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复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期：2023-10-15修回日期：2023-10-31作者简介：竺维彬（1962-），男，硕士，正高级工程师，主要从事地铁建设管理与盾构技术研究工作，E-mail：.复合地层盾构隧道修建技术创新与展望竺维彬1，2，3米晋生2，3王 晖2，3，4钟长平1，2，3（1.广州地铁集团有限公司，广州 510000；2.广州轨道交通盾构技术研究所，广州 510000；3.中国岩石力学与工程学会工程实例专委会，广州 510000；4.广州地铁建设管理有限公司，广州 510000）摘要：自上世纪90年代初，广州地铁率先引进复合式盾构机，尝试在素有“地质博物馆”之称的广州复合地层中施工地铁隧道，历经十余年（19942005）全程实践和系统分析，提出和定义了一系列新概念、新观点、新方法，高质量建成地铁100多公里，创立了复合地层盾构施工技术理论体系，拓宽了盾构工法的地质适应性，为盾构工法大规模推广应用、设备国产化和产业化、人才培养奠定了坚实的理论和经验基础。在第二个十年（20062015），复合地层盾构施工技术理论进一步完善和发展，针对“泥饼、滞排、喷涌”等复合地层盾构施工的基本风险源或因素，创新研发并应用“衡盾泥”开舱技术，首创“隐蔽岩体环保爆破新技术”，发展了“辅助气压掘进技术”，以及推动双模式、常压刀盘等盾构机新技术的应用，建成一大批长距离、大直径、深埋、复杂地质隧道，中国逐步成为盾构大国。近十年来（2016至今），多模式融合的“三模掘进机”研制和成功应用，“巨厚岩层”覆盖下泥水盾构施工沉陷原因及对策研究等一批行业前沿成果正式发布，丰富了盾构施工技术，助力我国向世界盾构强国迈进。关键词：复合地层；盾构隧道；修建技术；创新与展望中图分类号：U455.43文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）02-0090-15DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.010引文格式：竺维彬，米晋生，王 晖，等.复合地层盾构隧道修建技术创新与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):90-104.ZHU Weibin,MI Jinsheng,WANG Hui,et al.Innovation and Prospects of Shield Tunnelling Technology in Mixed GroundJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):90-104.1引 言复合地层盾构隧道工程1，2涉及地质学、岩石力学、机电工程学、土木工程学等多学科的跨界融合（图1），同时已从地铁推广应用到市政综合管廊、公路、铁路、水利、电力等多领域。在复合地层中应用的盾构机也在国家标准 全断面隧道掘进机术语和商业规格（GB/T343542017）中定义为“复合式盾构机”。该学科的诞生与发展具备问题性、原创性、实践性和可靠性。盾构机虽诞生于近200年前的英国，但掘进的地层是均一且相对自稳的黏土地层，掌子面开放、人工开挖、用砖衬砌，直到上世纪60、70年代日本才发明研制了具有平衡功能的闭胸式盾构机，靠刀盘刀具等系统切削土体，主要应用于软土地层。国内于上世纪80、90年代由上海最早引进闭胸式盾构机，也主要应用于上海软土地层。当时，在上软下硬或上土下岩组合地层（即复合地层）中的工程案例极其少见，更无施工理论指导。