1.3 TBM隧洞施工技术发展历史

1.3.1 国外TBM发展历史

早在15世纪，意大利著名科学家、艺术家、发明家莱昂纳多·达·芬奇就提出了隧洞掘进机（TBM）的概念，但限于当时技术条件的限制，TBM并没有真正被制造出来。到了19世纪以后随着工业革命的到来，机械、电子、电气、液压等技术的迅速发展，TBM设备制造所需要的技术得以积累，到20世纪中叶，实用化的TBM终于被研制出来。目前，随着世界范围内的隧洞与地下工程的大规模建设以及人力成本的提高、环境保护的加强、人员健康要求的提高等，TBM隧洞施工技术及TBM设备制造迎来了发展的高峰。

1846年，在意大利与法国之间的MONCENIS隧洞施工中，为加速隧洞施工，Henri-JosephMaus开始将一组机械岩钻安装在钻架台车上掘进。1851年，美国工程师Charles Wilson设计了世界上第一台可连续掘进的TBM。但由于设计存在难以克服的滚刀问题和其他种种困难，使其难以与当时刚诞生的钻爆法技术相竞争。在随后的30年中，各国工程师又设计试制了多台TBM，比较成功的是1884年博蒙特设计的TBM，并在英法海峡水底隧道掘进直径为2.1m的导坑，掘进长度近10km。

1956年，美国工程师James Robbins仿照100多年前Charles Wilson的设计，只采用滚刀，获得了成功。此后的30年间，TBM掘进技术得到了很大的推广，各制造商共研制了数百台TBM，掘进总长度超过5000km，从软岩到中硬岩，均取得了成功。在刀具和其他机械系统方面，也做了许多改进和发展，使TBM在硬岩中的掘进速度超过了钻爆法［22-24］。

国外近年来成功地使用TBM掘进机的著名实例有英吉利海峡隧道工程、瑞士费尔艾那铁路隧道、日本东京湾高速公路工程、荷兰生态绿心隧道及南非莱索托高原输水隧洞等，其中英吉利海峡隧道的成功修建在世界隧道建设史上具有里程碑意义，TBM在英吉利海峡隧道的应用获得了巨大的成功，为近20年来TBM施工技术的迅猛发展起到了巨大的推动作用。

（1）英吉利海峡隧道。英吉利海峡隧道［25，26］全长49.2km，其中海下部分37.0km，由三条平行的隧道组成，总长度约为150km。隧道围岩为蓝色白垩系沉积岩地层，此种岩层密实但强度不高，透水性差，是理想的TBM掘进地层，隧道地质状况十分稳定，断层、褶皱等地质构造不发育，地震活动少。英吉利海峡隧道施工中共使用11台不同类型的TBM，分别由罗宾斯、罗宾斯-川崎、三菱、豪登、豪登-马卡姆公司生产，服务隧道掘进机直径为5.38～5.77m，铁路隧道掘进机直径为8.36～8.72m。其中一台豪登-马卡姆掘进机在T9海底南运行隧道于1991年1月创造了1487m的最高月进尺记录。英吉利海峡隧道于1986年开工，1994年5月7日正式通车，历时8年多，是人类在工程技术领域中一项杰出的创举，在世界隧道建设史上具有里程碑意义。世界范围内TBM的大规模应用正是从英吉利海峡隧道的成功建设后开始的。

（2）南非莱索托水工隧洞。南非莱索托高原水利工程隧洞［25，26］总长约200km，包括4条引水隧洞和2条输水隧洞，调水流量为73m3/s。ⅠA期隧洞全长82km，开挖直径5.18～5.40m。前45km隧洞主要由莱索托地层玄武岩组成，岩块的单轴抗压强度为85~190MPa，局部分布有高度杏仁状的玄武岩破碎带（抗压强度40~80MPa），可能遇水膨胀，该段还分布有极为坚硬的玄武岩侵入体，其抗压强度可能高达300MPa。局部洞段最大埋深1200m，可能会遇到岩爆和高地温问题。输水隧洞南段长约15km，围岩为克莱伦斯地层块状砂岩，岩石的单轴抗压强度为20～180MPa，平均为50～120MPa，具有较高的RQD值。隧洞均可能出现有害气体甲烷，也可能出现高压地下水集中突出。ⅠB期隧洞总长为32km，开挖直径为5.18～5.40m。隧洞沿线主要分布莱索托/德拉根伯地层玄武熔岩，玄武岩侵入体较为常见，有时形成几乎垂直的岩墙，有时形成近水平的岩床。玄武岩岩块单轴抗压强度105～150MPa，坚硬岩墙或岩床侵入体岩块的单轴抗压强度可达300MPa，玄武岩遇空气、遇水均易崩解。

