我國掘進(jìn)機(jī)研制現(xiàn)狀、問題和展望

李建斌

(中國中鐵股份有限公司， 北京 100039)

0 引言

近幾十年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國家重大工程如南水北調(diào)、西部大開發(fā)、西氣東輸、川藏鐵路等相繼開工，城市軌道交通、地下空間開發(fā)和跨區(qū)域交通不斷推進(jìn)，中國的隧道和地下工程修建規(guī)模和難度均為世界最大[1-4]。在國家戰(zhàn)略和市場需求的推動(dòng)下，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)作為集機(jī)、電、液、信息、人工智能于一體的現(xiàn)代化隧道專用裝備，在中國也獲得了巨大的發(fā)展，由原來的國外壟斷逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，并走向世界[5-6]。

尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國掘進(jìn)機(jī)制造企業(yè)迅速崛起，在20年的時(shí)間里，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。中國涌現(xiàn)了中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司(簡稱中鐵裝備)、中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司(簡稱鐵建重工)、上海隧道工程股份有限公司(簡稱上海隧道股份)、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司(簡稱中交天和)、北方重工集團(tuán)有限公司(簡稱北方重工)等幾十家掘進(jìn)機(jī)制造企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)、頂管掘進(jìn)機(jī)等系列產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到或者超過了國際同類產(chǎn)品[7-8]。但是，由于我國隧道施工涵蓋了鐵路公路交通、水利水電、能源礦山、市政工程等多個(gè)領(lǐng)域，工程分布于國內(nèi)不同地域，施工需求和地質(zhì)環(huán)境差異很大。同時(shí)，隨著人們對(duì)施工智能、綠色、環(huán)保等要求的不斷提高，掘進(jìn)機(jī)作為一種“量體裁衣”的高端裝備，其設(shè)計(jì)制造也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)[9-10]。

筆者在總結(jié)我國掘進(jìn)機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上指出當(dāng)前我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展中存在的一些問題，探討我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)未來的發(fā)展方向和策略，以期能為促進(jìn)我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)進(jìn)步和掘進(jìn)機(jī)行業(yè)健康發(fā)展提供參考。

1 國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)研制技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 3大主力機(jī)型的發(fā)展躍上新高度

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)包括盾構(gòu)和TBM，我國習(xí)慣上將用于水下及軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)，將用于巖石地層的掘進(jìn)機(jī)稱為TBM。

掘進(jìn)機(jī)技術(shù)起源于歐美國家，在我國起步較晚。我國盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展大致分為3個(gè)歷史時(shí)期： 1)1953—2002年是我國盾構(gòu)技術(shù)的探索期，中國相繼研制了多種類型的盾構(gòu)，開始了盾構(gòu)的自主生產(chǎn)制造； 2)2003—2008年是我國盾構(gòu)技術(shù)的消化吸收階段，中國成功研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)； 3)2009年起我國進(jìn)入到盾構(gòu)技術(shù)跨越發(fā)展期，中國盾構(gòu)自主創(chuàng)新能力顯著提升，盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國產(chǎn)盾構(gòu)開始走向世界。

我國的TBM設(shè)計(jì)制造也主要經(jīng)歷了3個(gè)階段： 1)1964—1984年是我國的TBM自主探索制造時(shí)期，水利水電、煤礦等行業(yè)相繼研發(fā)了我國第1代TBM和第2代TBM，但是與同時(shí)期國外TBM技術(shù)水平相差甚遠(yuǎn)； 2)1985—2012年是我國TBM技術(shù)引進(jìn)、消化吸收階段，羅賓斯、海瑞克、法馬通、賽利等公司的TBM產(chǎn)品隨著國外承包商進(jìn)入中國市場，國外TBM生產(chǎn)商與我國企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)制造了多臺(tái)TBM； 3)2013年起我國TBM研制進(jìn)入自主研發(fā)創(chuàng)新階段，以中鐵裝備、鐵建重工等掘進(jìn)機(jī)制造企業(yè)為代表，聯(lián)合國內(nèi)高等院校和科研單位，拉開了國產(chǎn)TBM設(shè)計(jì)制造的序幕。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，特別是近10年以來，中國土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)3種主力機(jī)型的自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨成熟。伴隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和隧道施工需求的不斷提升，國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)不斷突破新高度。

1.1.1 土壓平衡盾構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

2004年10月，上海隧道股份研發(fā)的中國首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土壓平衡盾構(gòu)——“先行號(hào)”樣機(jī)，在上海地鐵2號(hào)線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)；2008年4月，中鐵隧道局集團(tuán)自主研發(fā)制造的首臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)——“中鐵1號(hào)”，在天津地鐵項(xiàng)目中順利下穿“瓷房子”、渤海大樓等標(biāo)志性建筑，地表沉降在3 mm以內(nèi)。這2臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)從關(guān)鍵技術(shù)向整機(jī)制造的跨越，打破了國外企業(yè)長期以來在盾構(gòu)制造方面的技術(shù)壟斷。

伴隨著土壓平衡盾構(gòu)的不斷推廣，盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)能力逐漸提升，相繼在成都富水砂卵石地層、華南上軟下硬地層、武漢全斷面泥巖砂巖、華東極軟土地層等典型地層中成功應(yīng)用。土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，如冷凍換刀技術(shù)、刀具狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)、壓力動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)糾偏技術(shù)等，取得重大進(jìn)展，其應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。典型工程案例如下：

1)香港蓮塘公路隧道。

2015年4月，亞洲最大直徑土壓平衡盾構(gòu)在北方重工下線(見圖1)。盾構(gòu)的開挖直徑為14.1 m，整機(jī)質(zhì)量約3 370 t，整機(jī)長度110 m。設(shè)備配置了Mobydic蛇形探測臂及Telemac三維模擬系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)勘察開挖面。

圖1 香港蓮塘公路隧道盾構(gòu)

2)太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道。

2016年10月，由中鐵裝備設(shè)計(jì)制造、用于太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道的12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)下線(見圖2)。設(shè)備獨(dú)頭掘進(jìn)4 850 m卵石、圓礫、黃土、粉土地層，最大卵石粒徑達(dá)870 mm。

圖2 太原樞紐西南環(huán)線鐵路隧道12.14 m大直徑土壓平衡盾構(gòu)

針對(duì)長距離的卵石地層，設(shè)備設(shè)計(jì)采用大口徑螺旋輸送機(jī)，并創(chuàng)新地開發(fā)了大粒徑卵石出渣及篩分系統(tǒng)，為長距離、大卵石物消化料運(yùn)輸提供保障；可拆卸式擋板的設(shè)計(jì)與多層刀具布置，可根據(jù)地質(zhì)變化相應(yīng)地調(diào)整刀盤開口率，廣泛適應(yīng)長距離復(fù)雜地質(zhì)的掘進(jìn)。同時(shí)，提出了主動(dòng)式艙內(nèi)中心攪拌系統(tǒng)和沖刷系統(tǒng)，解決了大斷面盾構(gòu)在黏土地層中心結(jié)泥餅的問題。除此之外，淺覆土拱頂塌方檢測、同步拱頂壓力平衡、掌子面輔助支撐系統(tǒng)有效解決了工程穿越建筑物和淺覆土地層時(shí)的沉降問題。

目前隧道已貫通，最高日掘進(jìn)24 m，地表沉降控制在±15 mm。該設(shè)備是目前世界上超過12 m的大直徑土壓盾構(gòu)穿越復(fù)雜地層距離最長的盾構(gòu)，同時(shí)首次應(yīng)用于單洞雙線長距離鐵路隧道。

