中国隧道掘进机技术进展与展望.pdf
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1、中国隧道掘进机技术进展与展望现 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:2024-01-06修回日期:2024-01-26作者简介:李建斌(1962-),男,教授级高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家,主要从事隧道工程装备研发制造及智能化研究工作,E-mail:lijianbin .中国隧道掘进机技术进展与展望李建斌(中国中铁股份有限公司,北京 100070)摘要:自上世纪50年代以来,中国企业开始研究隧道掘进机技术,经历了自主探索
2、、技术引进和自主创新的历程。如今,中国已经具备了设计、制造多种类型隧道掘进机的技术创新能力。中国企业成功研制出了混合模式掘进机、异形断面掘进机、联络通道掘进机、竖井掘进机、斜井掘进机等多种新设备。中国的隧道掘进机技术水平总体上达到国际先进水平,并在新型破岩技术研究和新机型研发方面引领了行业的发展。未来,隧道掘进机技术的发展可以从“三个层次、一个提升”的角度进行探讨,包括在现有掘进机技术框架下,通过完善设备功能和提升性能来提高技术水平;突破破岩技术,并创新地下支护结构,推动新型隧道掘进机的发展;随着隧道理念的变化,推动隧道掘进技术的进步。同时,隧道智能化建设也需要得到提升,以提高施工效率和安全性
3、。关键词:掘进机;土压平衡盾构;泥水平衡盾构;TBM;竖井掘进机;自由断面掘进机;掘爆机;子母TBM;智能化中图分类号:U45文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0178-12DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.016引文格式:李建斌.中国隧道掘进机技术进展与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):178-189.LI Jianbin.Advances and Prospects of Tunnel Boring Machine Technology in ChinaJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2
4、):178-189.1引 言全断面隧道掘进机(盾构/TBM)为中国的隧道工程施工做出了巨大贡献,使中国成为世界上拥有盾构/TBM数量最多、掘进隧道里程最长的国家13。自上世纪80年代起,中国陆续引进德国、美国、日本等发达国家制造的盾构/TBM,这些引进既展示了掘进机高效的一面,也暴露出在应用过程中所遇到的一些问题。在引进盾构的应用中取得了更多的成功,而在引进TBM的应用中则遇到了更多的失败,例如掌鸠河TBM、引大济湟TBM、锦屏电站TBM等案例410。中国一直在探索中前行,也认识到只靠引进无法满足中国各大区域不同地质的需求,其中包括土压盾构与泥水盾构选型问题,敞开式TBM与护盾式TBM选择,1
5、7寸与19寸滚刀之争,3与2导向精度之分,五自由度与六自由度管片拼装机优劣对比等1115。在这个过程中,中国逐渐建立了自己的掘进机设计理念,并积累了丰富的施工经验。在已有的土压平衡盾构、泥水平衡盾构、硬岩TBM“引进吸收再创新”的基础上,中国相继研发出了马蹄形盾构机、竖井掘进机、联络通道盾构机等世界上的首台掘进装备,走出了一条中国掘进机创新之路。2中国隧道掘进机的创新2.11950年2000年的探索阶段中国自上世纪50年代建国之初就开始尝试采用手掘式盾构施工隧道项目。从最基本的盾构理念出发,先后研发了大断面网格式手掘盾构和网格式挤压盾构(图1),网格盾构的开挖直径位居行业前列16。在60年代,
6、国内企业开始研制并使用TBM。然而,由于当时国内工业制造基础较为薄弱,TBM的产品性能与行业水平相差很大17。从80年代到90年代中期,中国的隧道掘进机主要以技术引进为主。掘进机的设计由国外设计逐渐发展为联合设计和自主设计,制造方面也由国外制造逐渐发展为国内组装和制造18。随着中国改革开放和国内基础建设的快速发展,迈开了掘进机整机引进的步伐,推动了中国掘进机技术的发展。对于中国来说,掘进机整机引进的代价是巨大Li Jianbin178中国隧道掘进机技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Ap
