我國隧道和地下工程施工技術與裝備發展戰略研究

李 喆， 江 媛， 姜禮杰， 黃 文， 舒樂時， 梅勇兵， 李建斌, *

(1. 中國工程院戰略咨詢中心， 北京 100088； 2. 中國中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016；3. 深圳大學土木與交通工程學院， 廣東 深圳 518060； 4. 華中科技大學機械科學與工程學院， 湖北 武漢 430074; 5. 中國鐵建重工集團股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來，國家重大工程如南水北調、西部大開發、西氣東輸、川藏鐵路等相繼開工，城市軌道交通、地下空間開發和跨區域交通不斷推進，中國的隧道和地下工程修建規模和難度均為世界最大[1]。截至2020年底，我國鐵路營業里程達14.5萬km，其中，投入運營的鐵路隧道共16 798座，總長約19 630 km[2]；截至2019年底中國已建公路隧道累計19 067座，總里程1 896.66萬km，與2009年底的總里程相比，增長了381.14%[3]；截至2020年底，我國共修建245條水下隧道[4]。

在城市發展進程中，全世界都在尋求更多的城市空間。地鐵、地下停車場、綜合管廊等城市地下工程的開發利用,是人類社會和經濟實現可持續發展、建設資源節約型和環境友好型社會的重要途經[5]。“十二五”以來，我國城市地下空間建設量顯著增長，年均增速達到20%以上，約60%的現狀地下空間為“十二五”時期建設完成[6]。“十三五”階段，以軌道交通和綜合管廊為主導的地下交通和市政設施的建設規模、建設水平及工程運維等已趕超世界。

我國在隧道和城市地下工程的開發技術和裝備領域已經取得了巨大的成就。經過20年的持續攻關，我國的盾構及其施工工法已從“跟跑”發展到“并跑”，部分技術已經躋身世界前列。自主設計制造的土壓平衡盾構、泥水平衡盾構、全斷面非圓盾構以及全斷面硬巖掘進機(TBM)在國家重大基礎設施建設方面發揮了決定性作用。然而，我國在隧道和地下工程領域仍然面臨著諸多嚴峻挑戰，山嶺隧道和穿江越海隧道的施工難度顯著增大，大埋深、大斷面、高地應力、多破碎帶、高地溫、高瓦斯及高水壓等復雜條件隧道越來越多，亟需開展新一代開發技術和裝備的發展戰略研究。

本文結合我國隧道和地下工程施工技術與裝備的發展現狀及面臨的問題，研究隧道和地下工程施工技術及裝備的中長期發展方向、核心和短板技術發展戰略、技術體系標準以及產業發展布局，并提出相關發展建議。

1 我國隧道和地下工程施工技術與裝備發展現狀及存在的問題

1.1 施工技術發展現狀與存在的問題

1.1.1 發展現狀

近30年來，大量隧道和地下工程項目的建設，為多種施工方法的應用提供了廣闊的舞臺。建設過程廣泛吸納了世界各國先進的建設理念、方法和技術，并在此基礎上自主創新，取得一系列針對我國復雜地質環境的技術創新和突破[7]。例如： 地鐵盾構隧道工法、近接施工安全控制等技術取得了長足進步；頂管技術、非開挖技術和水下沉管技術等取得積極進展；地層位移和變形控制技術引領全球；水下沉管隧道技術、大斷面頂管技術等領先世界[8]；在軟巖大變形控制技術、瓦斯隧道施工通風技術、大斷面盾構施工技術、隧道全斷面硬巖掘進機(TBM)施工技術等方面也處于世界先進水平[8]。大量新技術的研發應用，提升了我國隧道和地下工程建設的地質適應能力和施工效率。

1.1.2 存在的問題

隨著隧道和地下工程開發不斷朝著“深、大、長”方向發展，地質環境亦趨于復雜，高地應力、高地溫、高瓦斯、高水壓等引起的突發性工程災害和重大惡性事故頻發，現有技術面臨著巨大的挑戰。設計計算理論體系不完善，復雜地質條件下特深綜合設施結構設計、建造技術體系亟需完善[9]。此外，還面臨著以下幾個方面的問題：

1)深層地下結構設計理論不完善。對于山嶺隧道和穿江越海隧道，隨著開挖深度不斷增加，圍巖變形及穩定性控制難度也急劇增加。深層土與淺層土的賦存環境和力學性態存在顯著差異，現有的地下結構設計理論已不適用于“高水壓、高應力、災變難預測”的深層環境。

