隧道掘进机知识百科
掘进机简介：
掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。
英文：tunnel boring machine(TBM)
释文：隧道掘进机是用机械破碎岩石、出碴和支护实行连续作业的一种综合设备。按掘进机在工作面上的切削过程，分为全断面掘进机和部分断面掘进机。按破碎岩石原理不同，又可分滚压式(盘形滚刀)掘进机和铣切式掘进机。中国产品多为滚压式全断面掘进机，适于中硬岩至硬岩。铣切式掘进机适用于煤层及软岩中。在推进油缸的轴向压力作用下，电动机驱动滚刀盘旋转，将岩石切压破碎，其周围有勺斗，随转动而卸到运输带上。硬岩不需支护，软岩支护时可喷射、浇灌混凝土或装配预制块。该机在岩性均匀、巷道超过一定长度时使用，经济合理。
一、隧道掘进机产业化
1 隧道掘进机产业化的意义
隧道掘进机包含盾构和TBM。一般来说，在欧洲，盾构也称为TBM;但在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。其实，TBM就是隧道掘进机的英文“Tunnel Boring Machine”的缩写，但通常定义中的TBM是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。
21世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。在发达国家，使用隧道掘进机施工已占隧道总量的90%以上。由于隧道掘进机的制造工艺复杂，技术附加值高，目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。隧道掘进机在国内尚处于起步阶段，主要依赖进口，在国内的隧道建设中，德国和日本在中国的隧道掘进机市场占有率高达95%以上，处于绝对垄断地位。若不及早改变这一现状，就会在相当长的一段时间内，在地下工程建设中，面临高额施工成本和技术上受制于外企的尴尬境地。实施隧道掘进机产业化，既可打破外企在国内市场一统天下的局面，又能促进和带动相关的机电、液压、材料、传感器等产业的发展，增强装备制造业综合实力，提高我国重大装备在国际市场上的竞争力。
2 隧道掘进机产业化成果
2.1 产业化基地建设
2002年8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构/TBM研究开发中心、盾构/TBM组装调试中心、盾构/TBM制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。
2.2 土压平衡盾构的自主设计与制造
2001年，国家科技部将6.3m土压平衡盾构的研究设计列入 “863”计划。通过公开招标，课题由中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。在国家“863”计划的引导下，中铁隧道集团已经完成了6.3m土压平衡盾构的结构设计、盾构控制原理流程图设计、盾构液压系统、电气系统、流体输送系统以及元器件的选型;完成了盾构刀具的研究设计、开发与制造，完成了盾构泡沫添加剂、盾尾密封油脂的开发应用研究，并实现了产品化。2004年7月，中铁隧道集团研制的刀盘及刀具、液压系统成功用于上海地铁2号线进行工业试验，实现连续掘进2650m，平均月掘进331m，最高月掘进470m，达到了项目要求的各项指标。2004年10月下旬，上海隧道工程股份有限公司成功制造了一台具有自主知识产权的 6.3m土压平衡盾构，并成功应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。2005年12月，中铁隧道集团又研制出了适用于北京地铁砂砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘，并成功应用于北京地铁4号线19标颐和园～圆明园区间。
2.3 大直径泥水盾构消化吸收与设计
