我国TBM法隧道工程技术的发展、现状及展望

　　摘要：岩石隧道掘进机(TBM)在我国的应用与发展已经有近60年历史，了解我国TBM法隧道工程技术发展历程，有助于正确认识其现状，判明下一步的发展趋势。在详细回顾我国TBM法隧道工程5个发展阶段基础上，从10个方面全面分析我国TBM法隧道工程现状：规模上总体呈小幅波动、持续上升状态;分布区域上以西部地区为主，华东、西南、东北、华南占比依次下降;分布领域上以水利水电工程和市政工程为主(占90%);开挖直径以6～8m直径系列为主(占70%);施工工法方面TBM法与钻爆法相结合、互为补充;TBM平均月进尺从数十米到千米大幅波动，以200～700m/月为主(占75%)，施工工期受平均月进尺和掘进长度的影响差异巨大，以1～4年为主(占70%);机型以敞开式和双护盾TBM为主(占90%);品牌以铁建重工、罗宾斯、中铁装备为主(占70%)，新增市场大多被拥有自主知识产权的铁建重工和中铁装备设备占有(占90%以上);TBM零部件国产化比例越来越高，但部分关键部件仍然依赖进口;有TBM施工业绩的建筑企业近30家，中铁隧道局和中铁十八局以显著优势稳居第一梯队。进而提出我国TBM法隧道工程技术展望：1)从规模上将经历升—平—降—稳的波动发展过程，目前正处于上升期，从分布区域、分布领域上近期仍将以西部地区、水利水电工程和轨道交通工程为主;2)TBM法与钻爆法联合施工的方法将会长期存在，并且TBM法占比及单台TBM在同一工程中的施工长度均呈增长趋势;3)支护技术、支护系统将迎来重大创新;4)复杂地质TBM法隧道施工技术正在全面研发与实践，即将实现巨大突破;5)斜井TBM、竖井TBM、微型TBM、超大直径TBM、复合式(多模式)TBM、异形断面TBM等新型TBM已经开始研发应用，正在取得长足进步，技术成熟后将得以大力推广，TBM关键部件必将全面实现国产化;6)大数据技术、人工智能技术、5G技术将助力TBM施工管理更加科学、客观、全面，并最终实现智能化施工。

　　关键词：岩石隧道掘进机(TBM);TBM发展历程;TBM现状;TBM展望;支护;复杂地质;新型TBM;微型TBM;智能化

　　引言

　　隧道在我国历史悠久，可上溯至约公元前700年东周初期，《左传》记载了庄公与其母亲武姜在隧道内相见的故事，“……对曰：君何患焉?若阙(通‘掘’)地及泉，隧而相见，其谁曰不然?公从之。公入而赋：大隧之中，其乐也融融!……”。我国道路史上最早的行车隧道，是位于陕西省汉中市的石门隧道，长14m，宽3.95～4.75m，修建于汉明帝刘庄永平四年(公元61年)，20世纪70年代淹没在石门水库之中[1];我国最早的城市地下隧道，是安徽省亳州市古地下通道，系曹操的运兵道，始建于东汉末年，因非一个朝代修筑使用，故结构不一、宽窄不同、高低不等，全长逾8000m[2]。

　　隧道施工论文：黄土V级围岩隧道快速开挖方法研究

　　隧道技术随着时代变迁、技术进步而不断发展，总结为5个发展阶段：古代的火焚法、近代的钢钎大锤法、手风枪钻爆法、现代的凿岩台车钻爆法、机械法(岩石隧道掘进机(TBM)法、盾构法、顶管法)。钻爆法隧道大多遵循“新奥法”原理，其理论基础是围岩具有自承能力，隧道设计与开挖要充分发挥围岩的自承能力[3]。