2)復雜環境與極端地質下施工困難。復雜地質條件，如高地應力、高烈度震區、高地熱、高原巖溶、深大活動斷裂帶等，帶來巖爆、突涌水、軟巖大變形等，導致施工困難。

3)超大斷面隧道支護難。超大斷面導致隧道掘進效率、圍巖和支護的穩定性、管片拼接、隧道密封和抗浮能力等的控制難度迅速增加。

4)超長隧道施工風險高。超長隧道導致地質測量、掘進、抗震、通風、運輸、安全救援等問題的難度陡增，施工風險高。

5)城市地下工程的安全開發利用難。城市地下工程的安全開發利用需要城市地質結構、巖土體特性、地下水類型及分布和地質災害等方面的信息[10-11]。我國城市地下工程建設面臨的復雜地質問題包括復雜周邊環境下近接施工的擾動控制、城市深部地下工程勘察精度不足以指導工程設計和施工、地下水的控制與保護[12]、軟土地區的地基處理和長期沉降控制[13]、活動斷層及地裂縫[14]、復雜多元地質結構、卵礫石的開挖穩定性[15]、上軟下硬地層的開挖與擾動控制[16]等。

1.2 施工裝備發展現狀與存在的問題

1.2.1 發展現狀

隧道和地下工程建設高端裝備是重大民生、戰略工程的保障，更是衡量國家制造業水平的重要標志。目前，盾構已經成為“入地”的高端地下工程裝備代表，且在地下空間基礎設施建設的持續推動下，已經取得了巨大的成就[1]。經過十幾年的引進和再創新，我國的盾構與TBM自主制造技術已經取得了驕人的成果。我國的盾構制造技術已經躋身世界前列，土壓平衡盾構、泥水平衡盾構、硬巖掘進機和軟土異形盾構在國家重大基礎設施建設方面發揮了重要作用。中國工程機械工業協會掘進機分會統計數據顯示，2019年我國全斷面隧道掘進機產量為610臺，且2015—2020年連續5年每年增長20%左右，一躍成為全球最大的全斷面隧道掘進機生產國和最大市場。

1.2.2 存在的問題

我國在隧道和地下工程裝備方面已經取得了重大突破，但極端環境下的盾構仍屬于“無人區”；在異形全斷面巖石掘進機方面，我國研制的軟巖異形掘進設備已經處于世界領先水平，但針對工程占比最多的異形巖石掘進設備仍屬于“技術空白”，具體表現為以下幾方面。

1)復雜地質環境現有盾構不適應問題。山嶺隧道復雜地質條件下，尚無高安全、高可靠、高效率的施工裝備；海底隧道施工環境下，現有裝備適應能力不足。穿江越海隧道工程呈現出“高水壓、長距離、大直徑”的特點，在穿越海底溝谷、風化深槽、活動斷裂帶、強地震帶和生態敏感區時，極易造成重大災難。

2)異形全斷面巖石掘進機領域空白。目前，幾乎所有的鐵路和公路隧道均為非圓形斷面，馬蹄形掘進工法能夠最大程度提高隧道空間利用率，較圓形截面減少15%的開挖面積，而城市地下工程多為矩形截面，但異形全斷面巖石隧道掘進機由于技術難度大，仍屬世界空白。

3)隧道和地下工程施工裝備智能化程度不足。目前，國內外均在大力促進隧道和地下工程施工裝備的信息化、智能化，但由于缺乏足夠的工程大數據和數據共享機制，存在數據儲存分散、數據格式不一等不利因素影響，且地下工程種類繁多，工程業主廣泛，缺乏統一協調，存在信息“孤島”和信息“流失”現象，地下工程裝備仍以人工操作為主。

4)核心關鍵零部件“受制于人”。主軸承、減速機、大排量液壓泵是盾構的3大核心部件，目前還主要依賴進口；土壓探測與傳感裝置是控制盾構姿態和地表沉降的關鍵部件，也基本依賴進口。

2 我國隧道和地下工程施工技術與裝備發展方向

2.1 我國隧道和地下工程施工技術發展方向

2.1.1 中長期發展方向

1)綠色施工技術。綠色循環、低碳發展，是當今時代科技革命和產業變革的方向，是最有前途的發展領域。我國工程建設在這方面的潛力相當大，可以形成很多新的經濟增長點。綠色施工技術應著眼于建筑全生命周期，在保證工程質量和安全的前提下，通過科學管理和技術進步，在工程建造過程中最大限度地節約資源和保護環境。建筑的綠色性能和綠色施工，助推生態文明建設和社會經濟可持續發展，達到工程項目全生命周期的環境、經濟和技術效益最大化。以綠色發展為主線，全面深入地推動綠色施工技術、裝配式建筑的實踐，是我國隧道和地下工程施工技術的發展方向之一。