大直径泥水盾构消化吸收与设计是以中铁隧道集团为主、由上海隧道股份、浙江大学等单位协助的国家“863”计划重大专项课题。目前已经完成《国内外大直径泥水盾构技术发展研究报告》;完成了泥水盾构开挖面稳定机理研究，掘进系统、主驱动系统、管片拼装系统、液压系统、控制系统和泥水输送系统技术剖析研究;以武汉11.38m泥水盾构为依托，完成了9m泥水盾构设计工作;完成了泥水盾构控制系统模拟试验台的设计和制造，模拟盾构的直径为2.5m，是具有自主知识产权的国内较大的实物模拟盾构试验平台。
3 产业化方式分析
3.1 外企与国企合作方式
目前，德国海瑞克、德国维尔特、美国罗宾斯等国外公司均已经与国内的重机厂合作生产隧道掘进机，并已有实际制造业绩，最具代表性的是德国海瑞克公司和维尔特公司。
海瑞克公司于2003年4月与广重合资成立了广州海瑞克隧道机械有限公司，生产能力已达到中国第一，形成了年组装20台隧道掘进机的能力，至2005年，双方已成功合作制造了16台隧道掘进机。除了与广重合作外，海瑞克公司还与北京、成都、上海、武汉、大连等城市的制造企业广泛加强了合作。
德国维尔特公司于2005年3月与沈阳重型机械集团成立了合资公司，目前已成功制造了1台5.93m双护盾TBM，2台11.38m泥水盾构，1台6.28m土压平衡盾构。目前正在制造的还有2台11.97m和4台11.17m泥水盾构。
但这种外企与国企合作的产业化方式，不能使中国企业真正获得核心技术，国外公司严格对核心技术保密，实质上是国内工厂成为了外企的廉价分包工厂和廉价的劳务市场，除了高额利润被外企获得外，且国企永远不可能拥有自主知识产权。
3.2 国企独立制造方式
隧道掘进机是根据隧道施工对象“度身定做”的，不同于常规的大型设备，其核心技术不在于设备本身的机电工业设计，而在于设备如何适用于各类工程地质，需要在长期的从实践到理论，再从理论到实践的反复探索，才能形成一套针对不同地质条件的隧道掘进机设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，因此需要几十年以上的工程施工经验和对地质情况的理解。由于国内制造工厂的工业设计人员具备地质经验需要相当长的时间，在短期内不能完成隧道掘进机的总体设计。因此，国内制造工厂独立制造方式至少在10年内不能制造出具有自主知识产权的盾构。
3.3 施工企业产业化方式
中铁隧道集团与上海隧道股份是国家“863”隧道掘进机产业化基地，目前在隧道掘进机产业化方面，特别是自主开发方面，已经走在国内其他企业的前面，掌握了一定的核心技术，积累了较丰富的经验，形成了一套有效的运作机制，并取得实质性的成果。这些成果得益于科研、设计、制造和施工有机结合的机制和条件。追溯世界最早掘进机技术的起源，设计者同时也是施工者，在经历无数次失败和探索之后才使隧道掘进机技术不断的成熟和发展起来。隧道掘进机的生产特点是以工程为依托，由于工程的特殊性，因此隧道掘进机的开发不具有普遍性，只有具备科研设计制造和施工一体化的企业才有获得较大成功的可能。
4 产业化模式探讨
4.1 产业价值链分析
隧道掘进机是根据隧道施工对象“度身定做”的，正如裁缝根据具体的人进行“量体裁衣”一样。隧道掘进机的制造特点是以工程为依托，根据施工环境(基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征)进行模块化设计和制造。隧道掘进机的特殊性决定了隧道掘进机产业链体系建立在以工程为依托，系统设计为核心，相关配件制造企业加盟生产，施工单位配合使用的基础上，其设计、制造必须与工程项目紧密结合。
4.2 欧美模式
欧美模式在产业链上的主要特征是自主设计，自主组装，同时为用户提供技术服务，部件制造则采取全球采购或采取和相关重型制造企业结成战略联盟的形式。其产业价值链见图6，其核心是以系统设计为主。
4.3 日本模式
和欧美模式不同，日本企业都是制造企业，企业本身就有较强的大型机械设备制造能力，并把先进制造技术作为核心竞争力加以保护。日本模式在产业链上的主要特征是自主设计、自主采购、自主制造(关键部件自主制造，通用部件分包)、自主组装，并为客户提供技术服务。其产业价值链见图7，其核心是以制造业为主。
4.4 中国模式
