[科普中国]-隧道钻凿机

隧道掘进机产业化隧道掘进机产业化的意义

隧道掘进机包含盾构和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。其实，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，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。

21世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。在发达国家，使用隧道掘进机施工已占隧道总量的90%以上。由于隧道掘进机的制造工艺复杂，技术附加值高，目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。隧道掘进机在国内尚处于起步阶段，主要依赖进口，在国内的隧道建设中，德国和日本在中国的隧道掘进机市场占有率高达95%以上，处于绝对垄断地位。若不及早改变这一现状，就会在相当长的一段时间内，在地下工程建设中，面临高额施工成本和技术上受制于外企的尴尬境地。实施隧道掘进机产业化，既可打破外企在国内市场一统天下的局面，又能促进和带动相关的机电、液压、材料、传感器等产业的发展，增强装备制造业综合实力，提高我国重大装备在国际市场上的竞争力。

隧道掘进机产业化成果1、 产业化基地建设

2002年8月，中铁隧道集团在河南建立了隧道掘进机产业化基地，成立了以盾构TBM研究开发中心、盾构TBM组装调试中心、盾构TBM制造维修中心为主要发展方向的隧道机械制造公司。2004年7月，上海隧道工程股份有限公司也在上海外高桥建立了盾构产业化基地，成立了上海盾构设计试验研究中心和上海外高桥隧道机械有限公司。

2、土压平衡盾构的自主设计与制造

2001年，国家科技部将6.3m土压平衡盾构的研究设计列入“863”计划。通过公开招标，课题由中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。在国家“863”计划的引导下，中铁隧道集团已经完成了6.3 m土压平衡盾构的结构设计、盾构控制原理流程图设计、盾构液压系统、电气系统、流体输送系统以及元器件的选型；完成了盾构刀具的研究设计、开发与制造；完成了盾构泡沫添加剂、盾尾密封油脂的开发应用研究，并实现了产品化。2004年7月，中铁隧道集团研制的刀盘及刀具、液压系统成功用于上海地铁2号线进行工业试验，实现连续掘进2650m，平均月掘进331 m，最高月掘进470 m，达到了项目要求的各项指标。2004年10月下旬，上海隧道工程股份有限公司成功制造了一台具有自主知识产权的6.3 m土压平衡盾构，并成功应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。2005年12月，中铁隧道集团又研制出了适用于北京地铁砂砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘，并成功应用于北京地铁4号线19标颐和园一圆明园区间。

3、 大直径泥水盾构消化吸收与设计

大直径泥水盾构消化吸收与设计是以中铁隧道集团为主、由上海隧道股份、浙江大学等单位协助的国家“863”计划重大专项课题。目前已经完成《国内外大直径泥水盾构技术发展研究报告》；完成了泥水盾构开挖面稳定机理研究，掘进系统、主驱动系统、管片拼装系统、液压系统、控制系统和泥水输送系统技术剖析研究；以武汉11.38m泥水盾构为依托，完成了9m泥水盾构设计工作；完成了泥水盾构控制系统模拟试验台的设计和制造，模拟盾构的直径为2.5m，是具有自主知识产权的国内较大的实物模拟盾构试验平台。

产业化方式分析1 、外企与国企合作方式

目前，德国海瑞克、德国维尔特、美国罗宾斯等国外公司均已经与国内的重机厂合作生产盾构机等隧道掘进机，并已有实际制造业绩，最具代表性的是德国海瑞克公司和维尔特公司。

海瑞克公司于2003年4月与广重合资成立了广州海瑞克隧道机械有限公司，生产能力已达到中国第一，形成了年组装20台隧道掘进机的能力，至2005年，双方已成功合作制造了16台隧道掘进机。除了与广重合作外，海瑞克公司还与北京、成都、上海、武汉、大连等城市的制造企业广泛加强了合作。

德国维尔特公司于2005年3月与沈阳重型机械集团成立了合资公司，目前已成功制造了1台5.93 m双护盾TBM，2台11.38 m泥水盾构，1台6.28 m土压平衡盾构。目前正在制造的还有2台11.97 m和4台11.17 m泥水盾构。