3)武漢地鐵27號(hào)線。

2016年鐵建重工首臺(tái)采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的盾構(gòu)在武漢地鐵27號(hào)線成功始發(fā)。永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有節(jié)能環(huán)保高效、簡化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、電機(jī)控制簡單穩(wěn)定、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高等特點(diǎn)，降低了能耗，方便維護(hù)保養(yǎng)。該技術(shù)的成功運(yùn)用，標(biāo)志著掘進(jìn)機(jī)在節(jié)能技術(shù)研究上又邁進(jìn)一步。

隨著國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)的成熟，國產(chǎn)盾構(gòu)開始走向世界舞臺(tái)，用于迪拜DS233/2深埋雨水隧道項(xiàng)目的2臺(tái)直徑11.05 m的盾構(gòu)(見圖3)最高日進(jìn)尺40 m、最高月進(jìn)尺970 m；服役于多哈排水隧洞的土壓平衡盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)10 km，創(chuàng)造了全球盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)的紀(jì)錄。出口法國的2臺(tái)盾構(gòu)直徑9.86 m、出口意大利的盾構(gòu)直徑10.03 m、出口阿爾及利亞的盾構(gòu)直徑10.5 m、出口哥本哈根的盾構(gòu)直徑5.81 m等，這些盾構(gòu)將國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)帶入世界舞臺(tái)。

圖3 迪拜項(xiàng)目直徑11.05 m的土壓平衡盾構(gòu)

1.1.2 泥水平衡盾構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

2008年，國家863項(xiàng)目(泥水平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)與樣機(jī)研制)成功研制了國內(nèi)第1臺(tái)具有完全自主產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)泥水盾構(gòu)，國產(chǎn)泥水盾構(gòu)迎來了跨越發(fā)展時(shí)期。在蘭州地鐵1號(hào)線穿黃工程、武漢地鐵6號(hào)線琴臺(tái)站等項(xiàng)目中，常規(guī)泥水平衡盾構(gòu)在卵石、泥巖等復(fù)合地層成功應(yīng)用，國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)在國內(nèi)市場的占有份額不斷擴(kuò)大，繼而應(yīng)用至廣州—深圳—珠海城際軌道交通線、洛陽地鐵、福州地鐵等多個(gè)重大項(xiàng)目，并推廣至海外，如新加坡地鐵湯申線等。

隨著市場的不斷開發(fā)，地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境惡劣的項(xiàng)目越來越多，泥水平衡盾構(gòu)朝著長距離、大埋深、高水壓、大直徑的方向發(fā)展[11-12]。如已貫通的廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、蘇通電力管廊隧道，施工壓力達(dá)到了約0.8 MPa；正在施工設(shè)計(jì)的俄東線天然氣管道工程，獨(dú)頭掘進(jìn)里程約10.3 km、凈水頭壓力達(dá)0.73 MPa；未來的煙大渤海海峽、瓊州海峽隧道工程,壓力將超過1.4 MPa，隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)設(shè)計(jì)與施工都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)也不斷提出針對(duì)性的創(chuàng)新技術(shù)，如常壓換刀刀盤、高精度保壓、主驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償式高承壓密封系統(tǒng)、刀具狀態(tài)智能監(jiān)測、雙破碎渣土分級(jí)處理等技術(shù)在多個(gè)項(xiàng)目中得到了工程應(yīng)用，不斷拓寬泥水平衡盾構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)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陽鐵路客運(yùn)專線的雙洞單線隧道，速度達(dá)350 km/h，全長8 km，地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉砂地層為主，采用了4臺(tái)國產(chǎn)化的大直徑泥水平衡盾構(gòu)(中鐵裝備與鐵建重工各2臺(tái))，開挖直徑分別為10.9 m和10.87 m(見圖4)。盾構(gòu)從2016年12月開始陸續(xù)始發(fā)，2018年8月全線貫通，掘進(jìn)需下穿北京機(jī)場快軌，地表沉降控制要求極高。

盾構(gòu)針對(duì)性地配置了四回路保壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度、快響應(yīng)氣墊壓力平衡控制，在施工時(shí)，壓力精準(zhǔn)控制在±0.005 MPa，最終實(shí)現(xiàn)地表沉降控制在1 mm之內(nèi)。施工同時(shí)全程使用了泥漿管路延伸“零排放”技術(shù)，通過收漿泵將泥漿管內(nèi)的泥漿重新打回艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速漿液回收，整個(gè)隧道環(huán)境干凈、友好。該工程無論是在壓力控制還是綠色施工方面，都表現(xiàn)出了我國高水平盾構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。

圖4 京沈望京隧道泥水平衡盾構(gòu)

2)汕頭海灣隧道。

汕頭海灣隧道是連通汕頭灣南北兩岸的過海隧道，線路全長約6.68 km，幾乎全程在海面下掘進(jìn)，最大水壓力為0.45 MPa。地層以始發(fā)段孤石、淤泥、淤泥質(zhì)土，中粗砂以及3段基巖凸起為主，其中凸起段花崗巖高度約6.3 m，強(qiáng)度達(dá)到210 MPa。工程采用了中鐵裝備研制的盾構(gòu)，開挖直徑15.03 m，這也是我國自主研制的首臺(tái)15 m級(jí)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)(見圖5)。

設(shè)備采用了常壓換刀刀盤，通過在中空箱體閉式刀盤中間安裝開合裝置，實(shí)現(xiàn)人員常壓環(huán)境下的刀具更換；國產(chǎn)的常壓換刀技術(shù)也在本項(xiàng)目孤石、基巖凸起、砂層地層的應(yīng)用中不斷優(yōu)化，為高水壓工程提供了可靠的換刀技術(shù)。同時(shí)，設(shè)備開發(fā)了刀具狀態(tài)智能診斷技術(shù)，通過實(shí)時(shí)獲取刀具的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)時(shí)感知刀具使用狀態(tài)。此外，設(shè)備還搭載了補(bǔ)償式高承壓密封系統(tǒng)、推進(jìn)油缸自由分組、伸縮擺動(dòng)主驅(qū)動(dòng)等多個(gè)創(chuàng)新技術(shù)。隧道于2018年10月盾構(gòu)始發(fā)，2020年8月貫通，開創(chuàng)了國產(chǎn)超大直徑盾構(gòu)服役于我國越江跨海隧道建設(shè)的新篇章。

圖5 汕頭海灣隧道泥水平衡盾構(gòu)

3)深圳春風(fēng)隧道。

春風(fēng)隧道是為解決春風(fēng)高架和羅芳立交等節(jié)點(diǎn)交通擁堵問題而啟動(dòng)的重大項(xiàng)目。盾構(gòu)段全長3.6 km，最小平曲線半徑750 m，主要穿越地層為花崗巖、片巖、砂巖、糜棱巖，需穿越11條破碎帶，同時(shí)下穿布吉河、海關(guān)宿舍樓、深圳站等。無論是施工規(guī)模還是施工難度，春風(fēng)路隧道均為國內(nèi)同類工程之首。

