導(dǎo)語(yǔ)：隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1隧道掘進(jìn)機(jī)的分類

隧道掘進(jìn)機(jī)作為目前廣泛使用且具有良好應(yīng)用前景的掘進(jìn)設(shè)備，依據(jù)掘進(jìn)巖土體強(qiáng)度大致可分為巖石隧道掘進(jìn)機(jī)和土體隧道掘進(jìn)機(jī)2類，前者在國(guó)內(nèi)一般稱作TBM（即巖石隧道掘進(jìn)機(jī)），后者一般稱為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。巖石掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的巖石一般比較堅(jiān)硬，掘進(jìn)速率、施工進(jìn)度和滾刀刀具的磨損是制約施工進(jìn)度與造價(jià)的主要因素。在堅(jiān)硬巖石地層中，巖體一般具有自穩(wěn)能力，開(kāi)挖過(guò)程不需要進(jìn)行特殊處理來(lái)保證巖體穩(wěn)定。若碰到特殊巖體地層（如軟弱巖體、大斷層通過(guò)的地層），則需要考慮采用護(hù)盾來(lái)保證掘進(jìn)機(jī)的正常和安全運(yùn)行［1］。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，土體較軟，易于開(kāi)挖，開(kāi)挖掘進(jìn)速度不是盾構(gòu)面臨的主要問(wèn)題，保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定和減小開(kāi)挖引起的土體沉降是盾構(gòu)開(kāi)挖的關(guān)鍵。盾構(gòu)中一般采用護(hù)盾和開(kāi)挖面的土壓平衡、泥水平衡或者氣壓平衡等方式來(lái)保證開(kāi)挖土體的穩(wěn)定與安全［1］。

2隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

基于不同巖土體內(nèi)掘進(jìn)機(jī)工作模式和工程難點(diǎn)的不同，TBM和盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題也存在差異。

2．1TBM研究現(xiàn)狀

如何加快巖石掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速率和優(yōu)化開(kāi)挖過(guò)程是巖石隧道工程的主要問(wèn)題，故TBM技術(shù)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題主要集中在TBM滾刀的破巖機(jī)制和施工預(yù)測(cè)模型2方面。

