程效果不佳、后期维护成本高、环境污染严重等。通过对传统材料进行改进，新材料研发可提高工程建设适应性，有助于“双碳”目标的实现。施工新材料主要包括： 新一代高性能混凝土、自愈混凝土、绿色低碳环保的支护材料、高效耐久的纤维增强混凝土盾构管片、压注自防水混凝土内衬、高可靠性的防水材料等。推进功能材料如能源桩、能源土工布、储能混凝土等的应用，以提高综合效益；探索新一代智能材料，如自修复材料、智能感知材料等，以提高隧道和地下工程的韧性。

2)施工新技术。在复杂地质条件下，重点研究地下施工控制技术以及环境生态保护措施；深水环境下，重点研究盾构高水压防水和掘进稳定技术，超长距离隧道通风安全救援技术；城市地下工程重点研究新型机械化施工、绿色施工技术以及环境协同技术。积极研究发展面向未来地下施工，集精准探测、超前预报、信息感知、先进破岩、数字孪生等于一体的系统性智能技术。综合多学科，推进岩土工程的自动化、信息化和智能化；通过物联网、5G通讯、大数据与神经网络、人工智能等技术进行信息数据的传输与分析；通过数字化传感、微机电MEMS、高精度陀螺仪、无人机、光纤传感、北斗等感知技术进行地下工程监测；通过BIM、GIS、数字孪生等技术建立地质信息与地下工程的三维可视化施工，由此实现智能感知、正确判断、快速反应、有效执行。

2.1.3 补齐短板技术发展方向

1)隧道和地下空间勘察新技术。未来应根据隧道和地下工程地质特点及各勘察技术的特征和适用性，引入先进的人工智能、大数据等技术手段，加强“高分+北斗”融合技术的深入应用，发展空天地一体数字化勘测技术、岩石视觉识别技术、智能物探技术和数据高效解译技术、高效精准取芯钻探技术，尤其是高精度全息水平取芯钻探技术、智能数字成像识别技术以及智能原位测试技术，注重多元勘察技术、通信技术、电子技术、物联网技术等的融合与协同应用，构建“数字孪生”的隧道和地下工程勘察信息平台。隧道和地下工程综合勘察新技术如表1所示。

表1 隧道和地下工程综合勘察新技术

2)隧道和地下工程设计新理论。研究地质体、结构和环境的物理性质和变形协调关系，探索开挖扰动叠加效应和时空效应下多场、多尺度“地层-结构-环境”耦合机制；研究高地应力、高烈度震区、高地热、高原岩溶、深大活动断裂带等恶劣地质条件下的地下工程灾变机制；研究复杂条件下大直径盾构长距离安全掘进理论、高水压盾构隧道防水控制机制等问题。在理论上，经典土力学难以满足深基坑土体复杂多变的物理特性需求，应考虑应力路径的作用，土的各向异性、流变性、扰动特性，土与支护结构的共同作用等。在设计上，应加强发展基坑变形控制理论；研究深层地下空间环境相关的理论和设计体系，深层地下结构在突发因素和长期作用下的破坏和劣化机制；研究复杂地质条件灾变机制，通过将大数据与人工智能有机结合，把握结构体与岩土体多场耦合理论，进一步研究不良地质掘进过程的实时监测和控制。

2.1.4 体系发展战略研究

1)智能施工技术体系。面向工程产品全生命期，实现泛在感知条件下的信息化建造，即根据工程建造要求，通过智能化感知、人机交互、决策实施，实现工程立项、设计和施工过程的信息、传感、机器人和建造技术的深度融合，形成在基于互联网的信息化工作平台的管控下，按照数字化设计的要求，在既定的时空范围内，通过功能互补的机器人完成各种工艺操作的建造方式[20]。健全、完善地下空间精细化规划设计体系，在全域资源观指导下，协调地上空间与地下空间规划的关系，基于大数据分析提出地下空间可持续发展规划。研究融合复杂服役环境的地下工程装备数字样机设计及智能施工机器人和自动作业类脑控制器技术，发展人机协调、自主学习的智能装备。研究基于数字孪生的工程建设进度管控及施工优化技术，以及基于BIM+互联网智能感知采集、数据传输和监控关键应用技术的“地-隧-机-人”智能化协同管理控制系统。

