硬巖掘進機在中國的發展與展望

秦海洋+劉厚全+周慧+馮志華

TBM起源于英國，之后在日本、德國得到了發展。1884年，在英法海底隧道的修建過程中，首次使用了Bohmont設計的掘進機（Φ2.1 m）進行施工，由于技術不成熟，導致滾刀磨損嚴重、液壓器件密封不足等，使其難以得到廣泛的應用。19世紀末至20世紀初，TBM理論相繼傳入美、法、德等發達國家。各國開始投入大量精力開展TBM研究。例如：1932年，美國研制出了可用于采礦行業的懸臂式TBM，1956年，美國Robbins公司率先研發出用于硬巖掘進的全斷面掘進機，并于1963年研發出Φ11.2 m的世界首臺大直徑硬巖TBM；日本為發展本國的TBM技術，和Robbins公司進行合作，并于1973年生產出首臺國產TBM；此后，發達國家相繼建立起屬于本國的TBM企業。20世紀80年代，TBM生產企業較少，主要分布于美國（Robbins、Jarva）和德國（Wirth、Demag）。現今，除了老牌生產企業外，加拿大的Lovat、日本的Komatsu等新型企業也得到快速發展，逐漸成為生產TBM的一線品牌。目前，掘進機技術正向以下方向發展：擴大適用范圍；增強可靠性；增加斷面；加強截割力；完善配套；提高智控。

中國TBM技術的發展源自20世紀50年代，經歷了2個階段。20世紀50年代至20世紀末是第一階段，當時幾乎無創新性可言，主要依靠進口前蘇聯煤用TBM，并對其進行改造生產，例如，在前蘇聯JLK型TBM基礎上進行改造，生產出“開馬型”國產TBM。該階段末，依靠“引進吸收”模式，具備了批量生產中型TBM的技術。20世紀末進入第二階段，即采用“引進—消化—再創造”模式步入重型TBM的研發階段。例如，引進日系S200M型TBM后，研發出國產EBE160型TBM。相比于國外TBM生產企業，我國的TBM生成企業在技術、裝配方面均較為落后。

雖然中國的TBM起步不晚，國產TBM也具有自己的優勢，但是在基礎理論研究、材料研發、使用可靠性方面與發達國家存在較大差距。鑒于此，為了掘進機技術在中國更好地發展，有必要對其存在的問題及相應的研究成果加以整理分析，以期為相關的理論研究和工程施工提供參考。

掘進機在中國的發展概況

自20世紀50年代開始，中國逐步開始了對TBM的研究，發展歷程可以概括為：手掘式—網格式—超大網格式—小斷面硬巖TBM—重型TBM。

手掘式開挖是中國最早采用的隧道開挖方法。1956年，在中國東北阜新海州巷道的開挖過程中曾采用人工挖土的方法。

進入60年代，原先簡單的手掘式開挖已不能滿足大直徑隧道開挖的要求，因此網格式TBM應運而生。1965～1966年，國產網格TBM（Φ5.8 m和Φ10.2 m）投入到上海地鐵的施工中。

60年代中期，首臺國產硬巖TBM（Φ3.5 m）在上海水工機械廠裝配完畢，并成功在西洱河引水隧道進行了工業性試驗，為之后全斷面硬巖TBM工業性試驗開創了先河。

70年代中后期，TBM技術進入了工業性試驗階段，相繼研制出多款TBM機型（SJ系列、EJ系列）并用于工程試驗。80年代步入工業生產、工程使用階段，SJ和EJ系列TBM在多個引水隧道和煤礦工程中得到使用。當時，相比國外TBM，國產TBM在技術應用、生產工藝、可靠性方面均較為落后。