ⅠA期隧洞共使用了5台全断面TBM进行开挖，其中JARVA MK15-1680型1台，新组装的罗宾斯167-266及167-267各1台，重新检修的罗宾斯186-206型1台，Wirth公司TBM 1台，前4台为开敞式TBM，适用于较简单的地质条件，最后1台为双护盾式TBM，适用于较复杂的地质条件。JARVA MK15-1680型TBM：开挖工作于1992年5月11日开始，1994年9月23日结束，最高日进尺60.9m，最高周进尺289m，最高月进尺987m，平均日进尺17.1m，平均月进尺376m。罗宾斯167-266/267TBM：这两台TBM负责掘进赫劳泽平洞以南的17.4km的隧洞，于1992年9月13日开始，1994年9月12日结束，最高日进尺66.8m，最高周进尺325m，最高月进尺1221m，平均日进尺23.3m，平均月进尺699m。罗宾斯186-206型TBM：此台TBM是翻新产品，已开挖过24km的隧洞，为适应莱索托的地质条件，对该机进行了改装，该机在本工程共进行了3个区段隧洞的开挖，长度分别为2.1km、5.2km、5.7km，总长13.0km，其中在第3区段创造了最高日进尺82.9m的掘进速度记录，最高周进尺384m，最高月进尺1324m，平均月进尺1066m。Wirth双护盾TBM：该台TBM的施工从1992年5月开始掘进，1995年3月掘进结束，在卡来顿洞段（8.2km），最高日进尺57m，最高周进尺266m，最高月进尺937m，在阿士洞段（11.1km），最高日进尺70m，最高周进尺307m，最高月进尺1078m。整个洞段的平均日进尺22m，平均月进尺662m。ⅠB期隧洞：共采用了两台分别由Wirth和法马通/三菱-波尔泰克制造的双护盾TBM，两台TBM均为翻新产品。Wirth TBM最高日进尺41.7m，最高月进尺665.5m;法马通/三菱-波尔泰克TBM最高日进尺47.7m，最高月进尺717.2m。

（3）瑞士费尔艾那铁路隧道。费尔艾那隧道［25］位于瑞士格劳宾登州，隧道全长19.058km，其中TBM法施工的区段长10.2km。隧道穿过的岩层为沉积岩和火成岩，因构造运动导致沉积岩和火成岩被严重切割，产生大量的构造破碎带。费尔艾那隧道于1995年5月开工，全隧道采用常规钻爆法和TBM法联合施工。费尔艾那隧道采用的TBM，是德国维尔特（Wirth）公司制造的TB770/850E型开敞式掘进机，刀盘直径7.89m，最大推力16500kN，最大扭矩5970kN·m，刀盘上装有57把盘形滚刀，盘形滚刀直径483mm。费尔艾那隧道与1997年3月26日贯通，贯通时间比原计划提前了5个月。隧道在TBM施工中系统地应用了安伯格测量技术公司研制的地震法地质预报系统TSP来预测掌子面前方的地质情况，多次成功地预测到了岩性变化、断层破碎带及软弱围岩等不良地质条件。TSP地质超前预报测量方法，在费尔艾那隧道工程的系统应用，为该工程的安全和高效施工带来了巨大的经济效益，其主要表现在能大大减少施工中的盲目性，减少事故发生率和停工时间，指导隧道衬砌设计和施工，便于材料的调配和管理。

