中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路

简要分析我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状,包括水下盾构隧道、地铁盾构、TBM隧道和山岭TBM隧道的技术现状。通过列举典型工程案例,分析总结我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题:1)水底公路隧道盾构直径过大,2)单层管片衬砌的耐久性不足,3)护盾式TBM有很多局限性,4)土压平衡盾构不是万能的,5)隧道线路标高选择不合理,6)工程建设中存在4大不合理。针对这些问题提出解决建议:1)一般情况下,水底公路隧道盾构直径不宜超过12 m;2)增设二次模筑混凝土衬砌,形成复合衬砌结构;3)取消护盾式TBM,提倡采用开敞式TBM;4)盾构选型时,应同时考虑比选泥水盾构、土压盾构和开敞式无刀盘盾构;5)避开在岩层交界面上选线;6)工程建设一定要坚持科学发展观。为盾构、掘进机隧道的设计和施工提出新思路,包括:1)无刀盘的开敞式网格盾构,2)压缩混凝土衬砌,3)TBM导洞超前再钻爆法扩挖,4)风井始发盾构。最后,指出大直径盾构不是发展方向,长距离掘进(2 km)时,深埋盾构施工才是发展方向;并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工(深埋优于浅埋),渤海湾海峡海底隧道采用直径为10 m的TBM+钻爆法施工,台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式TBM+钻爆法施工的想法。     

盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望

采用盾构/TBM修建深埋长距离斜井是一个崭新的课题,对于缩短矿井建设周期,降低造价具有重要的意义。文章通过对传统矿山法与盾构/TBM法的技术参数与经济指标进行全面比较,分析了盾构/TBM技术在煤矿矿井建设中的应用前景,介绍了盾构/TBM施工斜井应用现状,在此基础上,着重从盾构/TBM的选型与适应性、斜井井壁结构设计、复杂环境中施工等方面分析了盾构/TBM施工煤矿长距离斜井所面临的挑战,综述了近期开展的相关技术研究与进展,主要包括:双模式盾构/TBM的研制、新型井壁结构体系的构建和复杂条件施工时的处置技术等。最后,讨论了尚存的问题以及相关问题研究的发展趋势。     

应用减磨修复技术延长盾构/TBM使用寿命研究

减磨修复技术在铁路内燃机车及船舶柴油机上的使用效果表明,科学、合理地应用此项技术可产生可观的经济效益、社会效益和节能减排效果。在介绍国内外金属减磨修复技术发展现状及盾构/TBM减磨修复技术研究必要性的基础上,从内容、方法、工艺等方面对减磨修复技术在盾构/TBM上的应用进行研究。基于初步的试验成果可以得出:新开发的金属减磨修复技术在盾构/TBM主轴承齿轮箱、主驱动减速箱等关键零部件在润滑系统中的应用是安全的、可靠的、适用的。     

盾构／TBM专用振动监测传感器VM-BOX的研发

传统的盾构/TBM振动监测采用常规的手持式振动仪,需要专业技术人员定期到设备上进行监测以获取振动数据。由于无法获取连续振动数据,进而无法对设备状态发展趋势进行合理的分析和预判,因而不能及时有效地指导设备管理。采用逻辑控制方法和信号筛分技术,研制一种盾构/TBM专用的振动监测传感器,可安装在盾构/TBM内部关键部件上,采集其在工作过程中的振动和温度数据,实现以下功能： 1）对设备振动数据进行远程实时在线监测; 2）对设备故障进行精确化管理; 3）对设备发展趋势进行预估。     

TBM及其施工技术在中国的发展与趋势

自1964年开始,中国TBM设备研制与施工应用已有50余年,回顾总结TBM设备及施工技术的发展历程和趋势,对于认识把握TBM行业现状和未来发展方向有着重要意义。文章首先列举了国际TBM发展的重大事件; 之后分4个阶段梳理国内TBM发展历史,结合具体工程实例描述当时国内TBM研发、引入、施工和制造的历史事实,总结半个世纪来国内TBM行业从无到有所取得的巨大成就; 最后综合分析TBM市场需求、研制环境、施工水平和未来方向,并针对以上不足之处,预测了TBM未来发展趋势,提出一些改进建议。     

日本隧道钻孔掘进机（TBM）技术的应用状况——发展的新阶段

日本城市内和城市之间的建筑投资仍是必不可缺的，预测将在随后的20年中仍会持续高投资率。在这种情况下，隧道挖掘技术将扮演重要角色．其中TBM技术在追求高效掘进和节支的高机械化建筑技术中将唱主角戏。日本在盾构TBM技术领域有着极大的贡献，其新发展的技术不断涌现。在日本，岩石隧道的TBM在石质隧道挖掘中正日益显示其重要的地位。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题，应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险，基于高黎贡山隧道TBM施工项目，从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术，提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案，并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究，使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm，避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象，实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