图1 复合地层盾构隧道工程学科关系Fig.1 Discipline relationship diagram of shield tunnelengineering in mixed ground上世纪90年代，广州地铁一号线率先引进和尝试在软土和岩层组合地层中应用盾构技术36，在吸收国外当时先进盾构技术的基础上，在施仲衡院士、王振信总、王文斌总、张弥教授等前辈的指导下，竺维彬、鞠世健等全面总结施工过程中反馈出来的盾构选型、配置缺陷和相关事故教训4,5，通过1、2、3、490复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版号线30余台盾构、100 km类似复合地层的盾构工程实践，系统分析、创新研究69，提出和定义了复合地层、泥饼10（图2）、喷涌、滞排11,12、有效推力等一系列复合地层盾构施工技术的新概念、新观点、新方法1318，创立了“复合地层盾构施工技术体系”（2006年出版 复合地层中的盾构施工技术1），填补了国际空白（图3、图4），核心技术原则是：地质是基础、盾构是关键、人（管理）是根本。同时开创了建设方培训盾构施工承包商的先河，大力扶持、推动盾构产业的整体发展，走国产化道路：中铁工、中铁建、广东建工等系统的最早一批盾构施工单位从广州走向全国，也将复合地层盾构施工技术推广到全国各地，促进了我国盾构事业的长足发展。图2 2003年提出定义了泥饼的概念并分析了其成因和对策Fig.2 The concept of mud cake was proposed and analyzedin 2003图3 2006年出版国际上第一本复合地层盾构施工技术专著Fig.3 The first edition of Shield Tunnelling Technology inMixed Face Ground Conditions was published in 2006图4 2020年 复合地层中的盾构施工技术 再版2Fig.4 The second edition of Shield Tunneling Technology inMixed Face Ground Conditions was published in 20202进入21世纪，随着国家经济、城镇化发展的需求，我国高铁、公路、地铁、综合管廊等国计民生重大工程呈爆发式增长；而随着地面的土地资源越来越紧缺，施工环境越来越复杂（尤其是跨江、河、湖、海水域等），环保要求越来越高。规避大规模拆迁、改造，减少建设和运营期对周边居民的影响，既是投资和工期控制的需要，更是城市高质量发展的需求。盾构工法因其在安全、质量、进度、综合成本及环保等方面的优势越来越明显，已成为隧道建设优选的主流工法。国内每年建成盾构隧道超过1 000 km，工程造价超过500亿元，无疑是世界第一盾构大国，且随着我国在特别复杂地质条件下国产化盾构的不断创新突破，也将逐渐成为盾构强国，为实现国家交通强国战略目标奠定基础。据不完全统计，截止到2022年12月31日，我国盾构隧道工程数量达3 599个，施工单位超过53家；国内市场上盾构机制造数量达4 293台（上世纪末，中国拥有的盾构机台数仅10余台，且全部为进口），国产化率超过80%，其中复合盾构超过80（直径6.017.6 m、费用5 000万/台5亿元/台），盾构机制造厂家超过12个，除了广州海瑞克股份公司是合资厂以外其他均为国内独资企业，其中中铁工程装备集团有限公司共制造1 055台；盾构机制造业逐步实现国产化，并慢慢进入国际市场参与竞争，出口到海外盾构机共约250台19。近几年，盾构工程向大直径、大埋深、长距离方向发展，截止到2022年底，全球超大直径（直径大于14 m）盾构工程数量超100例（含在建项目），其中，国外有20例，国内超80例19。长、大、深隧道开挖遇到复合地层的概率大大提升，国内的大部分超大直91复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024径盾构隧道都在复合地层中施工，如广东狮子洋隧道、大连地铁5号线跨海隧道、香港屯门隧道、汕头海湾隧道、深圳春风路隧道、南京和燕路隧道等均在复合地层中施工，且多个工程采用国产盾构机；随着大连地铁5号线跨海隧道、武汉三阳路隧道和汕头海湾隧道的陆续贯通，以及深圳春风隧道的顺利推进，标志着我国超大直径盾构机在复合地层中的施工技术已达世界先进水平，国产超大直径复合式盾构机可与世界著名企业同台竞争19。近年来，复合地层盾构隧道领域的理论技术讨论与研究越来越多，中国知网上相关论文6 418篇、外文文献3 001篇、专利156项、国家自然科学基金项目45项。目前复合地层盾构隧道工程领域的热点问题如下：（1）在盾构设备制造及盾构施工方面，热点技术包括多模盾构、刀具检测及更换、辅助技术等等。