2)技术标准体系。从技术标准层次来看，国家层面技术标准数量较少，且大多数限于开发利用与规划管理方面；从行业类型来看，以地下停车库、地下管廊、人防工程、轨道交通等设施的建设与管理为主，地下空间多门类工程建造施工技术还没有相关的标准和规范。围绕复杂地质条件的建设、复杂环境保护、深层地下空间开发、地下空间设施安全运维和更新改造等难题，应加紧相关理论的研究，着手编制超深复杂地质条件下的基坑工程相关标准，为基坑工程向复杂超深方向发展提供理论指导。

目前，我国掘进机技术标准主要是产品标准，关于施工和安全方面的标准还很缺乏。因此，需要制定以下相关的标准： 掘进机施工环境与安全标准、竖井掘进机相关标准、超挖控制标准、针对大型机械化施工的参数标准及相关配套机械产品的设计标准、针对隧道工程建设相应的机械化装药标准等，形成集地下空间规划、设计、施工、防灾减灾以及环境保护为一体的技术标准体系。

3)工程管理体系。随着我国地下空间大规模开发利用，地下空间开发的质量安全、风险监控、生态环保等问题凸显。主要存在质量安全体制机制不健全，质量安全管理投入不足，施工单位质量安全监管能力落后，风险管理监控内容和流程不规范，对风险预测与决策分析的认识存在误区，风险管控意识不强，环保组织管理松散，跨区域协同治理生态机制未建立等问题。亟需健全地下空间质量安全法律法规体系，建立质量安全行政管理机构，提高地下空间质量安全管理标准；健全安全风险应急管理体系，建立预警预案，实施动态风险管理，加快监管和风险防控系统研究；健全地下空间开发生态环保体系，构建地下空间开发绿色发展政策体系，强化政策监督保障作用，建立地下空间开发环境治理机构，严密防控环境风险。

2.2 我国隧道和地下工程装备发展方向

2.2.1 中长期发展方向

1)绿色制造装备。“中国制造2025”要求组织实施好绿色制造工程，因而对于我国的地下工程装备，发展绿色制造是未来的必由之路。尤其是地下工程装备体积大、质量大、用材多、能源消耗大且掘进过程中会有大量渣土与污染源排出，在制造业转型升级、实施绿色制造的大趋势下，地下工程装备的绿色制造将是未来重点发展方向。未来，我国的隧道和地下工程建设及其装备研制需要在国家有关部委的指导下，通过国家绿色制造系统集成项目的实施，开创我国施工装备的全生命周期绿色再制造新模式，推动我国施工装备绿色再制造产业化，完善我国大型施工装备绿色再制造技术标准与产业发展，最终有效推动我国隧道和地下工程装备再制造产业的健康发展。

2)全生命周期的智能制造。为应对第4次工业革命，我国将推进信息化与工业化深度融合作为“中国制造2025”9项战略任务之一。提出把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。隧道和地下工程装备通过智能设计、智能制造、智能掘进以及智能运维等手段，对相关施工装备整个生命周期进行有效管理，以获得装备生命周期费用最经济、设备综合产能最高的理想目标，是我国隧道和地下工程建设技术装备的发展方向之一[21]。

今后，我国隧道和地下工程装备的制造要向工业网络建设、系统集成及精益生产线建设与虚拟仿真方向发展。掘进是装备全生命周期中的核心过程，结合了数据采集与存储、云计算平台和智能决策的智能掘进技术是未来施工装备的主要发展方向之一；在掘进过程中，对掘进状态的实时在线监测，如掘进过程中的智能纠偏，是实现装备全生命周期闭环控制的最关键环节。基于数字化的运行管理平台可以将盾构等的工作过程形成标准的工作流，以大数据云计算技术为支撑，实现云平台健康评估和故障诊断。远程智能运维服务平台和行业工业互联网平台连接了整套施工装备的终端和云端。

3)极端山岭地区地下工程装备。山岭隧道工程环境复杂、极端，高压、高地应力、高地温、极硬和极软等极端工况限制了通用性的地下工程装备的应用，对地下工程装备在可靠性、先进性、环保性等方面提出了更高、更严苛的要求，为装备可靠性和适应性带来新挑战、新难题。因此，加快推进极端工况下地下工程装备颠覆性创新，提高施工装备的适应性、可靠性势在必行，亟需研发新一代的地下工程装备，如异形岩石掘进装备、超硬岩施工装备、软岩大变形施工装备、高海拔施工装备等。

