我國TBM法隧道工程技術的發展、現狀及展望

　　摘要：巖石隧道掘進機(TBM)在我國的應用與發展已經有近60年歷史，了解我國TBM法隧道工程技術發展歷程，有助于正確認識其現狀，判明下一步的發展趨勢。在詳細回顧我國TBM法隧道工程5個發展階段基礎上，從10個方面全面分析我國TBM法隧道工程現狀：規模上總體呈小幅波動、持續上升狀態;分布區域上以西部地區為主，華東、西南、東北、華南占比依次下降;分布領域上以水利水電工程和市政工程為主(占90%);開挖直徑以6～8m直徑系列為主(占70%);施工工法方面TBM法與鉆爆法相結合、互為補充;TBM平均月進尺從數十米到千米大幅波動，以200～700m/月為主(占75%)，施工工期受平均月進尺和掘進長度的影響差異巨大，以1～4年為主(占70%);機型以敞開式和雙護盾TBM為主(占90%);品牌以鐵建重工、羅賓斯、中鐵裝備為主(占70%)，新增市場大多被擁有自主知識產權的鐵建重工和中鐵裝備設備占有(占90%以上);TBM零部件國產化比例越來越高，但部分關鍵部件仍然依賴進口;有TBM施工業績的建筑企業近30家，中鐵隧道局和中鐵十八局以顯著優勢穩居第一梯隊。進而提出我國TBM法隧道工程技術展望：1)從規模上將經歷升—平—降—穩的波動發展過程，目前正處于上升期，從分布區域、分布領域上近期仍將以西部地區、水利水電工程和軌道交通工程為主;2)TBM法與鉆爆法聯合施工的方法將會長期存在，并且TBM法占比及單臺TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢;3)支護技術、支護系統將迎來重大創新;4)復雜地質TBM法隧道施工技術正在全面研發與實踐，即將實現巨大突破;5)斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經開始研發應用，正在取得長足進步，技術成熟后將得以大力推廣，TBM關鍵部件必將全面實現國產化;6)大數據技術、人工智能技術、5G技術將助力TBM施工管理更加科學、客觀、全面，并最終實現智能化施工。

　　關鍵詞：巖石隧道掘進機(TBM);TBM發展歷程;TBM現狀;TBM展望;支護;復雜地質;新型TBM;微型TBM;智能化

　　引言

　　隧道在我國歷史悠久，可上溯至約公元前700年東周初期，《左傳》記載了莊公與其母親武姜在隧道內相見的故事，“……對曰：君何患焉?若闕(通‘掘’)地及泉，隧而相見，其誰曰不然?公從之。公入而賦：大隧之中，其樂也融融!……”。我國道路史上最早的行車隧道，是位于陜西省漢中市的石門隧道，長14m，寬3.95～4.75m，修建于漢明帝劉莊永平四年(公元61年)，20世紀70年代淹沒在石門水庫之中[1];我國最早的城市地下隧道，是安徽省亳州市古地下通道，系曹操的運兵道，始建于東漢末年，因非一個朝代修筑使用，故結構不一、寬窄不同、高低不等，全長逾8000m[2]。

　　隧道施工論文：黃土V級圍巖隧道快速開挖方法研究

　　隧道技術隨著時代變遷、技術進步而不斷發展，總結為5個發展階段：古代的火焚法、近代的鋼釬大錘法、手風槍鉆爆法、現代的鑿巖臺車鉆爆法、機械法(巖石隧道掘進機(TBM)法、盾構法、頂管法)。鉆爆法隧道大多遵循“新奧法”原理，其理論基礎是圍巖具有自承能力，隧道設計與開挖要充分發揮圍巖的自承能力[3]。

