我国20世纪TBM设备研制及其工程应用

陈晓东，陈居乾

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

全断面岩石隧洞(隧道与巷道)掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)有别于盾构机(Shield)，是指在常压情况下全断面开挖岩石的高度机械化刀盘式机头掘进机，是集机械、电气、液压、激光导向、自动控制、传感、信息等多项高新技术为一体，高度机械化及自动化的隧洞(隧道与巷道)开挖掘进与衬砌专用大型成套装备，主要由主机和后配套两大系统构成，依靠大推力、高扭矩旋转并推进刀盘，通过盘型滚刀以机械能破岩而使隧洞(隧道与巷道)全断面一次成型，是世界上最先进的隧洞(隧道与巷道)施工机械，其最大技术特性是安全、优质、高效、快速、环保、高自动化，是对传统化学能破岩施工法的彻底革新。TBM通常主要有开敞式(敞开式、支撑式，Open Type TBM)及护盾式(套筒式，Shield Type TBM)两种基本类型，护盾式相对结构复杂，主要分为单护盾及双护盾两类。

我国是幅员辽阔的多山国家，地形、地貌与地质构造复杂，是世界上隧洞(隧道与巷道)工程建成最多、穿越多类型复杂地层，以及建设发展最快的国家。自20世纪90年代以来，我国TBM设备研发及其施工技术迅猛发展，并形成大量科研成果和技术资料，但全面系统研究总结性文献资料相对匮乏。全面研究总结20世纪我国全断面岩石隧洞(隧道与巷道)TBM设备研制及其工程应用成效，存史资治，留存文献，借鉴成功，技术传承，对于新时期我国TBM设备研发及其施工技术的进一步持续创新发展具有重要意义。

1 世界TBM发展历程

1953年美国人设计制造出世界首台现代意义上的软岩开敞式TBM。1956年发明硬岩盘型滚刀，是TBM发展历程中的重要标志及转折点；同年设计制造出世界首台中硬岩开敞式TBM，成功通过工业性试验。1960年在结构设计上首次将支撑与推进机构组合为整体全浮动及铰接式结构系统，通过靴板支撑于洞壁获取推进反力。1965年设计制造出世界首台单护盾TBM。1973年与意大利Sell公司联合设计制造出世界首台双护盾TBM，TBM从此进入全面快速发展时期，并在全世界地下工程界逐步得到广泛应用。

2 我国TBM研制历程

我国20世纪TBM设备的独立自主研究、设计、制造、工业性试验，以及工程应用发展历程总体分为三个阶段[1- 13]。

2.1 第一阶段——起步探索初创阶段

我国TBM的独立自主研究、设计与试制始于1964年，1965年列入国家重点科研项目，原水电部上海勘测设计院为主设计，上海水工机械厂于1966年5月试制出首台国产SJ- 34型开敞式TBM，刀盘直径Ф3.4m，获1978年度国家科技大会重大成果奖，并在杭州人防工程防空洞、云南西洱河一级水电站工程引水发电隧洞进行工业性开挖掘进验证试验，累计开挖掘进总长969.5m，取得一定成效。代表机型为SJ- 34/53、EJ- 26与EJ- 35，代表性应用工程包括杭州防空洞、云南西洱河一级水电站引水隧洞、江西青山与陕西铜川煤矿巷道。

图1 上世纪国产TBM典型主机

2.2 第二阶段——工业性试验阶段

20世纪70年代进入工业性试验阶段，由中科院(后调整至国家科委)牵头，原水电部、煤炭部及铁道兵等部门参与，共53个单位进行了多课题研究攻关，设计制造及改装出多台不同直径的新一代TBM，并结合多项工程实践进行工业性试验，其技术性能与质量较起步探索阶段有所提升。代表机型为SJ- 58、JSJ- 55与EJ- 30，代表性应用工程包括云南西洱河一级水电站与甘肃引大入秦引输水隧洞，以及江西安源与山西小峪煤矿巷道。

2.3 第三阶段——国产实用与国外引进并存阶段

20世纪80—90年代初期为国产TBM实用与国外引进并存阶段。随着我国机械制造工艺水平及材料质量的提高，在大轴承与齿圈、驱动推进、刀具与刀圈、支撑及后配套等关键技术方面取得一定进展，并结合第二阶段工业性试验及其工程实践，设计制造及优化改装出多台不同直径的第三代TBM。其技术性能与质量进一步提高，在工程应用实践中取得较好成效，代表机型为SJ- 58A、SJ- 45、EJ- 32与EJ- 50，其中：SJ- 58A型获1985年度国家科技进步三等奖及原水电部重大科技成果二等奖；EJ- 32型获1986年度国家科技进步三等奖及原煤炭部科技进步一等奖；EJ- 50型获1988年度国家科技进步二等奖。代表性应用工程包括河北引滦入唐与福建龙门滩二级水电站引输水隧洞，以及云南羊场、贵州南山与山西东曲煤矿巷道，完成开挖掘进长度较大，其中引滦入唐新王庄隧洞成为我国首座采用TBM开挖掘进贯通的隧洞(隧道与巷道)工程。