但这种外企与国企合作的产业化方式，不能使中国企业真正获得核心技术。由于国外公司对核心技术的严格保密，国内工厂实质上成为了外企的廉价分包工厂，我国企业不可能拥有自主知识产权。

2、 国企独立制造方式

隧道掘进机是根据隧道施工对象“度身定做”的，不同于常规的大型设备，其核心技术不在于设备本身的机电工业设计，而在于设备如何适用于各类工程地质，需要在长期的从实践到理论，再从理论到实践的反复探索，才能形成一套针对不同地质条件的隧道掘进机设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，因此需要几十年以上的工程施工经验和对地质情况的理解。由于国内制造工厂的工业设计人员具备地质经验需要相当长的时间，在短期内不能完成隧道掘进机的总体设计。因此，国内制造工厂独立制造方式至少在10年内不能制造出具有自主知识产权的盾构。

3 、施工企业产业化方式

中铁隧道集团与上海隧道股份是国家“863"隧道掘进机产业化基地，目前在隧道掘进机产业化方而，特别是自主开发方而，已经走在国内其他企业的前而，掌握了一定的核心技术，积累了较丰富的经验，形成了一套有效的运作机制，并取得实质性的成果。这些成果得益于科研、设计、制造和施工有机结合的运作机制。追溯世界最早隧道掘进机技术的起源，设计者同时也是施工者，在经历无数次失败和探索之后才使隧道掘进机技术不断地成熟和发展起来。隧道掘进机的生产特点是以工程为依托，由于每个工程施工的特殊性，只有具备科研、设计、制造和施工一体化的企业才有获得较大成功的可能。

产业化模式探讨1 、产业价值链分析

隧道掘进机是根据隧道施工对象“度身定做”的，正如裁缝根据具体的人进行“量体裁衣”一样。隧道掘进机的制造特点是以工程为依托，根据施工环境（基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征）进行模块化设计和制造。隧道掘进机的特殊性决定了隧道掘进机产业链体系建立在以工程为依托，系统设计为核心，相关配件制造企业加盟生产，施工单位配合使用的基础上，其设计、制造必须与工程项目紧密结合。

2、 欧美模式

欧美模式在产业链上的主要特征是自主设计，自主组装，同时为用户提供技术服务，部件制造则采取全球采购或采取和相关重型制造企业结成战略联盟的形式。

3 、日本模式

和欧美模式不同，日本企业都是制造企业，企业本身就有较强的大型机械设备制造能力，并把先进制造技术作为核心竞争力加以保护。日本模式在产业链上的主要特征是自主设计、自主采购、自主制造（关键部件自主制造，通用部件分包）、自主组装，并为客户提供技术服务。其产业价值链见图7，其核心是以制造业为主。

4 、中国模式

按照中国的国情，隧道掘进机产业化应该走设计、制造、施工一体化道路，走施工企业产业化方式。施工企业实现隧道掘进机产业化的模式，既不同于欧美企业最初源于设计公司，也不同于日本企业源于重型制造工厂，施工企业隧道掘进机产业化以施工为核心，是一个边施工、边反馈、边制造、边提升的过程，其产业化模式是从产业价值链的末端向前延伸，见图8，其核心是以施工为主。

5 、产业化实现途径

施工企业实现隧道掘进机产业化的途径关键在于如何实现系统设计和生产制造能力，其重点是实现关键技术的自主能力，有效地利用国内、国外两种资源和两个市场，实现隧道掘进机最佳的技术经济性。

产业化的前期采取 “自主设计，国际采购，国内制造、国内总装”的产业化理念，走具有中国特色的“引进－消化－仿制－创新”的研发路线，通过不懈努力和技术攻关，研制出拥有核心技术和自主知识产权的隧道掘进机。

