TBM是在1846年由意大利人Maus发明的，1851年，美国人查理士·威尔逊于开发了一台蒸汽机驱动的TBM，在花岗岩中试用，未获成功。在以后的30年，国外设计试制了各式各样的TBM共13台，均有所进步；比较成功的是1881年波蒙特开发的压缩空气式TBM，成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑，共掘进了3mile多。从1881～1926年间，一些国家又先后设计制造了21台TBM之后，因受当时技术条件的限制，TBM的开发处于停滞状态。主要是由于刀具破岩问题未得到有效解决、施工效率难以与钻爆法相媲美，致使TBM无用武之地。直至1956年，通过采用滚刀技术，成功解决了TBM刀具破岩问题，从此TBM得到了广泛的推广与应用。

根据调研情况，目前TBM生产主要有三种模式：国外进口、国内自主研发和国内外合作。

经过多年的经验积累和技术创新，国外TBM技术已经相对成熟，制造TBM的厂家主要有罗宾斯、海瑞克、三菱、小松、维尔特和拉瓦特等三十多家生产商，但技术成熟、实力较强、市场份额较大的主要有罗宾斯、海瑞克和维尔特。

根据调研情况，国外主要TBM厂商如下：

（1）美国罗宾斯公司（Robbins）

1951年成立，专长生产硬岩TBM,直径范围1.5~15m，生产了400多台开敞式TBM，累计掘进长度近3000km，生产了50台双护盾TBM,掘进长度550km；  其为尼亚加拉隧道生产的硬岩掘进机是目前世界上最大直径的TBM(14.4m)，并首次采用了20英寸的滚刀。

图 6-1 罗宾斯公司

（2）德国海瑞克公司（HERRENKECTHT AG）

1977年成立，专长生产盾构和TBM，1985年研制出能在地下水位下工作的大直径TBM。1988年制造出直径大于10m的混合盾构TBM。其生产的4台撑靴式硬岩掘进机在哥达基线隧道项目中完成了超过85km的主线隧道施工，同时创造了日掘进56m的记录，并且在施工控制上实现了毫米级精度—贯通式距设计路线水平方向偏离4毫米, 垂直方向偏离8毫米。

图 6-2 海瑞克公司

（3）德国WIRTH公司

1955年成立，专长生产硬岩TBM,生产了120多台硬岩TBM,掘进长度达600km。我国铁路行业，首次在西康铁路秦岭隧道应用的两台TBM的就是从该公司引进的（8.8m）。但是目前该公司的相关业务已被国内企业收购。

国内TBM研发工作始于1964年，由上海勘测设计院、北京水电学院联合进行方案设计。1965年，由上海勘测设计院牵头研制出1台直径3.5m的TBM，并在云南下关的西洱河水电站引水隧洞进行工业性试验，工程岩性以花岗片麻岩及石灰岩为主，抗压强度为100~240MPa,最高月进尺为48.5m。后来因为种种原因，我国TBM技术进展较为缓慢。进入21世纪以来，作为国家振兴装备制造业重点发展的16个领域的重大技术装备之一，TBM产业迎来前所未有的发展机遇。

中铁工程装备集团有限公司（简称“中铁装备”）、中国铁建重工集团有限公司（简称“铁建重工”）、三三工业等应运而生，截至目前均已具备较强的TBM设计制造能力。

1）中铁隧道装备制造有限公司

原属于从事工程施工的中铁隧道集团有限公司，在使用掘进机进行隧道施工中积累了丰富经验，后独立成专业的以掘进机生产为主的装备制造公司。2009年底，中国中铁股份公司对内部盾构加工制造资源进行整合重组，以中铁隧道集团有限公司为依托，在郑州国家级经济技术开发区注册成立了由中国中铁控股，中铁隧道集团、中铁科工集团参观的中铁隧道装备制造有限公司，成为中国中铁旗下集研发制造、组装调试、营销租赁、售后服务为一体的隧道装备专业化制造公司。中铁装备2013年收购德国维尔特硬岩掘进机知识产权和品牌使用权及相关业务一跃成为世界三大硬岩掘进机制造企业之一，2015年生产国内首台大直径TBM,其生产的“中铁188号”下线，并成功应用于吉林引松供水项目，克服了多处溶洞群、炭质板岩段、断层破碎带、土层侵入洞段、特大涌水涌泥等不良地质，平均月进尺达600多米，并创造了月进尺1226米的开敞式TBM连续掘进的全国记录。2017年8月，中铁装备成功研制国内最大直径硬岩掘进机“彩云号”，彩云号增设了大尺度扩挖设计、钢筋排支护系统、前区即时喷混机械手系统、全周嵌藏式超前探测和超前注浆系统、在线实时超前地质预报系统、通风制冷系统等，以应对围岩变形、断层破碎带和岩爆、突水突泥、高地热等掘进中可能会遇到的风险。