基于我国地质环境种类繁多复杂且经遍及全国的大规模工程实践，积累了极其丰富的工程经验和教训，同时也催生了不少原创性的技术，例如：爆破预处理技术、衡盾泥辅助开舱技术、冷冻刀盘技术、三模盾构技术等等都是国际首创。（2）超大直径盾构在复合地层中施工碰到的核心问题或热点问题，概括起来依然是“泥饼、喷涌、滞排”6个字。虽然广州地铁上世纪90年代最先定义提出了这几个复合地层盾构施工的典型难题及系统应对措施，但受一线工程人员对地质认知程度和应对措施掌控程度的影响，这几个难题仍是影响复合地层盾构施工进度的三大因素，对超大直径盾构施工影响更甚。目前国内外超大直径盾构机的大部分优化创新、技术或措施改进几乎都为解决这几个问题，例如：双螺旋土压盾构；泥水盾构增设采石箱、二次破碎、冲刷系统改造及超大直径双模盾构（带螺机的泥水盾构机）的研发等。（3）人工智能及工业数字化在盾构工程领域的应用，如机器人辅助技术、自动拼装、自动驾驶、超前地质预报、大数据平台等，此类技术最早的概念主要由国外提出，近年国内研发成果也有长足进步，但底层算法逻辑与国外仍有一定的差距。2研究进展与创新点大量复合地层盾构隧道工程的建设推动了我国盾构产业的发展及修建技术的进步，同时在修建过程中所面临各种难题的攻克，孕育了大量的创新性成果。下面将从地质勘察、设计、盾构设备、施工4个方面详细介绍国内外前沿创新技术。2.1复合地层盾构隧道工程勘察创新技术认知地质是盾构施工控制的基础，尤其复合地层中地质复杂，诸如岩土界面起伏多变、各地层特征悬殊，且存在某些不良地质，如花岗岩球状风化体、岩溶、古河道等。传统的单一钻探往往无法满足要求，因此物探技术投入越来越多。广州地铁在花岗岩孤石区、岩溶区尝试应用了10余种物探技术，如电法、地震波、跨孔CT、微动法等等，积累了许多经验教训。近年来也逐渐将物探技术引入到盾构设备上，即超前地质预报，例如德国海瑞克SSP-E和ISP系统、国内HSP系统等2026。但工程实践表明，单一的勘探方式均存在一定的局限性，地质勘察要提高精度必须针对性地选择物探方法、钻探方法及与盾构掘进参数变化及渣样反馈分析相结合的综合勘察方法27,28。此外，为准确诠释勘察数据以及工程技术人员更直观地了解地质情况，实现勘察成果从点到线到面到三维的可视、可辨，即“透明地质”创新技术也取得了一定的成果29。（1）综合勘察技术针对花岗岩孤石地层，广州地铁竺维彬团队提出长距离水平钻探和物探相结合的方法2，即以盾构始发井、接收井或中间风井洞门为探测实施平台，在隧道断面内沿隧道方向进行长距离水平钻探，水平钻孔间进行跨孔CT物探，目前本技术正处于理论研究、试验阶段。工程应用上，针对岩溶等特别复杂的不良地质，该团队还提出了综合勘察技术，即区域地质分析、物探钻探、盾构施工过程中动态地质跟踪反馈分析（主要采取渣样分析及根据掘进参数变化辅助判断地层变化）、超前探测等相结合的勘察方式，利用各种勘探方法的优势尽可能探清地质的特征。（2）超前地质预报技术德国Herrenknecht SSP-E系统采用地震波反射法来探测掌子面前方约40 m内的异常体（图5），该技术在国内外9个项目上应用。Kang等30基于复合地层条件下不同地层感应极化与电阻率差异，提出了一种可用于预测盾构隧道掘进掌子面前方复合地层的方法。中铁西南科学研究院研发了HSP系统（图6），利用刀盘滚刀破岩产生的震动信号作为探测震源，对前方不良地质体进行空间成像实现地质预报，该系统已在40台土压平衡盾构、4台TBM/土压双模盾构、3台泥水平衡盾构上应用。2.2复合地层盾构隧道工程设计理论与方法目前，国际上普遍采用的隧道结构设计理论和方法主要为荷载-结构法和地层-结构法，其中荷92复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图5 SSP-E探测原理Fig.5 SSP-E detection principle图6 HSP系统Fig.6 HSP system载-结构法是目前应用最广的设计方法，该方法的研究主要集中在荷载确定和衬砌结构简化上。