按照中国的国情，隧道掘进机产业化应该走设计、制造、施工一体化道路，走施工企业产业化方式。施工企业实现隧道掘进机产业化的模式，既不同于欧美企业最初源于设计公司，也不同于日本企业源于重型制造工厂，施工企业隧道掘进机产业化以施工为核心，是一个边施工、边反馈、边制造、边提升的过程，其产业化模式是从产业价值链的末端向前延伸，见图8，其核心是以施工为主。
4.5 产业化实现途径
施工企业实现隧道掘进机产业化的途径关键在于如何实现系统设计和生产制造能力，其重点是实现关键技术的自主能力，有效地利用国内、国外两种资源和两个市场，实现隧道掘进机最佳的技术经济性。
产业化的前期采取 “自主设计，国际采购，国内制造、国内总装”的产业化理念，走具有中国特色的“引进-消化-仿制-创新”的研发路线，通过不懈努力和技术攻关，研制出拥有核心技术和自主知识产权的隧道掘进机。
系统设计可采取自主研发或技术并购的方式，生产制造可以在国内组建区域性产业化战略联盟，关键部件通过合作伙伴生产，或通过控股合作伙伴进行关键部件生产。
5 “十一五”产业化方向
“十一五”期间，在全国范围内形成2～3个隧道掘进机产业化基地，每个基地具备年产20台隧道掘进机的能力。全面提升我国隧道掘进机制造业的技术水平，土压盾构系列化、产业化研究成果达国际先进水平;泥水盾构、复合型盾构和TBM研究成果填补国内空白，使中国隧道掘进机的总体水平步入国际先进行列。
5.1 土压平衡盾构产业化、系列化
完成土压平衡盾构的产业化、系列化，在“十一五”末期，在国内新增土压平衡盾构中，具有自主知识产权的国产土压平衡盾构的市场占有率达到30%。
5.2 泥水盾构和复合盾构的研制
完成泥水盾构技术的消化吸收、系统集成设计、制造、安装和调试技术研究，并研制出样机，掌握泥水盾构的自主知识产权关键技术。
完成地铁用复合盾构的系统集成设计、制造、安装和调试技术研究，并初步实现产业化，在“十一五”末期，在国内新增复合盾构中，具有自主知识产权的国产复合盾构的市场占有率达到20%。
5.3 TBM关键技术研究
通过消化吸收，进行TBM的系统集成设计，完成TBM的总体设计。
6 结束语
国务院国发[2006]8号《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》文件将“满足铁路、水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制，尽快掌握关键设备制造技术”列入16项重大技术装备之一。因此，加速发展我国隧道掘进机的研发及产业化势在必行。隧道掘进机产业化宜以施工企业为主，通过组建施工、设计、制造、科研四位一体的隧道掘进机产业化联盟，建立和完善产业化基地，实现隧道掘进机的自主开发和成套提供的总体目标，提高我国重大技术装备的国际竞争力。同时，国家应予以政策支持，确定隧道掘进机国家定点企业，定点企业享受关键配套件免征进口税优惠政策及其它国家重大技术装备开发优惠政策，将隧道掘进机的开发及产业化项目列为国债项目，给予定点企业技改贴息重点支持，以推动隧道掘进机的产业化。
二、隧道掘进机发展
隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。在发达国家，使用隧道掘进机施工已占隧道总量的90%以上。随着中国国民经济的快速发展，国内城市化进程不断加快，中国城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。
由于隧道掘进机的制造工艺复杂，技术附加值高，国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。目前中国生产隧道掘进机的企业有北方重工、上海隧道股份有限公司、大连重工、二重等。总体来看，国产设备在设计能力上应无大问题，重要的是产品制造如何尽快提高能力与水平。国内机械制造业近年来与国外企业生产设备水平的差距在缩小，但工艺装备水平不高，相比之下成套设备的经验不足是严重的缺点。
中国大约有85%的隧道掘进机依赖进口，欧洲和日本等公司的产品在中国的隧道掘进机市场上占主导地位。而在本土企业中，除隧道股份、北方重工外，仅有二重、上重、大重和首钢等企业，独立进行隧道掘进机的生产或与德国海瑞克、美国罗宾斯等外资合资、合作生产。
