掘进机技术在我国隧道及地下工程中的应用与发展.doc

掘进机技术在我国隧道及地下工程中的应用与发展郭陕云 万姜林中铁隧道集团有限公司提纲：简要介绍了我国采用岩石掘进机和盾构修建隧道的发展情况，阐述了我国掘进机法与盾构法的技术进步及存在的重要问题，展望了我国掘进机与盾构技术的发展前景，并提出了发展掘进机和盾构技术及产业化的几点建议。关键词：隧道及地下工程，岩石掘进机，盾构，产业化，展望与建议，1 前言本文所谓的隧道掘进机法是指应用掘进机开挖隧道的方法，隧道掘进机英文全称为(Tunnel Boring Machine,简称TBM).应用于岩石隧道的称为岩石掘进机（本文简称掘进机），用于软土层隧道的则称为盾构。盾构法和掘进机法是修建隧道的一种先进方法。最近十数年来，随着我国隧道和地下工程的快速发展，盾构法和掘进机法也得到了快速发展，特别在城市地铁、水利水电隧洞中越来越多应用盾构法和掘进机法修建。我国是目前世界上应用盾构数量较多的国家之一，并且随着我国隧道和地下工程的发展，对盾构和掘进机的市场需求仍会有较大的增长。由于盾构和掘进机技术在一定限度上反映了国家的综合国力和科技水平，并且对我国的制造业和建筑业影响较大，因而也引起了国内业内外的普遍关注。近几年来在国内已召开过许多国际、国内的盾构和掘进机技术交流会或专题研讨会；20232023年国家科技部已将盾构研发技术列入国家“863”发展计划，并在国内就盾构研发试制进行了招标，贯彻了中标单位；20232023年10余位全国政协委员提出“实现隧道掘进机本地化生产”和若干政策建议的提案；2023年3月，钱伟长同志上书胡锦涛主席，提出充足发挥盾构作用，推动我国隧道掘进机产业发展的建议，得到中央领导的重视。2023年4月，建设部、中国土木工程学会和中国岩石力学与工程学会在北京联合召开了推动隧道掘进机技术及产业化的专家座谈会。可见，隧道盾构和掘进机技术的发展已成为当前国内工程技术界和政府部门关注的一个重大课题。一大热点其影响已大大超过了隧道及地下工程领域自身。本文就我国掘进机和盾构技术的发展情况、技术发展动态及应用前景等作一简介，并就此后的技术发展以及其产业发展提出若干建议，以抛砖引玉。2 我国隧道盾构法和掘进机法的应用情况2.1 开始于二十世纪五、六十年代，发展于二十世纪九十年代2.1.1盾构法我国研究应用盾构法修建隧道是从20世纪5060年代开始的。1956年在东北矿山采用直径2.6m的手掘式盾构在砂层中修建疏水巷道，这是我国的第一条盾构隧道。1957年北京采用2台直径2.0m和2.6m的手掘式盾构施工下水道。上海从1963年开始研究应用盾构法技术，用于城市地下排水隧道修建，1965年研制两台直径5.8m的网格式盾构用于地铁区间隧道修建实验，掘进长度1200m。1966年研制直径10.22m的网格式盾构并辅助于压气稳定开挖面施工打浦路越江隧道。从此之后，我国陆续研制应用手掘式盾构总计达30台用于各种排水隧道施工，施工总长度约20km。1985年引进日本的1台直径4.33m的土压平衡盾构施工排水隧道，之后研制应用了几台土压平衡盾构，但效果并不抱负。二十世纪九十年代初，随着上海、广州地铁的建设，开始大量引进国外的土压平衡盾构施工地铁区间隧道。1994年开始引进日本的直径11.2m泥水平衡盾构修建延安东路越江隧道。由于采用土压平衡式、泥水平衡式等现代盾构修建隧道具有安全、可靠、快速、环保等优点，因而盾构法在我国特别是地铁建设中得到了迅速的发展。