论文部分内容阅读
摘要：掘进机在隧道工程中得到了越来越广泛的应用。该文主要介绍了隧道掘进机的发展简史以及近半个世纪以来在我国的应用情况，同时，简要分析了隧道掘进机的未来发展趋势，以及在我国发展中存在的问题、有利条件以及应用前景。
关键词：盾构；掘进机；隧道技术；问题；发展
中图分类号：U45文献标识码： A
引言
盾构法施工已是一门比较成熟的地下工程施工技术。我国盾构施工技术已取得了长足的进步，但与国外先进盾构技术相比，仍然存在一定差距，主要表现在关键部件的材质和耐久性方面。因此，需要进行不懈的开发、创新和积累，以形成我国独立的机械制造、隧道设计和施工管理技术。在这样的大背景下，为了更好、更经济、更安全地使用盾构、掘进机，为了使盾构、掘进机技术能更加适合我国的工程实际，有必要总结我国盾构、掘进机技术的现状，指出我国盾构、掘进机技术存在的问题，提出解决各种问题的办法和新思路，探讨今后盾构、掘进机技术的发展方向。
一、中国盾构、TBM隧道修建技术现状
当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构、TBM隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法之一，将发挥重要作用。
不同形式的盾构所适应的地层范围不同，盾构选型总的原则是安全性、适应性第一，以确保盾构法施工的安全、可靠、经济、快速。上海、广州及北京地区是我国盾构应用较多且较早的地区，这3个地区分别代表了我国3大区域的地层(3大典型地层)特征———软土地层、复合地层和砂卵石地层。砂卵石地层适合采用土压盾构和开敞式盾构施工，如北京地铁、成都地铁、沈阳地铁等；软土地层适合采用土压盾构施工，如上海地铁、南京地铁、苏州地铁等；复合地层适合采用复合盾构施工，如广州地铁和深圳地铁等。另外，黄土地层和膨胀土地层因最怕水加速地层变坏而适合采用无水土压盾构和开敞式无刀盘盾构施工，如西安地铁、合肥地铁；硬岩地层适合采用TBM掘进机施工。单洞单线地铁隧道宜选用直径为6～7m的盾构施工，应采用单层管片+混凝土复合式衬砌；单洞双线地铁隧道宜选用直径为10～12m的盾构施工，采用复合式衬砌。
二、隧道掘进机技术的研究现状
基于不同岩土体内掘进机工作模式和工程难点的不同，TBM和盾构掘进机技术的研究重点和热点问题也存在差异。
1、TBM研究现状
如何加快岩石掘进机的掘进速率和优化开挖过程是岩石隧道工程的主要问题，故TBM技术的研究热点问题主要集中在TBM滚刀的破岩机制和施工预测模型2方面。
2、TBM滚刀破岩机制
TBM的掘进过程是通过滚刀切割岩石和刀盘旋转形成连续破岩完成的，可分为2个阶段:第1阶段是刀盘在正推力作用下，滚刀对岩体产生压入作用，岩体产生变形和破坏，裂纹由滚刀接触部位产生，并且向四周扩展；第2阶段是2个滚刀之间裂纹的连接、贯通，岩片的形成，完成破岩过程，因此，TBM滚刀的破岩机制研究可以分为以下方面:1)滚刀的压入过程，主要采用压头实验和数值模拟研究；2)滚刀间的切割破岩过程，采用线性切割实验和数值模拟研究。
三、隧道掘进机技术研究和发展趋势探讨
随着社会经济的发展和城市化进程的推进，城市内发展地下轨道交通成为必然。随着能源需求的增长，更多的水利水电项目将规划修建，且这些工程中很多需要修建长距离的输水隧洞和地下发电厂房。伴随科学技术的发展，以往一些技术上存在障碍无法修建的高埋深大直径的山岭隧道和跨海隧道也随之产生，大大提高了交通速度，方便了物质的交换和人们的交流，21世纪将是地下空间的世纪。自上世纪中叶问世以来，伴随着科学技术的迅速发展，隧道掘进机技术取得了重大进展，它以快速、优质、安全和环保等特点，逐渐成为地下工程建设中的主要施工方法和手段。隧道掘进机适用地层范围越来越广，已经从相对单一的岩石或者土类岩土体发展到混合地层交替，高地应力或者节理、断层发育的复杂岩土体中，但对其在复杂地层中的掘进理论、施工力学理论以及环境影响控制方面的研究还不够深入彻底，还有以下问题和工作需要深入分析和研究。