　　機械法隧道，根據機型、施工工藝、支護技術不同，分為2種：1)遵循“新奧法”原理的敞開式TBM施工的隧道，開挖后施作初期支護，必要時施作二次襯砌作為永久支護結構;2)護盾式TBM、盾構和頂管機施工的隧道，以預制管片或者管節作為永久支護結構。目前，我國隧道修建規模和修建難度都是世界上最大的，TBM用于隧道施工的發展速度也是最快的[4-6]。以史為鑒，回顧我國TBM法隧道工程發展歷史，明晰TBM法隧道工程技術現狀，才能清晰認識TBM法隧道工程技術面臨的問題，合理展望，未雨綢繆，為我國隧道工程技術進步、基礎建設的更好發展做出更大貢獻。

　　1我國TBM法隧道工程發展歷程

　　我國于20世紀60年代開始研究與應用TBM，近60年來發展歷程大致可以分為5個階段[7-8]。其中，每個階段，起始時間為里程碑式工程開始時間，結束時間為下一階段的開始時間，所以某一階段的部分工程完工時間會延續到下一階段。

　　1.1自力更生，研發探索(1964—1990年)

　　1964年前，國內很少有人了解TBM法隧道工程技術，但其優點通過科技圖書等媒體傳入中國，引起了國家的高度重視。經周恩來總理批準，在國家科委領導下成立全斷面巖石隧道掘進機攻關小組。受當時國際背景和政治環境影響，我國無法引進先進的TBM設備及技術資料，只能被迫自力更生，封閉式研究探索。1964年，原水電部上海水電勘測設計院機械設計室和北京水電學院機電系等單位聯合研究設計了ϕ3.4m的TBM，1965年被列為國家科委重點科研項目。

　　1966年，原水電部上海水工機械廠制造了ϕ3.4m的SJ34型TBM，用于杭州玉皇山、寶石山人防洞。20世紀70年代初，原水電部上海水工機械廠相繼研制了ϕ5.5m、ϕ5.8m和ϕ6.8m的多臺TBM，但破巖能力弱、掘進速度慢、故障率高、可靠性差、實用性差，經過一段時期的實踐，多數不能使用[9-10]。20世紀70年代中期，針對TBM研制存在的關鍵問題，集中技術力量組織聯合攻關。

　　通過出國考察、外國專家來華座談等技術交流活動搜集到大量技術資料，在總結之前產品經驗和教訓的基礎上又研制出一批TBM，例如：上海水工機械廠研制的ϕ5.8m的TBM，1982—1984年在引灤入津工程新王莊和古人莊2座隧洞合計掘進2723m，最高月進尺213.4m，最高日進尺21.35m，平均月進尺92.5m;煤炭科學研究院上海分院設計、上海第一石油機械廠制造的ϕ3.0m的TBM，1977—1982年分別在江西萍鄉、河北遷西、山西懷仁合計掘進2633m，最高月進尺218.3m，最高日進尺14.5m，平均月進尺90m(有水)、150m(無水)。

　　20世紀80年代中期，我國在TBM關鍵零部件的攻關研究方面取得一定進展，進一步研發并應用。煤炭科學研究院上海分院在原有基礎上做了改進，由山西省5409廠制造了ϕ3.2m的TBM，分別在云南省羊場煤礦(1988年開始，掘進2500m)、貴州省南山煤礦(1990年開始，掘進780m)、北京十三陵抽水蓄能電站(1992年掘進91.7m)施工。

　　1986—1990年，由煤科院上海分院設計、上海重型機器廠研制的ϕ5.0m的TBM，在山西古交東曲煤礦掘進3654m，最高月進尺202m，最高日進尺12.7m，月平均進尺85m;由原水電部杭州機械設計研究所設計、上海水工機械廠研制的ϕ4.0m的TBM，在福建龍門灘工地現場將直徑改造為4.5m。但上述應用基本上以失敗告終。以上研究探索與工業性試驗表明，國產TBM還存在巨大差距，但是該階段為多年后的TBM繼續研發和應用培養了一批基礎理論扎實的專業人才。

　　1.2引進設備，外企施工(1990—1995年)

