隧道掘進機

隧道掘進機是用機械破碎岩石、出碴和支護實行連續作業的一種綜合設備。按掘進機在工作面上的切削過程，分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機。按破碎岩石原理不同，又可分滾壓式（盤形滾刀）掘進機和銑切式掘進機。中國產品多為滾壓式全斷面掘進機，適於中硬岩至硬岩。銑切式掘進機適用於煤層及軟岩中。在推進油缸的軸向壓力作用下，電動機驅動滾刀盤旋轉，將岩石切壓破碎，其周圍有勺斗，隨轉動而卸到運輸帶上。硬岩不需支護，軟岩支護時可噴射、澆灌混凝土或裝配預製塊。該機在岩性均勻、巷道超過一定長度時使用，經濟合理。

兩類隧道掘進機：在我國，習慣上將用於軟土地層的稱為盾構，將用於岩石地層的稱為TBM。

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

2、土壓平衡盾構的自主設計與製造

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

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

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。其產業價值鏈見圖6，其核心是以系統設計為主。

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。

隨著中國國民經濟的快速發展，國內城市化進程不斷加快，中國城市地鐵隧道、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。

由於隧道掘進機的製造工藝複雜，技術附加值高，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。目前中國生產隧道掘進機的企業有北方重工、上海隧道股份有限公司、大連重工、二重等。總體來看，國產設備在設計能力上應無大問題，重要的是產品製造如何儘快提高能力與水平。國內機械製造業近年來與國外企業生產設備水平的差距在縮小，但工藝裝備水平不高，相比之下成套設備的經驗不足是嚴重的缺點。

中國大約有85%的隧道掘進機依賴進口，歐洲和日本等公司的產品在中國的隧道掘進機市場上佔主導地位。而在本土企業中，除隧道股份、北方重工外，僅有二重、上重、大重和首鋼等企業，獨立進行隧道掘進機的生產或與德國海瑞克、美國羅賓斯等外資合資、合作生產。

“十二五”期間，全社會固定資產投資規模預計年增長率在20%左右。包括鐵路、公路、交通、能源、城鎮化建設及房地產業、第一產業投資等國家建設項目和地方建設項目仍然是主要投資方向。隨著“十二五”期間，產業結構調整和增長方式轉變以及戰略性新興產業的快速發展、西部大開發、振興東北、中部崛起和建設新疆等國家戰略的進一步實施，必將為隧道掘進機行業創造良好的宏觀發展環境。同時，國際市場對隧道掘進機的需求量將持續增長，中國隧道掘進機行業通過不斷推進產業化和技術創新，出口市場將迎來較好的前景。

隧道掘進機的技術發展趨勢，調查數據分析，主要表現在以下幾個方面，

(1)系列化、標準化。隧道掘進機設計和製造的周期縮短，設備的售後服務及維護更加方便。目前的設計製造周期一般為8-10個月。

(2)基本性能提高，刀具負載能力、刀盤推力、轉速與力矩、有效掘進比率、掘進速度瞢遺提高。

(3)形式多樣化。隧道掘進機的斷面直徑範圍增大，能適應各種斷面隧道掘進；橢圓形、矩形、馬蹄形、雙暖和三圓形等異形斷面的掘進機也逐漸出現並發展。

(徠4)適用範圍增大，地質適應能力增強。

(5)施工技術提高。在村砌技術方面，現在的隧道掘進機管片襯砌存在接縫多、錯台大等問題，雖然通過增加導向桿、連接銷等輔助件在很大程度上限制了錯台，但接縫問題很難從根本上得到解決。

(6)自功化程度提高。目前人們已經能夠在辦公室控制掘進機操作，可以預測，未來的隧道掘進機在施工中真正能做到“運籌於帷幄之中，決勝於千里之外”，及無紙化操作。

1、困難地層及其特點

困難地層是指全斷面岩石掘進機通過比較困難或對其施工速度有較大影響的地層。這樣地層的具體出現形式是軟弱地層、斷層破碎帶、岩爆、涌水、圍岩變形、剝落與坍塌及古暗河道等，其對TBM施工的影響及應採取的一般措施見表2所示，注漿堵水措施見表1。