2．1．1TBM滾刀破巖機(jī)制

TBM的掘進(jìn)過(guò)程是通過(guò)滾刀切割巖石和刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)形成連續(xù)破巖完成的，可分為2個(gè)階段：第1階段是刀盤(pán)在正推力作用下，滾刀對(duì)巖體產(chǎn)生壓入作用，巖體產(chǎn)生變形和破壞，裂紋由滾刀接觸部位產(chǎn)生，并且向四周擴(kuò)展；第2階段是2個(gè)滾刀之間裂紋的連接、貫通，巖片的形成，完成破巖過(guò)程［1］，因此，TBM滾刀的破巖機(jī)制研究可以分為以下方面：1）滾刀的壓入過(guò)程，主要采用壓頭實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；2）滾刀間的切割破巖過(guò)程，采用線性切割實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。滾刀壓入作用基本力學(xué)模型的研究雛形最早可以追溯到1881年，Hert分析了2個(gè)弧形物體相互作用下的應(yīng)力分布及Hertzian裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)制［12］；Cook等［13］進(jìn)行了平板壓頭作用下花崗巖裂紋的發(fā)展過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究（見(jiàn)圖1），根據(jù)裂紋發(fā)展過(guò)程中的聲發(fā)射信息和載荷變化把壓入過(guò)程分為微裂紋的閉合、彈性變形、微裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展和微裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展及貫通4個(gè)階段；Lindqvist等［14］、Mishnaevshy［15］和Chiaia［16］均進(jìn)行了類似的研究，并將壓頭作用下的巖石分為3個(gè)區(qū)域（即粉碎核、大應(yīng)變區(qū)和彈性區(qū)）。一般認(rèn)為壓頭作用下粉碎區(qū)的形成是由延性破壞引起的，巖石高度破碎，力學(xué)行為表現(xiàn)為非彈性［12－19］。該區(qū)域的變形和形成消耗了絕大多數(shù)能量（占70％～85％），而其外圍大應(yīng)變區(qū)的形成、裂紋的連通和巖片的形成只消耗了5％～10％的能量［15］。按照形成部位和擴(kuò)展特征，粉碎區(qū)外裂紋可大致分為中心裂紋、放射裂紋和邊裂紋3類［20］。就裂紋形成的力學(xué)機(jī)制，目前主要有剪切作用、拉應(yīng)力作用和拉剪混合作用3種觀點(diǎn)［12，15，21］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法也廣泛地應(yīng)用于壓入過(guò)程研究。Cook等［13］、Chiaia［16］、Liu等［22］、Gong［23］采用數(shù)值模擬方法模擬了刀頭的壓入過(guò)程，發(fā)現(xiàn)刀頭和巖石的相互作用比較復(fù)雜，但主要可分為粉碎區(qū)的剪切破壞作用和巖片的脆性拉破壞作用［20，22，23］。TBM滾刀破巖的核心過(guò)程是滾刀間裂紋的貫通以致形成巖片。目前，滾刀間的切割破壞過(guò)程研究主要是通過(guò)全尺寸的室內(nèi)滾刀切割實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，而其中比較有代表性的實(shí)驗(yàn)方法是科那拉多學(xué)院提出的線性切割實(shí)驗(yàn)［24－25］。Snowdon等［26］對(duì)英格蘭地區(qū)的巖石進(jìn)行了一系列的線性切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了不同刀間距S和切入深度P工況組合下的滾刀作用力和破巖體積，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了比能，進(jìn)而確定最優(yōu)刀間距與切入深度比值S／P，該實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果具有開(kāi)拓性和代表性，爾后不同的研究者都是按照該實(shí)驗(yàn)的方法流程進(jìn)行的。針對(duì)線性切割實(shí)驗(yàn)設(shè)備組裝耗時(shí)、設(shè)備比較昂貴等缺點(diǎn)，部分研究者嘗試運(yùn)用數(shù)值模擬方法仿真模擬線性切割實(shí)驗(yàn)過(guò)程。JungWooCho等［27］運(yùn)用AUTODYN3D數(shù)值軟件嘗試模擬了TBM滾刀的切割滾動(dòng)過(guò)程，證明了數(shù)值模擬方法在線性切割實(shí)驗(yàn)方法模擬上運(yùn)用的可行性。