系统设计可采取自主研发或技术并购的方式，生产制造可以在国内组建区域性产业化战略联盟，关键部件通过合作伙伴生产，或通过控股合作伙伴进行关键部件生产。

“十一五”产业化方向“十一五”期间，在全国范围内形成2～3个隧道掘进机产业化基地，每个基地具备年产20台隧道掘进机的能力。全面提升我国隧道掘进机制造业的技术水平，土压盾构系列化、产业化研究成果达国际先进水平；泥水盾构、复合型盾构和TBM研究成果填补国内空白，使中国隧道掘进机的总体水平步入国际先进行列。

1 、土压平衡盾构产业化、系列化

完成土压平衡盾构的产业化、系列化，在“十一五”末期，在国内新增土压平衡盾构中，具有自主知识产权的国产土压平衡盾构的市场占有率达到30%。

2 、泥水盾构和复合盾构的研制

完成泥水盾构技术的消化吸收、系统集成设计、制造、安装和调试技术研究，并研制出样机，掌握泥水盾构的自主知识产权关键技术。

完成地铁用复合盾构的系统集成设计、制造、安装和调试技术研究，并初步实现产业化，在“十一五”末期，在国内新增复合盾构中，具有自主知识产权的国产复合盾构的市场占有率达到20%。

3 、TBM关键技术研究

通过消化吸收，进行TBM的系统集成设计，完成TBM的总体设计。

结束语国务院国发[2006]8号《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》文件将“满足铁路、水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制，尽快掌握关键设备制造技术”列入16项重大技术装备之一。因此，加速发展我国隧道掘进机的研发及产业化势在必行。隧道掘进机产业化宜以施工企业为主，通过组建施工、设计、制造、科研四位一体的隧道掘进机产业化联盟，建立和完善产业化基地，实现隧道掘进机的自主开发和成套提供的总体目标，提高我国重大技术装备的国际竞争力。同时，国家应予以政策支持，确定隧道掘进机国家定点企业，定点企业享受关键配套件免征进口税优惠政策及其它国家重大技术装备开发优惠政策，将隧道掘进机的开发及产业化项目列为国债项目，给予定点企业技改贴息重点支持，以推动隧道掘进机的产业化。2

基本构造隧道掘进机的基本构造包括：①开挖部分（刀盘及其主轴和驱动装置）；②开挖反力支承部（支承靴）分；③推进部分（推进千斤顶）。

工作时，按下述动作反复进行：①扩张支承靴，固定掘进的机体在隧道壁上；②回转刀盘，开动千斤顶前进；③推进1行程后，缩回支承靴，把支承靴移置到前方，返回①的状态。

刀盘构造球面刀盘和平面刀盘：刀盘的前面，以一定的间隔配置滚刀。一般有中心滚刀，正滚刀（开挖面滚刀）和边滚刀。滚刀的配置间隔，决定于滚刀的负荷容量，岩石强度和目标日掘进进度等。在外周部分，为防止滚刀的刀体从刀头上飞出，配置以一定角度，并使刀头的切削断面形状呈圆弧形。这就“球面”之意。此时，边滚刀是与正滚刀同样地使用。

为了不在边缘处安设特殊的边滚刀，可采用平面滚刀。最近的趋势是，重视滚刀的互换性，因而，球面采用较多。

周边支持型和中央主轴型刀盘：周边支持型刀盘，是由圆筒状的筒体和主机架构成的。采用了大口径的轴承。其后背部有很大开口的周边支持结构。开挖石碴从设在刀盘前面，外周面的缝隙处，把主机架作为料斗提升，送到排土装置中。此中刀盘与软弱围岩使用的盾构掘进机是一样的做法。在崩塌性地质条件下是很有效的。滚刀的突出量可以比较小，同时，也能在机内进行更换。中央主轴型刀盘，是一个圆板构造体，在其中心处设主轴，用小口径的轴承支持的。滚刀配置在圆板上，出碴是用设在刀盘外周部的刮板粗下部收集的，而后用外周部的料斗由上部送到排土装置中。

滚刀：用鞍座安设在板的前面，因没有主轴等的限制，配置是比较自由的。此种构造，在敞开式IBM中采用较多。但出碴口受到限制，故视地质情况有时不能有效的排土。刀盘的驱动是把刀盘的主轴作为驱动轴由设在TBM后面的驱动马达进行驱动的。