工程采用了中鐵裝備研制的開挖直徑為15.8 m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)(見圖6)，配置有常壓換刀刀盤、伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)、刀具狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測等技術(shù)。此外，搭載了雙破碎分級(jí)處理渣土技術(shù)?？紤]氣墊艙內(nèi)可能出現(xiàn)的堵艙滯排現(xiàn)象，基于多級(jí)處理的理念，在排漿泵前設(shè)置滾齒破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)渣石分級(jí)破碎和增大排渣粒徑的目的，降低了大粒徑渣石堵艙、卡泵風(fēng)險(xiǎn)，這也是該項(xiàng)技術(shù)首次在大直徑盾構(gòu)上應(yīng)用(見圖7)。針對(duì)性開發(fā)的小曲線掘進(jìn)卡盾預(yù)警系統(tǒng)，順利地指導(dǎo)設(shè)備穿越R750 mm轉(zhuǎn)彎段。目前這臺(tái)盾構(gòu)已掘進(jìn)1 200 m，單日最大掘進(jìn)進(jìn)尺12 m，是我國高端泥水盾構(gòu)的代表。

圖6 春風(fēng)隧道泥水平衡盾構(gòu)

圖7 雙破碎分級(jí)處理渣土技術(shù)

2020年9月，2臺(tái)由鐵建重工和中交天和研制的開挖直徑為16.1 m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下線，這是目前我國自主研發(fā)的最大直徑盾構(gòu)，應(yīng)用于北京東六環(huán)提升改造工程，將挑戰(zhàn)獨(dú)頭掘進(jìn)7.5 km的難題。深江鐵路珠江口隧道作為深圳至江門鐵路的重點(diǎn)工程，盾構(gòu)段全長約6 km，最大凈水頭壓力約為1.06 MPa，盾構(gòu)開挖直徑13.3/13.4 m，設(shè)計(jì)壓力達(dá)到1.2 MPa，是目前國內(nèi)設(shè)計(jì)壓力最高的泥水盾構(gòu)。

此外，深圳媽灣隧道(直徑15.53 m)、南京和燕路隧道(直徑15.01 m)、杭州艮山東路過江隧道(直徑15.01 m)等都采用國產(chǎn)泥水盾構(gòu)施工，工程應(yīng)用證明國產(chǎn)泥水盾構(gòu)技術(shù)可靠、先進(jìn)?，F(xiàn)國產(chǎn)泥水盾構(gòu)已陸續(xù)出口海外市場，如印度的12.8 m泥水盾構(gòu)、波蘭希維諾烏伊西切的13.46 m泥水盾構(gòu)等。

1.1.3 TBM發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，由中鐵裝備和鐵建重工分別研制的2臺(tái)8 m級(jí)敞開式TBM成功下線(見圖8)，應(yīng)用于吉林引松供水工程，標(biāo)志著中國TBM具有了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨后蘭州水源地引水工程、新疆ABH工程、新疆EH工程、內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼工程、大瑞鐵路高黎貢山隧道等國內(nèi)一大批重大工程全部采用了國產(chǎn)TBM，由中鐵裝備、鐵建重工、北方重工等企業(yè)自主設(shè)計(jì)制造。經(jīng)過設(shè)計(jì)企業(yè)、施工企業(yè)、學(xué)者、專家的長期研究攻關(guān)，TBM關(guān)鍵技術(shù)水平不斷提升， TBM刀盤、盤形滾刀、主驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵部件性能獲得極大提高、使用壽命增長[13-16]，同時(shí)TBM的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由傳統(tǒng)隧道(洞)領(lǐng)域擴(kuò)展到煤礦巷道開挖、抽水蓄能電站等項(xiàng)目[17-18]。目前，國產(chǎn)TBM已經(jīng)占據(jù)我國TBM的主流市場，涵蓋了敞開式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾全類型TBM，實(shí)現(xiàn)了TBM裝備的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。同時(shí)，國產(chǎn)TBM逐漸走向海外，應(yīng)用于黎巴嫩大貝魯特引水項(xiàng)目、澳大利亞雪山2.0項(xiàng)目、格魯吉亞Kvesheti-Kobi公路隧道等國外項(xiàng)目。

圖8 吉林引松供水工程敞開式TBM

1)吉林引松供水工程。

吉林引松供水工程總干線隧洞全長72.3 km，開挖直徑7.93 m，采用了“永吉號(hào)”、“長春號(hào)”2臺(tái)國產(chǎn)TBM和1臺(tái)羅賓斯公司TBM施工。掘進(jìn)地層較為復(fù)雜，面臨巖石強(qiáng)度高、石英含量高、斷層破碎帶、風(fēng)化灰?guī)r、涌水等不良地質(zhì)。2臺(tái)國產(chǎn)TBM自2015年上半年始發(fā)，至2018年中貫通，創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺86.5 m、最高月進(jìn)尺1 318.7 m的掘進(jìn)紀(jì)錄。單臺(tái)TBM施工距離超17 km，設(shè)備完好率最高達(dá)98.1%，項(xiàng)目工期分別提前9個(gè)月和1年多。其中，“永吉號(hào)”TBM成功穿越7.9 km長的巖溶灰?guī)r區(qū)地層，屬國內(nèi)首例。吉林引松供水項(xiàng)目的成功，是我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)TBM的開始，為國產(chǎn)TBM的推廣帶來了極大的信心。后續(xù)開工的新疆EH工程，主洞總長約516 km，項(xiàng)目共采用18 臺(tái)TBM施工，均由中鐵裝備、鐵建重工和北方重工3家國內(nèi)廠家生產(chǎn)。

2)大瑞鐵路高黎貢山隧道。

云南大瑞鐵路高黎貢山隧道正洞開挖直徑9.03 m，采用中鐵裝備研發(fā)的 “彩云號(hào)”敞開式TBM掘進(jìn)(見圖9)，計(jì)劃掘進(jìn)長度12.37 km。隧道以花崗巖為主，Ⅳ—Ⅴ類圍巖占比超過50%，飽和抗壓強(qiáng)度為20～65 MPa。隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜，具有“三高”(高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動(dòng)力地質(zhì)條件、活躍的岸坡度淺表改造過程)的地質(zhì)特征，對(duì)TBM設(shè)計(jì)、制造提出了極大挑戰(zhàn)。“彩云號(hào)”TBM針對(duì)高黎貢山隧道軟弱地層、斷層破碎帶、高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力等諸多不良地質(zhì)提出解決方案，在大直徑高性能刀盤設(shè)計(jì)、長距離變截面開挖、快速聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、高效物料運(yùn)輸系統(tǒng)、前方災(zāi)害源超前預(yù)警等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破與創(chuàng)新?！安试铺?hào)”TBM的應(yīng)用，是TBM首次嘗試穿越橫斷山脈軟弱破碎地層，將大大增強(qiáng)TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性及應(yīng)用范圍。

圖9 高黎貢山項(xiàng)目“彩云號(hào)”TBM

3)福建龍巖市萬安溪引水工程隧洞。

2019年6月，國內(nèi)首臺(tái)高壓水力耦合破巖“龍巖號(hào)”TBM在中鐵裝備下線(見圖10)，應(yīng)用于福建龍巖市萬安溪引水工程隧洞。該工程地層主要為黑云母花崗巖、花崗閃長巖、石英砂巖和石英礫巖，大部分巖石強(qiáng)度超過200 MPa。之前我國已經(jīng)在西康鐵路秦嶺隧道、云南那邦水電站引水隧洞、引漢濟(jì)渭工程等極硬巖工程中采用維爾特、羅賓斯、海瑞克等國外廠家的TBM施工，但滾刀磨損、異常損壞現(xiàn)象頻發(fā)，掘進(jìn)極其緩慢。極硬巖環(huán)境對(duì)于TBM刀盤刀具性能、關(guān)鍵部件壽命、掘進(jìn)效率和施工成本等造成極大困擾和挑戰(zhàn)?！褒垘r號(hào)”TBM搭載了高壓水力破巖系統(tǒng)，借助高壓水射流的沖擊作用使掌子面巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋或者破碎，再結(jié)合滾刀破巖實(shí)現(xiàn)掌子面巖石開挖作業(yè)。通過“水刀”和滾刀的耦合破巖，提升了TBM在極硬巖地層的掘進(jìn)能力。

