隧道鑽鑿機

隧道掘進機包含盾構和TBM。一般來說，在歐洲，盾構也稱為TBM；但在日本和我國，習慣上將用於軟土地層的隧道掘進機稱為盾構，將用於岩石地層的隧道掘進機稱為TBM。其實，TBM就是隧道掘進機的英文“Tunnel Boring Machine”的縮寫，但通常定義中的TBM是指全斷面岩石隧道掘進機，是以岩石地層為掘進對象，它與盾構的主要區別就是不具備泥水壓、土壓等維護掌子面穩定的功能。

21世紀是地下空間的世紀，隨著國民經濟的快速發展，我國城市化進程不斷加快，今後相當長的時期內，國內的城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程將需要大量的隧道掘進機。隧道掘進機是一種高智能化，集機、電、液、光、計算機技術為一體的隧道施工重大技術裝備。在發達國家，使用隧道掘進機施工已佔隧道總量的90%以上。由於隧道掘進機的製造工藝複雜，技術附加值高，目前國際上只有德國、美國、日本、法國、加拿大等少數幾個國家的企業具有能力生產，且造價高昂。隧道掘進機在國內尚處於起步階段，主要依賴進口，在國內的隧道建設中，德國和日本在中國的隧道掘進機市場佔有率高達95%以上，處於絕對壟斷地位。若不及早改變這一現狀，就會在相當長的一段時間內，在地下工程建設中，面臨高額施工成本和技術上受制於外企的尷尬境地。實施隧道掘進機產業化，既可打破外企在國內市場一統天下的局面，又能促進和帶動相關的機電、液壓、材料、感測器等產業的發展，增強裝備製造業綜合實力，提高我國重大裝備在國際市場上的競爭力。

1、產業化基地建設

2002年8月，中鐵隧道集團在河南建立了隧道掘進機產業化基地，成立了以盾構TBM研究開發中心、盾構TBM組裝調試中心、盾構TBM製造維修中心為主要發展方向的隧道機械製造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高橋建立了盾構產業化基地，成立了上海盾構設計試驗研究中心和上海外高橋隧道機械有限公司。

2、土壓平衡盾構的自主設計與製造

2001年，國家科技部將6.3m土壓平衡盾構的研究設計列入“863”計劃。通過公開招標，課題由中鐵隧道集團有限公司和上海隧道工程股份有限公司為主承擔。在國家“863”計劃的引導下，中鐵隧道集團已經完成了6.3 m土壓平衡盾構的結構設計、盾構控制原理流程圖設計、盾構液壓系統、電氣系統、流體輸送系統以及元器件的選型；完成了盾構刀具的研究設計、開發與製造；完成了盾構泡沫添加劑、盾尾密封油脂的開發應用研究，並實現了產品化。2004年7月，中鐵隧道集團研製的刀盤及刀具、液壓系統成功用於上海地鐵2號線進行工業試驗，實現連續掘進2650m，平均月掘進331 m，最高月掘進470 m，達到了項目要求的各項指標。2004年10月下旬，上海隧道工程股份有限公司成功製造了一台具有自主知識產權的6.3 m土壓平衡盾構，並成功應用於上海地鐵二號線西延伸隧道工程。2005年12月，中鐵隧道集團又研製出了適用於北京地鐵砂礫複雜地層的土壓平衡盾構刀盤，並成功應用於北京地鐵4號線19標頤和園一圓明園區間。

3、大直徑泥水盾構消化吸收與設計

大直徑泥水盾構消化吸收與設計是以中鐵隧道集團為主、由上海隧道股份、浙江大學等單位協助的國家“863”計劃重大專項課題。目前已經完成《國內外大直徑泥水盾構技術發展研究報告》；完成了泥水盾構開挖面穩定機理研究，掘進系統、主驅動系統、管片拼裝系統、液壓系統、控制系統和泥水輸送系統技術剖析研究；以武漢11.38m泥水盾構為依託，完成了9m泥水盾構設計工作；完成了泥水盾構控制系統模擬試驗台的設計和製造，模擬盾構的直徑為2.5m，是具有自主知識產權的國內較大的實物模擬盾構試驗平台。