支承靴配置其作用是作为推进时的反力，反力就是推进力、刀盘转矩。为充分承受此反力和不损伤隧道壁面，应使之大面积化，减小接地压力。通常，接地压多取3～5 MPa。如把此目的的支承靴称作主支承靴，则还有所谓的以控制震动，控制方向等为目的的各种支承靴。

盾构形TBM支承靴：在盾构型TBM中，有用于推进反力的主支承靴（尾部）和掌子面支承靴（前部）。主支承靴一般是左右水平设一对，但在大口径时，有时在周边上设置4～5个的情况。

敞开式TBM支承靴：有单支承靴方式和双支承靴方式两种。单支承靴方式是在主梁上左右设一对支承靴。可对应推进时主梁的方位变化。

双支承靴方式是前后各有一对支承靴。前面的支承靴有4个（X形）和2个、3个的（T形）。

方向修正不管何种方式，都在设置支承靴前进行，但在单支承靴方式时，开挖过程中也能改变方向。

双支承靴方式，在开挖过程中不能改变方向，但不太受地质变化的影响，直进性好。3

基本类型基本类型常见的有5种类型。

单支承靴方式的敞开式TBM：此型的TBM的刀盘是周边支持型的。驱动马达在刀盘的后面。支承靴对主梁可以有摇动的可能。为减小伸缩千斤顶时对支承靴的弯矩，主梁和支承靴座相连接。

皮带运输机设置在通过刀盘中央的主梁的上面或下面。代表性的TBM是罗宾斯型的TBM。

这种型式的特征是：①球面刀盘，适用地质条件广；②在掘进前、掘进中都可控制方向；③重心在机械前部，上下方向的控制易受地质条件的影响。

双支承靴方式的梁型TBM：此型TBM的刀盘也有球面型的，但通常为平面型多把驱动装置设在最后端，用主梁内的驱动装置驱动，支承靴在主梁上摆动，千斤顶与支承靴和主梁连接，皮带运输机设置在主梁上部。

这种型式的特征是：①支承靴把机体牢固地固定在壁面上，方向控制性能好；②重量平衡好，上下方向控制容易；③方向控制只能在掘进前进行；④因刀盘是板型的，不适合于黏性土的开挖。

代表性的TBM有支承靴X型布置的TBM和T型布置的加瓦的TBM。

盾构型TBM：开放型的情况是其刀盘都是穹型的。有前后筒体间可伸缩的二筒式和中筒可伸缩，前中筒间及中后筒间有可活动结合的三筒式两种。在前筒设掌子面支承靴。开挖反力有把刀盘的回转转矩传达到主支承靴的方式和液压传递方式等。

这种型式的特征是：①球面刀盘，因采用盾壳，使其地质适应范围广；②在开挖过程中可控制方向；③因有盾壳隧道内后退受到限制；④千斤顶要具有2倍以上的推力；⑤因使用管片，可改变为密闭型。

**斜井用TBM：**在水工隧洞中常常需掘进斜井。其斜度通常为30°～50°。

斜井使用的TBM基本上与水平的TBM无多大差别。仅在后续设备上要下些工夫。最大的不同是防止后退方法和石碴的排出方法。

后退防止方法在敞开式TBM中，要在TBM的后方设与TBM支承靴连动的能够锚固的支承靴装置。在盾构型TBM中，使用管片或支撑防止滑落。石碴的排出通常采用自然流下的方法。

**导坑和扩挖型TBM：**开挖大口径隧道的方法，首先是用导坑TBM开挖小断面的导坑，以此为前导，用扩挖型TBM扩挖隧道。此种方式于全断面掘进时比，刀盘的外周部和内周部的周速差小，以及驱动动力小。TBM的基本构造多采用两机为双支承靴方式的梁型TBM。视地质、施工条件，可有几种组合。

这种型式的特征是：①扩挖时，因先行导坑可以判明地质情况，可对地质不良处事先加以改良；②扩挖时，刀盘的后方空间大，支护作业容易；③工期和施工成本比全断面方式不利。3