7、r.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图1 直径11.3 m网格水力机械盾构机Fig.1 11.3 m diameter grid-type hydraulic shield machine的,技术引进并没有完全解决中国隧道施工难题。中国的地质条件非常复杂,几乎每条长大隧道都面临着技术和工法的挑战。当时的掘进机技术研发和设备供应能力无法满足中国隧道建设快速发展的市场需求。因此,中国必须自主研制掘进机,这不仅是行业发展的需要,也是中国经济发展的需要。2.2盾构机863计划2002年,中国将盾构技术研发纳入国家高技术研究发展计划(863计划),支持相关企业和高校开展研究,包
8、括直径6.3 m全断面隧道掘进机设计、复合盾构样机研制和大直径泥水盾构样机研制等。在“863计划”和国家政策的支持下,中国企业先后自主研制了土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、硬岩掘进机。这标志着中国企业已具备各型号盾构/TBM设计和制造能力。在技术的创新方面,如智能化、多模式、新型破岩、超大直径、异形断面和多用途等取得了成功,并得到行业的广泛认可。中国的掘进机技术实现了从无到有,从有到优,从优到强的发展。2.3土压平衡盾构机2004年,上海隧道股份首次研制出中国的软土土压平衡盾构机19。2008年,中铁装备成功研制出了首台复合式土压平衡盾构机(图2)20。图2 首台复合式土压平衡盾构机Fig.2
9、 The fist composite earth pressure balance shield machine针对土压平衡盾构机在长距离、黏土和大卵石地层的渣土改良技术难题,采用了多重分级渣土改良技术,发明了主动式舱内中心搅拌系统和冲刷系统,达到了良好的出渣效果。特别是创新了刀盘设计,这一技术大大提升了盾构机的地质适应性,达到世界领先水平,成为土压平衡盾构机在中国顺利推广的关键因素。2017年,中国成功制造了首台直径为12 m的大直径土压平衡盾构机。2023年又成功研制出直径为14.5m的超大直径土压平衡盾构机(图3)。图3 超大直径土压平衡盾构机“蜀安号”Fig.3 The Shuan
10、ultra-large diameter earth pressurebalance shield machine2.4掘进机973计划TBM在长距离、大埋深、破碎带、软岩大变形等极端复杂地层施工时,存在着“掘不动”、“掘不快”、“掘不准”等问题,影响施工进度和质量,严重时还可能导致塌方卡机和人员伤亡事故的发生。问题的本质原因在于设计机理和岩石机理不明确,智能化水平不够。为了解决上述问题,在国家科技部的支持下,2013年至2015年期间,先后启动了3项 国家重点基础研究发展计划(973计划),以支持国产隧道掘进机重大关键技术的突破研究,提升其在复杂地质环境下的适应性和工作效率,确保隧道建设的安
11、全性和高效性。TBM核心技术的研发和应用为吉林引松供水工程、滇中引水工程等一系列国家重大工程建设提供了关键性的技术支持和服务保障,极大地提升了中国复杂地质条件下隧道施工的安全高效掘进和智能化水平。项目成果的持续优化和迭代推动了行业的技术创新,有力提升了中国隧道掘进装备技术在全球的领先地位。2.5岩石掘进机(TBM)2015年,两台中国敞开式TBM成功应用于吉林179中国隧道掘进机技术进展与展望现 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省引松供
12、水工程项目,并创造了月进尺1 318.7 m的佳绩。后续先后开发了强冲击载荷作用刀盘抗裂/止裂技术、喷射成型滚刀刀具技术,研发了首台高压水耦合破岩TBM、世界首台双结构TBM、世界最大直径TBM等新产品,大大提升了中国TBM整机技术水平。传统敞开式TBM装备在岩爆地层掘进安全性差、长距离软弱破碎地层掘进效率低。因此,研发了兼备“网-喷-锚”和“钢管片-辅助推进”两种支护方式、两种推进模式的双结构TBM(图4),以传统敞开式TBM为基础,增加管片支护和辅助推进的功能。双结构TBM可以在高地应力岩爆段对作业人员和设备提供防护;在破碎围岩下能够快速支护,并减少清渣量;在软弱地层撑靴无法提供推进反力时