继上海地铁1号、2号线区间隧道、广州地铁1号、2号线部分区间隧道成功采用盾构法外，北京、天津、深圳、南京地铁以及上海、广州地铁的其它地铁线区间隧道等也相继大量推广采用盾构法，并且在越江道路、输气和市政排水隧道等也越来越多采用盾构法。盾构法目前已成为我国地铁隧道的一种重要方法。据不完全记录，我国各城市地铁采用的盾构已有60多台，掘进完毕的和正在掘进的隧道总长度已超过200km（单线）,采用的盾构类型为土压平衡（涉及加泥式土压平衡）和复合式盾构计50余台，泥水加压平衡盾构10 台。采用的盾构直径3.3m12m不等，其中以6.3m左右直径的居多。2.1.2岩石掘进机1964年， 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，完全自力更生，先后制造出50多台掘进机。由于核心技术但是关，在地下工程建设中基本没有发挥作用。80年代初，国家科委成立掘进机办公室，采用联合攻关方式制造了8台掘进机，先后在云南西洱河水电站等工程应用，但与国际水平相比差距甚大。80年代中期，在天生桥水电站引水隧洞采用了罗宾斯公司的一台直径10m的二手掘进机施工，但效果并不抱负。进入九十年代以后，在甘肃引大入秦工程中，山西万家寨引黄入晋工程中，由外国承包商采用岩石掘进机施工多条输水隧洞取得成功。在2023年后，云南昆明掌鸠河引水工程也由外国承包商应用掘进机施工，并且中国第二重型机械集团与美国罗宾斯公司合作制造了一台双护盾岩石掘进机在该工程中使用。九十年代初，铁道部在西安安康铁路18.4km长的秦岭铁路隧道，引进2台德国的8.8m直径的敞开式掘进机由国内单位操作使用成功建成隧道，之后采用该2台掘进机在西安合肥铁路成功完毕了6km长的磨沟岭和7km长的桃花铺隧道施工。由此也推动了我国掘进机技术的应用。2.2 工程应用技术得到快速发展提高2.2.1 盾构应用技术水平迅速提高随着盾构法应用的增长以及对技术研究的进一步，我国在盾构隧道的设计计算、盾构的选型及配套、盾构的使用及施工技术等方面都得到了快速提高和发展。技术已基本成熟，有的（特别在地铁隧道盾构技术）达成了国际先进水平。以城市地铁盾构法技术为代表，目前已有二十家国内承包商在使用近60台盾构施工，不仅采用了土压平衡盾构，也采用了泥水平衡盾构，尚有复合式盾构；除区间单圆盾构外，在上海地铁还采用了双圆盾构一次施工两条平行的区间隧道；盾构隧道地面环境除复杂的建构筑物外，也有在江下、湖下穿越的（上海穿越黄浦江、广州穿越珠江、南京穿越玄武湖）；盾构穿越地层除粘土、淤泥质软土、砂粘土外，尚有砂层、砂砾层、卵石层、以及较高强度的岩石地层等。需要特别指出的是，广州地铁2号线越三区间研究采用品有土压平衡、气压平衡和局部气压平衡模式的新型复合式盾构成功修建了既有软土、又有坚硬岩石以及断裂破碎带的复杂地层的区间隧道，打破了长期被认为的盾构法应用的地质禁区，大大拓宽了盾构法的应用范围。目前，我国地铁盾构法隧道管片环宽已从1.0m，普遍加大到1.2m，在广州地铁2号线率先采用了1.5m环宽的管片，是目前地铁区间隧道所用的最宽管片，有助于提高隧道结构的整体刚度，拼装接缝减少，安装效率提高，并节约成本。接缝防水大多采用遇水膨胀橡胶或三元乙丙橡胶弹性密封防水，使隧道建成后不渗不漏，达成A级防水标准。采用激光导向或陀螺仪导向，并辅于人工测量技术等，以及运用盾构推动油缸分区操作和姿态控制与纠偏技术，管片排版选型和拼装技术等，可将隧道线形精度控制在3050mm以内，管片错台高度控制在510mm内。