（一）TBM掘进机制深入系统的研究和预测模型的建立。TBM破岩机制直接关系到TBM刀盘选型、设计和开挖性能的评价。目前，硬岩条件下TBM破岩机制的研究主要是通过理论分析、实验研究以及数值模拟3个方面进行的。国内外学者提出了很多种破岩理论，但对TBM滚刀作用下岩石的破坏过程、破坏作用方式仍然是众说纷纭，对破岩现象研究还不够深入透彻。TBM施工预测模型主要是用于掘进性能的评价和预测，不同的研究者针对不同的工程提出了多种预测模型，但这些模型都是基于大量不同岩性地层、不同TBM机器类型的工程数据上发展起来的，针对性较强，在其他实际工程运用中预测精度不高，应用效果不理想，截至目前还没有一种普遍适用于不同工程的通用预测模型。TBM预测模型的适用性与工程岩体特性和TBM机器参数紧密相关，从这个意义上来说，每个独立的TBM工程其适用的预测模型是不一样的。因此，预测模型的研究更多是要专注于形成一套建立模型的方法和流程，而这些需要对不同工程岩体特性下TBM滾刀破岩机制的深入了解，进而选择合理、合适的影响参数。
（二）地应力影响下TBM掘进机制和施工力学过程、预测模型的研究。目前，世界范围内将有一批水电引水隧洞、调水隧洞以及交通隧道规划修建，而它们都处于高山峡谷地区，会面临埋深大、岩石坚硬、高地应力和地质结构复杂等情况。地应力对TBM滚刀破岩模式的影响、复杂地质条件下的施工措施和预案、地应力在TBM施工预测模型中的作用等相关课题均需继续深入研究。
（三）复合地层中盾构掘进力学机制和施工过程控制理论研究。随着我国城市化进程的推进，大量城市地铁即将修建，这些地铁修建中大部分将采用盾构法施工，在修建过程中可能会遇到诸如上软下硬的复合地层，会给盾构施工带来刀盘震动、刀具磨损严重和地表沉降等问题。因此，需要开展复合地层中刀盘作用力学机制的研究，明确刀盘力学作用和复合地层地质力学参数的匹配关系，进而拟定复合地层中盾构施工控制的对策和方案。
（四）城市盾构中掌子面稳定和地表沉降控制理论研究。在城市地铁修建中，盾构施工对掘进面稳定和地表沉降控制比较严格，需要发展和完善盾构掌子面稳定和地表沉降控制理论，健全施工力学控制理论，提高地表沉降预测精度，加强环境控制施工对策的研究。
（五）复杂地质条件下隧道掘进机的掘进机制和施工对策研究。隧道掘进机技术越来越成熟，工程应用也越来越广泛，工程中遇到复杂地质地层的情况也越来越普遍。如节理岩体和砂卵石地层中掘进机会出现刀具磨损大、施工进度慢等问题，需要开展复杂地层中掘进力学机制和施工对策研究。
（六）复合掘进机技术的应用和发展。针对隧道施工过程中可能碰到的软硬地层交替出现、地质条件变化剧烈的情况，复合隧道掘进机应运而生，在稳定性好的围岩中采取开敞式模式掘进，在稳定性差的地层中采用土压平衡式或者泥水平衡式模式。目前，复合掘进机技术产品主要有NFM复合式TBM、罗宾斯混合式TBM和海瑞克泥水－土压平衡转换式TBM、SELI兼具开敞式和双护盾特点的DSU或DSUC机型。复合掘进机技术的出现大大提高了掘进机适应地层的范围，虽然应用过程中还存在着较多的问题，但它仍将会成为未来掘进机技术发展的趋势之一。
结束语
本文总结了盾构技术的国内外研究现状，论述了近年来新的盾构技术，指出我国盾构技术在关键技术上已经取得突破性进展，最后对盾构技术的发展进行了展望。
参考文献
［1］彭琦．TBM滚刀破岩机理和掘进影响因素分析研究［D］．四川:四川大学水利水电学院，2011．
［2］张鹏．TBM滚刀布置与刀盘结构参数优化设计研究［D］．辽宁:大连理工大学机械设计及理论学院，2009．