13、,采用辅助推进,实现推力转换。双结构TBM使国产整机技术达到国际先进水平。图4 双结构TBMFig.4 Dual-structure TBM“高加索号”TBM是世界上直径最大的岩石掘进机(图5),开挖直径为15.084 m,该设备被应用于格鲁吉亚的KK公路项目。图5“高加索号”敞开式TBMFig.5 The Caucasus open-type TBM2.6泥水平衡盾构机2014 年中国研制出直径 6 m 级泥水盾构机。2016年研制出直径10 m以上的泥水盾构机。2017年,中国生产了首台15 m级超大直径泥水平衡盾构机(图6)。2021年,国产泥水盾构机因在海域岩溶地层掘进的卓越表现,荣获
14、国际隧道协会“年度工程奖”21。图6 国产首台15m级超大直径泥水平衡盾构机Fig.6 The first domestically produced 15-meter classsuper-large diameter slurry balance shield machine中国制造的2台直径超过16 m的泥水平衡盾构机成功在北京东六环完成施工任务。中国进行了一系列创新技术的研发和应用,以改进泥水平衡盾构技术,包括:气垫直排掘进、管路延伸零排放收浆系统、常压刀盘前装式滚刀安装方式和螺旋机+舱外破碎机出渣等。新技术的应用不仅提高了盾构隧道的施工效率和质量,还改善了施工环境和安全性能。中国在泥
15、水平衡盾构方面取得了显著的技术进步和实践经验。2.7异形断面掘进机基于建筑需求,中国的异形盾构机在综合管廊、地下过街通道、地铁出入口、公路和铁路隧道等领域得到广泛应用。为了解决异形掘进机施工中一次开挖成型、复杂位姿控型和异形管片拼装定型的难题,研发了多刀盘协同开挖系统设计技术、多维度位姿控制技术和多曲率异型管片拼装技术与装备,成功解决了“三多”的世界性难题。成功研制出了世界上首台超大断面矩形、马蹄形等多种异型掘进机。这些创新和成果使中国的异形盾构机处于世界领先地位。2013年,世界首台大断面(开挖断面10.12 m7.27 m)矩形顶管机(图7)在郑州市红专路下穿中州大道项目中投入使用。实现了
16、在4 m超浅覆土和相邻隧道0.5 m超小间距的极限工况下低扰动开挖和掘进。此外,施工过程中的隧道位姿控制精度达到了1的高精度,并且施工效率是传统矿山工法的35倍。180中国隧道掘进机技术进展与展望现 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7超大断面矩形盾构机Fig.7 Super large-section rectangular shield machine2016 年,世界上首台超大断面马蹄形盾构机(图8)应用于浩吉铁路白城隧道项目。白
17、城隧道项目以“采用大断面马蹄形的土压平衡盾构方法首次应用于黄土隧道”荣获国际隧道协会2018年度“技术创新项目奖”22。图8 世界首台马蹄形盾构机“蒙华号”始发Fig.8 The worlds first horseshoe-shaped shield machineMenghua launching2020年,中铁装备再次刷新了断面记录,成功研制出世界上最大的矩形顶管机“南湖号”(开挖断面14.82 m9.446 m,面积达123 m2,见图9)。该盾构机应用于嘉兴市长水路下穿南湖大道工程,首次将矩形顶管机用于城市三车道快速路施工23,24。图9 世界最大矩形盾构机“南湖号”Fig.9 Th
18、e worlds largest rectangular shield machine Nanhu2.8竖井掘进机竖井掘进机是一种结合了传统竖井施工技术和隧道掘进机技术的设备,通过机械化、少人化和智能化的施工方式,提高立井建设的速度,保护工人的职业健康,并实现节能减排。2018年,世界上首台全断面硬岩上排渣式竖井掘进机研制完成,其开挖直径为7.83 m(图10),其深度超过200 m,设备搭载了中凹型刀盘开挖和多模式动态排查装置、环向浮动撑靴推进系统、位姿监测与智能控制系统、可视化远程操控系统等多项新技术。相比于钻爆法,竖井掘进机工法成功减少了50%以上施工人员的数量,并将施工效率提高了1倍以
19、上25。图10 世界首台SBM竖井掘进机下线及掘进Fig.10 The worlds first SBM vertical shaft boring machinelaunched and began excavation2.9斜井掘进机大倾角 TBM 可用于坡度 45以上斜井施工。2022年,首台国产大倾角TBM投入使用,用于坡度39的斜井建设(图11)。设计团队通过开发了一系列创新技术来提高施工的安全性和质量,例如双重防滑系统(ABS)、尾部自动安全门系统、适应大坡度重载物料运输的系统、自动排渣装置和变坡始发技术。除了在抽水蓄能电站建设中的应用,大倾角TBM还可用于交通和矿山领域的通风斜井