我国TBM的独立自主研究、设计与制造经25年三个阶段的发展，经多项工程应用实践，至20世纪80年代末，国产TBM设备在总体技术性能、可靠性、质量及工效等方面与国外仍存在很大差距，难以适应不断增加的工程建设之需。为此，水利水电行业在国内率先于20世纪80年代后期自美国引进TBM全套设备及其施工技术，分别用于甘肃引大入秦及广西天生桥二级水电站工程引输水隧洞开挖掘进，并在甘肃引大入秦工程获得全面成功，取得引人瞩目的成就，国产TBM研发随之停止。

3 国产TBM及其主要技术性能

20世纪60—80年代我国研发制造TBM总计52台，多为样机，具实用性及工业性试验条件的共计19台，其中2台未工程应用，改装6台，刀盘直径Ф2.5～6.8m，全部为开敞式，整体结构与技术性能存在差异，17台工程应用25项，开挖掘进总长18.36km。20世纪国产TBM制造厂、数量与工程应用及典型主机主要技术性能参数分别见表1、表2[1- 13]。

典型主机及整机分别如图1、图2所示。

图2 上世纪国产TBM典型整机

4 国产TBM工程应用成效

17台国产TBM分别应用于云南西洱河一级、北京下苇甸、贵州红林与福建龙门滩二级水电站、北京十三陵水库、河北引滦入唐(包括引滦入还与引还入陡两段)、甘肃引大入秦与山东引黄济青引输水隧洞，杭州防空洞，以及北京凤凰山、贵州老罗堡与南山、江西青山与安源、山西小峪及王坪与东曲、云南羊场、陕西铜川、辽宁老虎台、广西桂林煤矿巷道(平硐)等25项工程，完成开挖掘进总长18.36km。工程应用成效见表3。

表1 20世纪国产TBM制造厂及数量与工程应用

注：改装型未重复统计，19台中Ф<3.0m小型2台，3.0≤Ф≤8.0m中型17台，工程应用17台。

5 总结及展望

5.1 总结

我国TBM自主研究、设计与制造，基本处于独立封闭式研发状态。国内多家科研设计单位与机械厂合作，制造出TBM总计52台，具实用性及工业性试验条件的17台TBM分别应用于水利水电引输水隧洞、防空洞及煤矿巷道(平硐)等不同类型工程25项，无铁路隧道工程，完成开挖掘进总长18.36km，月均进尺一般20.0～150.0m、最高202.1m；最高进尺31.5m/d、315.0m/月。单项工程应用开挖掘进长度大于1.0km的8项，最长3.65km，长度介于500.0～700.0m的6项，其余11项均小于400.0m，最短仅为78.2m；单台工程应用开挖掘进长度大于1.0km的8台，最长3.65km，长度介于0.5～1.0km的4台，其余5台均小于500.0m，最短仅为80.0m。

表2 20世纪国产TBM典型主机主要技术性能

我国TBM设计研究与生产制造起点较高，全部配装盘型滚刀，部分配装钢拱架、锚杆与喷混凝土等支护设备，整体结构与国外同期设备相近，但实际工程应用成效差距很大，且均为开敞式，机型单一。经大量工程调试运行、工业性试验及应用实践，主要存在工程应用成效差，技术性能与适应性差，可靠性低；构造不尽完善合理；钢材材质差；驱动推进、刀具与刀圈、大轴承与齿圈、机架、支撑等关键系统机构部件技术与制造工艺不过关，质量差，故障率高，寿命短，工效与利用率低；后配套不健全，以及操作、维修保养与管理技术落后等诸多问题，未能进入实用性批量生产。开挖掘进速度为同期国外TBM的1/5～1/10，设备利用率一般为10.0%～25.0%，最大约30.0%，停机率高于70.0%，单刀圈寿命一般小于150.0m，最长约210.0m，而同期国外TBM开挖掘进月均进尺一般500.0m以上，最高超越2.0km，日进尺最高大于100.0m，设备利用率为40.0%以上，停机率小于50.0%，单刀圈寿命大于300.0m。国产TBM相对差距很大，难以适应工程建设之需。

国产TBM虽存在诸多问题，但仍在8项工程应用中开挖掘进长度大于1.0km，实际施工曾达到月均进尺202.1m，最高进尺31.5m/d、315.0m/月的同期世界开敞式TBM施工中等水平。特别是在山西东曲煤矿巷道(平硐)完成开挖掘进巷长达3.65km，同时，引滦入唐新王庄输水隧洞也成为我国首座采用TBM及其技术开挖掘进贯通的隧洞(隧道与巷道)工程。并结合多项工程实践，对整机性能与配置、机架与支撑、刀盘及其驱动推进、刀具与刀圈、大轴承与内齿圈及其密封、齿轮减速、油缸与阀门、支护、减震、通风除尘、激光导向、高压供电、钢材材质，以及后配套与运输等关键系统、机构与部件进行了大量调试运行、工业性试验研究、技术攻关，取得一定技术成果与成效。