圖10 高壓水力耦合破巖“龍巖號(hào)”TBM下線

1.1.4 3大機(jī)型現(xiàn)狀分析

1)產(chǎn)業(yè)化情況。隧道掘進(jìn)機(jī)3大主力機(jī)型自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷成熟，實(shí)現(xiàn)了直徑3～16 m全尺寸系列的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并且逐漸向微型化和超大型化擴(kuò)展。目前，國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)90%以上的市場份額(見表1)，并且逐漸走向海外市場。

2)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。掘進(jìn)機(jī)技術(shù)瓶頸不斷突破，自主創(chuàng)新水平不斷提升： ①土壓平衡盾構(gòu)在渣土改良技術(shù)方面取得突破，泡沫、膨潤土、聚合物等改良劑的合理配比，降低了螺旋輸送機(jī)噴涌、刀盤結(jié)泥餅等問題； ②泥水盾構(gòu)承壓能力不斷提高，尤其是在常壓換刀技術(shù)與補(bǔ)償式高承壓技術(shù)方面取得突破，國產(chǎn)盾構(gòu)已經(jīng)能適應(yīng)1 MPa以上工作壓力，同時(shí)自主創(chuàng)新的氣墊式直排技術(shù)、雙破碎分級(jí)處理渣土技術(shù)在緩解泥水盾構(gòu)堵艙滯排現(xiàn)象方面具有較好的效果； ③TBM在應(yīng)對(duì)極硬巖、斷層破碎帶、軟巖大變形、涌水等不良地質(zhì)方面適應(yīng)性不斷提升，在刀具材料、工藝方面取得技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了耐磨增韌滾刀的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

表1 2019年國產(chǎn)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)

3)智能化水平不斷提升。開發(fā)的刀具狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷技術(shù)，能夠監(jiān)測并獲取刀具受力、轉(zhuǎn)速、溫度、磨損量等參數(shù)，正在逐步實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)“可知”；開發(fā)的開挖艙可視化監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)土艙、刀盤刀具、掌子面等部位進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)了開挖艙“可視”；TBM隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)前方不良地質(zhì)的“可探”。

4)衍生機(jī)型逐漸增多。由于應(yīng)用環(huán)境的逐漸擴(kuò)展，在常規(guī)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，逐漸衍生出了多種模式的掘進(jìn)機(jī)。例如： 土壓-泥水雙模式盾構(gòu)，兼具土壓平衡和泥水平衡2種掘進(jìn)模式，在白云機(jī)場、南寧地鐵等項(xiàng)目成功應(yīng)用；土壓-TBM雙模式盾構(gòu)，可同時(shí)適應(yīng)軟土地層、破碎地層和硬巖地層，在青島地鐵8號(hào)線、廣佛環(huán)線等項(xiàng)目成功應(yīng)用；泥水-敞開雙模式TBM，采用泥水模式應(yīng)用于地質(zhì)穩(wěn)定性較差的軟土、軟泥、高水壓等地層帶壓掘進(jìn)，采用敞開模式應(yīng)用于地質(zhì)穩(wěn)定性較好的硬巖地層常壓掘進(jìn)；雙結(jié)構(gòu)TBM，是在傳統(tǒng)敞開式TBM的基礎(chǔ)上，增加管片安裝和輔助推進(jìn)功能，以應(yīng)對(duì)巖爆、軟弱圍巖、斷層破碎帶等不良地質(zhì)。各種新型式的掘進(jìn)機(jī)，提升了掘進(jìn)機(jī)地質(zhì)適應(yīng)能力，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)一步推廣具有重要意義。

1.2 異形斷面掘進(jìn)機(jī)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平

隨著我國海綿城市、城市立體交通、人防戰(zhàn)略等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入推進(jìn)，隧道斷面多樣化需求急劇增加。相比圓形隧道，異形斷面隧道具有斷面靈活、空間利用率高、功能匹配性強(qiáng)等特點(diǎn)。在圓形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)快速發(fā)展的同時(shí)，我國異形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)也得到了長足的發(fā)展。國產(chǎn)異形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)經(jīng)歷了從模仿跟隨到同步突破再到創(chuàng)新引領(lǐng)的發(fā)展歷程，特別是在異形全斷面切削、異形護(hù)盾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)雜位姿測控、異形斷面渣土改良和排放、異形管片拼裝等方面取得關(guān)鍵技術(shù)突破，形成了馬蹄形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)、矩形頂管機(jī)等多種類型的異形斷面掘進(jìn)機(jī)[19-21]。

1.2.1 馬蹄形盾構(gòu)

2016年7月，由中鐵裝備研制的土壓平衡馬蹄形盾構(gòu)在鄭州成功下線，這是世界首臺(tái)超大斷面馬蹄形盾構(gòu)(見圖11)，應(yīng)用于浩吉鐵路白城隧道。該隧道為單洞雙線電氣化重載煤運(yùn)鐵路隧道，隧道斷面呈“馬蹄形”，尺寸大于11 m，全長3 345 m，最大埋深81 m。馬蹄形盾構(gòu)較圓形盾構(gòu)截面減少了10%～15%的開挖面積。在開挖進(jìn)度上，鉆爆法施工即使4個(gè)掌子面同時(shí)作業(yè)，單日進(jìn)尺最多4 m，且投入人力、物力較大；盾構(gòu)法施工僅需單個(gè)掌子面作業(yè)，不僅使得作業(yè)人員大幅度減少，而且單日進(jìn)尺可達(dá)10 m以上。較之鉆爆法，盾構(gòu)法在投入人員減少至少3/4的前提下，提高了2.5倍以上的效率。

圖11 馬蹄形盾構(gòu)

1.2.2 矩形盾構(gòu)/頂管機(jī)

20世紀(jì)90年代以后，我國開始對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)開展技術(shù)研究和應(yīng)用，應(yīng)用案例主要集中在長三角、珠三角等沿海發(fā)達(dá)地區(qū)。1995—2010年，國內(nèi)已經(jīng)相繼研制了2.5 m×2.5 m可變網(wǎng)格式矩形斷面掘進(jìn)機(jī)、3.8 m×3.8 m土壓平衡矩形頂管機(jī)、20 m×6.2 m敞開式矩形盾構(gòu)等多種類型矩形掘進(jìn)機(jī)，并得到了成功應(yīng)用。

2010年以后，隨著我國城市發(fā)展理念的不斷轉(zhuǎn)變，矩形頂管技術(shù)逐步在全國推廣，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，工程條件更加復(fù)雜多樣，開挖斷面也越來越大，典型施工案例見表2。2020年6月18日，由中鐵裝備生產(chǎn)的世界最大斷面矩形頂管機(jī)“南湖號(hào)”順利下線(見圖12)，應(yīng)用于嘉興快速路環(huán)線項(xiàng)目下穿南湖大道工程。該設(shè)備開挖斷面尺寸為14.82 m×9.446 m，采用6前8后多刀盤低擾動(dòng)開挖、盾體分塊優(yōu)化、多螺機(jī)出渣以及自動(dòng)減摩等技術(shù)，解決了超大斷面矩形頂管施工一次開挖成型、主機(jī)姿態(tài)控制以及土體沉降控制等技術(shù)難題。同年10月21日頂管機(jī)破土而出，完成隧道的雙向貫通任務(wù)，開創(chuàng)了矩形頂管應(yīng)用于3車道矩形隧道的先例，示范效應(yīng)顯著。