2)信息化、數字化技術。隨著計算機技術的發展、各類算法的出現及其越來越簡便的應用，現階段國內外研究方向主要集中在利用各種算法來簡化各類設計。巖土工程領域有諸多方面都可以與人工智能算法和技術相結合，如利用人工智能算法可大量簡化冗雜重復的計算過程[17]，將新的隧道圖像不加注釋地發送到分割網絡中，使用分割網絡完成裂縫的分割，提取裂縫，分析并及時采取相應的措施。數字化技術在巖土工程中得到初步應用，例如： 無人機、機器人、三維激光掃描、光纖傳感等監測技術已應用于大型巖土工程中；大數據、云計算、GIS配合AI建立監測+管理系統，可對工程進行全過程管理并及時反饋；BIM、VR技術、人工智能(AI)開始用于復雜工程的項目管理。但目前數字化智能技術在隧道和地下工程的應用中，存在技術間融合不夠、基礎性數據不足及系統性平臺缺失等問題[18]，將數字化技術與地下空間開發相融合是未來智能建造的發展趨勢。

3)復雜條件下超長隧道施工技術。目前及今后較長時期內，隧道及地下工程建設普遍面臨埋深大、隧道長、修建難度大的問題,且面臨高地震烈度、高地應力、高落差、高地溫、強活動斷層等技術挑戰。應對此等復雜隧道，應重點研發隔離消能技術，在初期支護和二次襯砌之間回填柔性材料，盡可能地將地層蠕變和地震引起的突變位移吸收消化在初期支護和中間的緩沖層上，從而不影響二次襯砌正常的使用功能；研發巖爆微震監測與預測預警系統，將現場監測結果傳輸到管理平臺，及時分析和反饋，從而避免巖爆對隧道設備與人員的危害；研發高地溫隧道綜合降溫技術，開發新型降溫系統，輔助通風、蓄冰降溫等多種措施，全面治理深埋隧道熱害；研發使用韌性高、磨損性更好的大直徑盤形滾刀或新型刀具，開發脈沖型水射流、激光、微波、高壓氣體膨脹破巖等TBM輔助破巖技術，使其應用更經濟、破巖效率更高。

4)復雜海底隧道施工技術。根據交通運輸和經濟發展的需要，國家中長期規劃在瓊州海峽、渤海海峽和臺灣海峽建立3個通道，擬建隧道長度分別為28、126、147 km。 穿江越海隧道工程呈現出“高水壓、長距離、大直徑”的特點，在穿越海底溝谷、風化深槽、活動斷裂帶、強地震帶和生態敏感區時，極易造成重大災難。當前的技術很難滿足上述工程在測量、施工、運營和維護等方面的需求。針對超長海底隧道，須重點攻克懸浮隧道、超長沉管隧道的設計與施工關鍵技術，并對軟弱圍巖鉆爆隧道安全快速施工、混凝土結構長壽命保障、超高水壓防排水及結構體系、超長區段運營通風、隧道防災救援、智能化運載工具等關鍵課題開展科技攻關[19]。

5)城市地下工程施工技術。隨著城市地下工程利用越來越廣，深度不斷增大，土地資源立體空間利用往往與地鐵及既有建(構)筑物下穿、上跨或直穿相關，面臨著一系列的施工難題。關鍵是地下工程面臨著“水、軟、變形難以預測”3大技術難題，要實現地下工程施工引起的地層位移和變形盡可能控制在允許值之內，確保周邊環境與建(構)筑物的安全。城市地下空間典型的近接施工技術包括： 地層凍結組合系統技術、盾構下穿控制精細技術、重疊隧道與樁基組合下穿建筑群技術、超近距離矩形頂管技術、穿越密集成片老舊小區組合技術、跨地鐵運營隧道建設地下空間等。在這些綜合技術研究方面還需加大投入。

