TBM掘进机施工技术的详细介绍

TBM掘进机施工技术的详细介绍

(2007-04-06 18:33:23)

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1.TBM掘进机施工环节

TBM是英文“Tunnel Boring Machine”的缩写，中文意思是隧洞掘进机。它具有快速、安全、高效的显著特点。掘进机在我国甘肃引大入秦和山西万家寨引黄入晋等隧洞工程中相继应用，获得了很大效益。掘进机虽然技术先进，但是，只有完全掌握这项技术，对隧洞施工全过程中的每一个环节进行严格把关，才能真正保证掘进机隧洞施工质量。

1.1地质勘察

地质条件是影响掘进机隧洞施工质量的重要因素，也是掘进机选型的重要依据。地质勘察成果资料要求全面、真实、准确。

1.2掘进机选型

根据支护形式分为三种机型，分别适用于不同的地质条件。①敞开式，常用于纯质岩。

②双护盾，常用于混合地层。③单护盾，常用于劣质地层及地下水位较高的地层。根据刀盘直径大小分为13种机械：2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m。

在掘进机上安装一些特殊设备，可以避免和消除地质条件变化对隧洞施工质量的影响。如采用超前探钻、环形管片安装器、岩石锚固装置及易爆气体检测装置等。

1.3掘进机工作人员

掘进机工作人员的素质和技术水平直接影响着隧洞施工质量，只有高素质和高水平的工作人员才能保证高质量的隧洞施工。

1.4掘进机检修和维护

加强掘进机检修和维护，保证掘进机良好运行。这对保证施工质量和延长掘进机寿命非常重要。①边刀即位于刀盘周边的刀具，隧洞洞径由边刀尺寸决定。在掘进过程中刀具磨损特别是边刀磨损非常严重，因此加强刀具磨损检查和更换新刀具对于保证洞径非常重要。为了延长刀具使用寿命，磨损的边刀也可以用作面刀即位于刀盘面部的刀具再次使用，一般边刀最大允许磨损量约等于面刀最大允许磨损量的1/2。当边刀达到其磨损极限时，应更换新刀具。②主轴承，即与刀盘连接并驱动刀盘旋转的大型轴承，掘进机总进尺主要由主轴承使

用寿命决定。在掘进机检修期间，损坏的主轴承由于受到隧洞狭小空间的限制，难以拆除和更新安装，因此根据隧洞长度选用主轴承型号，加强对主轴承维护。③激光导向仪，隧洞轴线主要由激光导向仪控制，为此应加强仪器检查和校核，保证仪器精度和洞轴线在允许偏差范围之内。

1.5预制管片制作和安装

1 预制管片制作

①采用先进的生产工艺。②加强预制管片原材料、每一道工序及成品质量检验。③加强预制管片生产模具质量检验，保证模具不变形、不扭曲。

2 预制管片安装

①采用先进的安装工艺。②采用环形管片安装器安装管片。顺序：先安装底部，后安装两侧，最后安装顶部。③管片安装时要采取保护措施，保证管片不被挤裂、棱角不受损坏。

④管片安装要做到定位准确及管片间接缝严密。

1.6隧洞施工质量监督

1 隧洞施工质量监督贯穿于隧洞施工全过程，对保证隧洞施工质量和消除质量隐患起非常重要的作用。

2 隧洞施工质量重点检查内容：①隧洞直径、轴线、坡度、进尺等重要指标②掘进机性能和运行状况；③预制管片制作和安装质量。

摘自《提高TBM掘进机施工质量的几个环节（卜武华）》

2.TBM掘进机生产厂家

杭州大力机械技术工程有限公司：全断面硬岩掘进机主要用于我国水电水利引输水隧洞的快速开挖，还可用于铁道、交通、地铁、市政等工程建设。与钻爆法相比，掘进施工具有高速、优质、安全、经济四大优点，是当今隧道开挖中首选方法。由我公司研制成功我国第一台SJ34掘进机，曾获1978年国家重大科技成果奖。我公司还研制了SJ40/45、SJ58等掘进机用于福建、贵州、河北等水电工地。我公司还参与了美国Robbins公司φ10.8m、φ4.9m 掘进机，德国Wirth公司φ8.8m 掘进机的制造安装工作，与他们建立了良好的合作关系。

由中国第二重型机械集团公司和美国Robbins公司合作的新一代?3.65m双护盾掘进机在四川德阳二重集团公司内制造完工，于2003年2月26日举行了现场演示会。中国岩石力学与工程学会理事长钱七虎院士、顾问傅冰骏研究员、中国重型机械协会汪建业理事长、四川省的有关领导和有关隧道设计、施工、高校等单位参加了演示会。该掘进机的研制成功是我

国重大装备制造业取得的一项重要成果。

这台?3.65m双护盾掘进机为新一代全断面掘进机，是集机械、电气、液压、自动控制于一体的用于地下隧道工程开挖的智能化大型成套施工设备，用于昆明掌鸠河一22km长的引水隧洞施工。该机额定推力为7000KN，最大推力为10000KN，刀盘额定功率5×260KN，力矩为1000KN"m，转速为6/12r/min，换步行程为1.1m，主机长度为12m，整机总长度为178m。