盾构及TBM设备监造的实践与探索

 盾构及TBM国产化、产业化的进程在不断加速，使用单位都希望通过监造来提高设备的制造质量，由于建筑行业自身流动性大的特点，监造工作的管理和队伍的建设还不能与此和谐。借鉴水利水电行业设备监造的一些规范和经验，从各项内容的工作范围、工作方法、工作要点和工程实例等方面，系统地讨论了盾构及TBM监造工作的程序及内容，以期推动盾构及TBM监造工作质量的提高。     

不同地层条件下的盾构与TBM选型

介绍了目前可选用的盾构与TBM型式,指出了盾构设计和施工应重视的几个新动向,探讨了不同地层应选择不同类型的盾构,不同地层应选择不同的刀盘结构,明确了公路隧道盾构的直径确定,考虑了TBM的选择及隧道支护型式选择问题。     

深埋、复杂地质条件大直径隧道TBM的设计进展与创新

要提高在深埋、复杂条件下大直径隧道TBM（隧道掘进机）的应用效率,必须正确选择TBM的类型。为了给复杂条件下TBM的选型提供借鉴和指导,总结现有的各类型TBM的特点,分析其在混合地质条件下开挖大直径、长距离隧道的局限性,提出不同地质条件下大直径隧道TBM选型指南,介绍意大利SELI公司开发的3种新型TBM,即紧凑型双护盾通用TBM（DSU Compact TBM）、土压平衡双护盾通用TBM（DSU EPB TBM）和土压平衡单护盾通用TBM（SSU EPB TBM）及其运行特点和适用范围。得出结论：传统TBM没有专门针对复杂地质条件下的大直径隧道的研究与设计;为满足市场需求,必须开发新型TBM;意大利SELI公司开发的3种新型TBM,每种专门针对特定的地质条件,这些新型的TBM能够应对复杂的地质条件,并能克服在不同覆盖层下开挖长隧道时的最常见危险。     

垂直皮带机用于地铁TBM施工的可行性探讨

近年来我国在岩石地层的地铁隧道施工需求越来越大,在青岛地铁双护盾TBM施工过程中,龙门吊垂直出渣方式严重制约了TBM施工速度。虽然龙门吊用于地铁土压平衡盾构施工渣土垂直提升,技术成熟且应用广泛,但在岩石掘进机施工中的应用效果不佳,因此有必要进行探索和变革,采用更加适用的方法以充分发挥TBM快速施工的优势。分析龙门吊垂直提升石渣对双护盾TBM施工效率的影响,调研相关行业的物料垂直提升方法,从技术、经济和工期3方面分析龙门吊与垂直皮带机出渣的差异。在城市地铁双护盾及开敞式TBM施工中,垂直皮带机出渣技术具有运输效率高、不占用TBM掘进时间、故障率和综合成本低的优势,可为充分发挥TBM掘进效率提供良好保障,具有很大的市场推广价值。     

单向出渣单护盾TBM防滚转技术研究及探讨

为提高单护盾TBM在长距离硬岩地层中的适应性，针对单向出渣单护盾TBM在掘进过程中的盾体滚转问题，设计2种可防止和纠正盾体滚转的系统。通过分析单护盾TBM盾体滚转产生的原因和影响因素，提出2种单向出渣单护盾TBM纠滚技术——不依赖管片的盾体主动纠滚技术和推进油缸偏转纠滚技术，说明2种盾体纠滚技术间的联系，建立盾体姿态控制数学模型，阐述盾体滚转发生的临界条件和控制盾体姿态需满足的要求，并结合工程实例说明推进油缸偏转控制盾体姿态的可行性和有效性。     

软硬不均地层盾构技术的思考

软硬不均地层盾构施工难题一直考验着工程技术人员的智慧,业界为此付出的代价频现报端。文章以发展的眼光,梳理了国内盾构在软硬不均地层施工的曲折历程。从什么是软硬不均地层、软硬不均地层盾构施工所面临的问题、软硬不均地层为什么易发生掌子面坍塌入手,引出了国内软硬不均地层盾构技术发展,详细阐述了深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害,提出了新形势下软硬不均地层盾构技术的思考。主要结论如下： 以盾构装备技术发展实现软硬不均地层顺利掘进,而不再进行预处理,符合科技进步规律与社会发展要求。     