2.1.2 基礎技術發展方向

1)施工新材料。隧道和地下工程開發不僅需要依賴新的設計方法及施工技術，也對新材料的發展提出了要求。傳統材料存在的不足會導致工程效率低、工程效果不佳、后期維護成本高、環境污染嚴重等。通過對傳統材料進行改進，新材料研發可提高工程建設適應性，有助于“雙碳”目標的實現。施工新材料主要包括： 新一代高性能混凝土、自愈混凝土、綠色低碳環保的支護材料、高效耐久的纖維增強混凝土盾構管片、壓注自防水混凝土內襯、高可靠性的防水材料等。推進功能材料如能源樁、能源土工布、儲能混凝土等的應用，以提高綜合效益；探索新一代智能材料，如自修復材料、智能感知材料等，以提高隧道和地下工程的韌性。

2)施工新技術。在復雜地質條件下，重點研究地下施工控制技術以及環境生態保護措施；深水環境下，重點研究盾構高水壓防水和掘進穩定技術，超長距離隧道通風安全救援技術；城市地下工程重點研究新型機械化施工、綠色施工技術以及環境協同技術。積極研究發展面向未來地下施工，集精準探測、超前預報、信息感知、先進破巖、數字孿生等于一體的系統性智能技術。綜合多學科，推進巖土工程的自動化、信息化和智能化；通過物聯網、5G通訊、大數據與神經網絡、人工智能等技術進行信息數據的傳輸與分析；通過數字化傳感、微機電MEMS、高精度陀螺儀、無人機、光纖傳感、北斗等感知技術進行地下工程監測；通過BIM、GIS、數字孿生等技術建立地質信息與地下工程的三維可視化施工，由此實現智能感知、正確判斷、快速反應、有效執行。

2.1.3 補齊短板技術發展方向

1)隧道和地下空間勘察新技術。未來應根據隧道和地下工程地質特點及各勘察技術的特征和適用性，引入先進的人工智能、大數據等技術手段，加強“高分+北斗”融合技術的深入應用，發展空天地一體數字化勘測技術、巖石視覺識別技術、智能物探技術和數據高效解譯技術、高效精準取芯鉆探技術，尤其是高精度全息水平取芯鉆探技術、智能數字成像識別技術以及智能原位測試技術，注重多元勘察技術、通信技術、電子技術、物聯網技術等的融合與協同應用，構建“數字孿生”的隧道和地下工程勘察信息平臺。隧道和地下工程綜合勘察新技術如表1所示。

表1 隧道和地下工程綜合勘察新技術

2)隧道和地下工程設計新理論。研究地質體、結構和環境的物理性質和變形協調關系，探索開挖擾動疊加效應和時空效應下多場、多尺度“地層-結構-環境”耦合機制；研究高地應力、高烈度震區、高地熱、高原巖溶、深大活動斷裂帶等惡劣地質條件下的地下工程災變機制；研究復雜條件下大直徑盾構長距離安全掘進理論、高水壓盾構隧道防水控制機制等問題。在理論上，經典土力學難以滿足深基坑土體復雜多變的物理特性需求，應考慮應力路徑的作用，土的各向異性、流變性、擾動特性，土與支護結構的共同作用等。在設計上，應加強發展基坑變形控制理論；研究深層地下空間環境相關的理論和設計體系，深層地下結構在突發因素和長期作用下的破壞和劣化機制；研究復雜地質條件災變機制，通過將大數據與人工智能有機結合，把握結構體與巖土體多場耦合理論，進一步研究不良地質掘進過程的實時監測和控制。

2.1.4 體系發展戰略研究

1)智能施工技術體系。面向工程產品全生命期，實現泛在感知條件下的信息化建造，即根據工程建造要求，通過智能化感知、人機交互、決策實施，實現工程立項、設計和施工過程的信息、傳感、機器人和建造技術的深度融合，形成在基于互聯網的信息化工作平臺的管控下，按照數字化設計的要求，在既定的時空范圍內，通過功能互補的機器人完成各種工藝操作的建造方式[20]。健全、完善地下空間精細化規劃設計體系，在全域資源觀指導下，協調地上空間與地下空間規劃的關系，基于大數據分析提出地下空間可持續發展規劃。研究融合復雜服役環境的地下工程裝備數字樣機設計及智能施工機器人和自動作業類腦控制器技術，發展人機協調、自主學習的智能裝備。研究基于數字孿生的工程建設進度管控及施工優化技術，以及基于BIM+互聯網智能感知采集、數據傳輸和監控關鍵應用技術的“地-隧-機-人”智能化協同管理控制系統。