　　机械法隧道，根据机型、施工工艺、支护技术不同，分为2种：1)遵循“新奥法”原理的敞开式TBM施工的隧道，开挖后施作初期支护，必要时施作二次衬砌作为永久支护结构;2)护盾式TBM、盾构和顶管机施工的隧道，以预制管片或者管节作为永久支护结构。目前，我国隧道修建规模和修建难度都是世界上最大的，TBM用于隧道施工的发展速度也是最快的[4-6]。以史为鉴，回顾我国TBM法隧道工程发展历史，明晰TBM法隧道工程技术现状，才能清晰认识TBM法隧道工程技术面临的问题，合理展望，未雨绸缪，为我国隧道工程技术进步、基础建设的更好发展做出更大贡献。

　　1我国TBM法隧道工程发展历程

　　我国于20世纪60年代开始研究与应用TBM，近60年来发展历程大致可以分为5个阶段[7-8]。其中，每个阶段，起始时间为里程碑式工程开始时间，结束时间为下一阶段的开始时间，所以某一阶段的部分工程完工时间会延续到下一阶段。

　　1.1自力更生，研发探索(1964—1990年)

　　1964年前，国内很少有人了解TBM法隧道工程技术，但其优点通过科技图书等媒体传入中国，引起了国家的高度重视。经周恩来总理批准，在国家科委领导下成立全断面岩石隧道掘进机攻关小组。受当时国际背景和政治环境影响，我国无法引进先进的TBM设备及技术资料，只能被迫自力更生，封闭式研究探索。1964年，原水电部上海水电勘测设计院机械设计室和北京水电学院机电系等单位联合研究设计了ϕ3.4m的TBM，1965年被列为国家科委重点科研项目。

　　1966年，原水电部上海水工机械厂制造了ϕ3.4m的SJ34型TBM，用于杭州玉皇山、宝石山人防洞。20世纪70年代初，原水电部上海水工机械厂相继研制了ϕ5.5m、ϕ5.8m和ϕ6.8m的多台TBM，但破岩能力弱、掘进速度慢、故障率高、可靠性差、实用性差，经过一段时期的实践，多数不能使用[9-10]。20世纪70年代中期，针对TBM研制存在的关键问题，集中技术力量组织联合攻关。

　　通过出国考察、外国专家来华座谈等技术交流活动搜集到大量技术资料，在总结之前产品经验和教训的基础上又研制出一批TBM，例如：上海水工机械厂研制的ϕ5.8m的TBM，1982—1984年在引滦入津工程新王庄和古人庄2座隧洞合计掘进2723m，最高月进尺213.4m，最高日进尺21.35m，平均月进尺92.5m;煤炭科学研究院上海分院设计、上海第一石油机械厂制造的ϕ3.0m的TBM，1977—1982年分别在江西萍乡、河北迁西、山西怀仁合计掘进2633m，最高月进尺218.3m，最高日进尺14.5m，平均月进尺90m(有水)、150m(无水)。

　　20世纪80年代中期，我国在TBM关键零部件的攻关研究方面取得一定进展，进一步研发并应用。煤炭科学研究院上海分院在原有基础上做了改进，由山西省5409厂制造了ϕ3.2m的TBM，分别在云南省羊场煤矿(1988年开始，掘进2500m)、贵州省南山煤矿(1990年开始，掘进780m)、北京十三陵抽水蓄能电站(1992年掘进91.7m)施工。

　　1986—1990年，由煤科院上海分院设计、上海重型机器厂研制的ϕ5.0m的TBM，在山西古交东曲煤矿掘进3654m，最高月进尺202m，最高日进尺12.7m，月平均进尺85m;由原水电部杭州机械设计研究所设计、上海水工机械厂研制的ϕ4.0m的TBM，在福建龙门滩工地现场将直径改造为4.5m。但上述应用基本上以失败告终。以上研究探索与工业性试验表明，国产TBM还存在巨大差距，但是该阶段为多年后的TBM继续研发和应用培养了一批基础理论扎实的专业人才。

　　1.2引进设备，外企施工(1990—1995年)

