截止2021年底中國鐵路盾構及TBM隧道統計與分析

鞏江峰，王 偉，周俊超

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 中國鐵路盾構隧道概況

我國1953年東北阜新煤礦首次開發與應用盾構，與國外相比晚了128年。直到2007年廣深港鐵路獅子洋隧道第一次采用盾構法施工[1-2]，隨后除2011年外每年均有鐵路隧道采用盾構法施工，并且盾構的應用數量在不斷攀升。截止2021年底，已運營及在建的鐵路盾構隧道達到31座，總長303 km，各年開工的盾構隧道數量統計如圖1所示。

圖1 鐵路盾構隧道年度數量統計(單位：座)

對歷年來已實施的盾構掘進進度進行統計，平均進度為168 m/月，最高進度為560 m/月，為溫州市域鐵路S2線甌江隧道(盾構外徑14.5 m)。不同管片外徑的盾構對應平均進度及最高進度如圖2所示。

圖2 不同外徑的鐵路盾構隧道掘進進度統計

1.1 運營鐵路盾構隧道概況

截止2021年底，14個已運營鐵路項目中的19座隧道采用了盾構法施工，隧道總長141 km，設計速度目標值涵蓋100～350 km/h各個標準，其中占比最大的為120 km/h，達到32%，共6座，見表1。

表1 已運營的鐵路盾構隧道統計

其中長度10 km以上的特長隧道5座，長度共計67 km；直徑10 m以上的大盾構隧道共計10座，長度共計60 km；最大直徑盾構管片外徑12.8 m，為廣深港高鐵益田路隧道[3]。

1.2 在建鐵路盾構隧道概況

截止2021年底，16個在建鐵路項目中的17座隧道采用了盾構法施工，隧道總長234 km，設計速度目標值涵蓋120～350 km/h各個標準，其中占比最大的為160 km/h，達到47%，共8座，見表2。

表2 在建鐵路盾構隧道統計

其中10 km以上的特長隧道10座，長度共計192 km；直徑10 m以上的大盾構隧道共計10座，長度共計130 km；最大直徑盾構管片外徑14.5 m，為溫州市域鐵路S2線甌江隧道[4]。

1.3 鐵路盾構隧道規劃建設情況

截止2021年底，27個規劃鐵路項目中的40座隧道擬采用盾構法施工，隧道總長387 km，設計速度目標值涵蓋80～350 km/h各個標準，其中占比最大的為200 km/h，達到30%，共12座，見表3。

表3 規劃鐵路盾構隧道統計

長度10 km以上的特長隧道16座，共計266 km；直徑10 m以上的大盾構隧道共計38座，長度共計358 km，最大直徑盾構管片外徑14.8 m，為滬蓉高鐵滬寧合段崇太長江隧道[5]。

2 鐵路TBM隧道概況

我國1966年在云南下關西洱河水電站開始開發并應用TBM施工[6]，與國外相比晚了近120年，直到1998年1月19日，我國鐵路首次采用TBM在西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道正式開始掘進[7]。近40 年來，中國采用TBM修建隧道數量逐步攀升。

截止2021年底，已運營和在建采用TBM施工的鐵路項目共計6個，隧道共計11座(含平導1座)，隧道合計長度283 km，采用TBM法施工段落長度共計245 km，均采用了敞開式TBM施工，刀盤直徑最大為西秦嶺隧道的10.2 m[8]。規劃的深江鐵路深莞隧道(西段)擬推薦采用單護盾TBM施工，刀盤外徑約13.2 m(盾構外徑12.8 m)，為首個國內鐵路單洞雙線TBM隧道。部分TBM隧道統計見表4。

表4 TBM法施工鐵路隧道不完全統計

根據已施工鐵路隧道統計，單臺TBM連續掘進的最長距離為14.9 km，最高月掘進速度為773 m。在建鐵路項目中設計單臺TBM連續掘進的最長距離為17 042 m，平均月進度約300 m。

3 中國盾構及TBM隧道的發展與展望

3.1 鐵路盾構及TBM隧道的發展概況

近40 年的發展成就表明，中國鐵路隧道的數量和長度已占據世界鐵路隧道之首[9-12]，所處的地形地質、地域環境等也是世界上最復雜的，隧道工程類型、標準和功能涵蓋齊全，技術成就斐然。

在鐵路隧道領域，2007年廣深港鐵路獅子洋隧道采用4臺直徑11.18 m泥水盾構施工，克服了高水壓、地質環境復雜等技術難題。盾構法對地層的適應性較強，盾構法在城市鐵路隧道、水下鐵路隧道修建中，其安全性、經濟性優勢明顯。西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道首次采用TBM和整塊預制仰拱技術，自秦嶺隧道TBM開工以來，逐步構建并完善了中國TBM 設計制造和設計施工的技術理論體系，為實現TBM自主設計、制造奠定了技術基礎。