管片背后环形间隙注浆除采用日本常用的即时注浆和欧洲常用的惰性浆液同步注浆外，也已开发应用非惰性浆液的同步注浆技术，具有更好的初期稳定管片和控制地层沉降效果。在掘进控制、泥水与土压力和排碴管理、碴土改良、防刀盘结泥饼技术等方面也已作的很好。端头加固、联络通道施工、始发到达、安全换刀、信息化施工等方面都已掌握。在盾构的故障诊断及管用养修上已有很高技术，可以达成55%67%的高机时运用率。我国盾构施工中的地表隆沉一般可控制在+10-20mm以内，可以在距既有建构筑物很近的距离下安全掘进隧道。广州地铁2号线越三区间隧道穿越既有14股铁路轨道，轨面沉降控制在5mm以内，轨道沉降差小于2mm。上海地铁2号线近距离下穿地铁1号线区间隧道、引水箱涵和地下室，地面沉降控制在3.58.5mm。我国盾构掘进速度平均一般为180200m/月以上，广州地铁2号线越三区间最高月进尺405m，平均进度为236m/月。在相似地质的广州地铁三号线大汉区间，盾构施工进度平均已达334米/月，最高月进度达成562.5米，达成国际先进水平。在城市地铁隧道盾构法得到快速发展的同时，我国采用盾构法修建越江隧道技术也得到了发展。上海采用直径11.2m的泥水盾构已建成穿越黄浦江的大连路隧道，平均进度超过200m/月。上海、广州地铁也成功采用土压平衡盾构修建地铁越江区间隧道。此外，也建成了或在建一些地层复杂、水头高度超过60m越江隧道，南京三江口、湖北忠县红花套、湖南城陵矶采用泥水盾构修建穿越长江输气隧道（直径3.3m），已建成2条，第三条即将建成；重庆正在采用直径6.5m的泥水盾构修建穿越长江的排污隧道，计划于今年建成。2.2.2岩石掘进机应用技术开端良好，且在运用中不断创新 打破国外“一统天下”局面以西安-安康铁路秦岭隧道为标志，我国已完全掌握了岩石掘进机隧道的设计施工及掘进机的使用技术，不仅在秦岭专长铁路隧道施工中得到成功的使用，并且在磨沟岭、桃花铺隧道长距离破碎带岩石中施工也发挥了它的优异的机械性能，在配件、配套国产化上迈出了第一步。打破了较长时间以来我国岩石隧道掘进机施工由国外承包商一统天下的局面。秦岭隧道全长18.4km，采用2台直径8.8m的岩石掘进机相向施工，由铁道第一设计院设计，中铁隧道集团和中铁十八局集团施工。结合设计、施工和掘进机的管用养修等开展了6大课题24个子课题的研究和攻关，解决了极硬岩和不良地质的掘进、刀具布置及磨损与围岩特性的关系，高地应力圆形衬砌、掘进机的故障诊断与维修保养等一系列技术难题，隧道掘进最高月速度达成573m，平均达成300m以上。掘进机机时运用率平均达成58.31%的高水平。同时实现了17英寸盘形滚刀和部分部件及后配套设备的国产化。该工程技术成果获国家2023年度科学技术一等奖。在西安-合肥铁路，采用敞开式岩石掘进机成功完毕施工磨沟岭隧道和桃花铺隧道，运用超前管棚支护、超前周边预注浆加固地层等辅助技术较好解决了不稳定破碎围岩的安全掘进施工难题，拓宽了敞开式掘进机的应用范围。同时实现了17英寸盘形滚刀和部分部件及部分后配套设备的国产化。2.2.3 设备的设计制造有了新的进步我国已完全可以自行设计制造手掘式盾构。而对现代盾构的设计制造则是从二十世纪八十年代末、九十年代初以后，通过与国外公司合作，设计制造了一定数量的盾构，涉及上海、广州、北京等城市的重型机械厂或造船厂等，由国外公司设计，国内制造组装，在工程应用基本可以满足规定。