70年代末（改革開放后），我國開始著手進行重型TBM的研制工作，該過程可以劃分為“引進”和“合資”2個階段。1978～2003年為“引進”階段，TBM基本依賴進口，外企憑借TBM核心技術控制了80%以上的中國市場；2003年至今，進入了“合資”階段，“合資”表現在兩方面，一方面是技術合作，另一方面是公司合營。截至2016年，國內TBM生產廠家中，中外合資企業占據了很大一部分，且比例逐年上升。在技術合作方面：中國第二重型機械集團與Robbins公司合作生產的TBM（Φ3.65 m）于2003年出廠，用于掌鳩河隧道施工；Robbins公司與大連重工合作生產的TBM（Φ8.03 m）于2005年出廠，用于大伙房隧道工程施工。在公司合營方面：2007年沈陽重型機械與法國NFM公司、德國Wirth公司合資成立了沈陽維爾特重型隧道工程機械設備公司，共同致力于中國TBM技術的發展。20世紀50年代至今，TBM在中國的發展狀況如圖1所示。

硬巖掘進機在中國的發展現狀

在中國的研究現狀

截止2016年，針對TBM技術，中國的研究熱點集中在：滾刀破巖機制的研究、滾刀磨損研究、刀圈保護研究、TBM施工預測研究、不連續巖體中的TBM掘進研究等。

破巖機制的研究

滾刀破巖機理在中國存在多種版本，其中較為普遍接受的是“壓入-貫通”機理，該機理將TBM掘進過程中掌子面巖體的變形分為壓入和破巖2個階段。

“壓入”是破巖過程中的第一階段，即來自于刀盤的壓力將滾刀壓入掌子面的巖體中，掌子面和滾刀接觸部位的巖體開始產生裂縫并向四周延伸（圖2）。根據巖體的變形程度可將變形巖體歸為3類：粉碎核（刀盤和巖體接觸部位，變形最大）、彈性區（距離接觸部位較遠，變形較小）和非彈性區（粉碎核和彈性區的過渡區）。根據形狀，非彈性區的裂縫可以分為3種：中心裂紋、放射裂紋和邊裂紋。對于該區間內裂紋的形成原因目前主要存在3種：巖體剪切破壞、巖體的脆性受拉破壞、在相近數量級的剪切和受拉混合作用下破壞。

“貫通”是整個破巖過程的第二階段。在該階段，刀盤旋轉使得滾刀之間的裂紋（多為邊裂紋和中心裂紋）得以貫通，形成巖片。

滾刀破巖機制的研究目的主要在于開發新的滾刀材料和優化刀盤結構。優化刀盤結構的研究中，線性切割試驗是常用的方法。通過計算刀盤在間距和切入深度的不同工況組合下的破巖效率，確定最佳參數。

滾刀磨損研究

TBM破巖過程屬于磨料磨損過程，滾刀屬于磨料，巖體屬于材料。現階段，磨料磨損機理分為4種，即微量切削、疲勞破壞、壓痕破壞、斷裂破壞。其中，TBM破巖機制歸屬為最后一種。TBM滾刀與巖體的相互作用如圖3所示。其中，正應力fN和切向力fR對滾刀的磨損有顯著的影響。endprint

根據上述破巖機理，結合滾刀的受力特征和運動學特性，采用有限元分析方法，建立滾刀的相對滑移模型；將此滑移數據與工程測量數據或滾刀對磨試驗結果進行比較，便可確定刀盤磨損系數，而刀盤磨損系數是建立TBM滾刀預測模型最重要的參數。該過程如圖4所示。

刀圈保護研究

掘進時間長、巖體強度高等原因決定了TBM掘進過程中刀圈的磨損必然很嚴重。因此，對于刀盤保護的研究至關重要。在刀圈的保護方面，進行了以下研究。

（1）刀圈材料選擇。近年來，逐步采用釬焊硬質合金制作傳統刀圈，從根本上提高刀圈壽命。

（2）刀圈結構設計。對刀圈結構進行因地制宜的設計，用以增強刀圈不同部位的硬度。例如，為了進行巖體壓入和切割，刀刃部必須耐磨，硬度必須很高；芯部硬度可適當降低。因此，刀圈硬度可做成HRC59～35的梯度漸變。

（3）在刀具材料的修補方面，研發出了新型焊絲DG7。采用該焊絲對刀具斷裂處施焊，強度顯著增強。北京地鐵5號線施工過程中曾采用該方法，效果明顯，修復前后的刀具如圖5所示。

