刘海涛 

　　每当我们坐地铁从黄浦江下通过，或者坐火车穿过高山隧道时，我们都会感叹人类的力量，可以从江底穿过，可以从山中穿过。如果退回到上个世纪，这种“穿越”河底和高山的工作可能是我们在修建道路时的一个巨大障碍；现在，虽然这种障碍依然存在，但我们却可以相对较为轻松地完成，因为有了我们的朋友：隧道掘进机。 

　　隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高科技施工装备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。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。现代掘进机技术的最大特点是广泛使用遥测、遥控、电子、信息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，使掘进机向着机械、电气、液压和自动控制一体化、智能化设备方向发展。因此，隧道掘进机有着隧道掘进机器人的美誉。 

　　进入21世纪后，随着我国基础设施的大规模建设、西部大开发的进展以及多次举办国际性的盛会，我国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工程中将有大量的长大隧道需要建设；现代城市建设中的地铁工程、市政工程（排污管、输水管等）、越江隧道也在不断增加。开挖这些大量的地下隧道工程，工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且地下工程掘进工作面又常常受到很大的限制，面对速度、环保、效益等这些问题，使用隧道掘进机无疑是最好的选择。今天，我们回顾一下隧道掘进机的应用历史，看一看隧道掘进机在应用中的不断完善与进步。 

　　其实，早在1818年，英国布鲁诺（M. I. Brunel）在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用于施工地下隧道的掘进机的雏形及施工方法。1825年，他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m，宽11.4m的矩形盾构修建了一条隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道施工两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，于1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。 

　　而上世纪50年代，我国就开始研究和开发各种类型盾构式隧道掘进机及其施工技术，盾构法施工得到了不断发展、改进，技术日趋完善、成熟。60多年间在中国许多大中城市的不同地层中用不同类型盾构完成了一批水底公路隧道、地铁区间隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道等地下工程。目前，中国北京、上海、广州、深圳、南京、武汉、厦门等许多城市进行地下铁道及市政公用设施的施工，均在不同程度上采用盾构掘进机开挖。 

　　首先要提的隧道掘进机是手掘式的。它是我国在早期隧道掘进中采用的最简单的掘进机。它是在盾构壳体的保护下，采用人工挖土的方式，适用于含水量少，自立性好的底层。1956年在东北阜新海州露天矿用直径2.66m的手掘式盾构在砂土层开凿了疏水巷道，这是我国首条用盾构掘进机施工的隧道。而随后又发展的网格挤压盾构掘进机显示了更好的优越性。1965年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造了2台直径5.8m的网格挤压型盾构掘进机，在地铁衡山路段扩大试验工程中掘进了2 条地铁区间隧道，掘进总长度1200m。这是中国首次采用盾构掘进机施工地铁隧道。1966年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径10.2m超大型网格挤压盾构掘进机施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1322m。这之后，又出现了土压平衡式盾构掘进机，自1985年起，中国开始引进和使用土压平衡盾构，1987年开始制造土压平衡盾构掘进机，至今中国的土压平衡盾构技术水平已接近国际先进水平。1985年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进一台日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压盾构。该盾构开挖面设有土压计，可设定平衡土压力值，保持开挖面土压平衡，以减小对周围土体的挤压影响，掘进长度1450m，这是我国首次引进简易式土压盾构用于隧道工程，其施工性能和掘进速度均优于以往的网格挤压型盾构。 

　　除了盾构型掘进机外，隧道掘进机还包含TBM。一般来说，在欧洲，盾构也称为TBM；但在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。TBM就是隧道掘进机的英文“Tunnel Boring Machine”的缩写，但通常定义中的TBM是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象。TBM隧道掘进机，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于目前常用的方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，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。在国际上，现已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中。 

　　由于采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等广义的自动化技术，TBM也被称为隧道挖掘机器人。TBM的特点是适应硬岩地层，没有盾构，使用支撑靴和前后支撑交替撑紧洞壁上以承受TBM向前掘进的巨大反作用力与反扭矩，并可以调整掘进方向。如果遇到局部不稳定岩层，开敞式TBM使用自带的辅助设备打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、加圈梁等方法加固，以保持洞壁稳定。当遇到局部特软弱围岩或破碎带，开敞式TBM使用自带的超前钻及灌浆设备，预先固结掘进前方的一段围岩，待围岩强度自稳后再安全掘进。TBM在西康铁路秦岭隧道施工、天生桥二级水电站引水隧道施工中已得到了具体的应用。 

　　随着科学的发展和技术的不断改进，当今的TBM，不仅在隧道掘进机的传统参数，如推力、行程长度、刀盘转速、扭矩和安装功率等方面有了不断发展，而且在施工子系统方面更有了极大进步。 

　　对于隧道开挖者来说, 还需要进行一些额外工作如衬砌、喷浆、洞底清理等。这些作业需要辅助系统和空间, 以便跟上TBM 的进程。而今天的TBM全机械化支护系统可在5-7min 内打一个锚杆，10-15min 内安装一个双螺栓拱顶，20-30min 内安装一钢拱架，10-20min 内安装一圈管片，5-10min 内回填一个管片环。所有这些支护作业应尽可能靠近隧道工作面，但为实现高效率，已在TBM 和后配套系统的适当位置上放置了上述作业的系统。支护系统技术的发展可使掘进速度迅速提高。对于未来的工程, 各种隧道支护子系统的工作位置及其优先性必须更加灵活, 特别是要仔细考虑在TBM 上对洞壁进行混凝土喷浆作业, 因为洞壁的快速封闭稳定变得越来越重要。虽然TBM 有时不得不在刚喷射的混凝土中支撑洞壁, 但仍在发展中的喷浆技术显示了良好的结果。 

　　在TBM 前方进行非破坏性地层检查的最新发展是BEAM（隧道掘进前方电监测）技术, 这是再次采用了测量地层中的电流这一老方法并加以改进, 其创新之处是该系统在TBM 掘进时进行操作，其目标之一就是确认超前钻和注浆孔的最佳位置。 

　　可见，TBM机器人在发展中不断完善着自我，在隧道掘进的同时，也做好了其它各项辅助工作，令我们的施工过程更加的全面和完善。TBM不愧为隧道掘进的机器人。