由于该机直径小，所以拥有的内部空间也小，在设计上采用了许多不同于常规的结构措施，如主推进缸一般是V形布置，直接可通过推进缸的不同伸缩调向，而该机只好采用直列布置，另加扭力臂和扭力缸来调向；该机根据轴向受力情况，主轴采用了非对称圆锥滚子轴承，最大限度地发挥了轴承的能力。该机为适应西南地区地质不确定性大，破碎地带会较多等特点，采取了许多特殊的设计，如脱困力矩和脱困难推进力都特大，用于脱困的辅助推进缸的液压系统压力最高可达50Mpa，这些充分体现了新一代掘进机地质适应能力更强的特点。

通过此次合作，使二重集团公司掘进机技术水平得到了很大提高，在掘进机制造本土化道路上迈出了坚实的一步，为降低价格打下了基础。

3. TBM掘进机施工经验

3.1万家寨引黄工程

万家寨引黄工程采用了具有世界先进水平的TBM 岩石隧洞掘进机进行主隧道的开掘。用该机掘进，它的掘进速度，可达到人工钻爆掘进的数十倍。TBM掘进机现场组装。

3.2推广应用隧道掘进机，促进我国地下空间开发

一、国际发展态势

人口爆炸、土地退化、资源短缺、环境脆弱，当前人类赖以生存的地球表面已不堪重负。根据联合国粮农组织的报告，由于土地退化，如今全世界每年失去的耕地面积相当于爱尔兰国土。全球发展中国家每年有2000～3000万人离开农村到城市去，到2025年发展中国家城市人口增长将是1950年的16倍。由于人口增长太快，可利用的资源和能源日益短缺，环境急剧恶化，已使不少大城市变成“雾都”。在这种日趋严峻的情况下，世界各国除采取综合性的政治、经济措施外，都日益重视地下空间的开发利用。人们普遍认为：“19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是地下空间的世纪”。号召人们“往深处想”（Think Deep），把地下空间当成一种新型的国土资源，并在总体上称之为：“地下产业”（Underground Industry）。

地下产业的主要优点在于：

1．大量节约土地；

2．有利于环境保护；

3．有利于生态平衡；

4．节约能源；

5．抗震性能及防护性能好；

6．运行费用较低。

科学家预测，到21世纪末，将有1/3的人口穴居地下。

在岩土工程领域，随着地下电站，地下城市，地下铁道，海峡隧道，越江隧道，石油、天然气地下储存、运输，以及国防工程的发展，人们越来越多地把研究重点转向地下。

在地下空间的开发利用中，优先采用全断面隧道掘进机(TBM)进行快速施工已成为总的发展趋势。

不同于常规钻爆法(俗称“打眼放炮”)，近代掘进机技术的最大特点是广泛使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4—10倍。最佳日进尺可达150m。此外，还有优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护的优点。因此掘进机技术自50年代中期进行工业化生产以来，日益受到人们的重视，已广泛应用于各国的能源、交通、城建、国防等部门的地下工程建设。在一些发达国家，不少单位都明确规定，对于3km以上的隧道，必须用掘进机施工。

国际上近年来成功地使用掘进机开挖隧道的实例是英吉利海峡工程（English Channel Project）和日本东京湾高速公路工程。

英吉利海峡工程由三条平行排列的隧道组成，每条长约50.4km，海底掘进37.88km，地层为白垩纪泥灰岩。使用了11台掘进机，在三年内完成了任务。其中1台Robbins公司生产的φ=8.36m的掘进机，创造了当时最佳月成洞1719.1m的世界记录。

日本东京湾高速公路工程，跨越东京湾，把东京都与千页县连在一起。该工程包括两条长约10km的海底隧道，一座5km长的桥梁和两个人工岛，全长15.1km。海底隧道直径为13.9m。断面积约152m2，建于海面以下约20m深的软岩中，采用8台泥浆掘进机开挖，直径为14.14m。该工程已于1997年底完工。

在建的著名工程有：

1．南非莱索托（Lesotho Project）是当今在建规模最大的南水北调工程，包括总长约200km 的4条引水隧洞和2条输水隧洞，6座坝，2座电站等水工建筑物，工程自80年代末开始动

工，总工期计划为30多年。

2．瑞士Gotthard铁路隧道工程，全长57km，最大覆盖厚度为2500m，存在涌水、高温、高地应力等一系列复杂的地质问题。

3．法国里昂（Lyon）至意大利都灵(Turin)铁路隧道工程，全长54km，最大覆盖厚度超过2000m，地质情况与Gotthard隧道相似。

拟建的著名工程有：

1．直布罗陀海峡（Strait of Gibraltar）海底隧道工程。直布罗陀海峡是欧洲与非洲两大陆相距最近之处，是地中海通向大西洋的唯一天然航道。1997年西班牙和摩洛哥政府共同批准了海底隧道工程计划，并设立了专门机构从事勘测设计。隧道全长60km。