图 6-3 中铁装备集团

 2）中国铁建重工集团有限公司

前身为中铁轨道系统集团有限公司，是中国铁建股份公司于2007年在长沙组建的集铁路轨道集团、城市轨道交通系列产品和重型施工装备研发、制造、施工、检测为一体的大型企业集团，集团下属的隧道装备公司生产土压平衡盾构机、泥水平衡盾构及硬岩掘进机等全断面隧道掘进装备。其产品广泛应用于轨道交通工程、水利水电工程、煤矿平硐工程等领域，开敞式TBM主要用于吉林中部引松供水工程和新疆ABH输水隧洞项目。

图 6-4 中铁重工集团

3）辽宁三三工业有限公司

辽宁三三工业有限公司成立于2009年，位于辽宁省辽阳市向阳工业园区，隶属于装备制造业，为科技型民营企业；公司主导产品为盾构机/TBM隧道掘进机和大重型数控机床；公司拥有辽宁省盾构机/TBM隧道掘进机工程技术中心和辽宁省重型机床工程技术研发中心，为省先进就业示范企业、省诚信示范企业、省重型装备行业重点企业和高新技术企业。目前，三三工业已成为国内排名前三位的盾构隧道掘进机制造企业，年生产能力30台。辽宁三三工业有限公司（LNSS）于2014年全资收购了卡特彼勒加拿大隧道设备有限公司（前LOVAT公司），其主要生产较小直径的TBM。

国外TBM制造商在中国的投标一旦中标后，为了降低制造成本，会选择国内的制造厂合作生产TBM及后配套设备，往往把一些钢结构件，如刀盘、机架、盾壳、后配套平台车等钢结构件交由国内的制造厂生产，外方负责图样、技术及监督制造。精度较高的部件或关键配件由外方制造或采购，运到国内制造厂组装。合作案例如下：

(1)1996年维尔特公司与铁道部宝鸡工程机械厂合作生产用于秦岭隧道维尔特TB880E掘进机后配套设备。制造了7号～18号平台车(含上部构件)12节，20m3出碴矿车26台。

(2)1998年罗宾斯公司与上海隧道股份有限公司合作生产2台φ4.84m双护盾TBM，刀盘、盾壳等结构件由上海制造，外方负责图样、技术及监督制造。其他部件由外方制造或采购后运到上海组装。1998年底出厂，用于山西引黄入晋南干线。

(3) 2001年以来中国二重与美国罗宾斯公司合作，为新加坡制造了φ4.2m双护盾TBM刀盘、盾壳等结构件，外方负责图样、技术及监督制造，其他部件、配件由外方制造或采购后，运到中国第二重型机械厂组装。2002年7月～2003年3月为云南昆明掌鸠河引水工程制造了φ3.65m双护盾TBM，该机已于2003年4月在现场完成安装并投入使用，整机设备运行良好。

(4) 2004年罗宾斯公司与大连重工·大连起重集团公司(以下简称大重大起公司)合作生产2台φ8.03m(MB264—310，MB264—311)开敞式TBM，部分结构件由大重大起公司制造，外方负责图样、技术及监督制造。其他部件、配件由外方运到大重大起公司组装。2005年用于辽宁省大伙房引水工程TBM一标及三标。

(5) 2004年维尔特公司与河南新乡中铁隧道股份有限公司合作生产TBM后配套平台车的结构件，由维尔特公司提供图样及督造，2004年底用于辽宁省大伙房引水工程TBM二标。

(6) 2004年海瑞克公司与广州重型机器厂(简称广重)、武汉重型机床厂以及陕西宝鸡工程机械厂合作生产一台直径6.76m的双护盾硬岩掘进机，主机钢结构由武汉重型机床厂生产，后配套台车架由宝鸡工程机械厂制造，刀盘由广重生产，海瑞克公司负责图样、技术及监督制造，其他部件、配件由外方运到广重，整机组装在广重进行，2005年用于新疆大坂引水隧洞工程。

