硬巖掘進機在中國的發(fā)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(fā)展。1884年，在英法海底隧道的修建過程中，首次使用了Bohmont設(shè)計的掘進機（Φ2.1 m）進行施工，由于技術(shù)不成熟，導(dǎo)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(yīng)用。19世紀末至20世紀初，TBM理論相繼傳入美、法、德等發(fā)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(yè)的懸臂式TBM，1956年，美國Robbins公司率先研發(fā)出用于硬巖掘進的全斷面掘進機，并于1963年研發(fā)出Φ11.2 m的世界首臺大直徑硬巖TBM；日本為發(fā)展本國的TBM技術(shù)，和Robbins公司進行合作，并于1973年生產(chǎn)出首臺國產(chǎn)TBM；此后，發(fā)達國家相繼建立起屬于本國的TBM企業(yè)。20世紀80年代，TBM生產(chǎn)企業(yè)較少，主要分布于美國（Robbins、Jarva）和德國（Wirth、Demag）。現(xiàn)今，除了老牌生產(chǎn)企業(yè)外，加拿大的Lovat、日本的Komatsu等新型企業(yè)也得到快速發(fā)展，逐漸成為生產(chǎn)TBM的一線品牌。目前，掘進機技術(shù)正向以下方向發(fā)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(shù)的發(fā)展源自20世紀50年代，經(jīng)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(chuàng)新性可言，主要依靠進口前蘇聯(lián)煤用TBM，并對其進行改造生產(chǎn)，例如，在前蘇聯(lián)JLK型TBM基礎(chǔ)上進行改造，生產(chǎn)出“開馬型”國產(chǎn)TBM。該階段末，依靠“引進吸收”模式，具備了批量生產(chǎn)中型TBM的技術(shù)。20世紀末進入第二階段，即采用“引進—消化—再創(chuàng)造”模式步入重型TBM的研發(fā)階段。例如，引進日系S200M型TBM后，研發(fā)出國產(chǎn)EBE160型TBM。相比于國外TBM生產(chǎn)企業(yè)，我國的TBM生成企業(yè)在技術(shù)、裝配方面均較為落后。

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

掘進機在中國的發(fā)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(fā)展歷程可以概括為：手掘式—網(wǎng)格式—超大網(wǎng)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(wǎng)格式TBM應(yīng)運而生。1965～1966年，國產(chǎn)網(wǎng)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(chǎn)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(yè)性試驗，為之后全斷面硬巖TBM工業(yè)性試驗開創(chuàng)了先河。

70年代中后期，TBM技術(shù)進入了工業(yè)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(yè)生產(chǎn)、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(chǎn)TBM在技術(shù)應(yīng)用、生產(chǎn)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(shù)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(xiàn)在兩方面，一方面是技術(shù)合作，另一方面是公司合營。截至2016年，國內(nèi)TBM生產(chǎn)廠家中，中外合資企業(yè)占據(jù)了很大一部分，且比例逐年上升。在技術(shù)合作方面：中國第二重型機械集團與Robbins公司合作生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備公司，共同致力于中國TBM技術(shù)的發(fā)展。20世紀50年代至今，TBM在中國的發(fā)展狀況如圖1所示。

硬巖掘進機在中國的發(fā)展現(xiàn)狀

在中國的研究現(xiàn)狀

截止2016年，針對TBM技術(shù)，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(yù)測研究、不連續(xù)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(chǎn)生裂縫并向四周延伸（圖2）。根據(jù)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(qū)（距離接觸部位較遠，變形較?。┖头菑椥詤^(qū)（粉碎核和彈性區(qū)的過渡區(qū)）。根據(jù)形狀，非彈性區(qū)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(qū)間內(nèi)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(shù)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(zhuǎn)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(fā)新的滾刀材料和優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)。優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)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(shù)。

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?，F(xiàn)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(yīng)力fN和切向力fR對滾刀的磨損有顯著的影響。endprint

根據(jù)上述破巖機理，結(jié)合滾刀的受力特征和運動學(xué)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(shù)據(jù)與工程測量數(shù)據(jù)或滾刀對磨試驗結(jié)果進行比較，便可確定刀盤磨損系數(shù)，而刀盤磨損系數(shù)是建立TBM滾刀預(yù)測模型最重要的參數(shù)。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(guān)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(zhì)合金制作傳統(tǒng)刀圈，從根本上提高刀圈壽命。

（2）刀圈結(jié)構(gòu)設(shè)計。對刀圈結(jié)構(gòu)進行因地制宜的設(shè)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(fā)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(fù)前后的刀具如圖5所示。

TBM 施工預(yù)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(fù)雜，不可能進行準確的施工計算。而且TBM本身機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工障礙較多，導(dǎo)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(yù)測難以順利進行。而正確的施工預(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計，促進TBM技術(shù)的發(fā)展。

TBM施工預(yù)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(fā)，結(jié)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(jié)合TBM現(xiàn)場施工時圍巖和刀盤的數(shù)據(jù)變化，對上述施工模型進行修正，優(yōu)化預(yù)測模型。該過程可以實現(xiàn)圍巖狀況與掘進參數(shù)的正確匹配，指導(dǎo)TBM掘進過程順利進行。