断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析

新疆某引水工程的大坡度支洞采用敝开式TBM施工,在掘进施工过程中遭遇大断层构造破碎带并发生塌方,TBM刀盘被掌子面坍塌围岩卡死,护盾被破碎体压住,TBM被困。为使TBM快速脱困,首先采用超前预报方法探明前方地质情况,之后加固已支护段的围岩,然后采用流动性大、早强、高强性能的化学注浆材料,对护盾上方及前方围岩进行固结灌浆,将刀盘和护盾周围的松散岩石加固成一个稳定的整体,进而清除刀盘及护盾周围的虚渣,并缓慢转动刀盘向前推进,最终使TBM安全脱困。采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法不仅使TBM顺利脱困,而且与其他脱困方法相比,进一步缩短了脱困时间。     

高黎贡山平导隧道TBM护盾延伸技术

大瑞铁路高黎贡山平导隧道TBM在掘进过程中遭遇断层破碎带地层，发生3次较严重的卡机事故。为降低施工风险，加快施工进度，节约施工成本，采用调研、工程对比与专家论证的方法，分析刀盘被卡的原因，研究护盾延伸的必要性与可行性，制定护盾延伸方案，即将护盾与刀盘的间距由原来的360 mm缩减为50 mm。实践表明： 护盾延伸改造效果明显，在Ⅳ、Ⅴ级围岩实际占比达到67%的情况下，继续掘进近1 500 m，未再发生卡机事故，大大提高了TBM的掘进效率。     

中国铁路、隧道与地下空间发展概况

通过总结目前中国隧道的修建概况,说明中国是目前世界上隧道和地下工程数量最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国家;从时速250～350 km高速铁路、时速200～250 km既有线提速、高原冻土铁路、铁路重载运输4个方面的建设成就和4个技术平台的搭建阐述铁路快速、高效发展的现实;介绍中国中长期铁路网规划、国际铁路通道提议及将要实施的重大工程;扼要总结中国隧道及地下工程修建的主要技术：1）江、河、海底隧道修建技术;2）钻爆法施工技术;3）浅埋、超浅埋暗挖法施工技术;4）开敞式TBM全断面掘进机施工技术;5）盾构法施工技术;6）沉管法施工技术;7）辅助工法;8）明挖法地下深基坑围护结构施工技术;9）地铁车站施工技术;10）环境保护施工技术;11）高新技术改造、提高隧道施工质量技术。     

双护盾TBM在深圳地铁应用中存在的问题及对策

为解决双护盾TBM在城市地铁施工中始发困难、极限小转弯半径、穿越极硬岩及断层破碎带等工程难题，结合双护盾TBM在深圳地区的应用需求，研究双护盾TBM在深圳地铁施工中存在的问题及对策。1)提出双护盾TBM在R260 m极限小转弯半径施工中的刀具磨损消耗规律、步进控制措施及测量顶台振动解决方案； 2)提出一种分体始发技术方案以解决双护盾TBM始发场地狭小、空间受限问题； 3)提出在210 MPa极硬岩工况下双护盾TBM的针对性设计及刀具优化改进措施； 4)提出双护盾TBM穿越断层破碎带掘进参数建议及应对策略。     

双护盾TBM分体始发技术研究与在青岛地铁1号线的实施

为保证在不具备整体始发空间的条件下双护盾TBM分体始发顺利实施,以青岛地铁1号线海泊桥站为例,针对城市地铁隧道施工始发场地有限的客观条件,以实现施工功能为导向,通过配套设备的优化布置并最大限度地利用双护盾TBM自身配置实现有限场地内最经济的TBM分体始发,并对分体始发的基本方案进行探讨。经研究分析可知： 1）分体始发时双护盾TBM需具备的基本配套系统为高（低）压供电系统及控制系统、冷却水系统、液压系统、润滑系统、脂密封系统、压缩空气系统、豆砾石回填系统、注浆系统、导向系统及除尘系统; 2）通过管线、线缆的延伸,双护盾TBM可在主机与后配套之间或主机与部分后配套之间任何位置断开。     

基于大数据的盾构掘进与地质关联关系分析方法

为解决盾构掘进参数设定主要依赖盾构司机的经验，且掘进过程中影响因素较多，很难做到掘进参数与地质参数有效关联的问题，依托盾构TBM大数据平台的海量数据，通过施工经验对关联掘进与地质的参数进行选取和分类，并确定关联参数的范围。通过参数范围界定、数据连续性分析和数据频次统计等方式进行数据的初步清洗；通过提取变量的数字特征建立分布统计算法模型库的方式，对数据库中的数据实时处理，去除异常数据并确定经验区间的频数分布；通过对各关联参数的组合检索，进行关联参数的可视化分析，得到不同盾构在各类地质中主要掘进参数（如刀盘转速、刀盘转矩、掘进速度、油缸推力等）的经验区间和关联关系。将该关联分析方法部署在盾构TBM大数据平台，经过长时间的应用和现场反馈，验证了该方法的适用性和有效性，对盾构施工及盾构选型具有积极的指导作用。