表2 矩形頂管典型施工案例

通過以上工程的實(shí)踐，矩形頂管技術(shù)在多個(gè)方面取得了突破與創(chuàng)新：

1)矩形頂管機(jī)的研發(fā)和制造水平大幅提升，主要體現(xiàn)在種類更多、功能更全、可靠性更高、成本更低；

2)驗(yàn)證了泥水平衡矩形頂管機(jī)的適應(yīng)性；

3)矩形頂管機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)性從淤泥軟土地層擴(kuò)展到砂層、卵石層；

4)攻克了超大斷面、超淺覆土、超小間距、超長距離的頂進(jìn)技術(shù)；

5)減摩注漿技術(shù)水平得到較大程度提高；

6)姿態(tài)控制、沉降控制技術(shù)日趨成熟；

7)探索了組合式矩形頂管機(jī)的施工工藝。

圖12 “南湖號(hào)”矩形頂管機(jī)

1.2.3 聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)機(jī)

聯(lián)絡(luò)通道是設(shè)置在2條并行主隧道之間的通道，實(shí)現(xiàn)2條隧道的相互連通，在隧道排水、維護(hù)、檢修、消防、逃生等方面起著至關(guān)重要的作用。聯(lián)絡(luò)通道具有斷面小、施工距離短、與主隧道有較高的匹配性等特點(diǎn)，施工過程中不僅要考慮自身結(jié)構(gòu)和地面構(gòu)筑物的安全，更要確保主隧道的安全穩(wěn)定。傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)通道施工常采用的地層加固方式有注漿加固、冷凍加固等，工法機(jī)械化程度較低，具有施工周期長、前期準(zhǔn)備工作及輔助工法的投入多、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題。

2016年，寧波地鐵、中鐵上海局、中鐵裝備、寧波大學(xué)等單位組成的聯(lián)合體，對(duì)采用盾構(gòu)法和頂管法施工地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工工法、施工設(shè)備、施工工序進(jìn)行深入研究。寧波地鐵2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線，共有26座聯(lián)絡(luò)通道，最短區(qū)間10.79 m，最長區(qū)間36 m，先后嘗試了盾構(gòu)法和頂管法施工。其中，首條盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道試驗(yàn)段為3號(hào)線鄞南區(qū)間，區(qū)間長度為17.04 m，覆土埋深約16 m，主要地質(zhì)為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土。聯(lián)絡(luò)通道管片直徑為3 150/2 650 mm(外徑/內(nèi)徑)，環(huán)寬550 mm。成型消防通道高2 050 mm，寬1 400 mm。項(xiàng)目平均日進(jìn)度1.5 m，最快日進(jìn)度2 m，相比較凍結(jié)法節(jié)約工期80 d以上，單條通道施工節(jié)約成本50萬元。寧波地鐵聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目雖然采用的是圓形掘進(jìn)機(jī)施工，但卻是我國首個(gè)真正意義上的機(jī)械法施工聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目，對(duì)于矩形支線掘進(jìn)機(jī)的施工有一定的參考意義。

1.3 豎井掘進(jìn)機(jī)開始應(yīng)用

豎井是礦藏開采、水利水電、國防建設(shè)、交通隧道等地下工程的重要組成部分，其通常的修建方法為普通鑿井法和鉆井法。近年來，隨著我國對(duì)豎井施工領(lǐng)域機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化需求的不斷提高，豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于豎井施工項(xiàng)目[22-23]。目前在國內(nèi)主要形成了SBM(shaft boring machine)豎井掘進(jìn)機(jī)、沉井掘進(jìn)機(jī)、擴(kuò)孔式豎井掘進(jìn)機(jī)等幾種新型豎井掘進(jìn)機(jī)。

1.3.1 SBM豎井掘進(jìn)機(jī)

SBM豎井掘進(jìn)機(jī)是將全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)設(shè)計(jì)理論引入豎井施工，能夠一次完成豎井隧洞開挖、支護(hù)、出渣等功能的大型豎井施工裝備。設(shè)備通過地面遠(yuǎn)程控制，井下人員少、機(jī)械化程度高。相比傳統(tǒng)鉆爆法，具有成洞質(zhì)量好、施工效率高、施工更安全的特點(diǎn)。其適用于地質(zhì)條件好、圍巖穩(wěn)定的中—高強(qiáng)度巖層的大深豎井開挖。

浙江寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井項(xiàng)目豎井深度198 m，開挖直徑為7.83 m。排風(fēng)豎井井口0～5 m為強(qiáng)風(fēng)化層，圍巖為Ⅳ類；井深5～25 m 為弱風(fēng)化巖石，陡傾角節(jié)理較發(fā)育，局部密集，圍巖較破碎為主，成井條件差，圍巖為Ⅳ—Ⅲ類；井深25 m以下為微新巖石，以完整性差—較完整巖體為主，成洞條件好，圍巖為Ⅲ—Ⅱ類。該項(xiàng)目首次使用了中鐵裝備研制的1臺(tái)直徑7.83 m的SBM豎井掘進(jìn)機(jī)(見圖13和圖14)，整機(jī)采用分體式設(shè)計(jì)，分為主機(jī)和后配套吊盤系統(tǒng)。刀盤采用滾刀擠壓破巖，破碎的巖渣通過刮板鏈清渣、斗提機(jī)提渣、吊桶出渣3級(jí)出渣系統(tǒng)排出洞外。目前已經(jīng)完成整機(jī)的組裝、調(diào)試等工作，正在進(jìn)行地面設(shè)備的安裝。該項(xiàng)目對(duì)于國內(nèi)各抽水蓄能電站及其他行業(yè)相同類型的大直徑、深豎井施工具有示范意義。

圖13 SBM豎井掘進(jìn)機(jī)

圖14 寧海項(xiàng)目施工現(xiàn)場

1.3.2 沉井掘進(jìn)機(jī)

CTM(caisson tunneling machine)沉井掘進(jìn)機(jī)是結(jié)合沉井工法的一款新型懸臂式開挖掘進(jìn)機(jī)。該掘進(jìn)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、基坑斷面可變、施工效率高、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、成井精度高等特點(diǎn)。設(shè)備開挖系統(tǒng)采用多組銑挖頭式開挖裝置，通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成全斷面開挖，根據(jù)地質(zhì)含水率可采用抓斗出渣或泥水出渣的形式，具有較高的地質(zhì)適應(yīng)性。CTM沉井掘進(jìn)機(jī)可用于橋梁基礎(chǔ)工程、市政工程的給排水工程、地下停車場、礦用豎井、國防豎井等各項(xiàng)工程中。目前沉井掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)豎井項(xiàng)目，表現(xiàn)優(yōu)異。隨著地下空間的不斷開發(fā)，沉井掘進(jìn)機(jī)未來推廣價(jià)值極高。

1.3.3 擴(kuò)孔式豎井掘進(jìn)機(jī)

