我國全斷面隧道掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

苗圩巍 顏世鐺 李紀強 丁煒 李優(yōu)華

摘要：我國盾構技術的愿景是實現(xiàn)數(shù)字化設計，模塊化制造、智能化掘進、遠程化管理;盾構的施工則實現(xiàn)無人化智能掘進，實現(xiàn)在辦公室遠程控制盾構操作。本文簡述了我國全斷面隧道掘進機的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了未來的發(fā)展趨勢。

Abstract： The vision of china shield technology is to realize digital design， modular manufacturing， intelligent tunnelling， and remote management;The construction of shield machine realizes unmanned intelligent tunneling and remote control of Shield operation in office.This paper briefly describes the development process and current situation of TBM in China， and expounds the future development trend.

關鍵詞：全斷面隧道掘進機;智能化;發(fā)展趨勢

Key words： full-face TBM;intelligentization;development trend

中圖分類號：U455.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0203-03

0? 引言

全斷面隧道掘進機（盾構/TBM）俗稱盾構機，被稱為“世界工程機械之王”、工程機械中的“航空母艦”，它是集隧道掘進、出渣、拼裝隧道襯砌、導向糾偏功能于一體，廣泛應用于城市軌道交通、地下綜合管廊、鐵路及公路隧道工程、引水隧洞工程及軍事防護工程施工的特大型專用工程設備。全斷面隧道掘進機具有安全、快速、高效、不受氣候影響、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度等特點，可實現(xiàn)綠色施工，且安全保障程度高，成為隧道施工的主流技術和發(fā)展方向[1]。

1? 我國全斷面隧道掘進機的發(fā)展歷程

1963年，上海市隧道工程局研制了國產第一臺手掘式盾構，直徑4.2m。

1966年，中國制造出第一臺全斷面硬巖TBM，直徑3.5m。

20世紀90年代，我國才將TBM推廣應用到引水隧道、鐵路隧道及交通隧道等隧道工程中。

2002年，國家863計劃首次立項開展盾構機關鍵技術研究，正式拉開國家層面自主研發(fā)盾構機的序幕;國內首個國家級盾構產業(yè)化基地在河南新鄉(xiāng)落成，正式掀開了我國掘進機產業(yè)研發(fā)的新篇章。

2008年，國內首臺具有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構機在河南新鄉(xiāng)下線，實現(xiàn)了中國人從盾構關鍵技術到整機制造的歷史跨越，打破了“洋盾構”一統(tǒng)天下的局面，拉開中國盾構產業(yè)化的序幕。（圖1）

2013年，全球首臺雙模式煤礦斜井TBM通過驗收，標志著我國隧道技術運用于煤炭開采取得重大突破;我國研制成功當時世界上最大斷面的矩形掘進機，開創(chuàng)了城市地下空間開發(fā)與隧道建設的新模式。（圖2）

2014年，國產首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進機（敞開式TBM）在長沙下線，標志著我國在大型高端裝備制造領域已取得了重大突破。

2015年，全國首臺立井煤礦全斷面硬巖掘進機（TBM）在淮南張集礦實現(xiàn)貫通，是我國煤礦井下巖巷掘進具有里程碑意義的一場革命;亞洲最大直徑（14.1米）的土壓平衡盾構機下線;國產首臺單護盾巖石隧道掘進機（TBM）“領航一號”在重慶成功始發(fā);我國首臺雙護盾硬巖全斷面隧道掘進機（TBM）“新水源一號”在長沙下線，填補了中國雙護盾硬巖TBM研制的空白。

2016年，我國首臺雙X撐靴式TBM在鄭州下線，標志著我國隧道掘進機研制和產業(yè)化水平已經達到世界領先水平。

2016年，“國產首臺鐵路雙線大直徑泥水平衡盾構機”、“國產首臺高鐵大直徑泥水平衡盾構機”在長沙下線，標志著我國掘進裝備已經達到世界領先水平，也是我國高端地下裝備制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的又一座“里程碑”;世界首臺大斷面馬蹄形盾構——“蒙華號”順利始發(fā)，標志著我國在異型盾構領域處于世界領先水平。

2017年，我國國家標準公告2017年28號文“關于批準發(fā)布《全斷面隧道掘進機 盾構機安全要求》等5項國家標準的公告”，標志著首批全斷面隧道掘進機領域的國家標準正式發(fā)布;國產首臺最小直徑敞開式硬巖隧道掘進機（TBM）、國內首臺用于城際軌道交通工程的大型盾構機、國產首臺常壓換刀超大直徑泥水平衡盾構機“沅安號”等紛紛下線，標志著我國高端地下裝備制造的自主創(chuàng)新能力完全升級。

2018年，國產首臺鐵路大直徑在線式土壓/TBM雙模掘進機在長沙下線，填補了我國國產鐵路大直徑雙模掘進機系列當中土壓/TBM雙模掘進機的空白;我國首臺出口海外的超大直徑泥水氣壓平衡盾構機下線，打破了由發(fā)達國家對海外超大直徑盾構市場的壟斷;我國自主研制的最大直徑（直徑15.8米）的泥水平衡盾構機“春風號”在鄭州下線，標志著中國盾構的設計制造邁向高端化。