1 、外企與國企合作方式

目前，德國海瑞克、德國維爾特、美國羅賓斯等國外公司均已經與國內的重機廠合作生產盾構機等隧道掘進機，並已有實際製造業績，最具代表性的是德國海瑞克公司和維爾特公司。

海瑞克公司於2003年4月與廣重合資成立了廣州海瑞克隧道機械有限公司，生產能力已達到中國第一，形成了年組裝20台隧道掘進機的能力，至2005年，雙方已成功合作製造了16台隧道掘進機。除了與廣重合作外，海瑞克公司還與北京、成都、上海、武漢、大連等城市的製造企業廣泛加強了合作。

德國維爾特公司於2005年3月與瀋陽重型機械集團成立了合資公司，目前已成功製造了1台5.93 m雙護盾TBM，2台11.38 m泥水盾構，1台6.28 m土壓平衡盾構。目前正在製造的還有2台11.97 m和4台11.17 m泥水盾構。

但這種外企與國企合作的產業化方式，不能使中國企業真正獲得核心技術。由於國外公司對核心技術的嚴格保密，國內工廠實質上成為了外企的廉價分包工廠，我國企業不可能擁有自主知識產權。

2、國企獨立製造方式

隧道掘進機是根據隧道施工對象“度身定做”的，不同於常規的大型設備，其核心技術不在於設備本身的機電工業設計，而在於設備如何適用於各類工程地質，需要在長期的從實踐到理論，再從理論到實踐的反覆探索，才能形成一套針對不同地質條件的隧道掘進機設計理論、模擬試驗方法和系統的經驗數據，因此需要幾十年以上的工程施工經驗和對地質情況的理解。由於國內製造工廠的工業設計人員具備地質經驗需要相當長的時間，在短期內不能完成隧道掘進機的總體設計。因此，國內製造工廠獨立製造方式至少在10年內不能製造出具有自主知識產權的盾構。

3 、施工企業產業化方式

中鐵隧道集團與上海隧道股份是國家“863"隧道掘進機產業化基地，目前在隧道掘進機產業化方而，特別是自主開發方而，已經走在國內其他企業的前而，掌握了一定的核心技術，積累了較豐富的經驗，形成了一套有效的運作機制，並取得實質性的成果。這些成果得益於科研、設計、製造和施工有機結合的運作機制。追溯世界最早隧道掘進機技術的起源，設計者同時也是施工者，在經歷無數次失敗和探索之後才使隧道掘進機技術不斷地成熟和發展起來。隧道掘進機的生產特點是以工程為依託，由於每個工程施工的特殊性，只有具備科研、設計、製造和施工一體化的企業才有獲得較大成功的可能。

1 、產業價值鏈分析

隧道掘進機是根據隧道施工對象“度身定做”的，正如裁縫根據具體的人進行“量體裁衣”一樣。隧道掘進機的製造特點是以工程為依託，根據施工環境（基礎地質、工程地質、水文地質、地貌、地面建築物及地下管線和構築物等特徵）進行模塊化設計和製造。隧道掘進機的特殊性決定了隧道掘進機產業鏈體系建立在以工程為依託，系統設計為核心，相關配件製造企業加盟生產，施工單位配合使用的基礎上，其設計、製造必須與工程項目緊密結合。

2、歐美模式

歐美模式在產業鏈上的主要特徵是自主設計，自主組裝，同時為用戶提供技術服務，部件製造則採取全球採購或採取和相關重型製造企業結成戰略聯盟的形式。

3 、日本模式

和歐美模式不同，日本企業都是製造企業，企業本身就有較強的大型機械設備製造能力，並把先進位造技術作為核心競爭力加以保護。日本模式在產業鏈上的主要特徵是自主設計、自主採購、自主製造（關鍵部件自主製造，通用部件分包）、自主組裝，並為客戶提供技術服務。其產業價值鏈見圖7，其核心是以製造業為主。

4 、中國模式

按照中國的國情，隧道掘進機產業化應該走設計、製造、施工一體化道路，走施工企業產業化方式。施工企業實現隧道掘進機產業化的模式，既不同於歐美企業最初源於設計公司，也不同於日本企業源於重型製造工廠，施工企業隧道掘進機產業化以施工為核心，是一個邊施工、邊反饋、邊製造、邊提升的過程，其產業化模式是從產業價值鏈的末端向前延伸，見圖8，其核心是以施工為主。

5 、產業化實現途徑

施工企業實現隧道掘進機產業化的途徑關鍵在於如何實現系統設計和生產製造能力，其重點是實現關鍵技術的自主能力，有效地利用國內、國外兩種資源和兩個市場，實現隧道掘進機最佳的技術經濟性。