由中國煤科旗下北京中煤自主研發(fā)的“金沙江1號(hào)”豎井掘進(jìn)機(jī)(見圖15)，鉆井直徑5.8～6.0 m，鉆井深度800～1 000 m，適用于下部已有開挖巷道的情況，刀盤開挖巖渣通過先導(dǎo)孔落入底部巷道進(jìn)行排渣。該設(shè)備應(yīng)用于云南以禮河四級(jí)電站復(fù)建工程出線兼交通豎井導(dǎo)井施工，圍巖以Ⅳ類圍巖為主，局部為Ⅲ、Ⅴ類圍巖，巖體破碎、較破碎。該豎井施工首先采用反井鉆機(jī)進(jìn)行直徑1.4 m的先導(dǎo)孔開挖作業(yè)，然后采用豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行直徑5.8 m的豎井?dāng)U挖作業(yè)，井深282.5 m。2021年1月26日，該豎井順利貫通，總施工用時(shí)90 d，極大提高了井筒鑿井成井速度，滿足了現(xiàn)代礦井建設(shè)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的要求，擴(kuò)大了豎井掘進(jìn)機(jī)施工的競爭力和應(yīng)用范圍。

圖15 “金沙江1號(hào)”豎井掘進(jìn)機(jī)

2 國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)研制存在的問題

2.1 設(shè)計(jì)軟件供給不足

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，而對(duì)隧道裝備制造業(yè)至關(guān)重要的工業(yè)軟件領(lǐng)域，國外軟件仍然處于壟斷地位，與發(fā)達(dá)國家相比，國產(chǎn)工業(yè)軟件還有較大的差距。例如： 三維設(shè)計(jì)軟件ProE、SolidWorks、CATIA，二維設(shè)計(jì)軟件AutoCAD，有限元分析軟件ANSYS、MARC，數(shù)值計(jì)算軟件Matlab等均為國外進(jìn)口。

隨之而來的是更大的市場應(yīng)用威脅，國外工業(yè)軟件“門事件”所暴露的信息安全問題僅僅是冰山一角，而要確保應(yīng)用不受制約，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加速隧道裝備制造的信息化進(jìn)程，依賴國外工業(yè)軟件不是長久之計(jì)。隧道裝備制造領(lǐng)域乃至中國制造業(yè)，亟待突破自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，開發(fā)國產(chǎn)工業(yè)軟件，走穩(wěn)健、可持續(xù)發(fā)展的成長之路。

2.2 關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口

目前，在國內(nèi)隧道裝備制造領(lǐng)域，已逐漸形成了以中鐵裝備、鐵建重工等國內(nèi)知名生產(chǎn)企業(yè)為龍頭的國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)研發(fā)制造產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)盾構(gòu)/TBM生產(chǎn)企業(yè)主要完成隧道裝備設(shè)計(jì)、部分零部件制造、整機(jī)安裝與調(diào)試、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)等任務(wù)，設(shè)備上包括機(jī)械零部件、液壓元件、電器元件在內(nèi)的數(shù)十萬各類零部件產(chǎn)品由近1 000家國內(nèi)外配套企業(yè)提供。我國雖已具備隧道裝備的設(shè)計(jì)、制造和集成能力，但像大直徑重載軸承、減速機(jī)、大排量液壓泵、液壓馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)、刀具、關(guān)鍵緊固件、齒輪、電氣控制元件等關(guān)鍵零部件存在可靠性問題。每臺(tái)盾構(gòu)和TBM中進(jìn)口零部件成本約占整機(jī)原料成本的比例分別為25%和35%。為保證盾構(gòu)和TBM產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈安全，我國亟待開展隧道裝備基礎(chǔ)零部件、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件的國產(chǎn)化研發(fā)，基礎(chǔ)元器件研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)防控體制創(chuàng)建等工作。

隧道裝備基礎(chǔ)機(jī)械零部件需要解決的問題包括：

1)費(fèi)用高昂導(dǎo)致設(shè)備成本居高不下。部分部件靠獨(dú)家供應(yīng)，議價(jià)、定價(jià)權(quán)由供方主導(dǎo)，例如： 主驅(qū)動(dòng)軸承、主驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源——大流量高壓主驅(qū)動(dòng)泵等，國內(nèi)相關(guān)研發(fā)工作剛剛起步，出于可靠性和品牌認(rèn)知度等需求，集成后的整機(jī)成本仍相對(duì)高昂。

2)關(guān)鍵部件供貨及服務(wù)方式制約隧道裝備制造業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及隧道裝備的規(guī)模發(fā)展，國外關(guān)鍵部件供應(yīng)商的產(chǎn)能及供應(yīng)周期難以滿足國內(nèi)隧道裝備廠商的需求，較大程度上制約了隧道裝備行業(yè)的發(fā)展，緊急、重難點(diǎn)工程的建設(shè)同樣受隧道裝備這一關(guān)鍵性控制因素的影響。

3)關(guān)鍵部件技術(shù)受制于人，直接威脅工程工期。國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)系國計(jì)民生，若關(guān)鍵部件受制于人，紛雜的國際形勢關(guān)系對(duì)應(yīng)的供應(yīng)國際關(guān)系直接會(huì)影響到一個(gè)產(chǎn)業(yè)的存亡，因此，提高隧道裝備基礎(chǔ)機(jī)械零部件的國產(chǎn)化水平，掌握關(guān)鍵部件的制造、工藝及工業(yè)試驗(yàn)技術(shù)，有利于基礎(chǔ)工業(yè)能力的提升。

2.3 創(chuàng)新產(chǎn)品市場突破難度大

掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品在進(jìn)入新領(lǐng)域時(shí)并非一帆風(fēng)順，如中鐵裝備采用矩形頂管機(jī)結(jié)合CC工法，成功完成了該公司地下停車場項(xiàng)目，但是由于缺乏相關(guān)規(guī)范性文件支持，后續(xù)推廣并不順利。該工法曾嘗試推廣應(yīng)用于呼和浩特市地下車庫、北京某大學(xué)地下游泳館等工程項(xiàng)目，但均由于工程造價(jià)高、缺乏工程案例，所以無法推廣。再比如： U形盾構(gòu)作為一款適合綜合管廊施工的專用掘進(jìn)機(jī)，其相對(duì)明挖法，能極大地減少圍護(hù)工作量和建筑垃圾，但目前僅成功應(yīng)用于?？谝４蟮谰C合管廊項(xiàng)目試驗(yàn)段；其曾嘗試應(yīng)用于塔灣路管廊、新龍路管廊等工程中，但由于工期、投入費(fèi)用等原因，工程采用了傳統(tǒng)工法施工。目前出現(xiàn)了新工法與新市場互為前提的怪圈。

新產(chǎn)品市場突破難度大，主要有以下幾個(gè)原因： 1)觀念保守，傳統(tǒng)施工方式雖然存在一定弊端，但是在該領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，市場對(duì)一些新產(chǎn)品持有懷疑、觀望態(tài)度； 2)新工法、新裝備缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、國家規(guī)范作指導(dǎo)，多種掘進(jìn)機(jī)工法相繼問世，大大拓寬了掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用范圍，使其具有廣闊的應(yīng)用前景，但這些工法的時(shí)間不長，施工應(yīng)用案例不多，很多重要技術(shù)細(xì)節(jié)、施工理念不能得到很好的驗(yàn)證及總結(jié)，不能有效地為同類項(xiàng)目提供指導(dǎo)； 3)設(shè)備造價(jià)高，我國掘進(jìn)機(jī)年產(chǎn)能排世界第一，但基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，許多關(guān)鍵部件、核心系統(tǒng)仍需進(jìn)口，機(jī)械設(shè)備造價(jià)高，導(dǎo)致工程項(xiàng)目一次投資較大； 4)掘進(jìn)機(jī)的普適性有待提高，不同的地質(zhì)條件、斷面形式、斷面大小或其他極端工況需設(shè)計(jì)不同的掘進(jìn)機(jī)以適應(yīng)工程條件，不具有一定的普適性，限制了掘進(jìn)機(jī)的推廣應(yīng)用。