［3］杨晓刚．复杂长隧洞TBM施工过程反震优化研究［D］．天津:天津大学建筑工程学院，2005．
关键词：盾构；掘进机；隧道技术；问题；发展
中图分类号：U45文献标识码： A
引言
盾构法施工已是一门比较成熟的地下工程施工技术。我国盾构施工技术已取得了长足的进步，但与国外先进盾构技术相比，仍然存在一定差距，主要表现在关键部件的材质和耐久性方面。因此，需要进行不懈的开发、创新和积累，以形成我国独立的机械制造、隧道设计和施工管理技术。在这样的大背景下，为了更好、更经济、更安全地使用盾构、掘进机，为了使盾构、掘进机技术能更加适合我国的工程实际，有必要总结我国盾构、掘进机技术的现状，指出我国盾构、掘进机技术存在的问题，提出解决各种问题的办法和新思路，探讨今后盾构、掘进机技术的发展方向。
一、中国盾构、TBM隧道修建技术现状
当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。盾构、TBM隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法之一，将发挥重要作用。
不同形式的盾构所适应的地层范围不同，盾构选型总的原则是安全性、适应性第一，以确保盾构法施工的安全、可靠、经济、快速。上海、广州及北京地区是我国盾构应用较多且较早的地区，这3个地区分别代表了我国3大区域的地层(3大典型地层)特征———软土地层、复合地层和砂卵石地层。砂卵石地层适合采用土压盾构和开敞式盾构施工，如北京地铁、成都地铁、沈阳地铁等；软土地层适合采用土压盾构施工，如上海地铁、南京地铁、苏州地铁等；复合地层适合采用复合盾构施工，如广州地铁和深圳地铁等。另外，黄土地层和膨胀土地层因最怕水加速地层变坏而适合采用无水土压盾构和开敞式无刀盘盾构施工，如西安地铁、合肥地铁；硬岩地层适合采用TBM掘进机施工。单洞单线地铁隧道宜选用直径为6～7m的盾构施工，应采用单层管片+混凝土复合式衬砌；单洞双线地铁隧道宜选用直径为10～12m的盾构施工，采用复合式衬砌。
二、隧道掘进机技术的研究现状
基于不同岩土体内掘进机工作模式和工程难点的不同，TBM和盾构掘进机技术的研究重点和热点问题也存在差异。
1、TBM研究现状
如何加快岩石掘进机的掘进速率和优化开挖过程是岩石隧道工程的主要问题，故TBM技术的研究热点问题主要集中在TBM滚刀的破岩机制和施工预测模型2方面。
2、TBM滚刀破岩机制
TBM的掘进过程是通过滚刀切割岩石和刀盘旋转形成连续破岩完成的，可分为2个阶段:第1阶段是刀盘在正推力作用下，滚刀对岩体产生压入作用，岩体产生变形和破坏，裂纹由滚刀接触部位产生，并且向四周扩展；第2阶段是2个滚刀之间裂纹的连接、贯通，岩片的形成，完成破岩过程，因此，TBM滚刀的破岩机制研究可以分为以下方面:1)滚刀的压入过程，主要采用压头实验和数值模拟研究；2)滚刀间的切割破岩过程，采用线性切割实验和数值模拟研究。
三、隧道掘进机技术研究和发展趋势探讨
随着社会经济的发展和城市化进程的推进，城市内发展地下轨道交通成为必然。随着能源需求的增长，更多的水利水电项目将规划修建，且这些工程中很多需要修建长距离的输水隧洞和地下发电厂房。伴随科学技术的发展，以往一些技术上存在障碍无法修建的高埋深大直径的山岭隧道和跨海隧道也随之产生，大大提高了交通速度，方便了物质的交换和人们的交流，21世纪将是地下空间的世纪。自上世纪中叶问世以来，伴随着科学技术的迅速发展，隧道掘进机技术取得了重大进展，它以快速、优质、安全和环保等特点，逐渐成为地下工程建设中的主要施工方法和手段。隧道掘进机适用地层范围越来越广，已经从相对单一的岩石或者土类岩土体发展到混合地层交替，高地应力或者节理、断层发育的复杂岩土体中，但对其在复杂地层中的掘进理论、施工力学理论以及环境影响控制方面的研究还不够深入彻底，还有以下问题和工作需要深入分析和研究。