理论研究及重要部件研制也取得一定技术成果与成效。建立了刀具试验台，对刀具设计、材质、布设与破岩机理等进行研究，上海水工机械厂编纂了GB 4025—83《全断面岩石掘进机名词术语》，杭州机械设计研究所编制了《掘进机分类和技术条件》等标准。刀盘面板刀具配置及其布设与国外先进主流机型一致，采用定轴盘型滚刀，分为中心区双刃刀、正刀区及过渡区(边刀)单刃刀等三类。刀具材质及其热处理研究攻关取得较大进展，韧性与硬度大为提升，刀盘面板每盘Ф280.0～300.0mm刀圈理论寿命提高至310.0m，Ф350.0mm刀圈平均理论寿命达到460.0m。刀盘大轴承理论寿命达6000.0h，基本满足开挖掘进长6.0km要求，密封圈运转近3000.0h基本完好。35SiMnMo材质、模数18.0mm与硬度240.0～280.0HB的大内齿圈理论寿命超4000.0h，能够加工模数18.0mm与硬度320.0HB的大内齿圈，行星齿轮减速器与末级小齿轮运转近4000.0h基本正常，采用液压马达驱动刀盘机构，工作效率大为提高，油缸与阀门等部件性能基本满足需要。采用浮动全密封机头架及其支撑机构系统，支持隧洞(巷道)曲线开挖掘进，钢拱架安装机与锚杆钻机等支护机构系统协调工作，有效提高了穿越断层及其破碎带地层的能力，减震、通风除尘、激光导向等措施与设备构件取得显著进展。6.0KV高压电缆及移动式变压器随主机前行，基本满足施工供电需求，后配套系统平板车、皮带转载机、梭式矿车、翻车机与换车平台等主要设备研制成功，生产效率大为提升。

表3 20世纪国产TBM工程应用成效

5.2 展望

随着人类社会开发利用地球资源技术的进步，开发利用地下空间的高潮时代来临，地下工程施工机械及其技术将迅猛发展。大量隧洞(隧道与巷道)工程常规钻爆法及TBM法施工建设实践表明，正常情况下，TBM法施工效率为常规钻爆法的3～10倍，对于长及特长隧洞(隧道与巷道)，TBM法在安全、效率、技术、质量、生态环保等诸多方面效益显著。在受工期制约、穿越生态与自然保护区、注重绿色发展理念、保护生态环境的前提下，TBM法施工技术更具优越性。TBM法将是21世纪隧洞(隧道与巷道)工程施工建设的主要技术方案，而TBM设备是TBM法施工技术的关键核心。

展望未来，随着我国国民经济与基础设施建设的持续高速发展，在水利水电、长距跨流域引调水、铁路、地铁、轨道交通、公路、矿山、人防、地下管廊等诸多领域有大量工程亟需建设，隧洞(隧道与巷道)规模更大，工程地质环境更趋复杂，工程建设技术要求更高，集机、电、液、光技术于一体，安全、高效、环保及高度机械自动化的TBM具有广阔的应用前景。借鉴20世纪国产TBM研制及其工程应用及施工技术的快速发展所积累的技术成果、实践经验，未来我国TBM及其施工技术将朝着独立自主研发、持续创新、全面掌握核心技术、核心关键部件全面国产化、拥有完全知识产权方向发展，实现高端智能化、全自动化、信息化、数字化、可视化、模块化，并在多类型模式集成复合型、多功能、强地质适应性、仿真、优化系统开发、大直径、长寿命、非圆异型断面、大尺度变径、大断面公路隧道、微型、总体技术性能方面进一步全方位发展进步。

TBM高端重型掘进装备是“国之重器”，其研发制造涉及机械、结构、材料、动力、电气自动化、传动、信息与测控等诸多领域。建立我国自主TBM产业体系，是国家总体科技与工业技术水平的具体体现，对推动相关技术与产业全方位发展，提高我国综合国力具有非常重要的意义。21世纪以来，我国TBM重型装备研发迅猛发展，持续创新，大批国产TBM应用于国内长大隧洞(隧道与巷道)工程建设，并有多台应用于国外工程。

6 结语

我国TBM独立自主研制及其工程应用实践历经25年三个阶段，取得的成效、积累的技术成果和实践经验，为我国新世纪TBM及盾构机重型装备的自主研发、开拓创新、工业发展与广泛应用打下了坚实基础，加快实现了我国TBM重型装备由中国制造到中国创造的转变，为我国长大隧洞(隧道与巷道)工程建设提供了质优价廉的国产TBM设备，全面提升了我国地下工程建设技术水平。