　　20世紀90年代，隨著我國對外開放的深入，國外TBM設備和施工企業進入我國隧道施工市場，如甘肅省引大入秦、山西省引黃入晉輸水工程隧洞分別由意大利CMC公司與英潑基諾(Impregilo)公司用Robbins雙護盾TBM施工。該階段以山西萬家寨引黃入晉工程南干線為典型代表，隧洞地質以灰巖、泥灰巖為主，采用Robbins1617-290雙護盾TBM施工，最高月進尺1821.49m，平均月進尺784m。

　　該階段一直延續到2005年結束。昆明掌鳩河供水工程上公山隧道地質條件復雜，主要為斷層破碎帶、節理密集帶、軟巖大變形、巖溶、突涌水、突泥(砂)等，第1年平均月進尺388.46m，第2年停機時間占70%，2005年9月決定拆除TBM改用傳統鉆爆法施工。這一階段由國外制造商和承包商主導TBM設計和施工，但施工過程中鍛煉、培養了一批國內TBM操作人員，這些人大部分仍在參與TBM設計制造與施工工作。

　　1.3引進設備，自主施工(1995—2013年)

　　1995年，為了修建全長18.45km的西康鐵路秦嶺隧道，原鐵道部從德國引進2臺敞開式TBM，該工程由鐵道部第十八工程局和隧道局2家國企承建。這是我國首次獨立使用和管理TBM，實現了自主施工，TBM最高月進尺分別為509m和531m，平均月進尺310m。TBM在該工程的成功應用奠定了我國推廣應用TBM的堅實基礎，之后的西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、引大濟湟工程、大伙房水庫輸水工程、錦屏二級電站引水洞、遼西北供水工程等，全部采用國外的TBM設備，國內企業自主施工。施工中克服了一系列地質難題，也取得了較好業績，如遼西北供水工程TBM進度普遍較好，2段4標TBM平均月進尺616m。

　　該階段，培養、鍛煉了一大批TBM技術和管理人才，能獨立駕馭TBM法隧道工程的規劃、勘察、設計、施工和管理，為我國大規模隧道建設打下了基礎，為國內科研院所及企業深入研究TBM提供了有利條件并取得了豐碩成果，TBM法隧道工程技術逐步得到推廣。據不完全統計，該階段TBM法隧道工程。期間，原鐵道部曾效仿高鐵技術發展路徑，以市場換技術，計劃引進100臺TBM用于鐵路隧道修建，先期招標采購20臺，由于國外制造商報價過高而放棄。實際上，該階段前期是與引進設備、外企施工并存的。

　　1.4強強聯合，自主研發(2013—2016年)

　　隨著我國各類隧道規模的快速增長，為了提高我國掘進裝備的設計制造水平，發展核心競爭力，我國在2006年就將隧道掘進機列入國家重大裝備產業。近十余年來，國家積極推動掘進裝備制造業的發展，不斷增加科技研發投入。

　　2007年，科學技術部組織了國內的地質勘探單位、科研院校、設計制造單位和施工單位，以國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)的形式積極推進隧道掘進裝備的理論創新和設計攻關。

　　2012年，由鐵建重工和中鐵裝備牽頭，開展了國家高技術研究計劃(863計劃)“大直徑硬巖隧道掘進裝備(TBM)關鍵技術及應用”研究。2013年和2014年，浙江大學和武漢大學分別作為牽頭單位，先后開展了973項目“硬巖掘進裝備的關鍵基礎問題”和“深部復合地層圍巖與TBM相互作用機理及安全控制”研究。

　　2014年國家再次批準大連理工大學牽頭的國家2011協同創新中心第二批計劃———遼寧重大裝備制造協同創新中心，以區域合作的形式再次向大直徑敞開式硬巖掘進機攻堅克難。在國家這一系列的科技計劃投入下，國內TBM的基礎理論、設計制造和施工水平有了大幅提高。2013年，中信重工率先研制了國內首臺敞開式TBM，開挖直徑5m，于2015年10月開始應用于洛陽故縣水庫引水工程全長6.64km的洛寧段1號隧洞，2017年7月貫通。