（一）TBM掘进机制深入系统的研究和预测模型的建立。TBM破岩机制直接关系到TBM刀盘选型、设计和开挖性能的评价。目前，硬岩条件下TBM破岩机制的研究主要是通过理论分析、实验研究以及数值模拟3个方面进行的。国内外学者提出了很多种破岩理论，但对TBM滚刀作用下岩石的破坏过程、破坏作用方式仍然是众说纷纭，对破岩现象研究还不够深入透彻。TBM施工预测模型主要是用于掘进性能的评价和预测，不同的研究者针对不同的工程提出了多种预测模型，但这些模型都是基于大量不同岩性地层、不同TBM机器类型的工程数据上发展起来的，针对性较强，在其他实际工程运用中预测精度不高，应用效果不理想，截至目前还没有一种普遍适用于不同工程的通用预测模型。TBM预测模型的适用性与工程岩体特性和TBM机器参数紧密相关，从这个意义上来说，每个独立的TBM工程其适用的预测模型是不一样的。因此，预测模型的研究更多是要专注于形成一套建立模型的方法和流程，而这些需要对不同工程岩体特性下TBM滾刀破岩机制的深入了解，进而选择合理、合适的影响参数。
（二）地应力影响下TBM掘进机制和施工力学过程、预测模型的研究。目前，世界范围内将有一批水电引水隧洞、调水隧洞以及交通隧道规划修建，而它们都处于高山峡谷地区，会面临埋深大、岩石坚硬、高地应力和地质结构复杂等情况。地应力对TBM滚刀破岩模式的影响、复杂地质条件下的施工措施和预案、地应力在TBM施工预测模型中的作用等相关课题均需继续深入研究。
（三）复合地层中盾构掘进力学机制和施工过程控制理论研究。随着我国城市化进程的推进，大量城市地铁即将修建，这些地铁修建中大部分将采用盾构法施工，在修建过程中可能会遇到诸如上软下硬的复合地层，会给盾构施工带来刀盘震动、刀具磨损严重和地表沉降等问题。因此，需要开展复合地层中刀盘作用力学机制的研究，明确刀盘力学作用和复合地层地质力学参数的匹配关系，进而拟定复合地层中盾构施工控制的对策和方案。
（四）城市盾构中掌子面稳定和地表沉降控制理论研究。在城市地铁修建中，盾构施工对掘进面稳定和地表沉降控制比较严格，需要发展和完善盾构掌子面稳定和地表沉降控制理论，健全施工力学控制理论，提高地表沉降预测精度，加强环境控制施工对策的研究。
（五）复杂地质条件下隧道掘进机的掘进机制和施工对策研究。隧道掘进机技术越来越成熟，工程应用也越来越广泛，工程中遇到复杂地质地层的情况也越来越普遍。如节理岩体和砂卵石地层中掘进机会出现刀具磨损大、施工进度慢等问题，需要开展复杂地层中掘进力学机制和施工对策研究。
（六）复合掘进机技术的应用和发展。针对隧道施工过程中可能碰到的软硬地层交替出现、地质条件变化剧烈的情况，复合隧道掘进机应运而生，在稳定性好的围岩中采取开敞式模式掘进，在稳定性差的地层中采用土压平衡式或者泥水平衡式模式。目前，复合掘进机技术产品主要有NFM复合式TBM、罗宾斯混合式TBM和海瑞克泥水－土压平衡转换式TBM、SELI兼具开敞式和双护盾特点的DSU或DSUC机型。复合掘进机技术的出现大大提高了掘进机适应地层的范围，虽然应用过程中还存在着较多的问题，但它仍将会成为未来掘进机技术发展的趋势之一。
结束语
本文总结了盾构技术的国内外研究现状，论述了近年来新的盾构技术，指出我国盾构技术在关键技术上已经取得突破性进展，最后对盾构技术的发展进行了展望。
参考文献
［1］彭琦．TBM滚刀破岩机理和掘进影响因素分析研究［D］．四川:四川大学水利水电学院，2011．
［2］张鹏．TBM滚刀布置与刀盘结构参数优化设计研究［D］．辽宁:大连理工大学机械设计及理论学院，2009．
［3］杨晓刚．复杂长隧洞TBM施工过程反震优化研究［D］．天津:天津大学建筑工程学院，2005．