通过中外合作，我国在设计制造的关键技术有所提高，已经掌握了结构件的设计及制造技术与工艺，已实现了部分部件的国产化，如盾构用于软土和软硬不均地层的刀盘、刀具已基本可以自行设计制造；盾构和掘进机的后配套设备、运送设备和高精度管片钢模具等已能自主设计制造，因此也减少了设备的采购和使用成本，也有助于促进掘进机和盾构技术的发展。2.3 存在的重要问题总体说来，通过数年来在掘进机和盾构技术上的应用研究，我国在盾构施工使用技术方面已达成了国际先进水平，在岩石掘进机施工使用技术方面已接近国际水平，有的盾构监控软件已具有自主知识产权，在盾构和掘进机的选型设计、维修、零部件、后配套设备的设计制造等已接近国际水平，但也还存在不少的问题,重要有以下几个方面：（1）岩石掘进机和盾构的设计制造的关键核心技术尚未完全掌握，与国际先进水平尚有相称大的差距，目前国内使用的盾构和掘进机基本都是国外公司设计制造的，依赖国外的局面未得到改变；（2）岩石掘进机的应用仍然较少，掘进机数量少、机型和应用方法单一；（3）在盾构和岩石掘进机施工中仍然出现过一些问题，如盾构施工时隧道端头塌陷、沉降过大、有的甚至引起地面建筑物的损坏等；在岩石掘进机施工中出现围岩坍塌、掘进方向严重偏差等。3 我国盾构和掘进机技术的前景展望及发展建议3.1发展前景广阔21世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪，据有关专家预测，到2023年，我国将要完毕近6000km的地下隧道建设，平均每年约300km。到2023年，国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构约180台（不涉及微型机），年均需求量约为30台，可见市场需求巨大，发展前景广阔。（1）城市地铁快速发展，对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期，地铁和轨道交通规划总长度已超过3000km。目前已建成和在建的数量仅占规划数量的10%多，未来城市地铁建设仍将快速发展。除上海、北京、广州、南京、深圳、天津地铁将继续需要采用较大数量的盾构施工外，武汉、杭州、苏州、成都、沈阳等城市地铁也有采用盾构施工的需求。城市地铁仍将是此后对盾构需求最多的领域。（2）越江隧道建设方兴未艾，对大直径和超大直径盾构的需求将有快速增长。除上海、广州地铁区间越江隧道外，上海计划在2023年采用盾构法建成20多条越江隧道， 穿越黄埔江的中环隧道已开工，盾构直径14.87m；穿越长江的双向六车道公路崇明隧道，采用直径15.2m的盾构施工，计划于2023年终开工；武汉长江隧道为双向四车道，采用直径12m的盾构施工，计划于2023年下半年开工建设；南京穿越长江双向六车道公路隧道已通过预可研设计，目前正在前期准备；举世瞩目的南水北调中线工程，采用2条3.9km隧洞穿越黄河，计划采用直径9m的盾构施工。此外，拟建的浦东铁路越江段也计划采用盾构法施工；北京站至北京西站的地下直径线也在考虑盾构法施工；温州欧江道路隧道、哈尔滨松花江隧道也计划采用盾构施工，正在规划之中。（3）城市各种地下管线隧道有待发展，对盾构的潜在需求大。有关专家预测，我国城市的给水、排水、电缆、电讯、热力、输气等隧道工程的长度将超过1000km，其对小型盾构、微型盾构或掘进机的需求量也相称大。（4）长大、专长山岭隧道增长，对掘进机需求增长。