2．白令海峡（Strait of Bering）海底隧道工程，全长90km，把美洲的阿拉斯加和亚洲的西伯利亚连接起来，隧道将在地下60m深处开挖，预计耗资370亿美元。这一计划是由美国、俄罗斯和加拿大共同提出的。

随着科学技术的不断进步，掘进机的类型和使用范围也不断扩大。微型掘进机的直径一般为25～200cm，巨型的可达15m。从松散软土、淤泥，到极坚硬的岩石(抗压强度350～450 Mpa)都可应用。既能在岩石中掘进、又能在软土掘进的复合型掘进机也发展很快。由于掘进机有诸多优势，因此在国际上有“移动式掘进工厂”之称。近年来，掘进机向断面多样化，多工作面方向发展，如已研制成功矩形的、椭圆形的、双圆形的、三圆形的掘进机，在开挖地铁车站、铁路隧道、水工隧洞等地下工程中发挥了重要作用。

掘进机的不足之处，在于对地质条件的适应程度不如钻爆法。体积、重量太大，不够灵活机动。此外，对操作人员的素质要求较高，在短期内投资较大，也常常限制了它的推广应用。因此，目前不少国家采用因地制宜的办法，对隧道主体采用掘进机开挖，其余部分采用常规钻爆法；或先用掘进机挖导洞，然后再进行扩挖。

20世纪80年代以来，微型掘进机技术在一些发达国家普遍得到应用。用这种方法，不需对地表“开膛破肚”即可在地下，包括水下、桥下、建筑物下开挖、铺设、更换各种管道。由于许多国际大城市通过立法，不允许在市内采用明挖方法，进一步促进了微型掘进机技术的发展，已经形成一种新兴产业。

由于发展很快，国际上专门成立一个与微型隧道掘进紧密相关的国际非明挖技术学会（International Society for Trenchless Technology, ISTT），公开出版的刊物有《国际非明挖技术》（No-Dig International），《非明挖技术》(Trenchless Technology)及《非明挖工程》（No-Dig Engineering），定向钻探（Directional Drilling）等。

在微型隧道工程方面，日本、西欧及美国走在前列。最近日本开发了一种长距离及曲线掘进施工法（Long Distance and Curve Tunneling Method），简称LDC工法。开挖直径为600mm—2000mm。适用于软土、沙质土、砾质土、硬粘土及软岩。采用日本自动测量研究会（Automatic Survey Cooperated Development Association, ASCODE）研制的自动测量仪对掘进全过程进行控制，使整个操作完全自动化，每掘进100m，误差控制在20mm以内，隧道最小曲率半径可控制在10m～50m以内。

从总体上看，掘进机技术体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学、非线性科学等高新技术的综合和密集，反映了一个国家的综合国力和科技水平。

二、我国掘进机发展概况

我国在1964年经周恩来总理批准，在国家科委的领导下，成立了全断面隧道掘进机攻关小组，由原第一机械工业部沈鸿副部长任组长，开始研制岩石掘进机，在“靠山、隐蔽、分散”及“深挖洞”口号的推动下，大搞群众运动，制造出50多台掘进机，基本上没有发挥作用。20世纪80年代初，在国家科委领导下，成立了掘进机办公室，采取联合攻关的方式，制造出8台掘进机，先后在云南西洱河水电站、河北引滦入津水利工程、山西太原古交煤矿等得到应用。但与国际水平相比，差距甚大，主要表现在掘进速度上，国产掘进机的月平均进尺约为100 m左右，仅为国际水平的1/5～1/10。显示不出优越性。目前，我国研制的岩石掘进机，基本上处于闲置状态。

80年代后期，我国从美国Robbins公司引进二手货直径Φ＝10.8 m的掘进机，用于天生桥二级水电站的长隧洞开挖，效果不太理想。

90年代以来，在甘肃引大入秦水利工程，由国外承包商使用国外掘进机的成功实例，给我国带来巨大冲击。该工程30A隧洞全长11.65 km，开挖直径5.54 m。由意大利CMC公司使用Robbins双护盾掘进机开挖，仅用一年多时间就顺利完工。平均月进尺达1000 m，最高月进尺1500 m。此后，在引黄入晋水利工程，由意大利CMC，SELI等公司中标承建的总干线引水隧洞，采用国外掘进机开挖，也取得了显著的效益。1997年，引黄工程南干线由意大利CMC，IMPREGILO等公司承包，采用4台φ=4.88m的双护盾全断面掘进机施工。其中2台由上海隧道股份有限公司和Atlas Copco Robbins公司（ACR Inc.）合作制造。

1998年，铁道部秦岭Ⅰ号特长隧道(总长18.45 km)使用德国WIRTH公司生产的掘进机进行开挖，经过近20个月的不懈努力，克服种种困难，于1999年8月29日提前32天完成了开挖任务，创造了全国铁路隧道施工的最高记录。