2019年，國內首臺螺旋輸送式雙模盾構機在佛山始發(fā)，標志著我國盾構機施工技術由中國制造向中國創(chuàng)造的重大轉變;中國內地直徑達16.03米的“和平號”泥水平衡盾構機順利下線，這是目前我國內地最大直徑盾構機。

2020年，世界最大斷面矩形盾構機“南湖號”成功下線，標志著我國矩形盾構設計制造技術再次刷新世界紀錄。

2? 我國全斷面隧道掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 由常規(guī)地鐵隧道向公路、鐵路隧道發(fā)展? 隧道的種類有很多，但實際開發(fā)和使用率最高的便是鐵路、公路隧道、城市軌道以及引水隧洞等。目前盾構法技術已在地鐵隧道建設中得到廣泛應用，但在公路、鐵路隧道建設中使用較少，未來盾構法技術在建設大直徑公路隧道、鐵路隧道中應用將成為一種趨勢。

2.2 微型盾構、管廊盾構設備發(fā)展? 微型盾構機全程在地下作業(yè)，避免了對沿線區(qū)域的明挖，轉變了對道路的“開膛破肚”的施工方式。用地下管廊建設管網(wǎng)后，專線專用，同時深埋地下，可以獨立地進行管網(wǎng)檢修，避免與其他管網(wǎng)“打腳”，最大程度減少管線遷改，進而減少對道路的反復開挖，破解拉鏈路尷尬。

2.3 綜合地下空間開發(fā)設備? 目前我國地下空間所包容的地物可分為交通系統(tǒng)、管線系統(tǒng)、商業(yè)娛樂系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、防災系統(tǒng)、其它可能轉入地下的設備系統(tǒng)。針對不同的地物需要開發(fā)不同的地下空間，需要采用不同的開發(fā)設備有效開發(fā)地下空間。

3? 我國全斷面隧道掘進機的發(fā)展趨勢

3.1 多元化發(fā)展趨勢

3.1.1 大直徑? 隨著社會的發(fā)展和施工的新要求，常規(guī)直徑的盾構法逐漸向大深度、大斷面、長距離的“大盾構”方向發(fā)展。大盾構施工的蓬勃之勢，是當今時代高新技術的集成和交通建設硬實力的體現(xiàn)。正是因為每一次在直徑上的突破都標志著人類對隧道掘進領域的一個突破，大盾構隧道因而成為整個隧道行業(yè)的一個具有代表性版塊。

3.1.2 小直徑? 根據(jù)國家大力推進城市市政管線改造、綜合管廊及海綿城市建設等相關產業(yè)政策導向[2]，未來中小直徑盾構機在各類市政管線及綜合管廊工程施工中的推廣應用前景將十分廣闊。

3.1.3 多模式? 單一模式盾構機是通過選型比選、適應性評估，選定土壓平衡式或泥水平衡式盾構機中的一種或者同時選定兩種，分別應用到工程中，從而增加了高額的費用。雙模式盾構機能夠同時滿足泥水盾構和土壓盾構掘進施工的工程環(huán)境，在不同的地層和不同的地表建構筑物等復雜環(huán)境，可選取不同模式進行掘進施工。

3.1.4 異形? 馬蹄形盾構機有調試、掘進、維保三種模式可供選擇進行全斷面切削。相對圓形盾構機的一個大刀盤旋轉、一套控制系統(tǒng)的“粗放”施工，馬蹄形盾構機可以針對不同土質層進行最大面積、最大角度的精細開挖;矩形盾構機采用矩形盾構施工，與以往傳統(tǒng)的明挖、暗挖以及箱涵頂推等的人工施工方法相比，具有施工安全性高、施工效率高，對周邊環(huán)境影響小的特點。與圓形盾構相比，矩形盾構施工，可使隧道的空間利用率提高近20%，且隧道埋深淺、坡度小，更有利于通行。

3.2 維度發(fā)展趨勢

3.2.1 斜井? 斜井掘進機是針對“埋深超長、連續(xù)下坡、富水高壓、地層多變”等困難地質條件下的技術難點，綜合盾構與TBM的優(yōu)點，開創(chuàng)的一種全新的施工法，滿足煤礦礦井建設安全、環(huán)保、快速的要求。煤礦斜井TBM投入使用將改變我國乃至世界煤礦礦井建設模式，推動煤礦建設技術升級，是煤礦建設模式的革命性變革。

3.2.2 豎井? 豎井掘進機設計以傳統(tǒng)豎井施工技術為基礎，結合隧道掘進機技術、物料垂直提升技術提出全斷面豎井掘進機設計理念。設備集成了開挖掘進系統(tǒng)、清渣、出渣系統(tǒng)、井壁支護系統(tǒng)和通風系統(tǒng)，其具有施工精度高，地層擾動小;盲井施工，開挖、出渣、砌壁同步施工，效率更高;設備掘進機可地面遠程控制，井下人員少;設備結構強、設計多層平臺，施工更安全;機械化程度高，人員勞動強度小，施工環(huán)境更好等優(yōu)點。