創(chuàng)新產(chǎn)品市場突破雖然困難，但是一旦成功，將對(duì)該行業(yè)產(chǎn)生巨大的引領(lǐng)和示范作用?！拔牡翘?hào)”TBM在抽水蓄能電站的應(yīng)用便是一次成功的典型案例(見圖16)。抽水蓄能電站作為我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，近年來發(fā)展較快，包括引水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、交通通風(fēng)系統(tǒng)地下洞室等。該領(lǐng)域的洞室普遍采用鉆爆法、爬罐法或反井鉆法施工，存在機(jī)械化程度低、作業(yè)環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工效率低等問題。日本、瑞士等國家已經(jīng)成功將斜井TBM引入到抽水蓄能電站引水斜井施工中，而在我國直到文登抽水蓄能電站項(xiàng)目才首次將TBM工法引入抽水蓄能領(lǐng)域。

圖16 “文登號(hào)”TBM

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū),排水廊道長約2 406 m，開挖洞徑3.5 m，存在9處30 m轉(zhuǎn)彎半徑、4 處50 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段。隧洞地層巖性為石英二長巖、二長花崗巖,單軸飽和抗壓強(qiáng)度最高為200 MPa,平均為110 MPa，石英量占比50%～60%，采用了中鐵裝備生產(chǎn)的1臺(tái)緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM進(jìn)行施工。TBM于2019 年10月13日始發(fā)掘進(jìn), 2020年9月30日完成項(xiàng)目掘進(jìn),成功應(yīng)對(duì)了圍巖單軸抗壓強(qiáng)度高、超小曲線調(diào)向、掘進(jìn)姿態(tài)控制、皮帶機(jī)超小曲線出渣等諸多施工難題。TBM工法在文登抽水蓄能電站建設(shè)工程中的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了抽水蓄能電站隧洞群采用TBM 法施工是可行的,填補(bǔ)了國內(nèi)抽水蓄能行業(yè)TBM施工技術(shù)空白，為后續(xù)的抽水蓄能電站或類似工程建設(shè)注入了新理念。

3 展望

3.1 掘進(jìn)機(jī)智能化

近年來，先進(jìn)的感知技術(shù)、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、控制技術(shù)等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為裝備制造業(yè)帶來了深刻變革。隨著新一代技術(shù)的逐步應(yīng)用，隧道掘進(jìn)機(jī)已從原先的人工操作到部分智能化。目前，中鐵裝備在隧道掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境方面，研發(fā)了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、在掘掌子面巖土體智能感知，出渣管理與圍巖評(píng)價(jià)等地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)；在隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)備方面，建立了刀盤刀具狀態(tài)監(jiān)測、盾尾密封狀態(tài)監(jiān)測、土艙可視化、主機(jī)振動(dòng)監(jiān)測等設(shè)備智能感知系統(tǒng)；在隧道掘進(jìn)機(jī)智能決策方面，依托于掘進(jìn)機(jī)云平臺(tái)挖掘地質(zhì)環(huán)境與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)間的映射關(guān)系，特別是地層變化或復(fù)雜地質(zhì)條件下巖機(jī)參數(shù)映射規(guī)律與匹配方法，建立隧道掘進(jìn)參數(shù)預(yù)測、智能導(dǎo)向、智能支護(hù)、故障診斷與預(yù)測等模型，開發(fā)了多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化與決策；在自動(dòng)執(zhí)行方面，刀具監(jiān)測與換刀機(jī)器人、鋼拱架拼裝機(jī)器人及管片安裝機(jī)器人進(jìn)入了關(guān)鍵的研發(fā)階段。TBM輔助智能掘進(jìn)系統(tǒng)見圖17。

圖17 TBM輔助智能掘進(jìn)系統(tǒng)

盡管在掘進(jìn)機(jī)智能化研發(fā)上取得了長足進(jìn)步，但在智能感知終端方面，開發(fā)在惡劣工況下具有高穩(wěn)定性、耐久性、高精度的智能感知終端，仍是未來的重要工作之一；隧道掘進(jìn)機(jī)是多系統(tǒng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，在自動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)、各類機(jī)器人的任務(wù)智能規(guī)劃與協(xié)調(diào)方面，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。智能化掘進(jìn)機(jī)是從感知—大數(shù)據(jù)分析—決策—執(zhí)行整體鏈條上的智能化，因此，如何將新一代信息技術(shù)有效應(yīng)用于隧道掘進(jìn)機(jī)，開發(fā)研制出智能化掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備的智能感知、智能施工、健康管理等，將成為隧道工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和未來的行業(yè)競爭熱點(diǎn)[24-25]。

3.2 多功能多模式掘進(jìn)機(jī)

隨著我國隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在一些長大隧道施工中，地層復(fù)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，面臨局部高水壓極端地質(zhì)、高地應(yīng)力、軟巖大變形等多種不良地質(zhì)。從施工安全、技術(shù)難度、工期、成本及環(huán)境保護(hù)等方面考慮，傳統(tǒng)的單一模式工法無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的挑戰(zhàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種工法掘進(jìn)的多功能、多模式隧道掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)需求日益迫切。

當(dāng)前國內(nèi)已經(jīng)對(duì)多功能、多模式掘進(jìn)機(jī)開展了初步研究工作。多功能、多模式TBM具有閉式TBM-土壓平衡-泥水平衡3種掘進(jìn)模式，兼具護(hù)盾式TBM和平衡式盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；具有2種出渣模式，2種模式共存，2種模式可以相互切換。以單護(hù)盾TBM模式為主設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也為主掘進(jìn)功能模式，保證在隧道絕大部分區(qū)間采用TBM模式施工，提升掘進(jìn)效率，降低刀盤、刀具磨損，降低單位掘進(jìn)長度人員進(jìn)艙換刀頻次與施工風(fēng)險(xiǎn)，以適應(yīng)長距離隧道高效掘進(jìn)；同時(shí)，因?yàn)槭蔷哂卸軜?gòu)功能的多模閉式TBM，可以在地層發(fā)生突泥突水時(shí)，迅速隔絕土艙，轉(zhuǎn)換為土壓或泥水平衡模式帶壓掘進(jìn)施工。模式轉(zhuǎn)換過程無需人員進(jìn)艙、無需拆裝任何部件，抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)不同地層的掘進(jìn)要求。隨著國家一批大直徑山嶺鐵路隧道、海底長大隧道的建設(shè)，采用多功能、多模式TBM工法施工成為新一輪長大隧道建設(shè)的發(fā)展趨勢。

3.3 異形巖石掘進(jìn)機(jī)

水利水電領(lǐng)域一般采用圓形斷面，但是在公路隧道、鐵路隧道、礦山開采等領(lǐng)域，相比圓形斷面，異形斷面在開挖成本、效率和空間利用率等方面具有天然的優(yōu)勢，未來異形斷面掘進(jìn)機(jī)必將受到越來越多的青睞。但是截至目前，市場上已有的異形掘進(jìn)機(jī)如馬蹄形盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)等機(jī)型主要適用于軟土地層，不能應(yīng)用于巖石地層。