產業化的前期採取“自主設計，國際採購，國內製造、國內總裝”的產業化理念，走具有中國特色的“引進－消化－仿製－創新”的研發路線，通過不懈努力和技術攻關，研製出擁有核心技術和自主知識產權的隧道掘進機。

系統設計可採取自主研發或技術併購的方式，生產製造可以在國內組建區域性產業化戰略聯盟，關鍵部件通過合作夥伴生產，或通過控股合作夥伴進行關鍵部件生產。

“十一五”期間，在全國範圍內形成2～3個隧道掘進機產業化基地，每個基地具備年產20台隧道掘進機的能力。全面提升我國隧道掘進機製造業的技術水平，土壓盾構系列化、產業化研究成果達國際先進水平；泥水盾構、複合型盾構和TBM研究成果填補國內空白，使中國隧道掘進機的總體水平步入國際先進行列。

1 、土壓平衡盾構產業化、系列化

完成土壓平衡盾構的產業化、系列化，在“十一五”末期，在國內新增土壓平衡盾構中，具有自主知識產權的國產土壓平衡盾構的市場佔有率達到30%。

2 、泥水盾構和複合盾構的研製

完成泥水盾構技術的消化吸收、系統集成設計、製造、安裝和調試技術研究，並研製出樣機，掌握泥水盾構的自主知識產權關鍵技術。

完成地鐵用複合盾構的系統集成設計、製造、安裝和調試技術研究，並初步實現產業化，在“十一五”末期，在國內新增複合盾構中，具有自主知識產權的國產複合盾構的市場佔有率達到20%。

3 、TBM關鍵技術研究

通過消化吸收，進行TBM的系統集成設計，完成TBM的總體設計。

國務院國發[2006]8號《國務院關於加快振興裝備製造業的若干意見》文件將“滿足鐵路、水利工程，城市軌道建設項目的需要，加快大斷面岩石掘進機等大型施工機械的研製，儘快掌握關鍵設備製造技術”列入16項重大技術裝備之一。因此，加速發展我國隧道掘進機的研發及產業化勢在必行。隧道掘進機產業化宜以施工企業為主，通過組建施工、設計、製造、科研四位一體的隧道掘進機產業化聯盟，建立和完善產業化基地，實現隧道掘進機的自主開發和成套提供的總體目標，提高我國重大技術裝備的國際競爭力。同時，國家應予以政策支持，確定隧道掘進機國家定點企業，定點企業享受關鍵配套件免征進口稅優惠政策及其它國家重大技術裝備開發優惠政策，將隧道掘進機的開發及產業化項目列為國債項目，給予定點企業技改貼息重點支持，以推動隧道掘進機的產業化。

隧道掘進機的基本構造包括：①開挖部分（刀盤及其主軸和驅動裝置）；②開挖反力支承部（支承靴）分；③推進部分（推進千斤頂）。

工作時，按下述動作反覆進行：①擴張支承靴，固定掘進的機體在隧道壁上；②迴轉刀盤，開動千斤頂前進；③推進1行程后，縮回支承靴，把支承靴移置到前方，返回①的狀態。

球面刀盤和平面刀盤：刀盤的前面，以一定的間隔配置滾刀。一般有中心滾刀，正滾刀（開挖面滾刀）和邊滾刀。滾刀的配置間隔，決定於滾刀的負荷容量，岩石強度和目標日掘進進度等。在外周部分，為防止滾刀的刀體從刀頭上飛出，配置以一定角度，並使刀頭的切削斷面形狀呈圓弧形。這就“球面”之意。此時，邊滾刀是與正滾刀同樣地使用。

為了不在邊緣處安設特殊的邊滾刀，可採用平面滾刀。最近的趨勢是，重視滾刀的互換性，因而，球面採用較多。

周邊支持型和中央主軸型刀盤：周邊支持型刀盤，是由圓筒狀的筒體和主機架構成的。採用了大口徑的軸承。其後背部有很大開口的周邊支持結構。開挖石碴從設在刀盤前面，外周面的縫隙處，把主機架作為料斗提升，送到排土裝置中。此中刀盤與軟弱圍岩使用的盾構掘進機是一樣的做法。在崩塌性地質條件下是很有效的。滾刀的突出量可以比較小，同時，也能在機內進行更換。中央主軸型刀盤，是一個圓板構造體，在其中心處設主軸，用小口徑的軸承支持的。滾刀配置在圓板上，出碴是用設在刀盤外周部的刮板粗下部收集的，而後用外周部的料斗由上部送到排土裝置中。