TBM 施工預測研究

由于巖體具有組分不均勻、非線性、受力時的變形各向異性等特點，使得TBM掘進過程中刀盤與巖體的受力復雜，不可能進行準確的施工計算。而且TBM本身機械結構復雜、施工障礙較多，導致施工過程中刀盤與巖體的相互作用難以確定，從而使TBM施工預測難以順利進行。而正確的施工預測模型則可以很好地模擬施工過程中巖體與掘進機受力、變形的變化，改善掘進機的結構設計，促進TBM技術的發展。

TBM施工預測模型在中國的研究成果可以歸納為“模型-反饋”模式，如圖6所示。從滾刀和巖體的作用機制出發，結合滾刀間距和切入深度工況組合建立模型，進行“刀盤-巖體”的施工過程模擬。結合TBM現場施工時圍巖和刀盤的數據變化，對上述施工模型進行修正，優化預測模型。該過程可以實現圍巖狀況與掘進參數的正確匹配，指導TBM掘進過程順利進行。

不連續巖體中的TBM掘進研究

軟硬巖交替出現會嚴重阻礙TBM掘進過程。TBM穿越軟巖時，易加速巖體變形，填埋機頭。TBM穿越硬巖時，易引發巖爆、卡機等現象。山嶺隧道中，軟硬巖交替出現的現象頻繁。現階段，中國在這方面的研究主要是基于對象的建模思想，建立模型，探討掘進機與巖體作用的感應識別方法，具體過程如下。

首先針對隧道掘進機的不同類型進行模擬建模程序編寫，結合隧道掘進機對開挖面巖體作用力的分析方法，在BLKLAB應用平臺中評價掘進開挖過程和開挖面巖體穩定性可視化分析的可行性，如圖7所示。該方法實現了掘進機與開挖面作用力與扭矩的簡化分析，為深入研究TBM穿越不連續巖體奠定了基礎。

應用統計

分析評價

由表1可知：截至2016年，硬巖掘進機的應用范圍已逐漸覆蓋全國。但是，就市場占有而言，施工所用的掘進機較多是國外進口的，國產掘進機占有比例較少，表明中國正處于以市場換技術的狀態。究其根本原因，主要為技術落后、管理落后和制度落后。

（1）技術落后。中國掘進機行業雖然起步不晚，但對于液壓、電控等核心技術尚沒有完全掌握，在材料、液壓元件、結構設計、轉配技術、系統可靠性等方面與國外存在較大差距。

（2）管理落后。對進入該行業企業的資質審批過于簡單。目前有近30家企業已經或準備進軍該行業，主要包括2類，一類來自于施工企業外延，另一類是裝備制造企業與外資的合資公司。這些企業都忽略了掘進機基礎理論的研究，以市場占有為目的。

（3）制度落后。TBM裝配制造方面，國家缺乏統一管理，企業也無統一標準，僅于近幾年成立了掘進機械行業分會，隸屬于工程機械協會。僅僅這些與掘進機的發展創新相差甚遠，要想從根本上推動TBM在中國的發展，就必須從制度上建立起相應的機制。

問題歸納

建議和展望

一方面，與爆破開挖相比，TBM施工具有施工快、安全可靠、不受氣候影響等優點，當隧道長度大于3 km時，采用TBM施工更經濟。另一方面，中國市場對TBM的需求量大，截止2016年底，中國已有37座城市進行了地鐵施工。據統計，2016～2017年，中國將建成5 000 km隧道，年均500 km，很多隧道的長度和難度都是空前的。因此，TBM在中國的發展將是大勢所趨。為此，針對TBM在未來的發展方向提出幾點建議，如圖9所示。

（1）材料研究。良好的材料性能、先進的加工工藝是促進掘進機在中國發展的關鍵因素，因此需加強機用材料的研究。中國目前采用的機用材料存在眾多問題，對此提出相應的解決方案，如圖10所示。