1.3.2 国内TBM发展历史

1.3.2.1 国内TBM发展的四个阶段

根据TBM技术在国内的应用和发展历史，国内的TBM技术的发展大致可分为四个阶段，即：研究探索阶段、引进国外技术与设备阶段、国内外厂商合作生产阶段、自主发展阶段。

（1）研究探索阶段。这一阶段时间大致为1964—1985年。全国多个部门先后研制了50多台直径不同的TBM，经过一段时期的实践，多数不能使用，主要是刀圈材质、刀盘轴承、刀盘密封、大齿圈热处理等质量不过关，防尘、噪声等关键问题没有解决。不同工程的工业性试验结果表明国产TBM与国外先进TBM差距较大。20世纪70年代中期以后，影响国产TBM产品质量的关键零部件如刀圈、刀盘轴承及密封、大齿圈热处理及后配套的研究都取得一定的成果。但经过多个工程应用后发现，国产TBM与国外TBM相比仍较落后，没有发挥出TBM应有的效益。

（2）引进国外技术与设备阶段。20世纪90年代初，国内部分隧洞工程采用了国外承包商购买国外TBM进行施工的方式，如甘肃省引大入秦工程、山西省引黄入晋输水工程隧洞分别由意大利CMC公司、英泼基诺（Impregilo）公司使用罗宾斯型双护盾TBM完成。

随着国内TBM人才的迅速成长及施工技术水平和施工经验的积累，国内的施工单位逐渐可独立操作TBM进行隧洞施工，如陕西西安至安康铁路的秦岭隧道由中铁十八局集团有限公司和中铁隧道集团有限公司共同负责施工，辽宁大伙房输水工程引水隧洞由北京振冲工程有限公司、辽宁水利工程局和中铁隧道集团有限公司施工。

从国外承包商引进国外设备到国内承包商引进国外设备，我国有能力采用TBM施工的队伍迅速成长，掌握了复杂的TBM施工技术并积累了丰富的施工经验，为我国大规模隧洞建设打下了基础。

（3）国内外厂商合作生产阶段。国外的TBM制造商在中国的投标一旦中标后，为了降低制造成本，往往会选择当地几家制造厂进行合作，把一些钢结构件，如刀盘、内外机架、盾体、后配套平台车、矿车等交由当地制造厂生产，外方负责图样、技术及监督制造，精度较高的部件，配件由外方制造，运到当地制造组装。如云南掌鸠河引水工程、新疆大坂引水隧洞工程所用的TBM分别由美国罗宾斯公司、德国海瑞克公司与中国企业合作完成。

（4）自主发展阶段。国内的TBM技术发展从研究探索到引进国外设备再到与国外合作生产，最后又走上了自主发展的道路。2011年11月，我国由秦皇岛天业通联重工股份有限公司自主研制生产的直径为8.1m的硬岩TBM成功下线，由葛洲坝集团应用于埃塞俄比亚GD-3水电站项目。该设备的成功研制，并应用于海外工程，大大提高了我国在硬岩掘进设备制造领域的国际影响力。

目前国内能独立自主研发TBM的企业有北方重工集团有限公司（以下简称北方重工）、中铁工程装备集团有限公司（以下简称中铁装备）、中国铁建重工集团有限公司（以下简称铁建重工）、中国船舶重工集团公司（以下简称中船重工）等。随着中铁装备并购德国威尔特（Wirth）公司，北方重工并购法国法马通（NFM）公司、美国罗宾斯（Robbins）公司，中国企业全面掌握了TBM研发制造方面的核心技术。

目前国内企业研制的TBM应用的工程主要有：中铁装备为吉林省中部城市引松供水工程研制的直径7.93m的开敞式TBM，在克服岩溶等不良地质条件后，于2016年5月创造了月进尺1226m的国内最高纪录；铁建重工为引松供水工程研制的直径7.93m的开敞式TBM，在2016年5月和6月，创下了在超硬花岗岩条件下连续两个月进尺超过920m连续掘进纪录及86.5m的国内最高日进尺纪录；铁建重工集团为兰州市水源地建设工程输水隧洞研制的直径5.49m的双护盾TBM，在2017年7月创下最高月进尺1005.5m的国产双护盾TBM最高纪录。