适用于土层的掘进机，通称盾构机。我国的研制工作始于20世纪50年代中期。研制成

功后，曾小规模地应用于阜新煤矿疏水巷道及北京下水道的开挖。1966年上海隧道公司用Φ＝10m的盾构机成功地修建了黄浦江水底公路隧道。此后，该公司又生产了不同类型的盾构机近60台，用于上海、南京、宁波等城市地下工程建设。在上海地铁1号线(全长14 km)修建中，盾构机的设计，由上海隧道公司与法国FCB公司合作完成，其中采用了日本川琦重工的技术。施工用的7台盾构机中，1台由法国制造，6台由上海隧道公司与上海沪东造船厂制造。由于国产盾构机不能完全满足市场要求，我国在广州、北京地铁建设中还从国外引进了设备。

微型隧道掘进机的研制，在我国起步于20世纪90年代中期。起步晚、底子薄，无论在成套设备、还是在工程经验方面，距国际水平尚有较大的差距。1998年，全国共铺设管道34000 km，其中用非明挖技术铺设的约75 km，不到总量的0.2%。在管道修复方面，除对北京等少数城市的煤气管道用过少量非明挖技术外，几乎为零。

三、我国发展掘进机的主要困难

1.迄今为止，还有相当数量的人对长大隧道施工存在敬而远之的态度，在方案选择时，宁愿绕大圈子修盘山道，不愿裁弯取直修穿山道。此外，由于我国已往在使用岩石全断面掘进机过程中，没有达到预期目的，因此对掘进机，敢议者众，敢用者寡。实际上，采用掘进机的效益是非常明显的，以锦屏二级水电站长约20 km的引水隧洞为例，用常规钻爆法开挖需8年以上，假若采用掘进机，只需2年左右即可打通，而提前一年发电，即可创产值约10亿元。

2.我国在地下工程建设中虽然取得了长足进步，但直到现在为止，还没有出台一部关于掘进机方面的技术、经济法规，以致在工作中无法可依、无章可循，只能沿用传统的方法行事。

3.掘进机系统是基础技术与高新科技的汇集，既反映基础工业水平，又反映了信息、电子、材料、液压、激光、遥测、遥控、多媒体等高新技术水平。我国在高新技术的开发应用方面差距较大，产品质量达不到要求。

4.掘进机技术是一项复杂的系统工程，除掘进机本身以外，还有地质超前预报、后配套、围岩支护、通风、排水等其它系统。更重要的是，要有一支训练有素的施工队伍。我国在过去把精力主要集中在掘进机本身，忽视了其它系统。

5.在全国范围内、缺乏统一的规划和指导，未能切实有力地把力量组织起来，在掘进机技术上有所创新、有所突破，致使我国的掘进机形不成产业，无法在国际市场上占有一席之地。

四、我国发展掘进机的有利条件

1. 我国幅员辽阔，地质构造复杂，在地下空间开发中有极其广阔的市场。据不完全统计，近期每年有180 km的水工隧洞，40 km的采矿巷道，270 km的铁路隧道，30 km的地铁隧道，3.4万km的微型隧道需要开挖。在不远的将来，南水北调西线工程、琼州海峡隧道、台湾海峡隧道都会列入议事日程。在南水北调西线工程中，引水隧洞总长约750 km，其中最长的一条为158 km。凡此种种，都为发展我国掘进机产业提供了良好的机遇。据初步估计，今后10年中，我国约需各种掘进机180余台(微型机不在其内)。这个数字绝非冒进。试想国土面积不到我国1/100的韩国，在加速地下工程建设中，就从国外引进了36台掘进机。稍加对比，就一目了然。

2. 经过30多年的努力，我国已初步形成了一支掘进机科研、设计、制造、施工队伍。这是我国建立掘进机产业的基础。从长远的观点看，像我们这样一个发展中大国，不可能一直依靠国外的设备和人材来开发地下空间。我国必须发挥社会主义制度的优越性，建立自己的掘进机工业体系，不但可以满足工程上的迫切要求，而且可以大量节约外汇，并带动其它行业的发展。

五、对今后工作的意见和建议

1. 加强领导、统一规划、重新建立全国性的掘进机领导小组，集中力量、协同攻关、避免重复劳动，重复建设。

2. 将掘进机的研制和施工技术，列入国家重点科研规划，在资金上予以支持。

3. 充分汲取以往的教训，认真总结在引大入秦、引黄入晋、秦岭隧道、上海地铁等工程中的成功经验。在此基础上，加强信息交流和宣传工作。结合我国实际情况，编制出掘进机技术法规，使规划、设计、施工单位有章可循。