2．1．2TBM施工預(yù)測(cè)模型

TBM施工預(yù)測(cè)模型一方面可以為業(yè)主對(duì)TBM開(kāi)挖所需工期提供參考，對(duì)工程經(jīng)濟(jì)進(jìn)行評(píng)估，選擇合理的開(kāi)挖方式，另一方面，施工單位可以依據(jù)預(yù)測(cè)模型來(lái)編排施工進(jìn)度，并且對(duì)實(shí)際開(kāi)挖進(jìn)度和預(yù)測(cè)進(jìn)度進(jìn)行比較，找出施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)而指導(dǎo)施工。另外，設(shè)計(jì)人員、TBM機(jī)器制造商以及相關(guān)科研人員根據(jù)實(shí)際的開(kāi)挖性能參數(shù)，分析開(kāi)挖過(guò)程中巖體參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的匹配關(guān)系，優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，并為T(mén)BM運(yùn)行參數(shù)和TBM機(jī)器設(shè)計(jì)參數(shù)提供合理的改進(jìn)意見(jiàn)，促進(jìn)TBM技術(shù)的發(fā)展。因此，TBM預(yù)測(cè)模型受到廣泛關(guān)注，成為T(mén)BM研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1］。由于工程巖體所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，巖體力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性、不均勻性和各向異性，加上TBM系統(tǒng)作用因素的多樣紛雜，造成了巖體和刀盤(pán)之間相互作用認(rèn)知和描述的困難，給TBM掘進(jìn)性能的評(píng)估和預(yù)測(cè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。預(yù)測(cè)模型的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了40a，眾多工程建設(shè)者、學(xué)者設(shè)計(jì)了多種預(yù)測(cè)模型。按照模型建立方法的不同，大體可以分為理論方法和基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方法2類。目前，理論方法大部分是通過(guò)分析滾刀和巖體作用機(jī)制出發(fā)，推導(dǎo)滾刀作用力、滾刀尺寸、切割參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，求解理論或者半理論公式，用于實(shí)際工程中；或者是通過(guò)室內(nèi)線性切割實(shí)驗(yàn)的方法，測(cè)定滾刀推力、侵入深度等數(shù)值，分析、回歸它們與巖石力學(xué)屬性、滾刀尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到滾刀作用力的預(yù)測(cè)公式［1］。Roxborough等［28］、Ozdemir等［29］、Sanio［30］、Sato等［31］、Rostami［32］基于室內(nèi)壓入實(shí)驗(yàn)或者全尺寸下的線性切割實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)，獲得了滾刀和巖石之間的相互作用關(guān)系，得到了滾刀正推力和滾動(dòng)力的計(jì)算公式。實(shí)際TBM刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)方式比侵入實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)線性切割機(jī)上滾刀運(yùn)動(dòng)作用方式復(fù)雜得多，這些導(dǎo)致了理論預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中還不成熟，基于此，學(xué)者們研發(fā)了基于現(xiàn)場(chǎng)TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型方法。基于TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型經(jīng)歷了由單因素預(yù)測(cè)模型到多因素預(yù)測(cè)模型的發(fā)展歷程，其間伴隨著對(duì)TBM滾刀破巖機(jī)制和作用模式認(rèn)識(shí)不斷深入的過(guò)程。目前，具有代表性的預(yù)測(cè)模型包括科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的CSM預(yù)測(cè)模型和挪威科技大學(xué)發(fā)展的NTNU預(yù)測(cè)模型。另外，Barton基于大量隧洞TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)對(duì)Q巖體分級(jí)模型進(jìn)行了修正和改進(jìn)，其提出的QTBM預(yù)測(cè)模型也受到了極大關(guān)注。近期，Gong基于新加坡深埋污水處理系統(tǒng)TBM開(kāi)挖數(shù)據(jù)提出的巖體特性模型也具有較大的影響［1］。TBM系統(tǒng)和巖體的相互作用是高度復(fù)雜的非線性和不確定過(guò)程，由于模糊數(shù)學(xué)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性和不確定問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)，部分學(xué)者運(yùn)用人工智能的數(shù)學(xué)方法建立了TBM的預(yù)測(cè)模型［33－36］。目前，TBM掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)模型的研究呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)，不同的學(xué)者針對(duì)不同的工程，采取回歸分析或者人工智能等數(shù)學(xué)工具建立了不同的預(yù)測(cè)模型，在各自工程應(yīng)用中均取得了不錯(cuò)的效果。但目前還沒(méi)有一套普遍適合不同工程的預(yù)測(cè)方法和模型，應(yīng)該說(shuō)預(yù)測(cè)模型對(duì)巖體特性和TBM機(jī)器參數(shù)的依賴性比較大，故目前對(duì)于不同的工程，在充分考慮TBM系統(tǒng)作用力、巖體特性和巖體賦存環(huán)境的基礎(chǔ)上，需要有針對(duì)性地建立預(yù)測(cè)模型，并提高預(yù)測(cè)模型的擬合和預(yù)測(cè)精度。