滾刀：用鞍座安設在板的前面，因沒有主軸等的限制，配置是比較自由的。此種構造，在敞開式IBM中採用較多。但出碴口受到限制，故視地質情況有時不能有效的排土。刀盤的驅動是把刀盤的主軸作為驅動軸由設在TBM後面的驅動馬達進行驅動的。

其作用是作為推進時的反力，反力就是推進力、刀盤轉矩。為充分承受此反力和不損傷隧道壁面，應使之大面積化，減小接地壓力。通常，接地壓多取3～5 MPa。如把此目的的支承靴稱作主支承靴，則還有所謂的以控制震動，控制方向等為目的的各種支承靴。

盾構形TBM支承靴：在盾構型TBM中，有用於推進反力的主支承靴（尾部）和掌子面支承靴（前部）。主支承靴一般是左右水平設一對，但在大口徑時，有時在周邊上設置4～5個的情況。

敞開式TBM支承靴：有單支承靴方式和雙支承靴方式兩種。單支承靴方式是在主樑上左右設一對支承靴。可對應推進時主梁的方位變化。

雙支承靴方式是前後各有一對支承靴。前面的支承靴有4個（X形）和2個、3個的（T形）。

方向修正不管何種方式，都在設置支承靴前進行，但在單支承靴方式時，開挖過程中也能改變方向。

雙支承靴方式，在開挖過程中不能改變方向，但不太受地質變化的影響，直進性好。

基本類型常見的有5種類型。

單支承靴方式的敞開式TBM：此型的TBM的刀盤是周邊支持型的。驅動馬達在刀盤的後面。支承靴對主梁可以有搖動的可能。為減小伸縮千斤頂時對支承靴的彎矩，主梁和支承靴座相連接。

皮帶運輸機設置在通過刀盤中央的主梁的上面或下面。代表性的TBM是羅賓斯型的TBM。

這種型式的特徵是：①球面刀盤，適用地質條件廣；②在掘進前、掘進中都可控制方向；③重心在機械前部，上下方向的控制易受地質條件的影響。

雙支承靴方式的梁型TBM：此型TBM的刀盤也有球面型的，但通常為平面型多把驅動裝置設在最後端，用主梁內的驅動裝置驅動，支承靴在主樑上擺動，千斤頂與支承靴和主梁連接，皮帶運輸機設置在主樑上部。

這種型式的特徵是：①支承靴把機體牢固地固定在壁面上，方向控制性能好；②重量平衡好，上下方向控制容易；③方向控制只能在掘進前進行；④因刀盤是板型的，不適合於黏性土的開挖。

代表性的TBM有支承靴X型布置的TBM和T型布置的加瓦的TBM。

盾構型TBM：開放型的情況是其刀盤都是穹型的。有前後筒體間可伸縮的二筒式和中筒可伸縮，前中筒間及中后筒間有可活動結合的三筒式兩種。在前筒設掌子面支承靴。開挖反力有把刀盤的迴轉轉矩傳達到主支承靴的方式和液壓傳遞方式等。

這種型式的特徵是：①球面刀盤，因採用盾殼，使其地質適應範圍廣；②在開挖過程中可控制方向；③因有盾殼隧道內後退受到限制；④千斤頂要具有2倍以上的推力；⑤因使用管片，可改變為密閉型。

斜井用TBM：在水工隧洞中常常需掘進斜井。其斜度通常為30°～50°。

斜井使用的TBM基本上與水平的TBM無多大差別。僅在後續設備上要下些工夫。最大的不同是防止後退方法和石碴的排出方法。

後退防止方法在敞開式TBM中，要在TBM的後方設與TBM支承靴連動的能夠錨固的支承靴裝置。在盾構型TBM中，使用管片或支撐防止滑落。石碴的排出通常採用自然流下的方法。

導坑和擴挖型TBM：開挖大口徑隧道的方法，首先是用導坑TBM開挖小斷面的導坑，以此為前導，用擴挖型TBM擴挖隧道。此種方式於全斷面掘進時比，刀盤的外周部和內周部的周速差小，以及驅動動力小。TBM的基本構造多採用兩機為雙支承靴方式的梁型TBM。視地質、施工條件，可有幾種組合。

這種型式的特徵是：①擴挖時，因先行導坑可以判明地質情況，可對地質不良處事先加以改良；②擴挖時，刀盤的後方空間大，支護作業容易；③工期和施工成本比全斷面方式不利。