其他正在施工或即将施工国产TBM项目还有：中铁装备，1台双护盾TBM，开挖直径5.48m，应用于兰州市水源地建设工程输水隧洞，正在施工；中铁装备，1台开敞式TBM，开挖直径9.23m，应用于大瑞铁路高黎贡山隧道，正在施工；中船重工，4台DSUC型双护盾TBM，开挖直径6.30m，应用于青岛地铁二号线隧道，正在施工；中铁装备，2台开敞式TBM，开挖直径3.60m，为世界上直径最小的开敞式TBM，用于黎巴嫩大贝鲁特引水项目，正在施工。

1.3.2.2 国内TBM施工技术应用实例

目前，国内已经完工、在建及即将建设的TBM施工隧洞主要有以下工程。水利工程方面：甘肃引大入秦工程输水隧洞、山西万家寨引黄入晋工程、辽宁大伙房输水隧洞、甘肃引洮工程7号隧洞、甘肃引洮工程9号隧洞、昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞、陕西引红济石工程输水隧洞、青海引大济湟工程引水隧洞、陕西引汉济渭工程输水隧洞、吉林引松供水工程输水隧洞、兰州水源地建设工程输水隧洞、西藏旁多水利枢纽引水隧洞、广西桂中治旱工程输水隧洞、山西中部引黄工程、洛阳故县引水工程。水电工程方面：广西天生桥二级水电站引水隧洞、锦屏二级水电站引水隧洞、云南那邦水电站引水隧洞等。铁路工程方面：西康铁路秦岭隧道、宁西铁路磨沟岭隧洞、宁西铁路桃花铺隧道、中天山铁路隧道、兰渝铁路西秦岭隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道等。城市地铁隧道方面：重庆地铁6号线、青岛地铁5号线、青岛地铁2号线等。现就国内具有代表性的TBM施工隧洞工程介绍如下。

（1）甘肃引大入秦工程。甘肃引大入秦工程30A和38号隧洞采用全断面双护盾TBM施工，隧洞全长分别为11.649km和5.400km。TBM开挖洞径5.53m，衬砌后洞径4.80m。30A隧洞于1990年12月开工，1992年1月贯通，仅用时13.5个月，平均月进尺860m，最高月进尺1300m，38号隧洞1992年4月初进洞8月中旬完成，仅用时4.5个月，平均月进尺1100m，最高月进尺1400m，最高日进尺75.2m，创造了当时我国最高纪录和世界先进纪录。TBM在引大入秦工程创造了高速开挖与衬砌纪录，不仅在我国，在世界范围内也是名列前茅。国内的TBM的大规模应用与技术发展，正是从引大入秦工程的TBM获得巨大成功后开始的，可以说，引大入秦引水隧洞的成功在我国隧洞建设史上具有开创性的意义。

（2）山西万家寨引黄入晋工程。山西省万家寨引黄入晋工程TBM施工隧洞总长约124km，共采用6台双护盾TBM，开挖洞径为4.82～6.13m。TBM施工过程中遇到了溶洞、断层破碎带塌方、围岩塑性变形等工程地质问题，经处理后均顺利通过。创造了当时最高月进尺1821.51m、最高日进尺113m的掘进速度纪录。山西万家寨引黄入晋工程引水隧洞是我国继引大入秦工程中等直径双护盾TBM成功施工后的又一次大规模TBM施工，在中国隧洞施工史上具有里程碑意义，取得了许多宝贵的经验，对双护盾TBM在我国长隧洞施工中的广泛应用有很强的借鉴作用。

（3）西康铁路秦岭隧道。西康铁路秦岭特长隧道是20世纪90年代我国建成的最长单线铁路隧道，单洞全长18.46km。在Ⅰ线隧道进出口各采用一台开敞式全断面TBM（TB880E型TBM）掘进，TBM开挖直径为8.80m，成洞直径为7.70m。隧道岩性以混合片麻岩和混合片麻岩为主，岩石坚硬，最高单轴抗压强度达到了325MPa。秦岭隧道进口工区TBM于1997年9月8日开始组装，12月18日进行试掘进，至1999年8月29日贯通，最高月进尺528m。出口工区TBM于1997年10月10日开始组装，1998年2月16日正式掘进，至1999年8月22日贯通，最高月进尺512m。施工中刀具损耗问题严重，为降低刀具损耗，研究人员对刀具损耗进行了专题研究，研究了不同强度、不同岩性、不同掘进参数、不同位置的滚刀的磨损规律，以及磨损刀具的再利用问题，并提出了解决问题的办法，在后期的施工中，降低了刀具磨损、提高了TBM的利用率、降低了施工成本，为我国今后TBM刀具的使用和管理提供了经验。