4. 为了尽快建立我国的掘进机产业体系，在自主开发的基础上，可适当引进国外的先进技术或设备，也可以考虑合作开发。

5. 借西部大开发的有利时机，选择个别工程，如四川锦屏水电站、南水北调西线隧道工程、北京市地铁工程的典型地段做试点，集中力量重点突破，为推广应用打下基础。

摘自（徐书林Geodata, S.p.A. 都灵10129 意大利，傅冰骏中国科学院地质与地球物理研究所北京 100101）

3.3硬岩掘进机在软岩隧道施工中的应用

德国WIRTH公司生产的TB880E型掘进机已成功地用于西康线秦岭I线隧道的施工中。由于该设备价值高达3亿多远人民币，为了充分发挥其作用，应当积极地探索其要软弱围岩地

质隧道中的应用，以提高设备利用率。

1、软弱围岩地带施工的特点

软弱围岩有云母石英片岩、蚀变闪长岩、闪长玢岩及断层破碎带。其中，秦岭隧道局部不良地段为蚀变闪长岩、闪长玢岩及断层破碎带；而磨沟岭隧道局部不良地质段为蚀变闪长岩、闪长玢岩及断层破碎带；而磨沟岭隧道整体则以围岩强度更低的云母石英片岩及断层破碎带为主。这类围岩尽管因强度低而对刀具的磨损较小，但其完整性差，断层节理裂隙发育、自稳性差，易产生塌方，从而加大了操作使用和施工的难度。如果掘进参数选择不当，会使坍塌程度加剧或造成掘进机损坏事故。大量的塌方也会影响掘进机的通过性能而无法正常掘进。同时，软弱围岩容易使掘进机的掘进姿态产生变动，掘进方向易产生偏差。

2、掘进参数的选择

（1）工作模式

TB880E掘进机有三种工作模式：自动推力控制、自动扭矩控制和手动控制。自动推力控制知用于均质硬岩，自动扭矩控制适用于均质软岩。而软弱围岩的不良地质情况较为复杂多变，且多为不均质围岩。所以手动控制尽管对操作人员的要求有所增加，但它能适应复杂多变的地质情况，有经验的操作人员可通过各种反馈信息判断出刀盘前方地质的最新状况，及时地调整掘进参数以适应多变的地质状况，这对没有进行过准确可靠的地质预测，或是地质预测有偏差时，其优点更为突出。

（2）胶带机的防滑与防断

刀盘前方的围岩若出现坍时，胶带机的负荷就很大，当负荷超过一定程度后会使胶带机打滑或停止运转，由于3#胶带机比1#、2#胶带机长得多，引现象更有可能发生。特别是在3#胶带机向溜碴槽传送时，因为是由水平输送变为斜坡输送，石碴过多会落入3#胶带机的内侧，有可能导致3#胶带机胶带撕裂或扯断的事故。这种现象在3#胶带机压力超过12Mpa 时就有可能发生。由于围岩的坍塌具有一定的突发性，胶带机的运行速度为2m/s，而主控室监视器对胶带机输送系统的观察仅限于1#、2#胶带机的交接部位和2#、3#胶带机的交接部位以及溜碴槽的卸碴情况，当了现胶带机有问题并作出反应时，胶带可能已经撕裂二三十米了，所以不应通过直接观察3#胶带机的压力来进行控制，否则将会滞后。而应在1#、3#胶带机的压力特别是1#胶带机的压力由12Mpa上升到14Mpa时，就降低推进速度；在1#胶带机的压力变动范围较大时，应停止推进甚至至退后，上旋转刀盘进行出碴，以确保胶带机的安全。

（3）刀盘转速的选择

刀盘有两种驱动方式：电驱动和液压辅助驱动。电驱动有高低两种转速：5.4r/min和2.7r/min；液压辅助驱动转速则在0~1r/min范围内，可根据需要进行控制调节，用于刀盘脱困。

对掘进机本身而言，高速较为有利，这是因为：掘进速度=刀盘转速×贯入度。在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高速时的贯入度是低速时的一半，与贯入度成正比的刀盘扭矩、推进力相对较小；因此，主电机的工作电流和刀具的承载负荷也就相应地较小，在掘进机反馈参数信息允许的前提下可提高掘进速度。

但刀盘转速在高速时对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩失稳而坍塌，同时高速时出碴较快，会增大胶带机的工作负载。因此，在软弱围岩的地质情况下，刀盘转速主要选用低速。但为使掘进机充分地发挥效能，在条件允许的情况下还应尽量地选用高速，这应作为对刀盘推进力和出碴情况来进行判断。经验表时，在低速时，60%掘进速度的工况下，若推进力上升到10MN且出碴量稳定均匀时，可改用高速；而当高速时，60%掘进速度的工况下，推进力下降至5MN以下或出碴量不稳定时，则应改用低速。

在刀盘被卡或低速时因塌方出碴量仍然较大时，可选用液压辅助驱动，在0~1r/min的范围内调整其转速。

（4）刀盘推进力的选择

推进力在满负荷时为17.7MN，为保护刀具应将其控制在15MN以下，低速时，当推进力超过10MN时，则可选用高速。刀盘推进力一定时，推进缸的推进压力为一定值，故不作考虑。