　　20世纪90年代，随着我国对外开放的深入，国外TBM设备和施工企业进入我国隧道施工市场，如甘肃省引大入秦、山西省引黄入晋输水工程隧洞分别由意大利CMC公司与英泼基诺(Impregilo)公司用Robbins双护盾TBM施工。该阶段以山西万家寨引黄入晋工程南干线为典型代表，隧洞地质以灰岩、泥灰岩为主，采用Robbins1617-290双护盾TBM施工，最高月进尺1821.49m，平均月进尺784m。

　　该阶段一直延续到2005年结束。昆明掌鸠河供水工程上公山隧道地质条件复杂，主要为断层破碎带、节理密集带、软岩大变形、岩溶、突涌水、突泥(砂)等，第1年平均月进尺388.46m，第2年停机时间占70%，2005年9月决定拆除TBM改用传统钻爆法施工。这一阶段由国外制造商和承包商主导TBM设计和施工，但施工过程中锻炼、培养了一批国内TBM操作人员，这些人大部分仍在参与TBM设计制造与施工工作。

　　1.3引进设备，自主施工(1995—2013年)

　　1995年，为了修建全长18.45km的西康铁路秦岭隧道，原铁道部从德国引进2台敞开式TBM，该工程由铁道部第十八工程局和隧道局2家国企承建。这是我国首次独立使用和管理TBM，实现了自主施工，TBM最高月进尺分别为509m和531m，平均月进尺310m。TBM在该工程的成功应用奠定了我国推广应用TBM的坚实基础，之后的西南铁路桃花铺一号隧道和磨沟岭隧道、吐库二线铁路中天山隧道、引大济湟工程、大伙房水库输水工程、锦屏二级电站引水洞、辽西北供水工程等，全部采用国外的TBM设备，国内企业自主施工。施工中克服了一系列地质难题，也取得了较好业绩，如辽西北供水工程TBM进度普遍较好，2段4标TBM平均月进尺616m。

　　该阶段，培养、锻炼了一大批TBM技术和管理人才，能独立驾驭TBM法隧道工程的规划、勘察、设计、施工和管理，为我国大规模隧道建设打下了基础，为国内科研院所及企业深入研究TBM提供了有利条件并取得了丰硕成果，TBM法隧道工程技术逐步得到推广。据不完全统计，该阶段TBM法隧道工程。期间，原铁道部曾效仿高铁技术发展路径，以市场换技术，计划引进100台TBM用于铁路隧道修建，先期招标采购20台，由于国外制造商报价过高而放弃。实际上，该阶段前期是与引进设备、外企施工并存的。

　　1.4强强联合，自主研发(2013—2016年)

　　随着我国各类隧道规模的快速增长，为了提高我国掘进装备的设计制造水平，发展核心竞争力，我国在2006年就将隧道掘进机列入国家重大装备产业。近十余年来，国家积极推动掘进装备制造业的发展，不断增加科技研发投入。

　　2007年，科学技术部组织了国内的地质勘探单位、科研院校、设计制造单位和施工单位，以国家重点基础研究发展计划(973计划)的形式积极推进隧道掘进装备的理论创新和设计攻关。

　　2012年，由铁建重工和中铁装备牵头，开展了国家高技术研究计划(863计划)“大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)关键技术及应用”研究。2013年和2014年，浙江大学和武汉大学分别作为牵头单位，先后开展了973项目“硬岩掘进装备的关键基础问题”和“深部复合地层围岩与TBM相互作用机理及安全控制”研究。

　　2014年国家再次批准大连理工大学牵头的国家2011协同创新中心第二批计划———辽宁重大装备制造协同创新中心，以区域合作的形式再次向大直径敞开式硬岩掘进机攻坚克难。在国家这一系列的科技计划投入下，国内TBM的基础理论、设计制造和施工水平有了大幅提高。2013年，中信重工率先研制了国内首台敞开式TBM，开挖直径5m，于2015年10月开始应用于洛阳故县水库引水工程全长6.64km的洛宁段1号隧洞，2017年7月贯通。