针对高地热的隧道环境下设备正常运行的需求，亟需对电气、液压等系统选型、散热做特殊设计，进行局部设备、部件或局部作业区域降温研究；针对高地应力产生的岩爆现象，利用微震检测系统对围岩工程动力型灾害进行24 h不间断检测，为围岩稳定性评估和岩爆灾害预警提供依据；针对极硬岩地下空间施工，为进行极硬岩施工过程岩爆的防控，可在TBM刀盘的辐条上预设圆孔，圆孔穿入带水刀喷头的钢质水管，当岩爆风险高时，通过水刀切割深槽释放围岩压力。

4)海域地下空间开挖装备。海域地下空间开挖装备面临着设备抗压密封难、掌子面稳定难、刀具更换难、深地远海垂直钻探难等问题，亟待突破高压密封、土-泥-水多相平衡、随钻原位测量等技术，开发海域可靠性高、适应性强的全断面掘进装备、深地远海随钻探测装备等海域隧道和地下空间开发新装备。

其次，针对超大埋深、超高水压、超大断面及地质复杂多变的海域地下空间建设需求，需要重点研究高效破岩的长寿命刀盘刀具优化设计技术、超高水压条件下盾构防水密封设计与制造技术、大功率高性能节能环保型变频驱动技术、高水压大断面掘进施工技术；针对复杂的海洋环境可能存在极端的换刀环境，需要实现极端环境下盾构刀具更换，保证其长距离和高水压状态下顺利掘进；针对海底隧道施工需求和面对的问题，研究泥水/TBM双模式掘进机总体集成技术，泥水和TBM模式刀盘转速与性能最优匹配、开挖压力平衡控制技术，皮带机和泥浆管路集成布局及模式快速切换技术，管片和箱涵高效拼装以及推进、拼装同步技术。

5)城市地下空间施工装备。城市地下管廊建设升级、超大直径综合交通隧道建设、深层地下综合体开发等要求城市地下工程装备灵活、施工一体化程度高、复杂地质适应强、施工过程扰动低。亟待开发老旧管道更新与维护装备、超大断面一次成型装备、深层大平面地下施工装备等，以满足未来城市地下工程施工需求。

针对城市地下复杂环境，通过成套设备的研制与应用，构建复杂环境下城区地下工程自动化高效施工的完整施工装备软硬件体系，攻克传统施工装备功能单一、集约化程度低的问题。其中对于盾构装备，需要开发灵活性强，可实现多段拼接的盾构装备；实现单台设备多维度同时掘进，增大其施工效率，减小施工过程对城市地表活动的影响；配备施工过程的动态监测和实时反馈系统，完善数据库，利用人工智能实现性能稳定的自动化施工；装备的盾构刀盘配备多种旋转方式，且有多种刀具，即实现一盘多刀、多模式，增强刀盘对不同地质结构的适应性，增强其工作能力。在城市深层大平面的地下空间开发装备中，由于其埋深较大，对于装备的抗压能力有更高的要求。因此，需要加强装备的整体稳定性，提高各部件的质量，以延长其工作周期；在深地空间中，超大型、灵活性差的装备在施工前后到达指定位置难度较大，因此装备必将向精简化、可分解、可拼接的方向发展。

2.2.2 基础技术发展战略研究

1)新材料技术。面对新工况、新装备，着力研究高强、高韧合金材料，耐磨材料，新型密封材料，渣土改良及混凝土添加剂，新型加工工艺等，提高设备适应性与可靠性。

2)流体科学与技术。开展重载高精度电液控制技术、长距离压力稳定控制技术、高端液压元件设计理论研究。

3)新型地质探测技术。重点考虑深部岩体构造及力学特性的精细测量技术，关注深部岩体工程地应力有效测量方法与测量仪器设备的研制发展方向，提出深部地下空间开发中实用测量技术的主流发展方向。