（4）大伙房输水隧洞。大伙房输水工程隧洞全长85.3km，采用3台开敞式TBM与钻爆法联合施工，TBM施工长度计划约60km，开挖洞径8.03m，隧洞岩性主要为花岗岩、火山角砾岩、凝灰岩等。整个隧洞建设于2003年6月开工，2009年年底建成，历时6.5年。在3个TBM施工标段中，TBM1最高日进尺47.1m，最高月进尺1058.3m，平均月进尺544.0m；TBM2最高日进尺42.0m，最高月进尺605.3m，平均月进尺478.3m；TBM3最高日进尺50.9m，最高月进尺1111.0m，平均月进尺520.0m。

（5）引洮供水一期工程7号隧洞。甘肃省引洮供水一期工程7号隧洞全长17.30km，设计开挖洞径5.75m，衬砌后洞径4.96m。采用一台单护盾TBM自出口向上游逆坡掘进施工，预制钢筋混凝土管片衬砌，7号隧洞是单护盾TBM在国内的首次应用。隧洞进口段3.6km洞身岩性为白垩系砂岩、泥质页岩夹泥质粉砂岩，单斜岩层；其余13.6km围岩由上第三系临夏组（N2l）红色碎屑岩构成，主要岩性包括泥质粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩、粉细砂岩、砂砾岩、含砾砂岩等。7号隧洞于2009年12月29日开始掘进，由隧洞出口向进口方向顺利掘进2549m后，进入饱水疏松砂岩地层，发生了3次卡机事故，掌子面多次发生大范围涌砂，TBM设备被埋达4/5，TBM被困，机头下沉达663mm，导致施工中断，无法继续掘进。2010年4—10月，7个月内艰难掘进504m，施工中采用冻结法处理，但效果仍不理想。经广泛咨询专家意见，认为7号隧洞含水粉细疏松砂岩地层TBM无法施工。后将被困的TBM解体，并重新加工盾体和刀盘，搬运至隧洞进口组装，从进口掘进除含水粉细疏松砂岩地层以外的隧洞。经过半年时间的刀盘和盾体改造，2011年8月17日，TBM重新启动，9月TBM掘进创下了月掘进1515m、单日最高进尺80.8m的单护盾TBM掘进国内纪录；10月，TBM掘进达到1718.6m，再次刷新单护盾掘进纪录；11月30日，单护盾TBM掘进再创月进尺1868m的国内新纪录，打破了国内双护盾TBM月进尺1821.52m的历史纪录。2012年1月5日，进口段TBM掘进主洞工作面与新增竖井上游主洞工作面掘进达到6816m后，与竖井贯通。

（6）新疆达坂隧洞。新疆达坂隧洞为无压输水隧洞，长约31.28km，隧洞中间段约24261m采用1台双护盾TBM向上游掘进，开挖洞径6.79m。隧洞围岩以Ⅲ类、Ⅳ类为主，局部为Ⅴ类。达坂隧洞已全部贯通，TBM实际平均月进尺480m，最高月进尺1003m，最高日进尺58.3m，扣除TBM卡机脱困及设备检修期间的影响，TBM实际平均月进尺630m。TBM掘进过程中遇到了强膨胀泥岩、断层、富水等严重不良地质条件，造成频繁卡机，对工期造成了一定的延误。