2)技術標準體系。從技術標準層次來看，國家層面技術標準數量較少，且大多數限于開發利用與規劃管理方面；從行業類型來看，以地下停車庫、地下管廊、人防工程、軌道交通等設施的建設與管理為主，地下空間多門類工程建造施工技術還沒有相關的標準和規范。圍繞復雜地質條件的建設、復雜環境保護、深層地下空間開發、地下空間設施安全運維和更新改造等難題，應加緊相關理論的研究，著手編制超深復雜地質條件下的基坑工程相關標準，為基坑工程向復雜超深方向發展提供理論指導。

目前，我國掘進機技術標準主要是產品標準，關于施工和安全方面的標準還很缺乏。因此，需要制定以下相關的標準： 掘進機施工環境與安全標準、豎井掘進機相關標準、超挖控制標準、針對大型機械化施工的參數標準及相關配套機械產品的設計標準、針對隧道工程建設相應的機械化裝藥標準等，形成集地下空間規劃、設計、施工、防災減災以及環境保護為一體的技術標準體系。

3)工程管理體系。隨著我國地下空間大規模開發利用，地下空間開發的質量安全、風險監控、生態環保等問題凸顯。主要存在質量安全體制機制不健全，質量安全管理投入不足，施工單位質量安全監管能力落后，風險管理監控內容和流程不規范，對風險預測與決策分析的認識存在誤區，風險管控意識不強，環保組織管理松散，跨區域協同治理生態機制未建立等問題。亟需健全地下空間質量安全法律法規體系，建立質量安全行政管理機構，提高地下空間質量安全管理標準；健全安全風險應急管理體系，建立預警預案，實施動態風險管理，加快監管和風險防控系統研究；健全地下空間開發生態環保體系，構建地下空間開發綠色發展政策體系，強化政策監督保障作用，建立地下空間開發環境治理機構，嚴密防控環境風險。

2.2 我國隧道和地下工程裝備發展方向

2.2.1 中長期發展方向

1)綠色制造裝備。“中國制造2025”要求組織實施好綠色制造工程，因而對于我國的地下工程裝備，發展綠色制造是未來的必由之路。尤其是地下工程裝備體積大、質量大、用材多、能源消耗大且掘進過程中會有大量渣土與污染源排出，在制造業轉型升級、實施綠色制造的大趨勢下，地下工程裝備的綠色制造將是未來重點發展方向。未來，我國的隧道和地下工程建設及其裝備研制需要在國家有關部委的指導下，通過國家綠色制造系統集成項目的實施，開創我國施工裝備的全生命周期綠色再制造新模式，推動我國施工裝備綠色再制造產業化，完善我國大型施工裝備綠色再制造技術標準與產業發展，最終有效推動我國隧道和地下工程裝備再制造產業的健康發展。

2)全生命周期的智能制造。為應對第4次工業革命，我國將推進信息化與工業化深度融合作為“中國制造2025”9項戰略任務之一。提出把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。隧道和地下工程裝備通過智能設計、智能制造、智能掘進以及智能運維等手段，對相關施工裝備整個生命周期進行有效管理，以獲得裝備生命周期費用最經濟、設備綜合產能最高的理想目標，是我國隧道和地下工程建設技術裝備的發展方向之一[21]。

今后，我國隧道和地下工程裝備的制造要向工業網絡建設、系統集成及精益生產線建設與虛擬仿真方向發展。掘進是裝備全生命周期中的核心過程，結合了數據采集與存儲、云計算平臺和智能決策的智能掘進技術是未來施工裝備的主要發展方向之一；在掘進過程中，對掘進狀態的實時在線監測，如掘進過程中的智能糾偏，是實現裝備全生命周期閉環控制的最關鍵環節。基于數字化的運行管理平臺可以將盾構等的工作過程形成標準的工作流，以大數據云計算技術為支撐，實現云平臺健康評估和故障診斷。遠程智能運維服務平臺和行業工業互聯網平臺連接了整套施工裝備的終端和云端。

3)極端山嶺地區地下工程裝備。山嶺隧道工程環境復雜、極端，高壓、高地應力、高地溫、極硬和極軟等極端工況限制了通用性的地下工程裝備的應用，對地下工程裝備在可靠性、先進性、環保性等方面提出了更高、更嚴苛的要求，為裝備可靠性和適應性帶來新挑戰、新難題。因此，加快推進極端工況下地下工程裝備顛覆性創新，提高施工裝備的適應性、可靠性勢在必行，亟需研發新一代的地下工程裝備，如異形巖石掘進裝備、超硬巖施工裝備、軟巖大變形施工裝備、高海拔施工裝備等。