（5）刀盘扭矩和主电机电流的选择

刀盘扭矩由主电机产生，应控制在80%以下。主电机最大允许电流为410A，故主电机工作电流应控制在320A以下。

（6）撑靴压力的控制

撑靴为刀盘提供支撑力。撑靴压力越高，摩擦力越大，支撑越稳固。但在软弱围岩状态下，如果撑靴压力过高，会将围岩撑垮而造成支撑不良，故撑靴压力受围岩条伯的限制，但同时软弱围岩对刀盘产生的反作用力（即刀盘推力）也不会太大，也就是说所需的撑靴压力不必太高，一般选用20-22 MPa即可。如果撑靴部位条件不好，8对撑靴无法全部撑出，这时，不能盲目地提高撑靴压力。如此时刀盘推力较大，可通过降低掘进速度来减少推力，使之不会出现因超过撑靴提供的支撑反力而造成撑靴打滑。

（7）掘进方向的控制

由于软弱围岩为刀盘护盾及撑靴提供的支撑反力较小，掘进过程中掘进机的姿态容易发生变动，其方向控制与硬岩隧道施工时相比容易产生偏差，可通过下面的方法来进行控制：首选，应避免撑靴打滑，由于软弱围岩为撑靴提供的支撑反力本身就不大，撑靴打滑更会使开势恶化，大幅度的方向变化往往是由于撑靴打滑引起的，所以应绝对避免撑靴打滑。当撑靴位置的条件允许时，可提高撑靴压力来提高摩擦力；当撑靴位置的条件不允许时，可通过降低掘旱灾速度来控制（在前面已经提到）；另外，对因撑靴位置的围岩出现坍塌而使个别撑靴无法撑出时，应喷身和灌注混凝土，待混凝土凝固后再将撑靴撑出。

其次，由于刀盘区域由刀盘、主轴承、护盾和刀具以及液压组件所构成的自重可达数百吨，将使实际掘进方向比预测掘进方面有偏下的趋势，且围岩强度不同造成的方向偏差也不相同。对这种现象，我们采用称之为“预修正控制”的方法，即根据前几个掘进循环所表现出的偏差量来相应增大轴向仰角，使主机预先有一个向上掘进的趋势，来低消其自重所造成的方向偏差。

再者，与上述情况相似，掘进方向X轴（即左右方向）的偏差，往往是由于局部围岩强度较弱而造成的，我们仍然可以采用上述的“预修正控制法”，调整相应的导向角来加以控制，这里不同赘述。

需要指出的是，为避免围岩对刀具的损伤，掘进机的调向每次不可过大，轴向仰角或导向角每次调整量不应超过3°；尽管软习围岩整体强度较弱，但由于掌子面石质往往为不均质的，局部仍有硬岩，故除非特殊情况每次调整量不宜超过3°，在需要作较大调整时，可分数个循环分次加以调整。

实践证明，只要能依照上述的原则和方法来加以控制和调整，就可以很好的控制掘进方向。

4. TBM掘进机前景

4.1实现隧道掘进机本地化生产

据统计，在2001年至2020年间，我国将完成近6000公里隧道建设，平均每年290公里。使用隧道掘进机是实现以上的建设规划的最佳选择。（实现隧道掘进机本地化生产——中国工程院院士钱七虎等委员在全国政协会议上的提案）

4.3在隧道掘进机（TBM）专题研讨会上的讲话

TBM是先进的隧洞施工设备。TBM的发明和采用，极大地提高了生产力，使过去不能施工甚至难以想像的工程成为可能。我们今天的会议，是符合先进生产力发展要求这个大方向的。

建国以来，我国进行了规模空前的隧洞建设，覆盖水利、水电、铁道、公路、采掘、国防、建筑……各行各业。有的隧道工程的长度和难度，在国际上也有位置。今后的任务更是史无前例和世无前例的。但至今极大多数都是用常规方式施工的，是比较落后、低效和不安全的。在新世纪中，要逐步让位于更先进的生产方式，这就是由很少人操作的先进的TBM，长大隧洞尤其如此。我大胆预测将来更会发展到全部由机器人操作、在洞外遥控、遥测的智能化TBM。不仅能施工圆洞，还能施工更复杂的洞形状。过去我们TBM用得少，不是不想用，而是没有条件。如果现在不采取积极主动措施，我们将永远落后，并大大影响和推迟西部大开发的战略实施。

所以我们必须行动起来，坦率地承认自己的不足与落后，诚恳地向先进国家学习，积极地开展合作，调查弄清我们的缺点和问题是什么，一个一个加以改进和解决，一步一个脚印前进，既不能急燥，更不能无所作为。

翻开历史，我国从开始搞TBM至今，也有35年历史了。有许多单位和同志作过努力，奋斗终生，也曾为领导所关心支持。我们也取得过一些成果和经验，包括与外国合作的好例子，但远远不能满足要求。我认为这里有三方面的因素。