针对复合地层的相关特性，例如隧道断面内不同地层的围岩压力、侧压力系数等工程参数不同，荷载确定从安全系数法向分项系数法（极限状态法）过渡；衬砌结构的简化近年来则应用了计算机三维精细化计算模型，解决了传统梁-弹簧模型偏重于土体和结构的相互作用，无法精确反映管片接头及螺栓结构的难题31,32；同时针对超大直径盾构、盾构扩挖车站、富水地层等特殊工程或工况引入或提出了一些创新性设计3335，如隧道结构抗震技术、新型防水技术、钢纤维管片设计等；此外，在盾构隧道设计方面还引入了BIM技术，以期实现盾构隧道工程全生命周期的多专业协同设计、施工管理、运营维护目标。（1）隧道结构抗震技术针对汕头海湾隧道工程场址受地震影响大，周福霖院士团队在采用强度等级C60钢筋混凝土管片、岩土地层交界处两侧管片螺栓采用8.8级加强抗震螺栓的基础上，创新提出并设置了柔性消能环节-消能减震节点（图7）。该消能减震节点由管片预埋钢板（41 m）、止水带（41 m）、钢压板连接板（144套）、SMA记忆合金棒（144根）构成，提供低弹性模量、耗能和超弹性自复位功能，实现耗能、自复位和承压防水3种功能。图7 汕头海湾隧道管片结构抗震技术Fig.7 Seismic technology for segment structure in Shantou BayTunnel（2）纤维混凝土管片目前我国盾构隧道通常采用预制钢筋混凝土管片衬砌，具有强度高、易加工、耐腐蚀等优点，但自重大、用钢量大、易开裂、易破损。国外在上世纪70、80年代最先提出纤维混凝土管片的设计，国内也引入了该技术。国际隧道协会前主席严金秀团队近年在钢纤维混凝土管片的研究和应用方面取得较大进展，主要是提高管片的抗裂性、抗震性、耐久性等，且可减小管片体量，降低配筋量、节省造价36。（3）隧道结构设计BIM技术当前各大城市轨道交通行业的BIM技术应用都在广泛尝试应用，通过BIM技术建立建筑信息化的隧道管片拼装三维可视化模型，直观地给相关人员提供效果展示和评估，并最终实现对施工的全过程实时指导。但离基于全生命周期的多专业协同设计、施工管理、运营维护目标还有一定距离。2.3复合地层盾构设备创新技术盾构工程中合适、先进的设备选型和配置能大幅度提高施工效益，保障质量和安全。传统的土压/泥水单一模式盾构机对复合地层多变地质的适应性有所局限，多模式盾构技术应运而生。盾构智能化控制辅助技术的研发应用也是近几年盾构设备领域的创新突破重点，目前也取得一定的进展，如机器人辅助作业、刀具检测、管片自动拼装、推拼同步及其自动化等。此外，在盾构设备功能强化方面也取得一定的成果，如盾构设备搭载超前地质预报系统、冷冻刀盘、常压刀盘、超前勘探等创新技术。2.3.1多模式盾构技术（1）双模盾构技术为了拓宽盾构工法对复合地层的地质适应性，近年来全球各大盾构制造厂商都推出了不同种类的“双模式盾构”。美国罗宾斯研发的跨越式TBM（广义），兼具硬岩单护盾掘进机和土压平衡盾构的特93复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024征，适应于黏土和岩石复合的地层中掘进；海瑞克研发的全球最大直径的可变密度盾构配合常压刀盘设计，应用于美国汉普顿路桥隧道工程37。国际最早的土压/泥水并联式双模盾构由广州地铁提出、广东华隧研制（图8）38，应用于广州地铁9号线的岩溶区隧道施工中；近年，铁建重工自主研发了首台铁路大直径土压/TBM双模盾构机，应用于珠三角城际铁路广佛环线工程；中铁装备自主研发了国内最大直径的土压/泥水双模盾构，应用于成都紫瑞隧道工程（图9）39,40。图8 世界首台并联式双模盾构Fig.8 The worlds earliest parallel dual-mode shield machine图9 2020年12月18号紫瑞号下线Fig.9 The launching ceremony of the Zirui shield machine onDecember 18,2020（2）土压/泥水/TBM三模盾构技术三模盾构技术（图10）4143孕育于国内广州地铁工程实践中遇到的以花岗岩为基础的复合地层，针对单一模式盾构机无法适应花岗岩地层复杂多变的地质条件，提出兼具土压平衡、泥水平衡、TBM 3种掘进模式的盾构机，突破单一模式盾构机的局限性，以提高其对多变地质条件、复杂周边环境等工况的适应性。三模盾构已成功应用于广州地铁7号线西延段工程（已贯通），施工效果良好。