3.2.3 反井? 反井掘進機是將隧道掘進機和鉆井法鑿井機結合形成的井筒施工設備，目前在鐵路隧道建設應用比較少見。反井鉆機靠多刃盤形滾刀對巖石的擠壓、刮削及剪切破碎磨損巖石一次成孔，不僅保證了小斷面超深豎井的施工安全，更提高了豎井施工效率。

3.3 創(chuàng)新工法研究

3.3.1 地下停車場盾構法? 地下停車場的建設采用盾構技術不用大量拆遷，不用開挖地面，地面上無噪音、無塵土、不擾民，且全部采用自動化控制，工程進度比傳統(tǒng)明挖法要節(jié)省一半工期，因此是一種既可減少工程污染，又可大幅度節(jié)約工程投資的施工技術。

3.3.2 聯(lián)絡通道盾構法? 盾構法聯(lián)絡通道技術為聯(lián)絡通道修建提供了更加可行的技術選項，具有安全、優(yōu)質、高效、環(huán)保等優(yōu)勢，符合行業(yè)技術發(fā)展的趨勢，目前國內外均在開展相關技術的研發(fā)。

3.4 高端、智能技術

3.4.1 常壓換刀技術? 常壓換刀就是刀盤的每個輻臂都是一個密閉的空間，工人在正常的大氣壓下直接進入每個輻臂中，進行刀具更換操作，而隧道開挖面仍然能夠通過高壓氣體和泥漿獲得足夠的穩(wěn)定支撐。常壓換刀具有安全性高、換刀工期短、施工成本低等優(yōu)點。

3.4.2 刀具狀態(tài)感知技術? 盾構刀盤刀具的在線檢測技術一直都是研究的重點和難點。刀具的實時監(jiān)測系統(tǒng)由磨損感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及無線傳輸模塊3部分組成。電渦流磨損傳感器：有效測量刀刃的連續(xù)磨損量;轉速傳感器：四象限脈沖測量，測量轉速同時準備分辨滾刀區(qū)域;溫度傳感器：準備測量刀筒內部泥漿溫度，為滾刀狀態(tài)判斷提供數(shù)據(jù)。

3.4.3 輔助換刀技術? 輔助換刀技術可以有效降低工人換刀時的工作強度，提高工作效率，還能大大降低惡劣環(huán)境下盾構機換刀的危險系數(shù)。

3.4.4 智能系統(tǒng)? 全自動智能化管片拼裝技術——只需一個按鈕，盾構機就能實現(xiàn)隧道內管片的自動運輸抓舉拼裝，可以大幅提高管片拼裝質量與進度，更可減輕工人作業(yè)強度、提高拼裝效率;智慧化遠程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)——可以實時記錄盾構掘進數(shù)據(jù)，管理風險邊界，及時報警并提供解決措施預案，還可實現(xiàn)盾構機遠程故障診斷及遠程控制，實現(xiàn)盾構機全生命周期管控;綠色環(huán)保管路延長裝置——徹底解決了隧道內泥水溢出的施工環(huán)境污染;泥水分層逆銑循環(huán)技術——能有效應對巖溶復合地層及斷裂帶的掌子面塌方、泥水管路堵倉滯排、刀盤結泥餅等施工風險，迅速恢復刀盤掘進功能。

3.4.5 機器人? 自動換刀機器人系統(tǒng)是通過三自由度機械滑軌搭載蛇形六自由度機械臂，可以實現(xiàn)復雜空間內完成相應動作。配合設計的改進刀箱刀具單元以及機器人末端手爪，操作人員能夠在安全環(huán)境下遠程操控機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)對盾構機內部的刀具進行更換，提升換刀效率的同時確保了操作人員的安全。

焊接機器人控制系統(tǒng)具有橫焊、平焊、立焊三種位置的焊接數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫中層數(shù)、道數(shù)可靈活設置;具有坡口規(guī)劃和軌跡存儲功能，實現(xiàn)不規(guī)則坡口的多層多道自動焊，利用焊接機器人進行盾體自動焊接工作，與人工焊接工藝相比，焊接系統(tǒng)不僅能夠快速提高盾構機的焊接效率，同時也改善了焊接工藝質量。

4? 結語

盾構的施工是實現(xiàn)無人化智能掘進，實現(xiàn)在辦公室遠程控制盾構操作。中國盾構技術的愿景是實現(xiàn)數(shù)字化設計、模塊化制造、智能化掘進、遠程化管理，即輸入地質參數(shù)和隧道結構參數(shù)，就能設計出適應工程地質和水文地質的盾構。

參考文獻：

[1]劉雙.全斷面隧道掘進機領域國內外標準化工作簡析[J].煤建筑機械，2019（10）：18-21.

[2]錢七虎.建設城市地下綜合管廊，轉變城市發(fā)展方式[J].隧道建設，2017，37（1）：647-654.

[3]楊華勇，周星海，龔國芳.對全斷面隧道掘進裝備智能化的一些思考[J].隧道建設.2018，38（12）：1919-1926.