“十二五”期间，全社会固定资产投资规模预计年增长率在20%左右。包括铁路、公路、交通、能源、城镇化建设及房地产业、第一产业投资等国家建设项目和地方建设项目仍然是主要投资方向。随着“十二五”期间，产业结构调整和增长方式转变以及战略性新兴产业的快速发展、西部大开发、振兴东北、中部崛起和建设新疆等国家战略的进一步实施，必将为隧道掘进机行业创造良好的宏观发展环境。同时，国际市场对隧道掘进机的需求量将持续增长，中国隧道掘进机行业通过不断推进产业化和技术创新，出口市场将迎来较好的前景。[1]
隧道掘进机的技术发展趋势，前瞻网《2013-2017年中国隧道掘进机(TBM)行业产销需求与投资预测分析报告》调查数据分析，主要表现在以下几个方面，
(1)系列化、标准化。隧道掘进机设计和制造的周期缩短，设备的售后服务及维护更加方便。目前的设计制造周期一般为8-10个月。
(2)基本性能提高，刀具负载能力、刀盘推力、转速与力矩、有效掘进比率、掘进速度瞢遗提高。
(3)形式多样化。隧道掘进机的断面直径范围增大，能适应各种断面隧道掘进;椭圆形、矩形、马蹄形、双暖和三圆形等异形断面的掘进机也逐渐出现并发展。
(4)适用范围增大，地质适应能力增强。
(5)施工技术提高。在村砌技术方面，现在的隧道掘进机管片衬砌存在接缝多、错台大等问题，虽然通过增加导向杆、连接销等辅助件在很大程度上限制了错台，但接缝问题很难从根本上得到解决。
(6)自功化程度提高。目前人们已经能够在办公室控制掘进机操作，可以预测，未来的隧道掘进机在施工中真正能做到“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”，及无纸化操作。
三、施工技巧
1、困难地层及其特点
困难地层是指全断面岩石掘进机通过比较困难或对其施工速度有较大影响的地层。这样地层的具体出现形式是软弱地层、断层破碎带、岩爆、涌水、围岩变形、剥落与坍塌及古暗河道等，其对TBM施工的影响及应采取的一般措施见表2所示，注浆堵水措施见表1。
2、困难地层施工中TBM自身所应采取的辅助措施
如果隧道穿越的地质地层中，困难地层不可避免，且对TBM的施工有一定影响，则应考虑在TBM上增加一些辅助功能，以增加其通过这样地质地层的能力，见表3所示。
3、困难地层中TBM的施工技术
3.1 困难地层中TBM施工的一般技术措施
在TBM施工的工程中，当遇到困难地层的程度较严重时，有时需借助钻爆法脱困。即：通过辅助方法开挖人行通道，以便操作人员能通过刀盘下面的通道进入掌子面，并对掌子向前方的岩石进行预处理。
3.2 TBM通过溶洞的施工技术
TBM在某隧洞的施工中遇到一个天然大溶洞，溶洞下宽上窄，与隧洞轴线交角约15度，横向宽约5～7m，纵向宽约13～15m，顶部比TBM机头高约30m，溶洞底部为松散大块石，能看到的部分比TBM基础低约5～8m。处理方案是：先对溶洞底部松散岩体进行回填封堵和灌浆，再用素混凝土回填至隧洞底以下0.5m，用钢筋混凝土做TBM通过的基础，甲时考虑到溶洞与隧洞轴线的交叉，TBM在一边无支撑、无法掘进的情况下，用素混凝土将浴洞回填至TBM以上5m，再用TBM掘进通过，见图1所示。
TBM在一隧洞工程的施工中遇一溶洞横穿支洞洞线，沿洞线方向长20余米，高30余米;洞内堆积有夹石泥及泥砂质壤土，溶洞两端洞壁的上半部是泥加石混合物，下半部则是较完整的岩体。
治理措施是：钢支撑加浇、喷混凝土构成联合支护，见图2所示。利用下半部岩体打入楔缝式锚杆作根基，用14号槽钢对焊成箱形梁固定在锚杆上作为支座，在此支座上焊接20号工字钢构成环向支撑，在环向支撑顶部焊接桁架并补喷混凝土。
3.3 TBM在遇到大范围破碎带时的施工技术
TBM在一隧道掘进施工中，通过区域性大断层极大范围的破碎带，拱顶发生严重坍塌，大块岩体将刀盘和护盾卡住而被迫停机。采用固结掌子面、超前灌浆、开挖上导洞对拱顶岩层进行加固、清理刀盘前方塌落岩石等措施(见图3所示)进行整理。
4、结 语
TBM在隧道(洞)工程施工中，具有快速、安全、经济和质量高的特点，但是这样特点的实现是与地质状况密不可分的。而对地质状况的完全充分掌握是不可能的，因此，在TBM的工程施工中，遇到不良地质状况是必然的，通过对以往工程案例的总结，发现对这样地质采取的规律性处理措施，将对今后TBM的工程施工发挥一定指导作用。