图10 三模盾构机成功应用Fig.10 Successfulapplication of the triple-mode shieldmachine2.3.2盾构机智能化控制辅助技术（1）刀具检测技术复合地层中盾构刀具损坏磨损频繁，超大直径复合式盾构尤其严重，为了减小不必要的进舱检查，刀具状态（旋转、温度、磨损等）的智能化检测具有重要意义，因此盾构设备领域刀具智能化检测技术的研发非常热门，目前各厂家也相继推出自己的刀具检测系统。海瑞克研发了滚刀旋转监测（DCRM）系统和滚刀载荷监测（DCLM）系统（图11、图12），分别应用于佛莞狮子洋隧道、汕头海湾隧道、南京和燕路隧道、深圳妈湾隧道等超大直径盾构工程中。图11 滚刀旋转监测系统Fig.11 Disc cutter rotation monitoring system图12 滚刀载荷监测系统Fig.12 Disc cutter load monitoring system94复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版中铁装备自主开发研制的一套刀具智能诊断系统，实现掘进机刀盘上滚刀刀具、合金刀具磨损等状态的实时监测。通过在传感器、通讯技术、无线供电、智能判断等方面的技术创新研究，在刀具多参数协同精准检测、强衰减环境下数据稳定传输、刀具状态智能诊断策略以及掌子面地质反演等关键技术领域取得了一定的突破4448。铁建重工联合中南大学研发的Online Monitoring System(OMS)系统（图13）49则选择了电涡流传感器，利用金属的电磁特性，以非接触的方式完成检测，并基于ZIGBEE无线传输技术实时检测刀具工作状态。同时，设计了数据传输系统的保护装置，解决了刀具内检测设备在刀盘振动、冲击荷载、水土压力作用下检测易损耗的问题，提高了检测设备的可靠性和寿命。图13 Online Monitoring System(OMS)系统Fig.13 Online Monitoring System(OMS)（2）管片自动拼装、推拼同步技术近几年国内盾构领域管片自动拼装、推拼同步技术也进入研发、尝试应用阶段。关于管片自动拼装的理论研究，西南交通大学张 龙等50设计了一种基于图像识别技术的盾构机管片拼装自动控制传感检测系统，这一系统通过图像采集对布置在管片特定位置且含有标记的圆靶标进行识别，可完成管片姿态和定位信息的检测，再由计算机根据相关数据发出指令实现管片的自动拼装；陈 曦等51建立通用管片的参数化建模流程，通过Civil3D软件进行盾构区间三维轴线设计，并基于Revit开发Dynamo插件实现区间管片全过程的自动拼装。在试验方面，中交天和结合传感器技术、自动控制技术和视觉图像处理算法等技术，研发了管片自动化拼装系统，实现“一键”进行管片全自动化抓取和拼装5255。该系统已经安装到珠海兴业路超大直径盾构（15.76 m）设备上。（3）机器人辅助技术盾构掘进过程中，目前还有两个环节是依靠人工作业的，一是管片拼装，二是更换刀具，因此这两个环节的智能化、自动化技术也是盾构设备重要的研究领域。机器人辅助技术应用于盾构工程领域最早是由法国布衣格（Bouygues Construction）集团首次提出并立项研究，由法国国家科学署资助，联合英国OCRobotics公司研发了Jet-Snake蛇形机器人，于2016年首次应用于香港屯门隧道海瑞克直径17.6 m的盾构机上进行辅助换刀（图14）；另外，该公司研发的Dobydo&Krokodyl 机械臂用于管片拼装，本技术在完成了原型开发与测试后，即将安装并应用于英国高速铁路二期（HS2）工程Chiltern隧道的TBM上56。图14 香港屯门隧道大盾构应用的机器人Fig.14 Robot adopted in the large shield machine for the HongKong Tuen Mun Tunnel近几年，国内中铁装备、宏润建设等多个企业联合高校在这方面也进行了理论和试样研究并取得一定的成果。