（7）青海引大济湟工程引水隧洞。青海引大济湟工程引水隧洞全长24.17km，其中TBM施工段长约19.7km，计划采用一台德国维尔特公司制造的双护盾TBM施工，开挖直径5.93m。隧洞区穿越的地层岩性较为复杂，工程涉及的地层从元古界、古生界、中生界和新生界均有分布，岩性有火成岩、沉积岩和变质岩等。引大济湟工程引水隧洞TBM于2006年10月从隧洞出口方向向上游掘进。至2008年4月出口段TBM累计掘进7.03km，遭遇到F4~F5大断层带，发生了涌水、突泥塌方等隧洞地质灾害，出口段TBM累计受阻和卡机10次，造成工程进度严重滞后，随后出口段TBM掘进处于停滞状态达6年之久。在出口段TBM脱困改造的同时，经专家论证，决定在进口段再增加了1台法国制造的TBM，由隧洞进口向下游与出口段TBM相向掘进，TBM性能与出口段基本相同。进口段TBM于2013年3月17日成功启动试掘进，截至2015年6月28日，累计掘进12950m，经历天数836d，日均15.5m；隧洞出口段TBM于2014年9月12日启动试掘进，截至2015年6月28日，累计掘进758m，经日历天数286d，日均2.7m。至2016年6月30日，引水隧洞全部贯通。引大济湟工程引水隧洞出口与进口段两台TBM受不良地质条件的影响，共发生卡机20余次，历时长达9年贯通，可以看出TBM对不良地质条件的适应差，引大济湟工程引水隧洞TBM施工过程中对不良地质条件的处理及应对措施为国内的TBM施工积累了宝贵的经验。

（8）兰渝铁路西秦岭隧道。新建兰渝铁路西秦岭隧道全长28.236km，采用钻爆法和TBM法掘进对接方案，其中出口区段采用TBM法施工，共分为两个阶段，第一阶段长5594m，第二阶段长7340m。TBM为开敞式，开挖洞径10.23m。隧道围岩以Ⅲ级、Ⅳ级为主，所占比例分别为67.7%、24.8%，Ⅴ级围岩所占比例为7.5%[1]。西秦岭隧道2010年5月13日开始步进，至2013年4月26日掘进完成，期间创造了国内直径10m以上TBM日掘进42.69m、周掘进235m、月掘进841.8m的速度纪录。施工过程中，采用的大直径TBM长距离步进、同步衬砌、超前地质预报、洞内更换主轴承等技术，为我国大直径开敞式TBM施工积累了经验。

（9）掌鸠河引水工程上公山隧洞。昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞全长13.769km，采用一台小直径双护盾TBM施工，开挖洞径3.665m。隧洞一般埋深100～200m，最大埋深368m。隧洞穿越的地层岩性主要有下元古界黑山头组泥质板岩、砂质板岩，震旦系灯影组白云岩、白云质灰岩及硅质白云岩等。自2003年5月TBM进洞正式开始掘进以来，由于不良地质条件的影响，TBM的效率难以发挥，施工第一年，月平均进尺仅388.46m，第二年，TBM停机状态占到了总时间的70%以上。期间受断层破碎带塌方、围岩大变形、涌水、突泥等地质灾害的作用，发生了多次卡机事故，设备受到严重的损坏，最长一次停机时间达10个月。最终于2005年9月，经多方论证后，业主与承包商决定放弃TBM施工，将TBM拆除，改用钻爆法施工。上公山隧洞TBM施工的多次卡机造成了工期延误、施工成本剧增的不良后果，主要原因是地质条件复杂，前期勘察精度不足，多处不良地质条件未能识别，低估了不良地质条件对TBM的影响，导致并不适合采用TBM法施工的上公山隧洞采用了TBM，其教训是深刻的。

（10）重庆轨道交通六号线一期工程隧道。重庆轨道交通六号线一期工程隧道TBM试验段全长约13.5km，采用2台直径6.36m的开敞式TBM施工。隧道埋深10～56m。沿线的地层由第四系全新统松散土层和侏罗系中统沙溪庙组泥岩、砂岩组成。试验段施工过程中，打破了全国城市轨道交通盾构施工月掘进783.6m的纪录，而且还创造了全国城市轨道交通TBM日掘进46.807m、月平均日掘进27.8m的3项全国纪录，重庆轨道交通6号线TBM试验段的成功实施，为城市轨道交通全断面岩石TBM施工技术的发展提供了经验。

（11）国内其他工程。自从TBM在国内大规模应用以来，国内除了以上著名的TBM隧洞工程外，还有其他一些工程的也采用TBM施工，如陕西引汉济渭工程输水隧洞、吉林省中部城市引松供水工程输水隧洞、西藏旁多水利枢纽灌溉输水隧洞、广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程窑瓦-六浪隧洞、大瑞铁路高黎贡山隧道，详见表1.2。