4)复杂工况构型设计与优化技术。基于多目标优化设计理念，开展复杂工况下的机制建模、可靠性设计与轻量化设计等方法研究，掌握地下装备岩机设计理论与方法。

5)新型破岩技术。针对钻具极易损坏、施工成本增高、施工周期长等问题，利用高端先进技术，如水射流系统、微波发生器等，开发创新破岩技术，是提高破岩效率、降低施工成本的重要手段。

6)深海、深地探测技术。地球物理勘探主要技术有重磁探测技术，电法及电磁探测技术，地震勘探、钻探及测井勘探和放射性勘探技术等。勘探范围从陆地走向海洋，并且由近海探测技术向深远海探测技术发展。

7)智能化技术。目前我国地下工程装备智能化水平整体不高，智能化过程缺乏核心技术自主创新能力，存在感知难和感知被动、地下测量不准和无法纠偏导致的测控难、缺乏决策系统导致的效率低等问题。为此，亟待研发面向极端施工条件的智能传感器检测技术、适应复杂施工环境的智能执行机构、智能集群掘进技术以及地下工程装备智能运维技术。隧道和地下工程装备核心基础技术见表2。

表2 隧道和地下工程装备核心基础技术

2.2.3 补齐短板发展战略研究

目前，我国高端地下工程装备企业占领国内市场的90%和全球市场的2/3，实现从填补空白、替代进口，到批量出口海外的大逆转。除了市场占有率的提升，在技术上也实现从打破垄断到全球领先的大转变。然而，在我国隧道和地下工程装备取得重大突破的同时，仍存在一些重点短板技术亟待解决。

1)核心关键部件状态监测与预警。研究性能衰退与失效机制、数字化试验台关键技术、监测诊断与性能预测算法及相关组件开发，解决传统监测诊断与性能预测方法实时性差、精度低的问题；开发云边协同智能传感终端，实现地下环境下装备状态稳定性监测；开发施工装备状态预警与故障诊断算法组件，实现装备远程运维。

2)核心部件国产化。针对我国地下工程装备的主轴承、减速机、密封系统、高端液压元件、电气控制部件等关键元器件依赖进口情况，开展国产化研制工作。

3)隧道和地下工程装备正向设计方法。在复杂环境、复杂载荷等综合条件下，隧道和地下工程装备设计理论尚不完备，急需实现重大装备研制从逆向工程向原始创新为特征的正向设计跨越，研究面向复杂环境、复杂载荷等工况的隧道和地下工程装备正向设计技术，形成隧道和地下工程装备正向研发创新能力。

2.2.4 产业布局发展战略研究

1)打造世界一流的隧道和地下工程装备领军企业。领军企业在行业中的带头作用非常重要，其在技术创新能力、经营模式、管理模式、竞争模式以及对品牌的创建和维护上，都无形中对行业起着示范和引领作用[25]。我国隧道和地下工程装备产业要紧紧抓住培育具有全球竞争力的世界一流企业这个目标，加快形成一批在国际资源配置中能够逐步占据主导地位的领军企业，加快形成一批在全球行业发展中具有引领作用的领军企业，加快形成一批在全球产业发展中具有话语权和影响力的领军企业。

2)打造核心关键部件产业集群。产业集群有助于形成外部规模经济，降低交易成本。隧道和地下工程装备产业关键部件集群带来的竞争势必将有效地促进隧道和地下工程装备产业的发展[26]。隧道和地下工程装备关键部件产业是工程装备产业的上游，为其发展提供强大基础。隧道和地下工程装备关键部件产业集群要更好更快地发展，需培育集群核心企业，带动核心关键部件产业集群发展，培育产业内市场和品牌；建立和完善激励政策，鼓励企业对高新科技及关键技术的研发和投入，带动集群内企业的良性竞争。

3)打造高端配套产业集群。打造隧道和地下工程装备高端配套产业集群需要引导配套企业加强与龙头企业的合作，依靠龙头企业带动配套企业，通过龙头企业的上下游配套和两头延伸，形成比较完整的产业链，形成多品种、多品牌、多渠道、多层次、全方位的配套企业集群。发展高端配套产业集群是隧道和地下工程装备做全产业链条的需要。打造隧道和地下工程装备高端配套产业集群需按照“优势产品—龙头企业—优势产业集群”的模式，以隧道和地下工程装备配套为突破口，遵循市场规律，突出企业积极性；优化产业组织结构，加快对高新技术和先进适用技术的自主研发和引进步伐，通过技术创新,提高企业核心竞争力。