通过广泛的调研分析，结合工程实际，提出下列三种施工方法：

7.1.1 TBM一次开挖成型（拟建沿江高速火山隧道）

国内见于报道的采用TBM施工的多雄拉隧道就采用一次开挖成型的方法，该隧道全长4784米，建筑限界净宽7.0m,净高4.5m，为双车道双向行车隧洞，最大埋深约为820m，采用德国海瑞克双护盾TBM独头逆坡掘进，开挖直径9.13m,管片衬砌，成洞洞径8.1m，围岩以混合片麻岩为主，隧道施工将面临高寒缺氧、高地湿、高地应力等诸多挑战，单月最大进尺561.17m。但该隧道为二级公路隧道，而根据现有公路隧道设计规范，设计时速120km/h的高速公路隧道建筑限界宽度一般为11m，考虑单层支护厚度0.5m，则TBM最小开挖直径为13m，但在实际施工过程中为了防止刀盘卡机，往往会设置一定的扩挖量，并且在不良地质区段，支护厚度可能会更大，综合考虑上述因素，则为了满足高速公路隧道的限界要求，TBM的直径应在13.5m左右，将是国内最大直径TBM开挖隧道。但目前还没有如此大直径的TBM应用先例，且这么大直径TBM的相关设计和制造技术尚不成熟，同时运输、安装难度较大，且成本远远高于10m以下TBM，同时海瑞克等厂商不建议采用10m以上直径的TBM。

图7-1 沿江高速火山特长隧道建筑限界

图7-2 沿江高速火山特长隧道全断面开挖

图7-3 仰拱通风道

TBM施工圆形断面施工不可避免的造成隧道仰拱部分空间浪费较大，为充分利用路面以下富余空间并减少仰拱回填混凝土数量，计划将通风道设置在路面下。分段纵向式通风通过风道将隧道中部污风排出并送入新鲜风，风道发挥通风井的作用。隧道内采用射流风机进行通风。

表7-1 经济指标分析

沿江高速特长隧道如采用TBM施工，考虑设备折旧摊销及维修等费用（TBM设备单价2.5亿元，按60%摊销；开挖单价按400元/m3计算），单洞每延米造价约14万/米，采用常规钻爆法开挖延米造价约5.2万/米。TBM施工可以减少约1.5km斜井，若考虑1台TBM单个掌子面开挖全部左右洞，包含机器拆装转场时间，与钻爆法四个工作面施工工期接近。从经济上考虑，火山隧道采用TBM不甚合理，但取消斜井降低了施工难度。

7.1.2 导洞扩挖方案

表 7-2意大利1982~1991年采用开敞式TBM开挖导洞的隧道

在国外长大隧道施工中普遍采用该方法，如上表所示。该方法先期使用小直径开敞式TBM进行掘进，后期采用钻爆法或扩大式TBM进行扩孔，在2座平行长大隧道施工中可以在一条洞中采用小直径TBM进行超前导洞开挖，另一条洞采用钻爆法施工。这种方法能及时探明地质情况，有助于制定主洞开挖方案，能在左右洞之间增加任意多的横洞辅助另外一条隧道的施工，同时可以解决主隧道的通风排水问题。

中导洞方案优点明显，同时缺点也突出。最主要的就是经济性问题，当TBM开挖的导洞围岩条件较好时（III级围岩及更好），导洞可不支护或少支护，当围岩条件不好时，导洞的临时支护工程量将是一个很大的数字，这些临时支护将来在正洞扩挖时还要拆除，浪费较大，因此仅适用于控制全线工期的长大隧道（通常10km以上的特长隧道），采用常规方法施工无法满足时间要求的情况。

图7-4 导洞扩挖方案

7.1.3中导洞方案（拟建乐西高速大凉山隧道）

拟建乐西高速大凉山隧道拟采用该方案进行施工，设计中导洞长度为主洞的一半，总长7.5km，采用TBM施工。该方案是在左右洞之间先施工导洞，待该导洞施工完成后，通过中导洞向左右洞施工横通道，这样可以在不采用竖井、斜井等辅助洞的条件下实现长隧道的多工作面同时施工，同时中导洞施工中可以探明不同里程处的围岩情况，为主洞钻爆法施工提供指导，此外中导洞还能作为隧道施工、运营期的通风及防灾救援通道，这一点对于超特长隧道而言尤为重要。

图7-5 中导洞施工方案

（1）该项目地质条件基本可行；进出口端场地条件基本满足，出口西昌端靠近县城更便于运输，但业主现明确是从乐山端进洞；业主、设计TBM选型为直径7.5至8米的开敞式TBM；TBM用于实施大凉山隧道两个主洞中间的施工辅助通道、运营应急通道，两条主洞计划采用钻爆法实施；该TBM导洞现仅实施7.5公里左右，而大凉山隧道长度14.6公里。