2、困難地層施工中TBM自身所應採取的輔助措施

如果隧道穿越的地質地層中，困難地層不可避免，且對TBM的施工有一定影響，則應考慮在TBM上增加一些輔助功能，以增加其通過這樣地質地層的能力，見表3所示。

3、困難地層中TBM的施工技術

困難地層中TBM施工的一般技術措施

在TBM施工的工程中，當遇到困難地層的程度較嚴重時，有時需藉助鑽爆法脫困。即：通過輔助方法開挖人行通道，以便操作人員能通過刀盤下面的通道進入掌子面，並對掌子向前方的岩石進行預處理。

TBM通過溶洞的施工技術

TBM在某隧洞的施工中遇到一個天然大溶洞，溶洞下寬上窄，與隧洞軸線交角約15度，橫向寬約5～7m，縱向寬約13～15m，頂部比TBM機頭高約30m，溶洞底部為鬆散大塊石，能看到的部分比TBM基礎低約5～8m。處理方案是：先對溶洞底部鬆散岩體進行回填封堵和灌漿，再用素混凝土回填至隧洞底以下0.5m，用鋼筋混凝土做TBM通過的基礎，甲時考慮到溶洞與隧洞軸線的交叉，TBM在一邊無支撐、無法掘進的情況下，用素混凝土將浴洞回填至TBM以上5m，再用TBM掘進通過，見圖1所示。

TBM在一隧洞工程的施工中遇一溶洞橫穿支洞洞線，沿洞線方向長20餘米，高30餘米；洞內堆積有夾石泥及泥砂質壤土，溶洞兩端洞壁的上半部是泥加石混合物，下半部則是較完整的岩體。

治理措施是：鋼支撐加澆、噴混凝土構成聯合支護，見圖2所示。利用下半部岩體打入楔縫式錨桿作根基，用14號槽鋼對焊成箱形梁固定在錨桿上作為支座，在此支座上焊接20號工字鋼構成環向支撐，在環向支撐頂部焊接桁架並補噴混凝土。

TBM在遇到大範圍破碎帶時的施工技術

TBM在一隧道掘進施工中，通過區域性大斷層極大範圍的破碎帶，拱頂發生嚴重坍塌，大塊岩體將刀盤和護盾卡住而被迫停機。採用固結掌子面、超前灌漿、開挖上導洞對拱頂岩層進行加固、清理刀盤前方塌落岩石等措施進行整理。

TBM在隧道（洞）工程施工中，具有快速、安全、經濟和質量高的特點，但是這樣特點的實現是與地質狀況密不可分的。而對地質狀況的完全充分掌握是不可能的，因此，在TBM的工程施工中，遇到不良地質狀況是必然的，通過對以往工程案例的總結，發現對這樣地質採取的規律性處理措施，將對今後TBM的工程施工發揮一定指導作用。

2017年10月27日國家標準化管理委員會發布了五項填補國內空白的掘進機行業國家標準，標誌著這一領域的中國製造將在世界領域由跟隨者向引領者轉變。發布的《全斷面隧道掘進機 術語和商業規格》、《全斷面隧道掘進機 土壓平衡盾構機》等五項國家標準將用於掘進機生產設計、調試驗收、項目檢驗等全過程，是首個用於規範隧道掘進機製造全流程的國家標準。

全國建築施工機械及設備標準化技術委員會秘書長 李靜：我們首次制定了全斷面掘進機的國家通用基礎標準、安全標準和產品製造標準。在國際層面上現在還沒有這個標準。

近幾年，我國自主研製的隧道掘進機取得了國內市場主導地位，國外市場也呈現穩步增長態勢，並成為掘進機製造大國，現已累計生產製造台數突破1500台。此次全斷面隧道掘進機系列國家標準的發布，有助於對新產品新技術相關的術語進行了統一和規範，用標準的形式將創新技術固化下來，用標準促進國內外新技術的交流。

2020年10月17日，由中鐵十八局集團承建的樂山至西昌高速公路大涼山1號隧道TBM（隧道掘進機）完成調試，正式始發掘進。這是我國高速公路隧道行業TBM施工工法的首次嘗試。