2．2盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)研究現(xiàn)狀

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)一般都運(yùn)用于土體或者軟弱巖層中，破巖掘進(jìn)過(guò)程比較容易，但掘進(jìn)過(guò)程中掌子面的穩(wěn)定和地面沉降控制是工程的主要技術(shù)難題，也是盾構(gòu)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。盾構(gòu)施工掘進(jìn)面穩(wěn)定研究主要包括掌子面支護(hù)壓力和極限支護(hù)壓力大小的確定、掌子面破壞模式和機(jī)制研究以及掌子面支護(hù)壓力控制等，研究的方法和手段包括理論推導(dǎo)計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)資料實(shí)測(cè)分析、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，整體破壞是掌子面破壞失穩(wěn)的主要模式，目前主要有塑性極限理論分析方法和利用掘進(jìn)面前方滑動(dòng)體力的平衡進(jìn)行穩(wěn)定分析2種理論分析方法。不同學(xué)者通過(guò)假定掌子面前方不穩(wěn)定塊體形狀的不同，各自分析研究得出了一些有益的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上研究了掌子面壓力控制參數(shù)。值得一提的是，近20a發(fā)展起來(lái)的人工智能方法也越來(lái)越廣泛運(yùn)用于掌子面穩(wěn)定方面的研究中［37－38］。盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)作用是盾構(gòu)技術(shù)研究的另外一個(gè)重要方向。地層的位移是由于地下水位降低、開(kāi)挖面的應(yīng)力釋放、盾尾空隙的發(fā)生和掌子面支護(hù)壓力等原因引起的土體擾動(dòng)造成的，主要表現(xiàn)形式包括地表的沉降和隆起。地表的沉降主要由土體損失和固結(jié)沉降2部分組成，地表隆起主要是因?yàn)檎谱用嬷ёo(hù)力過(guò)大形成的。就地表的沉降過(guò)程來(lái)看，可以分為初期沉降、掌子面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降和長(zhǎng)期沉降5個(gè)階段。隧道施工期間地表沉降影響因素比較復(fù)雜，主要包括隧道埋深、巖土體物理力學(xué)參數(shù)、隧道尺寸、施工方法及支護(hù)方式等。目前，地表沉降分析方法主要包括經(jīng)驗(yàn)法、模型試驗(yàn)法、理論預(yù)測(cè)法和數(shù)值模擬方法［37－38］。

3隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)研究和發(fā)展趨勢(shì)探討

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市內(nèi)發(fā)展地下軌道交通成為必然。隨著能源需求的增長(zhǎng)，更多的水利水電項(xiàng)目將規(guī)劃修建，且這些工程中很多需要修建長(zhǎng)距離的輸水隧洞和地下發(fā)電廠房。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以往一些技術(shù)上存在障礙無(wú)法修建的高埋深大直徑的山嶺隧道和跨海隧道也隨之產(chǎn)生，大大提高了交通速度，方便了物質(zhì)的交換和人們的交流，21世紀(jì)將是地下空間的世紀(jì)［1］。自上世紀(jì)中葉問(wèn)世以來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)取得了重大進(jìn)展，它以快速、優(yōu)質(zhì)、安全和環(huán)保等特點(diǎn)，逐漸成為地下工程建設(shè)中的主要施工方法和手段。隧道掘進(jìn)機(jī)適用地層范圍越來(lái)越廣，已經(jīng)從相對(duì)單一的巖石或者土類巖土體發(fā)展到混合地層交替，高地應(yīng)力或者節(jié)理、斷層發(fā)育的復(fù)雜巖土體中，但對(duì)其在復(fù)雜地層中的掘進(jìn)理論、施工力學(xué)理論以及環(huán)境影響控制方面的研究還不夠深入徹底，還有以下問(wèn)題和工作需要深入分析和研究。1）TBM掘進(jìn)機(jī)制深入系統(tǒng)的研究和預(yù)測(cè)模型的建立。TBM破巖機(jī)制直接關(guān)系到TBM刀盤(pán)選型、設(shè)計(jì)和開(kāi)挖性能的評(píng)價(jià)。目前，硬巖條件下TBM破巖機(jī)制的研究主要是通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬3個(gè)方面進(jìn)行的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多種破巖理論，但對(duì)TBM滾刀作用下巖石的破壞過(guò)程、破壞作用方式仍然是眾說(shuō)紛紜，對(duì)破巖現(xiàn)象研究還不夠深入透徹。TBM施工預(yù)測(cè)模型主要是用于掘進(jìn)性能的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，不同的研究者針對(duì)不同的工程提出了多種預(yù)測(cè)模型，但這些模型都是基于大量不同巖性地層、不同TBM機(jī)器類型的工程數(shù)據(jù)上發(fā)展起來(lái)的，針對(duì)性較強(qiáng)，在其他實(shí)際工程運(yùn)用中預(yù)測(cè)精度不高，應(yīng)用效果不理想，截至目前還沒(méi)有一種普遍適用于不同工程的通用預(yù)測(cè)模型。TBM預(yù)測(cè)模型的適用性與工程巖體特性和TBM機(jī)器參數(shù)緊密相關(guān)，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，每個(gè)獨(dú)立的TBM工程其適用的預(yù)測(cè)模型是不一樣的。因此，預(yù)測(cè)模型的研究更多是要專注于形成一套建立模型的方法和流程，而這些需要對(duì)不同工程巖體特性下TBM滾刀破巖機(jī)制的深入了解，進(jìn)而選擇合理、合適的影響參數(shù)。2）地應(yīng)力影響下TBM掘進(jìn)機(jī)制和施工力學(xué)過(guò)程、預(yù)測(cè)模型的研究。目前，世界范圍內(nèi)將有一批水電引水隧洞、調(diào)水隧洞以及交通隧道規(guī)劃修建，而它們都處于高山峽谷地區(qū)，會(huì)面臨埋深大、巖石堅(jiān)硬、高地應(yīng)力和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況。地應(yīng)力對(duì)TBM滾刀破巖模式的影響、復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工措施和預(yù)案、地應(yīng)力在TBM施工預(yù)測(cè)模型中的作用等相關(guān)課題均需繼續(xù)深入研究。3）復(fù)合地層中盾構(gòu)掘進(jìn)力學(xué)機(jī)制和施工過(guò)程控制理論研究。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，大量城市地鐵即將修建，這些地鐵修建中大部分將采用盾構(gòu)法施工，在修建過(guò)程中可能會(huì)遇到諸如上軟下硬的復(fù)合地層，會(huì)給盾構(gòu)施工帶來(lái)刀盤(pán)震動(dòng)、刀具磨損嚴(yán)重和地表沉降等問(wèn)題。因此，需要開(kāi)展復(fù)合地層中刀盤(pán)作用力學(xué)機(jī)制的研究，明確刀盤(pán)力學(xué)作用和復(fù)合地層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的匹配關(guān)系，進(jìn)而擬定復(fù)合地層中盾構(gòu)施工控制的對(duì)策和方案。4）城市盾構(gòu)中掌子面穩(wěn)定和地表沉降控制理論研究。在城市地鐵修建中，盾構(gòu)施工對(duì)掘進(jìn)面穩(wěn)定和地表沉降控制比較嚴(yán)格，需要發(fā)展和完善盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定和地表沉降控制理論，健全施工力學(xué)控制理論，提高地表沉降預(yù)測(cè)精度，加強(qiáng)環(huán)境控制施工對(duì)策的研究。5）復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)機(jī)制和施工對(duì)策研究。隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)越來(lái)越成熟，工程應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，工程中遇到復(fù)雜地質(zhì)地層的情況也越來(lái)越普遍。如節(jié)理巖體和砂卵石地層中掘進(jìn)機(jī)會(huì)出現(xiàn)刀具磨損大、施工進(jìn)度慢等問(wèn)題，需要開(kāi)展復(fù)雜地層中掘進(jìn)力學(xué)機(jī)制和施工對(duì)策研究。6）復(fù)合掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。針對(duì)隧道施工過(guò)程中可能碰到的軟硬地層交替出現(xiàn)、地質(zhì)條件變化劇烈的情況，復(fù)合隧道掘進(jìn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在穩(wěn)定性好的圍巖中采取開(kāi)敞式模式掘進(jìn)，在穩(wěn)定性差的地層中采用土壓平衡式或者泥水平衡式模式。目前，復(fù)合掘進(jìn)機(jī)技術(shù)產(chǎn)品主要有NFM復(fù)合式TBM、羅賓斯混合式TBM和海瑞克泥水－土壓平衡轉(zhuǎn)換式TBM、SELI兼具開(kāi)敞式和雙護(hù)盾特點(diǎn)的DSU或DSUC機(jī)型。復(fù)合掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)地層的范圍，雖然應(yīng)用過(guò)程中還存在著較多的問(wèn)題，但它仍將會(huì)成為未來(lái)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

作者：彭琦單位：西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室土木工程學(xué)院