　　2015年1月和3月，铁建重工和中铁装备2家制造企业，在中铁十八局和中铁隧道局2家施工企业的鼎力支持下，联合国内多家科研院所，自主研发设计制造了2台ϕ7.93m的敞开式TBM，并应用于吉林省中部城市引松供水工程。2017年8月28日，在洞长22.6km的吉林省中部城市引松供水工程2标段，TBM提前14个月贯通，平均月进尺643m，最高月进尺1209m;2018年1月22日，在洞长22.955km的4标段，TBM提前9个月贯通，平均月进尺546m，最高月进尺1318.7m。

　　这在我国TBM领域具有里程碑式的意义，标志着国内自主研制的TBM从无到有。此后，自主品牌TBM陆续研发出不同规格的产品，应用于重庆轨道交通5号线、重庆轨道环线、新疆ABH输水隧洞、兰州水源地、神东补连塔煤矿巷道等工程。

　　1.5自主品牌，推广应用(2016年至今)

　　以吉林引松工程为代表的自主品牌TBM的成功应用，为TBM设备独立设计制造奠定了基础，也使自主品牌TBM赢得了建设单位、施工企业的信赖，进而在国内外迅速推广。据不完全统计，鄂北水资源配置宝林隧洞、重庆地铁、深圳地铁、青岛地铁、新疆某输水隧洞、大瑞铁路高黎贡山隧道等工程已经采用自主品牌TBM70余台套;并且，自主品牌TBM已经走出国门，出口数量为16台(截至2020年6月底)。

　　标志着中国TBM已经走向世界。2016年4月，新疆EH工程一次性集中采购18台TBM，用于全长516km的引水隧洞施工。2018年10月10日，习近平同志主持召开中央财经委员会第三次会议，全面启动川藏铁路规划建设。川藏铁路建设项目不良地质多且集中，需要面对崇山峻岭、地形高差大、地质复杂等建设难题;隧道总长占线路总长的70%以上，且多为长大隧道，其中4座隧道计划采用10台TBM施工。

　　2我国TBM法隧道工程现状

　　自1990年引大入秦工程开始，我国TBM法隧道工程技术进入成功应用阶段，应用与发展现状分析如下。

　　2.1TBM法隧道工程规模

　　30年来，我国TBM法隧道工程规模发展趋势，总体上呈现小幅波动、持续上升状态，大致可以分为2个阶段。

　　第1阶段为1990—2012年，基本上呈持续应用状态，约1/3年份无新项目开工，其他年份每年的TBM法隧道也较少，在前半段波动范围为0～1;1997年，山西引黄入晋和西康铁路秦岭隧道采用TBM施工，出现小高峰;2009年，TBM法隧道工程包括2项水利工程、1项铁路工程和1项市政工程，出现第2个小高峰。

　　第2阶段为2012—2020年，TBM法隧道工程总体呈上升趋势，其中，2012—2016年，新疆EH工程(支洞采用2台二手TBM施工、主洞全线集中招标采购18台TBM)、青岛地铁及深圳地铁全面开工建设，TBM法隧道规模快速扩张，出现高峰;之后回归并保持较高水平，后续将呈波动发展、波浪式增长态势，并且会出现新的应用规模高峰。概要分析国内TBM法隧道工程发展，主要受到5方面的影响：

　　1)国内经济发展水平，随着国内经济能力的提升，TBM法隧道工程规模稳步攀升;2)对TBM的认可程度不断提升，TBM应用经历了由少到多的历程;3)随着技术水平的提升，隧道建设规模增大、长度增长，TBM法隧道工程数量显著增加;4)环境保护、劳动保护的不断规范，促进了TBM法隧道工程修建;5)国内劳动力成本的增加和国产TBM的成功应用，让长期居高不下的TBM施工成本显著降低，促进了TBM法隧道工程技术的推广。