理论方面，东北大学研究团队57提出了盾构换刀机器人系统设计方案，并进行了换臂运动学及运动空间的分析；试样方面，宏润建设联合上海大学研发了国内首台盾构机换刀机器人样机（图15），并应用于“宏润15号”盾构机；中铁装备牵头国家重点研发计划“智能机器人”的重点专项“全断面掘进机刀盘刀具检测换刀机器人”，目前已研制出检测换图15 宏润建设研发的盾构机换刀机器人样机Fig.15 Cutter tool replacement robot prototype developed byHongrun Construction for shield machines95复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024刀机器人样机以及机器人易用刀座、检测传感器等，开展了实验室/车间环境性能测试，此外还在开发管片吊运机器人58，59。2.3.3冷冻刀盘技术冷冻刀盘技术是国内首先提出并研发的（图16），可对开挖面直接冷冻加固地层以避免占用地面场地和开挖面坍塌，从而达到常压快速、安全换刀的目的。本技术已应用于广州220 kV电力盾构隧道工程中60，61。图16 冷冻刀盘盾构机Fig.16 Shield machine with the frozen cutter head2.4复合地层盾构施工技术创新及成果复合地层最大的特征是开挖断面范围内地层软硬不均，盾构掘进过程刀盘的转动从软到硬时产生的振动大，影响开挖面稳定；刀具受冲击大，非正常损坏严重，甚至出现盾构卡死的风险；切削下来的土体或岩块“和易性”差，难以顺利排出，即产生“滞排”，以及进舱换刀风险大等。因此盾构工程实践过程中为克服这些风险，创新研发了多项辅助技术，包括辅助气压掘进技术、爆破预处理技术、衡盾泥辅助换刀技术等；理论方面研究主要集中在施工参数、地层沉降、刀具磨损等预测上；同时也在大数据分析辅助盾构施工管理方面做了很多研究，关于大数据远程实时管控平台的开发、盾构施工自动化预警及智能化掘进管理方面也取得了明显的进步。2.4.1复合地层盾构施工辅助创新技术（1）辅助气压掘进技术对于埋深大、裂隙水发育的岩石地层和富水、气密性好的复合地层，按传统的渣土、泥浆平衡介质平衡模式掘进难以阻挡地下水，经常发生喷涌，导致效率低下、同步注浆质量差。辅助气压掘进则采用气体+渣土来替代传统的平衡介质，气体直接进入盾构与周边地层的空隙内来平衡地层中的水土压力（图17），可降低舱内渣土量，减小刀具消耗，提高掘进效率62。图17 辅助气压掘进技术平衡示意Fig.17Balance schematic of auxiliary air pressure tunnellingtechnology（2）爆破预处理技术花岗岩地层广泛分布于我国东南沿海城市，隧道修建时经常会遇到花岗岩与第四系土层组合而成的复合地层，如青岛、厦门、广州、深圳等城市的地铁隧道建设及汕头海湾隧道、香港屯门隧道、珠海马骝洲隧道、深圳春风路等超大直径盾构工程中均遇此类地层，隧道断面范围内存在坚硬的基岩或球状风化体，成为盾构掘进的“拦路虎”。广州地铁于2003年最先提出“爆破预处理后盾构掘进”的思路，首次将爆破技术引入盾构工程中，并逐渐成为花岗岩地层预处理的常用技术。近几年，随着遇到的工况越来越复杂，该技术也得到进一步创新和发展，研发了海域工况下爆破、封孔、注浆一体化施工方法、刀盘前孤石群爆破预处理方法等，并验证了这些方法的有效性和可靠性（图18）6365。图18 盾构隧道岩体爆破预处理技术Fig.18 Blasting pretreatment technology for rock bodies inshield tunnels（3）“衡盾泥”等辅助换刀技术进舱进行刀具频繁检查、更换是复合地层盾构施工面临的一个普遍的高风险难题，一旦发生事故往往引发人员伤亡事故，这也是国内外研究机器人辅助换刀的背景，但目前这方面的应用尚处于尝试96复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版阶段，人工进舱作业不可避免，如何提高人工进舱换刀（尤其带压进舱）的安全性是业内致力突破的重点。近两年国内在带压进舱方面取得的创新技术以及形成应用产业的主要是“衡盾泥”辅助换刀技术（图19），该技术为国内外首创，研发了一种“衡盾泥”泥浆材料及其配套的辅助带压进舱工法，针对性地解决了国内外盾构工程中带压开舱风险大、效率低等难题，已在全国15个城市、46个项目、120台次盾构工程中成功应用6668。