針對高地熱的隧道環境下設備正常運行的需求，亟需對電氣、液壓等系統選型、散熱做特殊設計，進行局部設備、部件或局部作業區域降溫研究；針對高地應力產生的巖爆現象，利用微震檢測系統對圍巖工程動力型災害進行24 h不間斷檢測，為圍巖穩定性評估和巖爆災害預警提供依據；針對極硬巖地下空間施工，為進行極硬巖施工過程巖爆的防控，可在TBM刀盤的輻條上預設圓孔，圓孔穿入帶水刀噴頭的鋼質水管，當巖爆風險高時，通過水刀切割深槽釋放圍巖壓力。

4)海域地下空間開挖裝備。海域地下空間開挖裝備面臨著設備抗壓密封難、掌子面穩定難、刀具更換難、深地遠海垂直鉆探難等問題，亟待突破高壓密封、土-泥-水多相平衡、隨鉆原位測量等技術，開發海域可靠性高、適應性強的全斷面掘進裝備、深地遠海隨鉆探測裝備等海域隧道和地下空間開發新裝備。

其次，針對超大埋深、超高水壓、超大斷面及地質復雜多變的海域地下空間建設需求，需要重點研究高效破巖的長壽命刀盤刀具優化設計技術、超高水壓條件下盾構防水密封設計與制造技術、大功率高性能節能環保型變頻驅動技術、高水壓大斷面掘進施工技術；針對復雜的海洋環境可能存在極端的換刀環境，需要實現極端環境下盾構刀具更換，保證其長距離和高水壓狀態下順利掘進；針對海底隧道施工需求和面對的問題，研究泥水/TBM雙模式掘進機總體集成技術，泥水和TBM模式刀盤轉速與性能最優匹配、開挖壓力平衡控制技術，皮帶機和泥漿管路集成布局及模式快速切換技術，管片和箱涵高效拼裝以及推進、拼裝同步技術。

5)城市地下空間施工裝備。城市地下管廊建設升級、超大直徑綜合交通隧道建設、深層地下綜合體開發等要求城市地下工程裝備靈活、施工一體化程度高、復雜地質適應強、施工過程擾動低。亟待開發老舊管道更新與維護裝備、超大斷面一次成型裝備、深層大平面地下施工裝備等，以滿足未來城市地下工程施工需求。

針對城市地下復雜環境，通過成套設備的研制與應用，構建復雜環境下城區地下工程自動化高效施工的完整施工裝備軟硬件體系，攻克傳統施工裝備功能單一、集約化程度低的問題。其中對于盾構裝備，需要開發靈活性強，可實現多段拼接的盾構裝備；實現單臺設備多維度同時掘進，增大其施工效率，減小施工過程對城市地表活動的影響；配備施工過程的動態監測和實時反饋系統，完善數據庫，利用人工智能實現性能穩定的自動化施工；裝備的盾構刀盤配備多種旋轉方式，且有多種刀具，即實現一盤多刀、多模式，增強刀盤對不同地質結構的適應性，增強其工作能力。在城市深層大平面的地下空間開發裝備中，由于其埋深較大，對于裝備的抗壓能力有更高的要求。因此，需要加強裝備的整體穩定性，提高各部件的質量，以延長其工作周期；在深地空間中，超大型、靈活性差的裝備在施工前后到達指定位置難度較大，因此裝備必將向精簡化、可分解、可拼接的方向發展。

2.2.2 基礎技術發展戰略研究

1)新材料技術。面對新工況、新裝備，著力研究高強、高韌合金材料，耐磨材料，新型密封材料，渣土改良及混凝土添加劑，新型加工工藝等，提高設備適應性與可靠性。

2)流體科學與技術。開展重載高精度電液控制技術、長距離壓力穩定控制技術、高端液壓元件設計理論研究。

3)新型地質探測技術。重點考慮深部巖體構造及力學特性的精細測量技術，關注深部巖體工程地應力有效測量方法與測量儀器設備的研制發展方向，提出深部地下空間開發中實用測量技術的主流發展方向。

4)復雜工況構型設計與優化技術。基于多目標優化設計理念，開展復雜工況下的機制建模、可靠性設計與輕量化設計等方法研究，掌握地下裝備巖機設計理論與方法。

5)新型破巖技術。針對鉆具極易損壞、施工成本增高、施工周期長等問題，利用高端先進技術，如水射流系統、微波發生器等，開發創新破巖技術，是提高破巖效率、降低施工成本的重要手段。