在水利、城市軌道交通、公路及市政道路等領域，盾構法及TBM隧道均有較為廣泛的應用，各領域均具有各自應用特點。水利行業對部分長大輸水隧洞采用TBM法施工，TBM直徑一般為4～8 m，國內最大直徑TBM隧道為錦屏輸水隧洞，直徑為12.4 m，施工區段一般在10 km以上[13]；城市軌道交通領域區間隧道施工大部分采用盾構法施工，其斷面直徑一般為6 m左右，區間長度1 km左右，相比于鐵路盾構隧道其斷面相對較小，單區間連續掘進長度較短，大部分采用雙洞小盾構鋪設；公路及市政隧道部分跨江跨河、穿越敏感環境位置采用盾構法施工，雙車道盾構隧道直徑一般為11 m左右，三車道盾構直徑一般為14 m左右，現階段部分雙層四車道盾構隧道直徑達到15 m以上，區間長度在2～5 km，穿越地層以土層居多，其斷面相對較大，區間較短。

3.2 盾構隧道技術挑戰及展望

在盾構法隧道方面，我國現階段突破了直徑15 m以上的盾構機制造與應用技術，在大斷面軟硬不均地層、花崗巖球狀風化地層、大卵石地層等情況有了工程實踐，應用了限排減壓換刀、盾構地中對接及盾構常壓換刀等技術。目前在后續盾構技術發展中仍需在以下方面進一步研究。

(1)大埋深高水壓隧道。英法海峽隧道位于海平面以下100 m，佛莞城際鐵路獅子洋隧道最低深度位于水面以下78 m，后續在瓊州海峽[14]、臺灣海峽隧道等跨海隧道研究中，需著力解決在大埋深高水壓情況下施工風險及結構安全問題。

(2)長距離、不均一地層掘進。現階段由于地表建(構)筑物環境或水域影響，盾構長距離掘進情況增多，在不均一地層掘進常出現沉降過大影響地表敏感建(構)筑物問題，同時面對刀具設備磨損、掘進效率及設備穩定性等難題，需在設備制造及施工管理方面進行研究。

(3)多功能雙模式盾構。盾構掘進面對地層的多樣性引起對多模式盾構的需求，需能應對各種地質風險，具有高適應性并兼顧局部特殊性，如土壓TBM雙模盾構、泥水TBM雙模盾構，既具有巖石條件下快速掘進功能，又具有軟弱地層時平衡開挖面功能，使盾構技術與TBM 技術相互滲透、融合。

(4)數字化、智能化控制[15-16]。根據國內盾構控制技術的研究現狀及其集成化、自動化和系統化的發展趨勢，后續可研究盾構的智能化、數字化控制技術，研究盾構地質適應性自動掘進技術，研究采用極簡控制理念的盾構一鍵操作系統。

3.3 TBM隧道技術挑戰及展望

我國自1964 年開始TBM 設備的研發和施工，半個多世紀以來，TBM 發展分自力更生、國外承包、國外引進、自主施工聯合生產與研發創新4個階段。20世紀90年代，針對不良地質隧道，在設計、施工、防災減災、信息化、機械化方面技術進步顯著。21世紀以來，在刀盤刀具高效設計、擴挖設計、隱藏式超前鉆機設計、集成式支護系統設計、超前地質預報技術等方面取得了長足發展。目前正在施工和計劃投入施工的TBM數量達60臺(套)，計劃掘進長度近800 km。但現階段仍需在以下兩方面進一步研究。

(1)斷層破碎帶及節理密集破碎帶TBM施工。通過斷層破碎帶或火成巖蝕變帶時，敞開式TBM容易卡刀盤，同時掘進效率大大降低。采用護盾式TBM仍有卡機風險，可能出現掌子面坍塌、護盾尾部大量掉渣，特別是破碎富水洞段，渣土呈泥石流狀涌出，發生卡刀盤、卡盾體現象導致TBM難以穿越。對該地層施工需提高刀盤扭矩、減少刀盤暴露及盾體長度，后續研發護盾式TBM具有盾體可伸縮功能，研發敞開式TBM具備超前加固地層輔助推進及管片拼裝功能，加強斷層破碎帶適應性。

(2)極硬巖TBM施工。極硬巖地層TBM施工存在刀盤貫入度低導致掘進速度極低、刀具磨耗增加導致施工成本增加、換刀次數增多導致掘進作業利用率大幅下降、刀盤磨損壽命、開裂、變形風險加大等問題。后續需通過優化掘進參數、刀間距、刀盤結構、刀座結構、采用新型耐磨材料等，其次加強現場刀具檢測與管理，來降低刀盤刀具磨損、增加刀盤刀具壽命。通過對刀具技術攻關，開發使用韌性高、磨損性更好的大直徑盤形滾刀或新型刀具。

4 結語

我國隧道建設快速發展的同時，人力資源及成本問題逐漸凸顯。農民工是我國隧道建設行業從事一線操作的主要力量，隨著經濟的發展國內新增勞動力人口數量在不斷減少，鐵路一線工地產生“用工荒、高工資”的問題。究其原因，主要是由于隧道行業洞內施工工作環境惡劣、生活條件艱苦，同時新一代農民工大軍選擇從事隧道施工較少。用工荒和人工價格的上漲是一個新型勞工社會的轉型和升級問題，面對這一問題，通過盾構及TBM法施工降低人員勞動強度、提高隧道開挖質量及開挖效率，提高作業安全性、改善人員作業環境，最終緩解人力資源不足的困境，促進產業升級才是長久之策。TBM及盾構法作為現代科技的產物，其發展日新月異，在我國必將有廣闊的應用前景。

說明：文中數據不包括中國香港、澳門特別行政區及中國臺灣的數據。