一是，我国科技水平总的较低。TBM是先进设备，集许多高科技于一身，我们在材料、工艺、设计……各方面都有差距，积极引进加强合作，可以加快我们前进的速度。

二是，决策不定，体制不顺。对TBM的应用前景、我们要不要发展TBM有不同认识。应如何集中力量，形成拳头也无措施。往往各自为战，一个工程引进一批设备，完工后也就成为废品，力量也散了，缺乏一个有权威的领导组把有关的单位、专家、投入、设备等集中起来，有机、有序地工作。

第三，缺乏市场意识，单纯依托行政解决问题，仅依靠一个单位，一个工程，很难承担引进、试制、实践的巨大投入和风险的，依靠国家的科研经费更是不足的。

所以，要使TBM技术在我国取得发展，既不能闭门造车，也不能只靠购进，既不能只靠行政命令，也不能全靠市场行为，需要把两都结合进来。

结合是有可能的。在新世纪中，我国有大量隧洞工程要做，许多工程的长度、难度是空前的，非用TBM不可。即，我们有宽阔的市场，可以吸引国内外的专家和企业，需要做的是推动这一进程。

为此，利用今天的良好机会，我特别的请水利部黄委会设计院的同志，在会上简单介绍一下南水北调西线工程的情况。可以看出西线工程不是遥遥无期，不是高不可及，尤其是第一期工程，完全是我国国力和科技水平所及。主要是需要忙掌握TBM技术，取得大量TBM

设备。中国类似工程需求很多，我真诚希望，能联合起来努力使TBM技术成为科技界和企业界合作的一座桥梁，为彼此的团结合作作出贡献。

推广应用隧道掘进机，促进我国地下空间开发。

摘自（中国岩石力学与工程学会名誉理事长中国工程院副院长、两院院士潘家铮教授）4.4大力开发我国自己的隧道掘进机产业

土地退化、人口爆炸、资源短缺、环境脆弱，当前人类赖以生存的地球表面已不堪重负。在这种情况下，世界各国日益重视地下空间的开发利用，把地下空间当成一种新的国土资源，并称之为“地下产业”。人们普遍认为：19世纪是桥梁的世纪、20世纪是高层建筑的世纪、21世纪则是开发地下空间的世纪。

在地下空间的开发利用中，各国竞相修建长大隧道。在修建过程中，优先采用隧道掘进机（TBM）进行快速开挖已成为总的发展趋势。

近代掘进机技术的最大特点是广泛使用电子、信息等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。其掘进速度一般为常规钻爆法的4～10倍，最佳日进尺可达150m。除速度快以外，还有优质、安全、经济，有利于环境保护和劳动力保护的优点。微型掘进机的直径一般为25～200cm，巨型的可达15m。从松散软土—采用土压平衡技术（EPB，Earth pressure balanced technique）或泥浆技术（Slurry technique）到极坚硬岩石（单轴抗压强度为280～350MPa）都可应用。因此，国际上有“移动式掘进工厂”之称。在国外，使用掘进机建成的工程有英吉利海峡隧道（共3条，总长156km）、日本东京湾海底公路隧道（共2条，总长20km），在建的有瑞士Gotthard铁路隧道（总长57km）、南非Lesotho引水隧道（总长200余km）等。拟建的有直布罗陀海峡隧道，白令海峡隧道等。近年来，掘进机向大直径、大埋深、不定形断面、多工作面方向发展，不仅适用于长大隧道，而且可用于大型地铁车站，水工压力斜井的开挖。

掘进机的不足处，在于对地质条件的适应程度不如钻爆法。一般应根据不同的水文地质、工程地质、岩体力学条件来研制、使用不同类型的掘进机，此外，一次性投资较大，对工作人员的素质要求较高，在使用过程中，不够灵活机动：如轴承太大，机身太重，只能在有限范围内变换刀盘以适应不同的洞径。但总的看来，在长大隧洞开挖中，优先采用掘进机，已成为国际发展趋势。

一般说来，当隧道长度大于6km，或隧道长度与直径之比大于600时，宜首先采用掘进机方案，但近年来，这一传统观念已被工程实践所突破。例如，在西欧发达国家有不少3km 左右的隧道已采用掘进机开挖。再如，我国香港地区的葵青隧道（连接九龙半岛及新界西铁

工程中的一部分）全长只有1.8km，同样采用掘进机开挖。该隧道穿越一段坚硬岩层和一段旧填海区的软土，开挖直径8.75m，衬砌后直径7.62m。原计划采用传统的钻爆法及明挖回填方案，经过全面的技术、经济比较之后，最终采用混合式隧道掘进机(Mixed TBM)方案，成功地完成了开挖支护任务。