（2）若实施该TBM导洞，考虑重大变更:TBM导洞实施完成14.6公里。

（3）若实施该TBM导洞，施工设备采用开敞式TBM，设备预算价格：137,500,000.00 RMB；设备现生产时间为设计开始后14-15个月；采用连续 15.5km皮带机出渣，价格：40,000,000.00 RMB (已包含进口关税和增值税)。

（4）若实施该TBM导洞，项目管理及操作人员可采用引进外部人员+内部人员的模式进行。经调研后，已基本完成引进人员的对象、方案，基本确保满足TBM实施。设备厂家也可提供后续全部操作人员，但费用较高。设备厂家可提供指导人员，帮助我司内部人员2年内上手。

7.2.1 硬岩条件下TBM掘进

在岩石强度高、完整性好的岩层中TBM主要存在的问题为：

（1）掘进速度慢，刀具损耗多，换刀工作量大；

（2）对刀盘结构及刀座影响较明显；

（3）设备振动明显增大，影响设备结构安全，故障率增高。

（a）破岩轨迹

b）开挖后洞壁

（c）刀具破损

（d）刀具偏磨

图7-4 硬岩TBM掘进

主要的应对措施为：

（1）加强刀具使用管理

（2）加强设备检查保养力度

（3）严格控制掘进参数，注意调向幅度

7.2.2 高地应力

在该地层中施工时主要存在的问题有：

（1）围岩不稳定，形成塌方，掘进机效率将大大降低

（2）对设备和人员的安全造成威胁

（3）洞壁围岩的破坏，无法提供足够的撑靴反力

（4）造成滚刀的异常磨损及轴承的破坏

主要的应对措施为：

表 7-3 支护措施

图7-5 高地应力段应对措施

此外，还可以通过采用合适的掘进参数来应对高地应力。

7.2.3 岩爆

岩爆是TBM施工中常见的问题之一，即时型岩爆发生在刀盘前部，容易造成刀具损坏、卡机，滞后型岩爆发生在护盾后部，极大威胁人员及设备安全。而开敞式TBM并不能很好的解决岩爆问题，在锦屏二级水电站工程岩爆段施工中平均日进尺仅为5.13m。

图7-6 掌子面岩爆

图7-7 掌子面岩爆造成刀具损坏

图7-8 TBM护盾后部岩爆

针对岩爆主要的应对措施有以下几种：

（1）加强超前地质预报

（2）及时喷水

（3）施作应力释放孔

（4）加强初期支护

（5）人员、设备安全防护

（6）极强岩爆导洞法

7.2.4 涌突水

在围岩裂隙发育、地下水丰富的地层中进行TBM施工时，容易遇到突涌水，造成施工困难，TBM电气与控制系统故障率升高，大流量突涌水由于排水不及时可能会淹没布置于下方的设备而造成较大事故，特别是下坡掘进、反坡排水时，若排水系统能力不足会导致水位上升，甚至淹没TBM，严重危及人员及设备安全。

图7-9 涌突水灾害

在有涌突水风险的地层中施工时可以采用如下措施：

（1）超前探水

（2）配备完善的排水系统

（3）防雨棚保护电气设备

（4）必要时配备逃生和避险设施

（5）灌浆堵水

（6）超前排水

图7-10 防雨棚设置

图7-11 隧道涌水封堵

在施工过程中对地下水的处理流程如下图所示：

图7-12 地下水处理流程

7.2.5 断层破碎带

断层破碎带围岩往往稳定性差，会导致坍塌、挤压变形，并且可能伴随涌水，甚至发生突泥、突水，严重影响TBM掘进施工，甚至会导致TBM长时间停机。根据坍塌的部位不同可以分为拱顶坍塌、两侧坍塌和掌子面坍塌。

图7-13 拱顶（左）与侧壁（右）坍塌

不同部位的坍塌造成的影响不同，如拱顶坍塌体坠落，会造成人员与设备损伤，两侧坍塌会影响撑靴撑紧洞壁，撑紧力不足导致无法提供足够的推力和扭矩，TBM主机姿态发生改变；掌子面坍塌如果坍塌范围较小，对掘进施工影响不大，但刀具异常损坏会比较严重；如果坍塌范围较大，坍塌体积大，有可能造成刀盘被卡。坍塌造成出渣量瞬间增加，如果超过皮带机的最大承载能力，则皮带机出渣运输系统瘫痪，被迫频繁停机。同时处理难度大、耗费时间较长，厄瓜多尔CCS水电站施工中发生两次较为严重的卡机事故，处理时间分别为8个月和6个月。