　　2015年1月和3月，鐵建重工和中鐵裝備2家制造企業，在中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業的鼎力支持下，聯合國內多家科研院所，自主研發設計制造了2臺ϕ7.93m的敞開式TBM，并應用于吉林省中部城市引松供水工程。2017年8月28日，在洞長22.6km的吉林省中部城市引松供水工程2標段，TBM提前14個月貫通，平均月進尺643m，最高月進尺1209m;2018年1月22日，在洞長22.955km的4標段，TBM提前9個月貫通，平均月進尺546m，最高月進尺1318.7m。

　　這在我國TBM領域具有里程碑式的意義，標志著國內自主研制的TBM從無到有。此后，自主品牌TBM陸續研發出不同規格的產品，應用于重慶軌道交通5號線、重慶軌道環線、新疆ABH輸水隧洞、蘭州水源地、神東補連塔煤礦巷道等工程。

　　1.5自主品牌，推廣應用(2016年至今)

　　以吉林引松工程為代表的自主品牌TBM的成功應用，為TBM設備獨立設計制造奠定了基礎，也使自主品牌TBM贏得了建設單位、施工企業的信賴，進而在國內外迅速推廣。據不完全統計，鄂北水資源配置寶林隧洞、重慶地鐵、深圳地鐵、青島地鐵、新疆某輸水隧洞、大瑞鐵路高黎貢山隧道等工程已經采用自主品牌TBM70余臺套;并且，自主品牌TBM已經走出國門，出口數量為16臺(截至2020年6月底)。

　　標志著中國TBM已經走向世界。2016年4月，新疆EH工程一次性集中采購18臺TBM，用于全長516km的引水隧洞施工。2018年10月10日，習近平同志主持召開中央財經委員會第三次會議，全面啟動川藏鐵路規劃建設。川藏鐵路建設項目不良地質多且集中，需要面對崇山峻嶺、地形高差大、地質復雜等建設難題;隧道總長占線路總長的70%以上，且多為長大隧道，其中4座隧道計劃采用10臺TBM施工。

　　2我國TBM法隧道工程現狀

　　自1990年引大入秦工程開始，我國TBM法隧道工程技術進入成功應用階段，應用與發展現狀分析如下。

　　2.1TBM法隧道工程規模

　　30年來，我國TBM法隧道工程規模發展趨勢，總體上呈現小幅波動、持續上升狀態，大致可以分為2個階段。

　　第1階段為1990—2012年，基本上呈持續應用狀態，約1/3年份無新項目開工，其他年份每年的TBM法隧道也較少，在前半段波動范圍為0～1;1997年，山西引黃入晉和西康鐵路秦嶺隧道采用TBM施工，出現小高峰;2009年，TBM法隧道工程包括2項水利工程、1項鐵路工程和1項市政工程，出現第2個小高峰。

　　第2階段為2012—2020年，TBM法隧道工程總體呈上升趨勢，其中，2012—2016年，新疆EH工程(支洞采用2臺二手TBM施工、主洞全線集中招標采購18臺TBM)、青島地鐵及深圳地鐵全面開工建設，TBM法隧道規�？焖贁U張，出現高峰;之后回歸并保持較高水平，后續將呈波動發展、波浪式增長態勢，并且會出現新的應用規模高峰。概要分析國內TBM法隧道工程發展，主要受到5方面的影響：

　　1)國內經濟發展水平，隨著國內經濟能力的提升，TBM法隧道工程規模穩步攀升;2)對TBM的認可程度不斷提升，TBM應用經歷了由少到多的歷程;3)隨著技術水平的提升，隧道建設規模增大、長度增長，TBM法隧道工程數量顯著增加;4)環境保護、勞動保護的不斷規范，促進了TBM法隧道工程修建;5)國內勞動力成本的增加和國產TBM的成功應用，讓長期居高不下的TBM施工成本顯著降低，促進了TBM法隧道工程技術的推廣。