近年来，微型隧道工程及与之有关的非明挖技术（TT, Trenchless Technology）发展极为迅速。所谓非明挖技术主要是采用微型全断面隧道掘进机（Micro-TBM）来代替传统的明挖方法（俗称对地表“开膛破肚”）在地下直接进行开挖、辅设或修复、更换管道的一种先进施工方法。该方法的显著特点是可以在闹市区或对环境要求极为严格的地区，如高层建筑物下，名胜古迹下，高速公路、高速铁路下，机场跑道下，河道下铺设管道。一般情况下，每班进尺10-30m，能够适用各种地质条件。迄今为止，国际上采用这种技术修建的管道在10,000km以上。由于发展迅速，在全球范围内成立了国际非明挖技术学会（ISTT, International Society for Trenchless Technology），与国际隧道学会（ITA, International Tunneling Association）平行，同为国际一级学会。由于许多国际大城市通过立法，不允许在市区采用明挖方法，进一步促进了非明挖技术的发展，微型隧道工程已经形成了一种蓬勃发展的新兴产业。在我国，近年来微型隧道掘进机的发展也很迅速，1998年成了中国非开挖技术学会(CSTT, Chinese Society for Trenchless Technology)。嗣后，正式出版学术刊物《非开挖工程》，进一步促进了微型隧道工程的开发。但从总体上看，尚处于初期阶段，目前大多数工程采用的仍是劳动密集型的明挖方法。

在微型隧道工程方面，有两个值得进一步讨论的问题：

1．命名：国际上通用的Trenchless Technology 或No-Dig宜译为“非明挖技术”或暗挖技术。国内现译为“非开挖技术”不尽合理，因为使用这种技术时，并非不开挖，而是用地下暗挖的方法来代替地表明挖方法。

2．适用范围：非明挖技术是与微型隧道工程紧密相关的。微型隧道的最大直径一般控制在2m左右，国际非明挖技术学会制定的“非明挖技术简介”认为微型隧道工程的直径一般小于1000mm。令人遗憾的是，迄今为止，我国某些文献，仍将直径大于6m的隧道（如北京地铁5号线直径=6.19m 的隧道工程）列入与非明挖技术有关的微型隧道工程，这种提法不但与国际不接轨，而且会将读者带入误区。

掘进机的研制和使用，反映了一个国家的综合国力和科技水平，它体现了计算机、新材料、自动化、信息化、多媒体、工业管理等高新技术的综合和密集。

我国于1964年经周总理批准在国家科委领导下，成立了掘进机攻关小组，取得一定的成

果，但在高新技术的应用方面尚存在较大的差距。近年来，在引大入秦，秦岭隧道及引黄入晋工程中应用的绝大部分是国外的掘进机。今后，我国将面临一系列举世瞩目的地下工程建设，如南水北调西线第一期工程输水线路总长260.3km，其中隧洞长244.1km，最大埋深1150m，沿线海拔高度3400—4800m，存在高寒缺氧，高地应力，高地温，多地震，多断层等一系列问题。拟建的锦屏二级水电站，引水隧洞总长约20km，最大埋深2600m，比穿越阿尔卑斯山的勃朗峰（Mont Blanc）隧道埋深还要多100m，开挖中遇到的困难也是不言而喻的。在上述情况下，采用隧道掘进机进行快速开挖支护将是最优选择。在建的西气东输管道工程西起新疆轮台县南部（简称轮南），东至上海，长约4200km，管线之长，管径之大，在我国管道建设史中未有先例，其中不少地段可选择非明挖技术进行铺设。建议充分利用这一难得的机遇，及时采取有力措施，早日建成我国自己的掘进机产业体系。

在建立我国隧道掘进机产业体系方面，近来已有不少专家提出了许多宝贵的意见和建议。针对当前存在的问题，笔者只想提出两点补充，向大家请教：

1.在开发过程中，没有必要采取“大而全”的方式，这种“万事不求人”的作法早已不适应国际形势的发展。国外某些著名掘进机制造厂家核心技术是自己的，其余则采众家所长，为我所用，因此没有必要铺“大摊子”。我国香港地区在修建九广铁路西铁工程隧道时，掘进机刀盘(Cutter head)为Robbins公司制造，电动机为法国ELIN公司产品，采用法国法马通（NFM，FRAMATOME）和日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)合作开发的技术，委托上海重型机器厂进行组装，这种优化组合的方法，很值得借鉴。

2．在我国掘进机产业开发中，人才培养至关重要。一些发达国家的高等院校，如美国卡罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines），瑞士苏黎世工业大学（ETH，Eidgenossische Technische Hochschule Zurich）等都设置有关TBM（包括微型TBM）的专业课程，并进行研究生培养。国际上一些著名的学术团体也常与高等院校、咨询公司、生产厂家联合开办有关TBM人才培养方面的进修班或研讨班，如意大利隧道与地下空间中心联合意大利都灵工业大学，Geodata咨询公司及制造厂家德国Herrenknecht，加拿大Lovat等开办TBM机械化施工进修班（Master Course in Environmental Engineering with specialization in Mechanized Tunnelling），已取得许多成功的经验。我国在这方面差距较大。建议采取有力措施迎头赶上。当务之急是首先在高等院校开设有关专业课程，为进一步发展奠定强有力的基础。

在这方面，我们需要的是博专结合，以博带专，一专多能的综合性人才，不可重蹈以往分工过细，各自为政的覆辙。