（2）施工預測模型的研究。預測模型主要用來預測和評價掘進機的掘進性能。在此之前，針對不同的項目，已經建立了不同施工預測模型，但是由于地質差異和TBM多樣性，不同項目的預測模型不可能相同，因此，急需一套統一的建模方法和標準。使得不同項目的預測模型可以相互借鑒與參考，這樣將極大地節省建模的時間。

（3）功能復合。掘進機的功能復合主要指強適應性、健全的配套系統、超前預報功能。

（4）高地應力研究。高地應力下的強巖爆現象使得掘進機受力復雜，工況突變容易引起卡機現象。中國是一個多山的國家，南水北調西線工程等將在高地應力環境下進行掘進施工。因此，要發展適應本國的掘進機，就必須加強對高地應力問題的研究，主要包括高地應力對滾刀破巖的影響、緊急情況施工預案和預測模型的研究。

（5）促進開敞式TBM的發展。近年來的研究成果和工程統計表明，由于護盾式TBM后盾較長，產生了眾多問題，如圖11所示。

由于上述問題的存在，國外許多國家已經取消應用護盾式TBM，而開敞式TBM則避免了上述問題的出現。因此，發展開敞式TBM將是未來的 趨勢。endprint

（6）智能控制與系統可靠性。智能控制是指“兩控一檢”，即自控（自動控制）、遠控（遠程控制）和自檢（自動檢測）。智能控制是將TBM與計算機緊密聯系的橋梁，將把施工人員從復雜的TBM操作中解脫出來。隨著計算機技術的快速發展，實現TBM智能控制指日可待。

可靠性低嚴重阻礙國產TBM的發展。可靠性研究包括機用材料的可靠性研究、關鍵部件（如軸承、密封、機電、電氣元件、液壓系統）的可靠性研究、工藝方法的可靠性研究等。可靠性嚴重影響TBM的使用壽命，提高產品可靠性是急需解決的一大問題。

（7）再制造技術。TBM再制造技術即對破損的TBM進行修復，使其能繼續施工或將零件二次利用。TBM再制造過程如圖12所示。

據統計，1976～2016年，國外生產的700臺TBM，新機和再制造機所占的比例分別為40%和60%。而國內再制造機所占比例僅為20%，是國外水平的1/3。一方面，掘進機生產費用高，產品再制造有很大的經濟意義；另一方面，TBM為非標產品，零件再制造難度較大，因此TBM再制造技術面臨較大的困難。

發展TBM再制造技術必須解決的眾多問題大致可分為4類，即軸承、刀具零件的再制造技術，無損清洗及表面修復技術，再制造標準化技術，以及相關的評價體系。

（8）建立掘進機研發基地。到目前為止，中國已經建成三大TBM研發基地：北方研發基地（沈陽重型機械集團牽頭，聯合大連重工）、東方研發基地（上海隧道工程股份有限公司牽頭，聯合上海重型機器廠）、西部研發基地（中國第二重型機械集團牽頭，聯合水利部和鐵道部）。研發基地建立的同時，人才的培養、設備的改進都至關重要。

結語

2016～2036年，中國計劃采用TBM建造5條長距跨海隧道，包括渤海灣隧道（150 km）、杭州灣隧道（36 km）、伶仃洋隧道（26.7 km）、瓊州海峽隧道（30 km）、臺灣海峽隧道（125 km）。此外，南水北調西線工程由于地處高寒、低壓、缺氧地區，采用TBM進行隧道施工將成為必然的決策；工程總長度為1 525 km，約需80臺TBM。廣闊的市場需求為本國掘進技術的發展提供了機遇。

掘進機在中國的發展面臨眾多問題，包括材料和液壓等核心問題、制度和管理的問題、推廣問題、協同問題等，它們與掘進機技術在中國的發展密切相關。

掘進機發展帶來的利益是豐厚的，同時面臨的挑戰也是巨大的。為了促進TBM技術在中國的發展，應該從加緊完善相關制度、改變管理模式、加強基礎理論研究、掌握TBM核心技術、研發多功能TBM、提高再制造技術等方面入手，掃除TBM在中國發展所面臨的障礙。endprint