3 相关建议

3.1 出台有关新型施工装备示范应用的政策文件

建议由国家发展和改革委员会、工业和信息化部、住房和城乡建设部等牵头联合相关部委，出台有关隧道和地下工程新型施工装备示范应用的政策文件，修订设计、施工、验收规范；在国家重大基础工程建设项目中，设置一定比例的装备创新、工法创新应用指标，打开新型隧道施工装备、工法的示范应用通道，提高企业创新积极性。

3.2 合理开发利用地下空间，发展绿色施工助力“双碳”行动

合理开发利用地下空间，将可以转入地下的设施尽可能建于地下，实现节地要求；开展地热能源研究与开发利用，积极开发浅中层温泉地热能和深层干热岩地热能，发展地热利用技术；大力发展绿色施工技术，在工程建造过程中最大限度地节约资源和保护环境，以绿色发展为主线，全面深入地推动绿色施工技术、装配式建筑的实践，推动示范工程，促进产业发展，为碳中和目标做出贡献。

3.3 开发盾构装备设计制造和施工的智能化技术

随着隧道和地下工程向“深、长、大”方向发展，整个装备的设计制造和操控变得越来越庞大和复杂，单纯依靠人的决策难以做到安全、可靠和经济，需要集成当代人工智能和感知等多学科先进技术，开发更加安全、高效的智能隧道掘进装备。关键技术包括： 多信息融合的掘进状态感知与掘进性能量化评价、掘进历史数据挖掘与分析、基于人工智能的掘进参数自学习与决策、掘进参数自适应动态调控、掘进机多系统协调控制与决策优化等。

3.4 开发复杂地质环境隧道施工新工法和新装备

随着超级工程所规划的山岭和海底隧道长度及断面的增大，地质条件不可避免地会呈现多样化和复杂化，单一的开挖面平衡及隧道壁支护方式难以适应，给施工安全、进度和工程成本等都带来极大的挑战。需要集成高强材料和结构设计等多学科先进技术开发地质适应性更强的多功能、多模式全断面隧道掘进装备，其关键技术包括： 多模式护盾结构设计及切换控制技术、多模式开挖面压力平衡及其控制技术、高强度隧道壁支护结构设计及其拼装技术、非圆断面TBM技术、广谱渣土改性技术，盾构法施工大跨度、多层地铁车站和地下停车场技术等。

3.5 开发极端工况条件下的隧道施工新型装备

现有盾构和TBM技术可以顺利在软土地层或一般的岩层中掘进，但在穿越海底沟谷、风化深槽、活动断裂带、强地震带和生态敏感区时，极易造成重大灾难；在遭遇特硬岩、高地温、强蚀变、大变形、有害气体、高放射性等极端工况时，掘进机常常被困。未来的琼州海峡、台湾海峡、渤海海峡都面临极具难度的隧道工程建设，需要开发极端工况条件下的新型隧道施工装备技术，其关键技术包括： 针对特硬岩的新型破岩技术，针对超高水压(>2 MPa)的盾尾及主驱动密封技术，高强度、高韧性、耐腐蚀隧道支护陶瓷材料，超大断面(刀盘直径大于15 m)隧道及时支护技术，异形硬岩掘进机，新型开挖面实时稳定、结构防渗技术等。

3.6 加快城市地下工程关键核心技术和重大装备攻关

瞄准我国城市地下空间开发利用施工难点，应对浅埋、富水、不良地质等重大挑战，面向信息化、综合化、绿色化和分层化的发展要求，识别城市地下空间开发利用和工程装备的核心基础技术和重点短板技术，构建地下空间开发利用技术体系，优化工程装备产业布局，并纳入国家重大研发计划和装备制造业专项中。

4 结语

近年来，我国隧道建设和地下空间开发在数量、质量方面都得到了快速发展，为该领域提供了足够的实践案例和数据支持。如火如荼的“新基建”给隧道建设和地下空间开发带来新的机遇，新理念、新技术、新工艺不断涌现，5G、大数据、人工智能等技术快速发展，新一轮隧道建设和地下空间开发革命即将到来。本文提出了未来我国隧道和地下工程施工技术与装备发展方向及相关建议，以推进该领域技术创新，支撑我国重大工程建设。