图19“衡盾泥”辅助换刀技术（竺维彬、钟长平、米晋生等，CN201610141514.8）Fig.19 Auxiliary cutter tool replacement technology with PasteHDN(Zhu Weibin,Zhong Changping,Mi Jinsheng,et al.,CN201610141514.8)国外日本熊谷组与隧道挖掘机事业公司JIMT研发了“Sunrise Bit工法”69，即旋转式远程换刀技术（图20），通过在盾构机的辐条内配置具有多把备用刀具的旋转装置，根据必要的换刀次数需求，最多可配备8把强化型贝壳刀，利用液压千斤顶和棘轮使其旋转，因此作业人员无需进入换刀位置，可在安全的场所进行远程操作。该技术将第一次应用于磁悬浮中央新干线（东京品川名古屋）第一首都圈隧道的盾构设备上。图20 Sunrise Bit工法的刀具旋转装置Fig.20 Cutter tool rotation device of the Sunrise BitMethod2.4.2复合地层盾构施工参数、地面沉降、刀具磨损等预测理论研究（1）复合地层盾构施工参数及沉降预测研究地质条件、掘进参数以及地表沉降之间往往具有一定的相关性，探求复合地层与掘进参数、地面沉降的相关性，能有效控制盾构掘进姿态不良、地表沉降等问题发生7072。关于这方面的研究较多，如沈翔等73结合大连地铁港湾广场站中山广场站区间隧道工程，详细分析了盾构在穿越全断面硬岩、软硬不均、风化不均的复合地层条件下的掘进参数控制技术及其变化规律，并基于灰色系统理论对掘进参数进行了预测。在沉降控制研究方面，广州地铁竺维彬团队“巨厚岩层覆盖下泥水盾构施工沉陷原因及对策研究”等一批行业前沿成果已正式发布74。（2）复合地层盾构刀具磨损预测研究鉴于复合地层中刀具问题突出，关于刀具磨损的研究也一直未中断，包括刀具受力破坏模式、岩体对刀具的影响等7577，如能实现盾构刀具磨损的预测，并形成预判及预警机制，将有效减少刀具磨损程度、延长刀具寿命、降低施工成本。黄 莺等75通过分析近十年来上软下硬地层盾构施工问题产生原因及其规律，提出了盾构刀具磨损的预判机制和相应的调整措施。2.4.3复合地层盾构施工大数据管理系统平台复合地层盾构工程的大量实践积累了“海量”的施工数据，为地质条件、盾构机施工参数关联分析、盾构施工风险预测、智能化预警等提供了坚实的基础；同时，大数据与人工智能技术的飞速发展为上述目的提供了高效的数据分析工具。因此，关于盾构施工远程实时管控及大数据分析平台的开发，也是近年来国内外盾构领域非常热门的话题目前国内众多单位都在开发此类平台，如广州轨道交通建设监理有限公司、中国矿业大学（北京）、盾构机各厂家及部分施工单位等。其中，广州轨道交通建设监理有限公司、中国矿业大学（北京）开发的平台应用比较广泛和稳定（图21）。从应用情况看，此类平台大多实现施工参数的存储、施工参数的远程实时监控及简单的预警功能，而利用盾构工业大数据进行多参数关联的分析，梳理总结并建立不同地层关键参数的掘进规律，并能够实现以系统预测为主、人工修正为辅的机器学习预警管控模式，尚处于早期研究阶段。目前已有更多的高校参与研发，并申请了国家重大项目，例如由中铁一局城轨公司联合西安电子科技大学共同申报的国家发改委2017年（第一批）中央预算内投资计划“城市地下空97复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图21 广州轨道交通建设监理有限公司研发、广州地铁等应用的复合地层盾构施工实时管理平台Fig.21 Real-time management platform in mixed ground shieldconstruction,which was developed by Guangzhou Rail TransitConstruction Supervision Co.,Ltd.and applied by GuangzhouMetro间大数据与公共服务平台建设及示范应用”；由中铁工程装备集团牵头，联合武汉大学、浙江大学、山东大学等知名高校共同承担的国家973项目“TBM安全高效掘进全过程信息化智能控制与支撑软件基础研究”项目等。3挑战与对策3.1挑战3.1.1盾构机核心部件的国产制造2019年，中共中央 国务院印发 交通强国建设纲要，提到“加强特种装备研发。推进隧道工程、整跨吊运安装设备等工程机械装备研发”。