20、施工。图11“永宁号”斜井TBM变坡步进Fig.11 Yongning inclined shaft TBM stepping with variableslopes181中国隧道掘进机技术进展与展望现 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.20242.10推盾机相对于盾构机,顶管机始发占用场地小,但不适用长距离掘进,且曲线掘进效率低,对周边环境影响大。推盾工法是一种将顶管工法和盾构工法相结合的施工工法(图12)。在始发段采用顶管工法掘进,当施工至曲
21、线段或顶推力用到极限时,启动盾构工法掘进。推盾工法结合了顶管和盾构的优点,场地占用面积小、施工速度快、掘进距离远、转弯半径小,具有经济效益好的优点。2022年研制出首台土压平衡推盾机,2023年研制了首台硬岩泥水平衡推盾机。为应对推盾机施工模式切换的快速需求、高拼装性能要求、双模式后配套兼容难以及两种模式工序衔接效率低等四大难题,设计团队研发了顶盾双单元整机集成技术、多自由度拼装抓举微调技术、集约化后配套组合技术和高效衔接的推盾施工技术等。图12 推盾工法示意Fig.12 Illustration of the shield jacking method2.11摆臂矩形断面掘进机摆臂矩形断面掘
22、进机选用柱面形刀盘,刀盘上安装盘形滚刀,通过油缸驱动刀盘上下摆动,带动滚刀破岩,用于岩层矩形断面隧道施工。针对矩形掘进机在施工过程中面临的开挖成型、矩形盾体撑紧推进的难题,设计团队开发了全断面液压摆动式刀盘开挖系统设计技术和盾体支撑与推进匹配技术。为了解决大角度和恶劣环境下的连续出渣问题,设备采用了刮渣装置、集渣装置、刮板输送机、后配套皮带机以及连续皮带机综合出渣技术。2020年,国内首台矩形断面(开挖断面5.03 m4.35 m)硬岩掘进机(图13)下线并在磷矿项目进行工业试验(图14)。2.12联络通道掘进机传统的地铁联络通道修建工法,如浅埋暗挖法和冻结法,存在工期长、地表沉降难以控制、造
23、价高图13 首台矩形硬岩掘进机Fig.13 The first rectangular hard rock boring machine图14 工业试验隧道Fig.14 Industrial test in a tunnel等问题。国内企业在2017年研制了世界首台适用于地铁隧道联络通道施工的盾构机。在隧道内采用机械法施工联络通道(图15)面临着狭小空间结构布置难、既有主隧道曲面管片开挖难、微加固环境始发接收掘进难等问题。联络通道掘进机应用了集约空间模块化整机集成技术、双锥形阶梯仿形切削技术、管片预应力支撑及监控技术、曲线适配的套筒始发接收密封技术。该工法较传统的工法施工速度快,安全性高、环境
24、影响小,具有显著的经济效益2628。图15 机械法联络通道工法示意Fig.15 Mechanical method for constructing connectionpassage182中国隧道掘进机技术进展与展望现 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2.13超小转弯半径TBM超小转弯半径TBM可以实现转弯半径30 m的曲线掘进。设备总长不到40 m,相对于以往的300 m设备长度缩小了80%。他可以在狭小硐室内进行TBM的拆装、始发
25、、掘进、转弯和到达等工作。设备配备了多自由度“V”型推进系统和超小曲线自动导向系统,实现了1 mm的高精度多自由度多缸并联协同控制和掘进姿态精细控制。此外,对TBM的刀盘、盾体和推进机构等关键零部件进行了优化设计,使得超小曲线TBM主机和整机尺寸减小,提高了转弯的适应性。另外,还开发了适应于超小曲线的TBM机载浮动式皮带机。在超小转弯半径情况下,该机载浮动式皮带机可以动态调整纠偏,防止跑偏,并延长转弯段胶带的使用寿命。2019年,山东文登抽水蓄能电站引入TBM 工法,成功完成了“S”形超小曲线(R=30 m)的连续转弯掘进(图16)。图16 超小转弯TBM及S形转弯Fig.16 Ultra-s
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