異形巖石掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵在于刀盤設(shè)計(jì)，刀盤可采用安裝了盤形滾刀的多刀盤設(shè)計(jì)，通過多個(gè)刀盤的不同組合切削實(shí)現(xiàn)不同斷面輪廓開挖，并配合銑挖頭進(jìn)行盲區(qū)開挖；也可設(shè)計(jì)特制的刀盤，配合主驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，通過盤形滾刀的仿形運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)異形斷面的開挖。根據(jù)地層和掘進(jìn)模式，硬巖地層異形斷面的掘進(jìn)機(jī)方案主要包括異形土壓平衡盾構(gòu)、異形硬巖泥水平衡盾構(gòu)、敞開式異形掘進(jìn)機(jī)等幾種類型。當(dāng)前國內(nèi)已經(jīng)開始對(duì)異形斷面掘進(jìn)機(jī)開展了一些研究和探索，隨著掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種類型的異形斷面掘進(jìn)機(jī)將得到應(yīng)用和推廣。

3.4 復(fù)合破巖TBM

傳統(tǒng)TBM單純依靠盤形滾刀擠壓巖石達(dá)到破碎巖體的目的，最適宜使用的圍巖強(qiáng)度為30～150 MPa。對(duì)于極硬巖施工環(huán)境，滾刀侵入巖石困難，刀具磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了TBM的掘進(jìn)速度。頻繁的刀具維護(hù)和更換不僅嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度，也極大地增加了施工成本。鑒于此，新型破巖技術(shù)與TBM的融合設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視。目前被國內(nèi)外認(rèn)可的新型破巖方式主要有以下幾種：

1)高壓水射流技術(shù)。高壓水射流技術(shù)是指通過加壓泵等加壓裝置將常壓水加壓至數(shù)十甚至數(shù)百M(fèi)Pa，再通過具有細(xì)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(dāng)水射流沖擊強(qiáng)度大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，即可對(duì)巖石產(chǎn)生切割破碎作用。目前該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)首臺(tái)高壓水力耦合破巖“龍巖號(hào)”TBM上應(yīng)用。

2)粒子沖擊破巖技術(shù)。依靠高能粒子球撞擊破壞巖石，使其出現(xiàn)裂紋，從而降低強(qiáng)度，再在機(jī)械刀具的輔助作用下實(shí)現(xiàn)巖石的破碎，破巖效率極高。此種方法較為繁瑣，實(shí)施困難，目前仍處于試驗(yàn)階段，尚未得到大范圍的應(yīng)用。

3)激光破巖技術(shù)。這種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(huì)轉(zhuǎn)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。從此種方法的原理可以看出，該方法具有極高的技術(shù)要求，屬于一種較為前沿的技術(shù)，目前還屬于研究階段。

4)等離子體破巖技術(shù)。這種方法的作用原理是在鉆頭上增設(shè)等離子體，在直流電壓的作用下，等離子體上會(huì)產(chǎn)生大量的高頻率火花，從而產(chǎn)生大量的熱量并作用于巖石中，最終使其破碎。這種破巖鉆井方法和激光法有一定的類似之處，都是通過熱量的原理，達(dá)到破巖的效果。

5)高壓電脈沖破巖技術(shù)。高壓電脈沖破碎巖石主要依靠脈沖放電產(chǎn)生的等離子體通道的膨脹應(yīng)力，放電瞬間通道內(nèi)形成的應(yīng)力大于巖石強(qiáng)度，使巖石產(chǎn)生裂紋并破碎，是一種非常具有潛力的新型破巖方式。目前該技術(shù)在國內(nèi)外均有研究，且國外在鉆井和巖石打磨領(lǐng)域均有應(yīng)用，有望開拓隧道領(lǐng)域施工的新篇章。

此外，還有微波破巖、超臨界二氧化碳射流破巖、液氮破巖等技術(shù)。新型破巖方式會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生弱化甚至直接破碎的作用，弱化后的巖石強(qiáng)度降低，脆性增加，巖石內(nèi)部裂紋拓展多且深，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)滾刀或刮刀能輕易將巖石破碎，從而大大降低滾刀的磨損，提高施工效率，降低施工成本。新型破巖方式在掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，可以輔助甚至取代傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖方式，對(duì)促進(jìn)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和更新?lián)Q代具有重要意義。

3.5 部分?jǐn)嗝鎀BM

常規(guī)TBM只能適應(yīng)單一尺寸圓形斷面，通過一次開挖成型實(shí)現(xiàn)隧道開挖。相對(duì)而言，部分?jǐn)嗝鎀BM需要通過開挖裝置多次開挖，實(shí)現(xiàn)隧道輪廓開挖成型。通過開挖裝置的不同運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)，單臺(tái)裝備可實(shí)現(xiàn)不同形狀斷面開挖。國外廠家，如德國維爾特為RioTinto開發(fā)了Mobile Tunnel Miner (簡稱MTM)礦用硬巖掘進(jìn)設(shè)備，但目前并沒有進(jìn)行大量應(yīng)用；瑞典安百拓研制了一種礦用擺臂式刀盤掘進(jìn)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)類矩形斷面的硬巖開挖。國內(nèi)也已經(jīng)開展了部分?jǐn)嗝鎀BM的研究，開展并聯(lián)機(jī)器人TBM、懸臂TBM等機(jī)型方案設(shè)計(jì)。

機(jī)器人支撐的柔臂TBM，結(jié)合全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤高效率開挖和機(jī)器人技術(shù)高靈活度、高精度的優(yōu)勢，將掘進(jìn)機(jī)刀盤支撐推進(jìn)系統(tǒng)采用機(jī)械臂的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使刀盤具有多自由度運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)隧道變斷面開挖。支撐結(jié)構(gòu)可采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)、串聯(lián)機(jī)構(gòu)或混聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，動(dòng)力源以液壓系統(tǒng)為主，同時(shí)還需對(duì)出渣系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，提高設(shè)備整體施工效率。懸臂TBM是在現(xiàn)有懸臂掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上延伸開發(fā)的針對(duì)硬巖地層掘進(jìn)的設(shè)備，由安裝有盤形滾刀的刀盤替代原來的銑挖頭設(shè)計(jì)。由于懸臂TBM為非全斷面開挖，在掘進(jìn)過程中需要變換刀盤位置，刀盤既要能適應(yīng)水平正向掘進(jìn)、也要能適應(yīng)上下左右側(cè)向掘進(jìn)。

非全斷面TBM具有靈活機(jī)動(dòng)、可開挖任意斷面、拆解運(yùn)輸方便、設(shè)備成本低等優(yōu)勢，適應(yīng)于所有短距離任意形狀隧道、硬巖地層馬蹄形隧道、車站站廳層機(jī)械開挖等應(yīng)用場景，對(duì)推進(jìn)地下空間的開發(fā)和應(yīng)用具有重大意義。

4 結(jié)語

1)隧道工業(yè)化將是發(fā)展大趨勢，以精準(zhǔn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、現(xiàn)代化工業(yè)手段加工、自動(dòng)化流水作業(yè)、智能化控制全過程的智能建造新方法將如期而至。

2)隨著人工智能技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，開發(fā)研制出智能掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能感知、智能施工、健康管理等，將成為隧道工程領(lǐng)域的重大技術(shù)挑戰(zhàn)和未來的行業(yè)競爭熱點(diǎn)；隨著隧道規(guī)模的不斷增加，隧道施工條件和需求也變得多樣化，各種新形式、新概念的掘進(jìn)機(jī)必將逐漸問世，百花齊放。

3)以復(fù)合破巖為核心的第4代半掘進(jìn)機(jī)將解決現(xiàn)有巖石掘進(jìn)機(jī)存在的掘進(jìn)效率問題，以非刀具破巖為核心的第5代掘進(jìn)機(jī)將顛覆現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)概念。