隧道掘进机技术的发展

1隧道掘进机的分类

隧道掘进机作为目前广泛使用且具有良好应用前景的掘进设备，依据掘进岩土体强度大致可分为岩石隧道掘进机和土体隧道掘进机2类，前者在国内一般称作TBM（即岩石隧道掘进机），后者一般称为盾构掘进机。岩石掘进机开挖的岩石一般比较坚硬，掘进速率、施工进度和滚刀刀具的磨损是制约施工进度与造价的主要因素。在坚硬岩石地层中，岩体一般具有自稳能力，开挖过程不需要进行特殊处理来保证岩体稳定。若碰到特殊岩体地层（如软弱岩体、大断层通过的地层），则需要考虑采用护盾来保证掘进机的正常和安全运行［1］。盾构掘进时，土体较软，易于开挖，开挖掘进速度不是盾构面临的主要问题，保证开挖面的稳定和减小开挖引起的土体沉降是盾构开挖的关键。盾构中一般采用护盾和开挖面的土压平衡、泥水平衡或者气压平衡等方式来保证开挖土体的稳定与安全［1］。

2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。

2．1TBM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。

2．1．1TBM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［1］，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。滚刀压入作用基本力学模型的研究雏形最早可以追溯到1881年，Hert分析了2个弧形物体相互作用下的应力分布及Hertzian裂纹形成和扩展机制［12］；Cook等［13］进行了平板压头作用下花岗岩裂纹的发展过程的实验研究（见图1），根据裂纹发展过程中的声发射信息和载荷变化把压入过程分为微裂纹的闭合、弹性变形、微裂纹的稳定扩展和微裂纹不稳定扩展及贯通4个阶段；Lindqvist等［14］、Mishnaevshy［15］和Chiaia［16］均进行了类似的研究，并将压头作用下的岩石分为3个区域（即粉碎核、大应变区和弹性区）。一般认为压头作用下粉碎区的形成是由延性破坏引起的，岩石高度破碎，力学行为表现为非弹性［12－19］。该区域的变形和形成消耗了绝大多数能量（占70％～85％），而其大应变区的形成、裂纹的连通和岩片的形成只消耗了5％～10％的能量［15］。按照形成部位和扩展特征，粉碎区外裂纹可大致分为中心裂纹、放射裂纹和边裂纹3类［20］。就裂纹形成的力学机制，目前主要有剪切作用、拉应力作用和拉剪混合作用3种观点［12，15，21］。随着计算机技术的发展，数值模拟方法也广泛地应用于压入过程研究。Cook等［13］、Chiaia［16］、Liu等［22］、Gong［23］采用数值模拟方法模拟了刀头的压入过程，发现刀头和岩石的相互作用比较复杂，但主要可分为粉碎区的剪切破坏作用和岩片的脆性拉破坏作用［20，22，23］。TBM滚刀破岩的核心过程是滚刀间裂纹的贯通以致形成岩片。目前，滚刀间的切割破坏过程研究主要是通过全尺寸的室内滚刀切割实验进行的，而其中比较有代表性的实验方法是科那拉多学院提出的线性切割实验［24－25］。Snowdon等［26］对英格兰地区的岩石进行了一系列的线性切割实验，实验中测定了不同刀间距S和切入深度P工况组合下的滚刀作用力和破岩体积，并在此基础上计算了比能，进而确定最优刀间距与切入深度比值S／P，该实验方法和结果具有开拓性和代表性，尔后不同的研究者都是按照该实验的方法流程进行的。针对线性切割实验设备组装耗时、设备比较昂贵等缺点，部分研究者尝试运用数值模拟方法仿真模拟线性切割实验过程。JungWooCho等［27］运用AUTODYN3D数值软件尝试模拟了TBM滚刀的切割滚动过程，证明了数值模拟方法在线性切割实验方法模拟上运用的可行性。