6)深海、深地探測技術。地球物理勘探主要技術有重磁探測技術，電法及電磁探測技術，地震勘探、鉆探及測井勘探和放射性勘探技術等。勘探范圍從陸地走向海洋，并且由近海探測技術向深遠海探測技術發展。

7)智能化技術。目前我國地下工程裝備智能化水平整體不高，智能化過程缺乏核心技術自主創新能力，存在感知難和感知被動、地下測量不準和無法糾偏導致的測控難、缺乏決策系統導致的效率低等問題。為此，亟待研發面向極端施工條件的智能傳感器檢測技術、適應復雜施工環境的智能執行機構、智能集群掘進技術以及地下工程裝備智能運維技術。隧道和地下工程裝備核心基礎技術見表2。

表2 隧道和地下工程裝備核心基礎技術

2.2.3 補齊短板發展戰略研究

目前，我國高端地下工程裝備企業占領國內市場的90%和全球市場的2/3，實現從填補空白、替代進口，到批量出口海外的大逆轉。除了市場占有率的提升，在技術上也實現從打破壟斷到全球領先的大轉變。然而，在我國隧道和地下工程裝備取得重大突破的同時，仍存在一些重點短板技術亟待解決。

1)核心關鍵部件狀態監測與預警。研究性能衰退與失效機制、數字化試驗臺關鍵技術、監測診斷與性能預測算法及相關組件開發，解決傳統監測診斷與性能預測方法實時性差、精度低的問題；開發云邊協同智能傳感終端，實現地下環境下裝備狀態穩定性監測；開發施工裝備狀態預警與故障診斷算法組件，實現裝備遠程運維。

2)核心部件國產化。針對我國地下工程裝備的主軸承、減速機、密封系統、高端液壓元件、電氣控制部件等關鍵元器件依賴進口情況，開展國產化研制工作。

3)隧道和地下工程裝備正向設計方法。在復雜環境、復雜載荷等綜合條件下，隧道和地下工程裝備設計理論尚不完備，急需實現重大裝備研制從逆向工程向原始創新為特征的正向設計跨越，研究面向復雜環境、復雜載荷等工況的隧道和地下工程裝備正向設計技術，形成隧道和地下工程裝備正向研發創新能力。

2.2.4 產業布局發展戰略研究

1)打造世界一流的隧道和地下工程裝備領軍企業。領軍企業在行業中的帶頭作用非常重要，其在技術創新能力、經營模式、管理模式、競爭模式以及對品牌的創建和維護上，都無形中對行業起著示范和引領作用[25]。我國隧道和地下工程裝備產業要緊緊抓住培育具有全球競爭力的世界一流企業這個目標，加快形成一批在國際資源配置中能夠逐步占據主導地位的領軍企業，加快形成一批在全球行業發展中具有引領作用的領軍企業，加快形成一批在全球產業發展中具有話語權和影響力的領軍企業。

2)打造核心關鍵部件產業集群。產業集群有助于形成外部規模經濟，降低交易成本。隧道和地下工程裝備產業關鍵部件集群帶來的競爭勢必將有效地促進隧道和地下工程裝備產業的發展[26]。隧道和地下工程裝備關鍵部件產業是工程裝備產業的上游，為其發展提供強大基礎。隧道和地下工程裝備關鍵部件產業集群要更好更快地發展，需培育集群核心企業，帶動核心關鍵部件產業集群發展，培育產業內市場和品牌；建立和完善激勵政策，鼓勵企業對高新科技及關鍵技術的研發和投入，帶動集群內企業的良性競爭。

3)打造高端配套產業集群。打造隧道和地下工程裝備高端配套產業集群需要引導配套企業加強與龍頭企業的合作，依靠龍頭企業帶動配套企業，通過龍頭企業的上下游配套和兩頭延伸，形成比較完整的產業鏈，形成多品種、多品牌、多渠道、多層次、全方位的配套企業集群。發展高端配套產業集群是隧道和地下工程裝備做全產業鏈條的需要。打造隧道和地下工程裝備高端配套產業集群需按照“優勢產品—龍頭企業—優勢產業集群”的模式，以隧道和地下工程裝備配套為突破口，遵循市場規律，突出企業積極性；優化產業組織結構，加快對高新技術和先進適用技術的自主研發和引進步伐，通過技術創新,提高企業核心競爭力。