在山岭隧道工程领域，铁路和水利水电工程都将出现越来越多的长大、专长隧道，对掘进机的需求也越来越大。85km长的辽宁大伙房输水隧洞，采用3台直径8m的掘进机施工，掘进机施工长度约60km，掘进机计划2023年下半年进场掘进。云南、青海、陕西、山西、新疆等拟建的水利水电隧洞总长超过200km，约需掘进机10台。规划修建的南水北调西线工程一期约有240km输水隧洞，也计划大部分采用掘进机施工。拟建中的锦屏二级水电站4条长16.6km、直径13m的输水隧洞，也有采用掘进机施工的方案设想。3.2 几点建议鉴于我国盾构和掘进机巨大的市场需求以及存在的问题，实现盾构和掘进机的国产化，全面提高工程应用技术水平已是必然的趋势。作者提出如下几点建议：3.2.1加速盾构和掘进机的研发步伐，掌握设计制造等关键技术，形成具有自主知识产权的产品，推动我国掘进机的产业化（1） 组织力量协同攻关，尽早突破核心关键技术现代的盾构和掘进机是高科技设备，其设计制造涉及机、电、液、气、控、测、计算、结构、材料、制造、自动化、信息化、管理科学等多学科领域，是复杂的系统工程，难度很大。必须有效组织整合国内的各有关学科领域的优势技术资源共同努力方能完毕。在引进技术、合作制造的同时，应组织国内设计、施工、研发、制造等单位对掘进机的核心技术、综合集成技术等进行攻关，在国外现有技术基础上进行创新，形成具有自主知识产权的全套技术和掘进机产品。（2）国家应加大力度扶持盾构和掘进机的研发原国家经贸委将全断面岩石掘进机技术研究与开发列为“十五”重大攻关项目，国家科技部于2023年将直径6.3m盾构掘进机研发列入了“863”重大专项，并由中铁隧道集团、上海隧道公司分别牵头，联合国内有关单位正在进行研究攻关，已拟在河南和上海建立盾构研发基地和设计实验中心，前期计划研制两台样机，目前正在进展之中。由于盾构和掘进机的研制风险高，基地建设及样机研制资金投入大，回报难于预期。建议国家重点扶持，在政策上实行优惠，在资金上加大投入，以使尽快建立起盾构从研究、设计、制造、工业性实验和改造，以及集产、学、研、用等为一体的研发基地。同时也避免一哄而上，粗制滥造和反复建设，导致不必要的浪费。研发的思绪必须对的，不搞象计划体制下那样的“大而全”或“小而全”。（3）建立实验工程或示范工程盾构和掘进机样机的现场工业性实验必不可少并且十分重要。由于样机也许存在缺陷，实验性施工也许出现一些问题，甚至实验失败的也许等，由研发承担单位找寻并通过有关业主来拟定实验段工程的方法不太现实，难度很大。建议国家给予特别支持，在适当的地方分别划出若干典型的专门的国产盾构和掘进机的实验性工程。（4）加强修理改造研究和配件及消耗材料的研发如前所述，我国目前及此后使用的盾构和掘进机数量很大，而盾构和掘进机是对地质高敏感的非标设备，并且我国地区广大，地质类型多样，因此应加强对盾构和掘进机旧设备的修理和更新改造的技术研究，以尽也许延长设备的使用寿命，提高设备运用率；同时也应加强盾构和掘进机配件和消耗材料的国产化研发，以减少工程费用。（5）盾构和掘进机类型的多样化我国地质类型多样，各地区环境条件不同，隧道功能和断面各异，需要的盾构和掘进机有所不同，因此，盾构和掘进机的研发宜多样化。