　　2.2TBM法隧道工程分布區域

　　我國TBM法隧道工程分布區域(以TBM應用數量作為統計依據)。大多集中于西部地區，占比高達約60%，主要是由于西部地區多山，并且是大江大河的發源地，水利水電與鐵路工程規模大，深埋長隧居多，且近年來西北和西南區域水利水電工程、城市軌道交通工程建設時間相對集中;華東地區TBM法隧道工程約占20%，主要原因是TBM法在重慶軌道交通6號線和青島地鐵2號線成功應用后得以大范圍推廣;東北地區TBM法隧道工程主要集中在遼寧和內蒙古水利工程;華南地區TBM法隧道工程主要分布于深圳地鐵。

　　2.3TBM法隧道工程分布領域

　　我國TBM法隧道工程分布領域。其中，水利水電隧洞占比約50%，居首位，主要原因是：1)TBM開挖斷面為圓形，是水利水電隧洞最合理的斷面型式;2)水利水電隧道建設規模大、單洞長度長、埋深大的隧道居多;3)TBM在水利水電隧洞開始應用早，市場認可度高。市政領域占比約40%，居第2位，主要是由于青島、重慶、深圳等巖石地層城市的軌道交通隧道不適合鉆爆法施工，TBM法成了最佳選擇[11-12];鐵路隧道引進TBM法施工雖然較早，但發展緩慢。

　　3我國TBM法隧道工程技術展望

　　3.1TBM法隧道工程規模、區域與領域分布

　　我國TBM法隧道工程規模在今后一定時期內仍將保持較快增長，之后趨于平穩并保持較長時間，最終會下降到較低水平，發展過程中大部分時段會小幅波動，也不排除偶爾大幅波動的可能性。預計未來10年各類隧道修建長度20000km、掘進裝備需求量600臺，未來5年我國潛在工程規劃的TBM需求量會達到200臺。我國TBM法隧道工程仍將集中于西部地區，以水利水電工程為主;華北地區山東省、華南地區深圳市、西南地區重慶市等多山城市的軌道交通隧道對TBM的需求量呈上升趨勢;華南、華北、東北等地區TBM應用數量將會明顯受到區域性調水、海底隧道等工程建設的影響。

　　預期未來一段時期內，TBM法隧道工程分布領域仍將以水利水電和市政工程為主，前者保持較高速度發展的勢頭較為強勁，后者增長勢頭高速發展的可能性較小，但短期內明顯下降的可能性較小。在鐵路工程領域中川藏鐵路將是短期內的峰值，此后大規模應用的可能性較小。從川藏鐵路隧道施工工法論證、比選過程中可見一斑，受制于TBM對復雜地質條件的適應性、造價、對TBM工法的認知、決策機制等因素，TBM從原計劃的36臺減少為32臺、18臺，進而減少為10臺[13]。

　　TBM法隧道工程技術在煤炭開采領域已經嶄露頭角并呈較高速度增長趨勢。隨著樂西高速大涼山1號隧道、新疆烏蔚高速天山勝利隧道TBM的成功應用[14-15]，TBM法隧道工程技術在公路領域將會迎來新的發展機遇，一定范圍內推廣的概率較大。礦山、軍工、核工業等特種行業將會陸續開啟TBM的應用之路。若TBM破巖技術、斷面型式等出現重大變革，上述應用領域分布態勢將會發生較大改變。

　　3.2TBM法與鉆爆法聯合施工且TBM施工占比逐步增加TBM法與鉆爆法隧道施工各有優劣，優勢互補是最佳選擇。受地質適應性、斷面適應性、進度與工期、造價等多方面因素影響，在今后的隧道建設中，TBM法仍將與鉆爆法聯合施工。

　　TBM裝備技術與施工技術不斷進步，其工程適應性不斷增強，TBM法施工成本在國產化大規模推廣應用的影響下得到較好控制，而鉆爆法施工成本呈上升趨勢，因而TBM法施工占比會逐步增加。山嶺隧道已完工的工程中，單臺TBM在同一工程中掘進長度為20km以上的隧道僅5座;在建工程中單臺TBM在同一工程中計劃掘進長度為20km以上的隧道有13座，最大長度26km(實際施工過程中下調的概率較大)。后續，單臺TBM在同一工程中掘進長度達到20km的概率將會繼續增大，并且，預計在不久的將來會突破30km，甚至達到40km，這將為在西部大山中修建隧道工程提供巨大支撐，也讓以往不具備可行性的工程變為現實，例如：煙大海底隧道、臺灣海峽海底隧道、南水北調大西線工程等[16-19]。