目前施工中针对断层破碎带主要采用如下措施进行处理：

（1）一般的破碎带，利用TBM自身支护手段，安装钢筋排、拱架、锚杆就可以安全通过。

图7-14 钢筋排快速支护

（2）对于岩石非常破碎且长度较长的破碎带，TBM掘进困难时需要进行超前支护或采用导洞法开挖，解困刀盘和护盾。

（3）对已开挖段进行注浆加固，对大变形段换拱。

图7-15 注浆加固（左）与换拱处理（右）

7.2.6 高地温

高岩温导致洞内高温，对于作业人员、施工设备都会造成不利影响，甚至危及人员及设备运行的安全。如在建高黎贡山铁路隧道孔钻探实测地下水温最高达102摄氏度。目前TBM施工中应对高地温的应对措施主要有：

（1）加强通风

现在TBM基本都配备性能可靠的欧美进口风机和高性能的通风软管，能够满足通风需要。

图 7-16 TBM通风系统

（2）局部制冷

TBM后配套上配备制冷设备，运送冰块到相应部位，辅助降温。

图5-17 TBM制冷设备

（3）洒水降温

TBM的施工组织设计应充分考虑到TBM设备的采购周期较长的特点，按工期要求，有计划地合理组织好TBM及后配套设备的采购工作，要做到是“三个充分”：

应充分考虑TBM对地质的适应性，根据隧道的围岩条件选用适应地质条件的TBM，合理组织好TBM及后配套设备的选型，并组织好TBM设备的监造工作。

应充分考虑到使用TBM的特殊性，作好施工现场的准备工作，包括用电线路的架设，通往施工现场的道路、桥梁的修筑和加固，临时工程的施工工作，组织好TBM大件的运输、安装、调试、掘进准备工作，并作好技术培训和材料、机具需要量计划；这些与TBM的购置同步进行。

应充分考虑TBM施工的特点和TBM通过特殊地质地段的设计方案、工程措施以及场地及水电情况对TBM的特殊要求。

根据调研其他施工单位的人员配置情况，8m左右硬岩掘进机各工班工程技术人员配置如下表所示。

表7-5  TBM施工人员配置

注：按2班12小时，干1班休息24小时安排。

1.TBM技术在国内外铁路、水力水电、及煤炭能源领域已经得到了广泛的应用，常规直径的TBM设计、制造、施工技术也已经较为成熟。较之传统钻爆法施工，TBM技术具有明显的优点，主要体现在掘进速度和施工安全性方面，但是也存在很多缺点。

2.山区高速向长、大、深发展，跨河、跨海、地铁、城市管廊隧道逐渐成为未来隧道工程的增长点，集团作为川内最大的工程承包商，未来的世界500强企业，面对愈加激烈的挑战和竞争，为了进一步拓宽市场、在更加高端的项目上有所作为，有必要在TBM为代表的先进装备、工艺上进行尝试，争取成为国内地下工程施工行业中的领军者。

3.在TBM设备选型方面，在地质条件适宜的情况下，大直径开敞式TBM是可行的，10m直径以下的开敞式TBM在大埋深、高地应力地层有很多成熟的案例，但是超大直径开敞式TBM成功案例较少，因此在大埋深、高地应力地层中应谨慎采用超大直径的开敞式TBM(10m以上)。

4.目前有多家生产TBM的国内外厂家，国外厂家在长期的设计生产过程中积累了大量经验，但国产厂家近年来通过引进消化吸收，也掌握了TBM相关技术，相关产品也经受住了国内外众多工程的考验。根据初步分析，国内外各个厂家的特色主要体现在刀盘设计、刀具布置以及配套设施的设计上，而重要部件均采用世界上几大主流设备厂商的产品，如主轴承都采用德国的罗特艾徳、IMO、FAG和瑞典的SKF这四家的产品，锚杆钻机也基本上采用阿特拉斯等公司的产品，主机控制系统主要采用西门子、施耐德等著名厂商的产品。进口设备和国产设备在性能、价格、后期维护保养方面各有所长，接下来我们会对国内正在施工的TBM的运行状况进行跟踪、评价，为购买决策提供支撑。

5.由于目前大部分TBM直径均为为10m直径以下，相关技术已经成熟，因而造价较为合理，而超大直径的造价增幅较大。

6.经过长期的实践，目前对于不良地质条件下TBM已经有了相对成熟的处理方法，如果设备选型合理，则在技术上是可行的。

7.采用TBM一次成型无论从技术还是成本上均不是最优方案，而采用TBM先进行导洞开挖再采用钻爆法进行扩挖或者采用中导洞配合钻爆法施工的方案较为合理，如果该技术在公路隧道施工中能成功应用，则会对超特长公路隧道的施工技术起到重要的促进作用。

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