不連續(xù)巖體中的TBM掘進研究

軟硬巖交替出現(xiàn)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(fā)巖爆、卡機等現(xiàn)象。山嶺隧道中，軟硬巖交替出現(xiàn)的現(xiàn)象頻繁。現(xiàn)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(yīng)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(jié)合隧道掘進機對開挖面巖體作用力的分析方法，在BLKLAB應(yīng)用平臺中評價掘進開挖過程和開挖面巖體穩(wěn)定性可視化分析的可行性，如圖7所示。該方法實現(xiàn)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(xù)巖體奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用統(tǒng)計

分析評價

由表1可知：截至2016年，硬巖掘進機的應(yīng)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(chǎn)掘進機占有比例較少，表明中國正處于以市場換技術(shù)的狀態(tài)。究其根本原因，主要為技術(shù)落后、管理落后和制度落后。

（1）技術(shù)落后。中國掘進機行業(yè)雖然起步不晚，但對于液壓、電控等核心技術(shù)尚沒有完全掌握，在材料、液壓元件、結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)配技術(shù)、系統(tǒng)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(yè)企業(yè)的資質(zhì)審批過于簡單。目前有近30家企業(yè)已經(jīng)或準備進軍該行業(yè)，主要包括2類，一類來自于施工企業(yè)外延，另一類是裝備制造企業(yè)與外資的合資公司。這些企業(yè)都忽略了掘進機基礎(chǔ)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(tǒng)一管理，企業(yè)也無統(tǒng)一標準，僅于近幾年成立了掘進機械行業(yè)分會，隸屬于工程機械協(xié)會。僅僅這些與掘進機的發(fā)展創(chuàng)新相差甚遠，要想從根本上推動TBM在中國的發(fā)展，就必須從制度上建立起相應(yīng)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(yōu)點，當隧道長度大于3 km時，采用TBM施工更經(jīng)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(jù)統(tǒng)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(fā)展將是大勢所趨。為此，針對TBM在未來的發(fā)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(fā)展的關(guān)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(yīng)的解決方案，如圖10所示。

（2）施工預(yù)測模型的研究。預(yù)測模型主要用來預(yù)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(jīng)建立了不同施工預(yù)測模型，但是由于地質(zhì)差異和TBM多樣性，不同項目的預(yù)測模型不可能相同，因此，急需一套統(tǒng)一的建模方法和標準。使得不同項目的預(yù)測模型可以相互借鑒與參考，這樣將極大地節(jié)省建模的時間。

（3）功能復(fù)合。掘進機的功能復(fù)合主要指強適應(yīng)性、健全的配套系統(tǒng)、超前預(yù)報功能。

（4）高地應(yīng)力研究。高地應(yīng)力下的強巖爆現(xiàn)象使得掘進機受力復(fù)雜，工況突變?nèi)菀滓鹂C現(xiàn)象。中國是一個多山的國家，南水北調(diào)西線工程等將在高地應(yīng)力環(huán)境下進行掘進施工。因此，要發(fā)展適應(yīng)本國的掘進機，就必須加強對高地應(yīng)力問題的研究，主要包括高地應(yīng)力對滾刀破巖的影響、緊急情況施工預(yù)案和預(yù)測模型的研究。

（5）促進開敞式TBM的發(fā)展。近年來的研究成果和工程統(tǒng)計表明，由于護盾式TBM后盾較長，產(chǎn)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(jīng)取消應(yīng)用護盾式TBM，而開敞式TBM則避免了上述問題的出現(xiàn)。因此，發(fā)展開敞式TBM將是未來的 趨勢。endprint

（6）智能控制與系統(tǒng)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(lián)系的橋梁，將把施工人員從復(fù)雜的TBM操作中解脫出來。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，實現(xiàn)TBM智能控制指日可待。

可靠性低嚴重阻礙國產(chǎn)TBM的發(fā)展?？煽啃匝芯堪C用材料的可靠性研究、關(guān)鍵部件（如軸承、密封、機電、電氣元件、液壓系統(tǒng)）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(chǎn)品可靠性是急需解決的一大問題。

（7）再制造技術(shù)。TBM再制造技術(shù)即對破損的TBM進行修復(fù)，使其能繼續(xù)施工或?qū)⒘慵卫?。TBM再制造過程如圖12所示。

據(jù)統(tǒng)計，1976～2016年，國外生產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)費用高，產(chǎn)品再制造有很大的經(jīng)濟意義；另一方面，TBM為非標產(chǎn)品，零件再制造難度較大，因此TBM再制造技術(shù)面臨較大的困難。

發(fā)展TBM再制造技術(shù)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(shù)，無損清洗及表面修復(fù)技術(shù)，再制造標準化技術(shù)，以及相關(guān)的評價體系。

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

結(jié)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(diào)西線工程由于地處高寒、低壓、缺氧地區(qū)，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(shù)的發(fā)展提供了機遇。

掘進機在中國的發(fā)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(xié)同問題等，它們與掘進機技術(shù)在中國的發(fā)展密切相關(guān)。

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