2．1．2TBM施工预测模型

TBM施工预测模型一方面可以为业主对TBM开挖所需工期提供参考，对工程经济进行评估，选择合理的开挖方式，另一方面，施工单位可以依据预测模型来编排施工进度，并且对实际开挖进度和预测进度进行比较，找出施工过程中存在的问题，进而指导施工。另外，设计人员、TBM机器制造商以及相关科研人员根据实际的开挖性能参数，分析开挖过程中岩体参数、设备运行参数的匹配关系，优化预测模型，并为TBM运行参数和TBM机器设计参数提供合理的改进意见，促进TBM技术的发展。因此，TBM预测模型受到广泛关注，成为TBM研究的热点问题［1］。由于工程岩体所处的地质环境复杂多变，岩体力学特性和结构特征表现出强烈的非线性、不均匀性和各向异性，加上TBM系统作用因素的多样纷杂，造成了岩体和刀盘之间相互作用认知和描述的困难，给TBM掘进性能的评估和预测带来了巨大挑战。预测模型的发展已经经历了40a，众多工程建设者、学者设计了多种预测模型。按照模型建立方法的不同，大体可以分为理论方法和基于现场数据的经验方法2类。目前，理论方法大部分是通过分析滚刀和岩体作用机制出发，推导滚刀作用力、滚刀尺寸、切割参数与岩石力学参数的关系，求解理论或者半理论公式，用于实际工程中；或者是通过室内线性切割实验的方法，测定滚刀推力、侵入深度等数值，分析、回归它们与岩石力学属性、滚刀尺寸的数学关系，得到滚刀作用力的预测公式［1］。Roxborough等［28］、Ozdemir等［29］、Sanio［30］、Sato等［31］、Rostami［32］基于室内压入实验或者全尺寸下的线性切割实验模型推导，获得了滚刀和岩石之间的相互作用关系，得到了滚刀正推力和滚动力的计算公式。实际TBM刀盘运动方式比侵入实验和室内线性切割机上滚刀运动作用方式复杂得多，这些导致了理论预测方法在实际应用中还不成熟，基于此，学者们研发了基于现场TBM掘进数据的经验预测模型方法。基于TBM现场掘进数据的经验预测模型经历了由单因素预测模型到多因素预测模型的发展历程，其间伴随着对TBM滚刀破岩机制和作用模式认识不断深入的过程。目前，具有代表性的预测模型包括科罗拉多矿业学院的CSM预测模型和挪威科技大学发展的NTNU预测模型。另外，Barton基于大量隧洞TBM掘进数据对Q岩体分级模型进行了修正和改进，其提出的QTBM预测模型也受到了极大关注。近期，Gong基于新加坡深埋污水处理系统TBM开挖数据提出的岩体特性模型也具有较大的影响［1］。TBM系统和岩体的相互作用是高度复杂的非线性和不确定过程，由于模糊数学和人工神经网络在处理非线性和不确定问题上的优势，部分学者运用人工智能的数学方法建立了TBM的预测模型［33－36］。目前，TBM掘进性能预测模型的研究呈现百花齐放的态势，不同的学者针对不同的工程，采取回归分析或者人工智能等数学工具建立了不同的预测模型，在各自工程应用中均取得了不错的效果。但目前还没有一套普遍适合不同工程的预测方法和模型，应该说预测模型对岩体特性和TBM机器参数的依赖性比较大，故目前对于不同的工程，在充分考虑TBM系统作用力、岩体特性和岩体赋存环境的基础上，需要有针对性地建立预测模型，并提高预测模型的拟合和预测精度。

2．2盾构掘进机研究现状

盾构掘进机一般都运用于土体或者软弱岩层中，破岩掘进过程比较容易，但掘进过程中掌子面的稳定和地面沉降控制是工程的主要技术难题，也是盾构技术的研究热点。盾构施工掘进面稳定研究主要包括掌子面支护压力和极限支护压力大小的确定、掌子面破坏模式和机制研究以及掌子面支护压力控制等，研究的方法和手段包括理论推导计算、现场资料实测分析、室内物理模型试验研究及数值模拟等。在盾构掘进施工过程中，整体破坏是掌子面破坏失稳的主要模式，目前主要有塑性极限理论分析方法和利用掘进面前方滑动体力的平衡进行稳定分析2种理论分析方法。不同学者通过假定掌子面前方不稳定块体形状的不同，各自分析研究得出了一些有益的结论，并在此基础上研究了掌子面压力控制参数。值得一提的是，近20a发展起来的人工智能方法也越来越广泛运用于掌子面稳定方面的研究中［37－38］。盾构施工过程中对地层的扰动作用是盾构技术研究的另外一个重要方向。地层的位移是由于地下水位降低、开挖面的应力释放、盾尾空隙的发生和掌子面支护压力等原因引起的土体扰动造成的，主要表现形式包括地表的沉降和隆起。地表的沉降主要由土体损失和固结沉降2部分组成，地表隆起主要是因为掌子面支护力过大形成的。就地表的沉降过程来看，可以分为初期沉降、掌子面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降和长期沉降5个阶段。隧道施工期间地表沉降影响因素比较复杂，主要包括隧道埋深、岩土体物理力学参数、隧道尺寸、施工方法及支护方式等。目前，地表沉降分析方法主要包括经验法、模型试验法、理论预测法和数值模拟方法［37－38］。

3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［1］。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。1）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滚刀破岩机制的深入了解，进而选择合理、合适的影响参数。2）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。3）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。4）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。5）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。6）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。

作者：彭琦单位：西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室土木工程学院