3 相關建議

3.1 出臺有關新型施工裝備示范應用的政策文件

建議由國家發展和改革委員會、工業和信息化部、住房和城鄉建設部等牽頭聯合相關部委，出臺有關隧道和地下工程新型施工裝備示范應用的政策文件，修訂設計、施工、驗收規范；在國家重大基礎工程建設項目中，設置一定比例的裝備創新、工法創新應用指標，打開新型隧道施工裝備、工法的示范應用通道，提高企業創新積極性。

3.2 合理開發利用地下空間，發展綠色施工助力“雙碳”行動

合理開發利用地下空間，將可以轉入地下的設施盡可能建于地下，實現節地要求；開展地熱能源研究與開發利用，積極開發淺中層溫泉地熱能和深層干熱巖地熱能，發展地熱利用技術；大力發展綠色施工技術，在工程建造過程中最大限度地節約資源和保護環境，以綠色發展為主線，全面深入地推動綠色施工技術、裝配式建筑的實踐，推動示范工程，促進產業發展，為碳中和目標做出貢獻。

3.3 開發盾構裝備設計制造和施工的智能化技術

隨著隧道和地下工程向“深、長、大”方向發展，整個裝備的設計制造和操控變得越來越龐大和復雜，單純依靠人的決策難以做到安全、可靠和經濟，需要集成當代人工智能和感知等多學科先進技術，開發更加安全、高效的智能隧道掘進裝備。關鍵技術包括： 多信息融合的掘進狀態感知與掘進性能量化評價、掘進歷史數據挖掘與分析、基于人工智能的掘進參數自學習與決策、掘進參數自適應動態調控、掘進機多系統協調控制與決策優化等。

3.4 開發復雜地質環境隧道施工新工法和新裝備

隨著超級工程所規劃的山嶺和海底隧道長度及斷面的增大，地質條件不可避免地會呈現多樣化和復雜化，單一的開挖面平衡及隧道壁支護方式難以適應，給施工安全、進度和工程成本等都帶來極大的挑戰。需要集成高強材料和結構設計等多學科先進技術開發地質適應性更強的多功能、多模式全斷面隧道掘進裝備，其關鍵技術包括： 多模式護盾結構設計及切換控制技術、多模式開挖面壓力平衡及其控制技術、高強度隧道壁支護結構設計及其拼裝技術、非圓斷面TBM技術、廣譜渣土改性技術，盾構法施工大跨度、多層地鐵車站和地下停車場技術等。

3.5 開發極端工況條件下的隧道施工新型裝備

現有盾構和TBM技術可以順利在軟土地層或一般的巖層中掘進，但在穿越海底溝谷、風化深槽、活動斷裂帶、強地震帶和生態敏感區時，極易造成重大災難；在遭遇特硬巖、高地溫、強蝕變、大變形、有害氣體、高放射性等極端工況時，掘進機常常被困。未來的瓊州海峽、臺灣海峽、渤海海峽都面臨極具難度的隧道工程建設，需要開發極端工況條件下的新型隧道施工裝備技術，其關鍵技術包括： 針對特硬巖的新型破巖技術，針對超高水壓(>2 MPa)的盾尾及主驅動密封技術，高強度、高韌性、耐腐蝕隧道支護陶瓷材料，超大斷面(刀盤直徑大于15 m)隧道及時支護技術，異形硬巖掘進機，新型開挖面實時穩定、結構防滲技術等。

3.6 加快城市地下工程關鍵核心技術和重大裝備攻關

瞄準我國城市地下空間開發利用施工難點，應對淺埋、富水、不良地質等重大挑戰，面向信息化、綜合化、綠色化和分層化的發展要求，識別城市地下空間開發利用和工程裝備的核心基礎技術和重點短板技術，構建地下空間開發利用技術體系，優化工程裝備產業布局，并納入國家重大研發計劃和裝備制造業專項中。

4 結語

近年來，我國隧道建設和地下空間開發在數量、質量方面都得到了快速發展，為該領域提供了足夠的實踐案例和數據支持。如火如荼的“新基建”給隧道建設和地下空間開發帶來新的機遇，新理念、新技術、新工藝不斷涌現，5G、大數據、人工智能等技術快速發展，新一輪隧道建設和地下空間開發革命即將到來。本文提出了未來我國隧道和地下工程施工技術與裝備發展方向及相關建議，以推進該領域技術創新，支撐我國重大工程建設。