盾构机是用于隧道挖掘的高端技术装备，被公认是衡量一个国家装备制造业水平和能力高低的关键装备之一，是名副其实的“国之重器”。目前，我国盾构机制造业逐渐形成了以中铁装备、铁建重工、中交天和等国内知名生产企业为龙头的国产盾构设备研发制造产业链，能够完成装备设计、部分零部件制造、整机安装与调试、设备运行维护等任务，已基本实现国产化。部分核心关键部件的国产样品虽已在软弱土层尝试应用，但高质量批量生产尚待时日，如刀盘主轴承、滚刀轴承、液压电机、传感器，以及润滑、冷却、预警检测系统等。目前，中科院李依依院士团队在超大直径盾构主轴承（8.0 m）材料、精加工方面有所突破，正待在工程项目中验证。3.1.2大数据与智能化技术2021年政府工作报告提出，要推动制造业升级和新兴产业发展，发展工业互联网，推进智能制造。由此可见，推动人工智能与工业数字化在传统制造业的应用融合是国家科技创新的方向。加快人工智能与工业数字化技术深度赋能隧道工程，也是盾构隧道领域国内外研究的热点，目前国内在此类技术上的研究势头较好，但底层的算法模型、设计软件等仍多采用国外的。因此，我国要实现制造业转型升级，加速隧道装备制造的信息化进程，亟待在工业软件、算法模型上取得突破。3.1.3复合地层盾构隧道工程的前沿难题（1）传统性前沿难题 如何预防和治理“泥饼、喷涌、滞排”常见的老大难问题；隧道质量问题隧道上浮、轴线超限；管片破损、错台、开裂等。（2）前沿难题 复合地层多纬度高可靠性的综合地质勘探技术；岩溶等不良地层隧道灾变机理与控制；特长、超深、大坡度、高海拔、高地应力、高地温、高水压、高破碎性等环境下隧道施工关键技术；富水大埋深复合地层盾构机选型，刀具配置及其材料强度、刚度、耐磨性，土压盾构泡沫系统效用性问题等；及时准确监测找到“零号病刀”问题；及时发现开挖面、岩面不平整（或岩脊）和有效推力、应力分布状况探测问题；盾构尤其超大直径盾构轴承密封延长寿命或保护问题；盾构尾部密封刷性能监控和保护问题；泥水盾构辅助气压掘进及其与注浆效果匹配问题。3.2对 策针对上述复合地层盾构隧道工程领域的挑战与难题，应充分发挥产、学、研、用相结合的科研方式，以现场问题为导向、以工程实践为实验平台、以科研院校为基础理论研究依托，多单位联合、多专业协同、多学科融合，创新科研模式，缩短科研路径（时效），提高成果可靠性。展望从以下4个方面进一步研究提升：（1）勘察方面 完善规范：尽快修编完善勘察规范并基于不同城市地区的地质环境差异化编制地方规范，以适应大规模、地质条件越来越复杂的盾构隧道工程勘察。创新手段、强化分析、提升精度：积极研发及应用先进的勘察设备、技术及数据分析处理方法；建立健全地质基础数据库，并利用大数据理论分析；强98复合地层盾构隧道修建技术创新与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版化施工过程分析方法，诸如渣样反馈分析、盾构掘进参数分析的有机融合，提升地质勘察的精确度。（2）设备方面优化设计、提升适应性、智能化：在核心部件提高国产化性能和可靠性的基础上，针对复合地层复杂多变的地质环境，优化多模式盾构设备设计和制造，提升盾构设备对地质的适应性，为今后重大隧道工程建设提供更安全、更高效、更智能的盾构掘进机。例如：完善、优化三模盾构机设计和制造，以加快模式转换效率。（3）施工方面质量（安全）、效益、绿色、智能：引入人工智能算法对盾构施工参数的关联性分析，逐步实现盾构施工风险预测、智能化预警的能力，提升盾构隧道工程安全、质量、进度及管理效益；提升盾构施工低碳环保绿色能力，诸如研究隧道掘进过程中地层渣土的可循环利用技术。（4）理论方面加强复合地层复杂工况（特长、超深、大坡度、高海拔、高地应力、高地温、高水压、高破碎性、岩溶、古河道等环境）下的灾变机理和施工关键技术研究，降低重大工程风险事故的发生；基于盾构工法支护平衡方式和围岩变形控制方法有别于传统的暗挖工法，需对相关的理论或机理进行补充、完善和发展，并通过全尺寸实践验证，让盾构掘进机更广泛地取代以人工为主的传统暗挖、明挖工法，助力行业发展。参考文献References1 竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术M.北京:中国科学技术出版社,2006.ZHU Weibin,JU Shijian.Shield Tunnelin