　　2.2TBM法隧道工程分布区域

　　我国TBM法隧道工程分布区域(以TBM应用数量作为统计依据)。大多集中于西部地区，占比高达约60%，主要是由于西部地区多山，并且是大江大河的发源地，水利水电与铁路工程规模大，深埋长隧居多，且近年来西北和西南区域水利水电工程、城市轨道交通工程建设时间相对集中;华东地区TBM法隧道工程约占20%，主要原因是TBM法在重庆轨道交通6号线和青岛地铁2号线成功应用后得以大范围推广;东北地区TBM法隧道工程主要集中在辽宁和内蒙古水利工程;华南地区TBM法隧道工程主要分布于深圳地铁。

　　2.3TBM法隧道工程分布领域

　　我国TBM法隧道工程分布领域。其中，水利水电隧洞占比约50%，居首位，主要原因是：1)TBM开挖断面为圆形，是水利水电隧洞最合理的断面型式;2)水利水电隧道建设规模大、单洞长度长、埋深大的隧道居多;3)TBM在水利水电隧洞开始应用早，市场认可度高。市政领域占比约40%，居第2位，主要是由于青岛、重庆、深圳等岩石地层城市的轨道交通隧道不适合钻爆法施工，TBM法成了最佳选择[11-12];铁路隧道引进TBM法施工虽然较早，但发展缓慢。

　　3我国TBM法隧道工程技术展望

　　3.1TBM法隧道工程规模、区域与领域分布

　　我国TBM法隧道工程规模在今后一定时期内仍将保持较快增长，之后趋于平稳并保持较长时间，最终会下降到较低水平，发展过程中大部分时段会小幅波动，也不排除偶尔大幅波动的可能性。预计未来10年各类隧道修建长度20000km、掘进装备需求量600台，未来5年我国潜在工程规划的TBM需求量会达到200台。我国TBM法隧道工程仍将集中于西部地区，以水利水电工程为主;华北地区山东省、华南地区深圳市、西南地区重庆市等多山城市的轨道交通隧道对TBM的需求量呈上升趋势;华南、华北、东北等地区TBM应用数量将会明显受到区域性调水、海底隧道等工程建设的影响。

　　预期未来一段时期内，TBM法隧道工程分布领域仍将以水利水电和市政工程为主，前者保持较高速度发展的势头较为强劲，后者增长势头高速发展的可能性较小，但短期内明显下降的可能性较小。在铁路工程领域中川藏铁路将是短期内的峰值，此后大规模应用的可能性较小。从川藏铁路隧道施工工法论证、比选过程中可见一斑，受制于TBM对复杂地质条件的适应性、造价、对TBM工法的认知、决策机制等因素，TBM从原计划的36台减少为32台、18台，进而减少为10台[13]。

　　TBM法隧道工程技术在煤炭开采领域已经崭露头角并呈较高速度增长趋势。随着乐西高速大凉山1号隧道、新疆乌蔚高速天山胜利隧道TBM的成功应用[14-15]，TBM法隧道工程技术在公路领域将会迎来新的发展机遇，一定范围内推广的概率较大。矿山、军工、核工业等特种行业将会陆续开启TBM的应用之路。若TBM破岩技术、断面型式等出现重大变革，上述应用领域分布态势将会发生较大改变。

　　3.2TBM法与钻爆法联合施工且TBM施工占比逐步增加TBM法与钻爆法隧道施工各有优劣，优势互补是最佳选择。受地质适应性、断面适应性、进度与工期、造价等多方面因素影响，在今后的隧道建设中，TBM法仍将与钻爆法联合施工。

　　TBM装备技术与施工技术不断进步，其工程适应性不断增强，TBM法施工成本在国产化大规模推广应用的影响下得到较好控制，而钻爆法施工成本呈上升趋势，因而TBM法施工占比会逐步增加。山岭隧道已完工的工程中，单台TBM在同一工程中掘进长度为20km以上的隧道仅5座;在建工程中单台TBM在同一工程中计划掘进长度为20km以上的隧道有13座，最大长度26km(实际施工过程中下调的概率较大)。后续，单台TBM在同一工程中掘进长度达到20km的概率将会继续增大，并且，预计在不久的将来会突破30km，甚至达到40km，这将为在西部大山中修建隧道工程提供巨大支撑，也让以往不具备可行性的工程变为现实，例如：烟大海底隧道、台湾海峡海底隧道、南水北调大西线工程等[16-19]。