　　3.3TBM法隧道支護技術

　　3.3.1TBM支護系統目前TBM支護系統功能越來越完善，性能也不斷提升，但仍然存在一些問題，主要是支護效率、質量與TBM掘進效率的匹配性差，特別是在復雜地質段尤為突出，在一定程度上制約了TBM掘進速度優勢的發揮，從而影響工程整體進展。敞開式TBM由于設備結構的制約，支護設備的工作范圍與支護質量存在一定的局限性。

　　錨桿鉆機的鉆孔方向難以達到與隧道法線重合的要求，只能呈發散狀;普遍采用的AtlasCOP1838型鉆機本身鉆孔能力很強、效率很高，但在TBM上難以發揮出應有的效率，主要問題是鉆機環向與軸向的移動速度和定位速度較慢。

　　這些方面和鉆機本身性能無關，主要受限于TBM結構及設備空間的設計局限。錨桿鉆機布置方式在部分TBM裝備上已有新的嘗試，今后將努力實現錨桿小角度入巖、便捷安裝、作業效率與掘進速度匹配、長度調整方便的目標。中鐵十八局聯合鐵建重工在廣州北江引水工程、十堰水源工程已經實現了小斷面TBM徑向錨桿支護。

　　4結語

　　1)我國TBM法隧道施工經過5個階段的發展，正在廣泛推廣，并且實現了以采用國產品牌TBM自主施工為引領的良好局面，從規模上將呈現升—平—降—穩的波動發展過程;從分布區域、分布領域上近期仍將保持以西部地區、水利水電工程和軌道交通工程為主的發展態勢，同時，在鐵路、煤礦、抽水蓄能、礦山、公路等新興領域也將得到進一步推廣應用;開挖直徑方面，在中等直徑TBM大范圍應用基礎上，將呈現兩極化發展態勢，超大直徑TBM、微型TBM也會迎來發展機遇。

　　2)隧道施工中，TBM法與鉆爆法各有優劣，取長補短、聯合施工的方法將會長期存在，并且TBM法占比及單臺TBM在同一工程中的施工長度均呈增長趨勢;由于建設環境、施工條件等因素影響，部分短隧道也將采用TBM法施工。

　　3)TBM法隧道施工技術的推廣應用，機遇中伴隨著挑戰，TBM設備技術與施工技術，已經取得了顯著進步，但仍然面臨著許多問題，并且會不斷涌現出新的需求和問題，解決的唯一出路是科技創新。今后一段時期。TBM法隧道施工技術創新將主要集中在以下幾個方面：改進現有支護技術，通過“四新”完善支護系統;復雜地質TBM法隧道施工技術正在全面研發與實踐，掘進策略、超前地質預報、合理可靠支護、超前處置等措施相結合，即將實現巨大突破;斜井TBM、豎井TBM、微型TBM、超大直徑TBM、復合式(多模式)TBM、異形斷面TBM等新型TBM已經開始研發、應用，正在取得長足進步，技術成熟后將得以大力推廣;TBM關鍵部件國產化研制與應用已經取得了階段性成果，TBM零部件必將全面實現國產化。

　　4)大數據技術、人工智能技術、5G技術是當今的技術發展熱點，智能建造已經提上日程，TBM法工程技術需要緊跟時代脈搏，充分吸納先進的理念和技術，以信息化、大數據大幅提升TBM施工技術與施工管理水平，結合5G技術努力實現TBM智能化施工，這是提升TBM適用空間、解放勞動力、適應時代發展的需要。文中關于現狀的分析和技術展望，還不全面、不深入，希望能夠和行業專家、學者、同仁的研究成果形成互補，共同促進我國TBM法隧道工程技術進步。

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　　作者：齊夢學

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