3.2.2进一步创新发展设计与施工技术，全面提高盾构和掘进机的工程应用水平由于我国掘进机和盾构技术的应用将迅速增长，应用范围不断加大，碰到的地质水文条件、周边环境条件会千变万化，并且对其应用的可靠性、安全性、经济性、以及效率的规定也会随之提高，因此建议在以下几个方面加强其工程应用技术的创新研究：3.2.2.1在盾构法方面：（1）进一步研究盾构与地质的适应性关系，以及地中障碍物的超前探测技术，开发盾构在复杂地质条件及穿越障碍物时的安全、高效掘进技术及配套技术；（2）进一步研究高水压下和长距离隧道盾构（涉及超大断面盾构）掘进技术，特别在防突水涌水、停机检修和换刀安全技术方面应有所突破；（3）城市地铁车站多采用明挖法，拆迁量大，对地面干扰大，费用也不断增长，因此应研究采用异型盾构修建地铁车站或单圆盾构先行掘进然后扩挖的修建车站的成套技术；（4）应研究完善盾构辅助工法的应用配套，特别是始发、到达端头加固技术以及联络通道的安全施工技术；（5）简易的盾构如插刀盾构、网格盾构等在我国仍然具有一定的适应性，并且其价格低，设计制造简朴，适合中国国情，目前已完全具有自行设计制造能力。建议加强对简易盾构及施工配套设备的研究开发与工程应用，研究压缩混凝土衬砌与简易盾构的成套技术。3.2.2.2岩石掘进机法方面：（1）进一步研究掘进机法的适应性、可靠性和经济性等方面的综合对比研究，特别要进一步研究完善掘进机在不良地质的安全掘进技术及配套与辅助技术，认为扩展掘进机的应用提供依据和技术支持；（2）研究应用岩石掘进机与钻爆法结合的“混合法合法”施工成套技术；（3）进一步研究完善适应掘进机施工的围岩分类（或岩石分级）和地质工作规范，特别要完善创新掘进机施工中的配套的地质超前预报技术和手段。3.2.3 规范市场，完善法规，有序发展目前在我国掘进机法和盾构法隧道工程的招标、投标中，还在一定限度上存在不公正、不公平，地方保护和行业保护以及无序竞争等现象，在一定限度上影响着盾构和掘进机的国产化；建筑队伍“鱼龙混杂”、低价中标，缺少统一的权威的规范、规程等也影响着我国盾构和掘进机工程应用技术水平的提高。因此建议：（1）建立健全并严格执行相关的政策法规，努力做到招投标的公正、公平、科学、有序，营造有助于我国盾构和掘进机产业的形成与发展及工程应用技术水平提高的市场环境，特别要避免无资质、无业绩和无技术的队伍进入盾构和掘进机市场，要改变不合理低价中标现象；（2）要认真总结国内外盾构和掘进机应用的经验与教训，在此基础上，结合我国国情，尽快组织编制我国盾构和掘进机研发、设计制造、和施工生产的系统完善的技术法规，使规划、设计、研制、工程建设、施工等都有法可依，有章可循。3.2.4加速人才培养，建立数量足够的、技术过硬的队伍目前我国在盾构和掘进机研发人才特别是高素质的复合人才十分匮乏，建议尽快培养和引进，有关高校和研究机构设立相关课程和实验室，以尽快建立起数量充足、技术过硬的研发、生产、设计、施工队伍。五、结束语综上所述，我国的隧道盾构和掘进机技术历经四、五十年的“波折”，特别是通过最近十数年来的快速发展，取得了显著的成就，积累了比较丰富的技术和经验，已成为世界上应用数量最大、发展最快、此后需求最大的国家。但在掘进机和盾构设计制造及工程应用技术方面总体上与先进国家相比尚有相称的差距，需要我们广大科技工作者携手努力，不断创新，迎头追赶。作者简介：1、郭陕云，大学本科学历，现任中铁隧道集团有限公司董事长，中国土木工程学会隧道及地下工程分会理事长，专家级高级工程师。2、万姜林，硕士研究生学历，中铁隧道集团有限公司副总工程师，中国土木工程学会隧道及地下工程分会秘书长，专家级高级工程师。通讯地址：河南省洛阳市陵园东路3号院，邮编：471009联系电话：，2632757（总工办），（万姜林）email:,