　　3.3TBM法隧道支护技术

　　3.3.1TBM支护系统目前TBM支护系统功能越来越完善，性能也不断提升，但仍然存在一些问题，主要是支护效率、质量与TBM掘进效率的匹配性差，特别是在复杂地质段尤为突出，在一定程度上制约了TBM掘进速度优势的发挥，从而影响工程整体进展。敞开式TBM由于设备结构的制约，支护设备的工作范围与支护质量存在一定的局限性。

　　锚杆钻机的钻孔方向难以达到与隧道法线重合的要求，只能呈发散状;普遍采用的AtlasCOP1838型钻机本身钻孔能力很强、效率很高，但在TBM上难以发挥出应有的效率，主要问题是钻机环向与轴向的移动速度和定位速度较慢。

　　这些方面和钻机本身性能无关，主要受限于TBM结构及设备空间的设计局限。锚杆钻机布置方式在部分TBM装备上已有新的尝试，今后将努力实现锚杆小角度入岩、便捷安装、作业效率与掘进速度匹配、长度调整方便的目标。中铁十八局联合铁建重工在广州北江引水工程、十堰水源工程已经实现了小断面TBM径向锚杆支护。

　　4结语

　　1)我国TBM法隧道施工经过5个阶段的发展，正在广泛推广，并且实现了以采用国产品牌TBM自主施工为引领的良好局面，从规模上将呈现升—平—降—稳的波动发展过程;从分布区域、分布领域上近期仍将保持以西部地区、水利水电工程和轨道交通工程为主的发展态势，同时，在铁路、煤矿、抽水蓄能、矿山、公路等新兴领域也将得到进一步推广应用;开挖直径方面，在中等直径TBM大范围应用基础上，将呈现两极化发展态势，超大直径TBM、微型TBM也会迎来发展机遇。

　　2)隧道施工中，TBM法与钻爆法各有优劣，取长补短、联合施工的方法将会长期存在，并且TBM法占比及单台TBM在同一工程中的施工长度均呈增长趋势;由于建设环境、施工条件等因素影响，部分短隧道也将采用TBM法施工。

　　3)TBM法隧道施工技术的推广应用，机遇中伴随着挑战，TBM设备技术与施工技术，已经取得了显著进步，但仍然面临着许多问题，并且会不断涌现出新的需求和问题，解决的唯一出路是科技创新。今后一段时期。TBM法隧道施工技术创新将主要集中在以下几个方面：改进现有支护技术，通过“四新”完善支护系统;复杂地质TBM法隧道施工技术正在全面研发与实践，掘进策略、超前地质预报、合理可靠支护、超前处置等措施相结合，即将实现巨大突破;斜井TBM、竖井TBM、微型TBM、超大直径TBM、复合式(多模式)TBM、异形断面TBM等新型TBM已经开始研发、应用，正在取得长足进步，技术成熟后将得以大力推广;TBM关键部件国产化研制与应用已经取得了阶段性成果，TBM零部件必将全面实现国产化。

　　4)大数据技术、人工智能技术、5G技术是当今的技术发展热点，智能建造已经提上日程，TBM法工程技术需要紧跟时代脉搏，充分吸纳先进的理念和技术，以信息化、大数据大幅提升TBM施工技术与施工管理水平，结合5G技术努力实现TBM智能化施工，这是提升TBM适用空间、解放劳动力、适应时代发展的需要。文中关于现状的分析和技术展望，还不全面、不深入，希望能够和行业专家、学者、同仁的研究成果形成互补，共同促进我国TBM法隧道工程技术进步。

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　　作者：齐梦学