隧道掘进机技术的发展和研究现状_彭琦
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岩溶、突水
高地应力、岩爆
地震影响 大 直 径、高 地 应力、岩爆剧烈
本文在对国内外隧道掘进机技术研究现状归纳总 结的基础上，针对工程中遇到的难点和热点问题，对隧 道掘进机技术研究的发展趋势进行探讨，以期能够明 确隧道掘进机技术的发展方向，并为相关研究应用提 供参考。
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
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］。
根据隧道掘进机护盾设备的安装情况，掘进机大 体又分为无护盾式、护盾式和复合护盾式 3 类，具体分 类见表 3［1］。
隧道掘进机自 20 世纪 50 年代问世以来，广泛应 用于世界各国能源、交通、水利以及国防等方面的地下 工程建设 中［1］。 国 外 采 用 掘 进 机 技 术 建 成 的 著 名 大 型隧道工程有英吉利海峡隧道、日本东京湾海底隧道、 荷兰生态绿心隧道等。国内外已建成的隧道掘进机施 工的代表性工程见表 1 和表 2［9 － 11］。国外采用隧道掘 进机施工比较早，积累了很多丰富经验； 国内隧道掘进 机的运用和研究起步比较晚，但随着能源开发和城市 化进程的推进，隧道掘进机技术发展迅速，具有广阔的 应用前景。
表 3 按照护盾设置情况隧道掘进机分类表 Table 3 Classification of TBMs according to shield conditions
盾构机类别 具体型式
无 护 盾 式 绞孔机
掘进机
开敞撑靴式
适用地层 坚硬岩石 坚硬岩石
护盾式 掘进机
护盾式 机械平衡式 压气式 泥水平衡式 土压平衡式
工程名称
TBM 类型
隧道长度 / km
引大入秦 工程
双护盾
16．ห้องสมุดไป่ตู้60
万家寨引 黄工程
双护盾 124． 52
秦岭隧道
台湾五结 输水隧道 锦屏水电站 引水隧洞
开敞式 双护盾 开敞式
36． 92 7． 30
16． 70
隧道直径 / m
5． 54
4． 82 ～6． 13 8． 8 6． 2
12． 4
主要工程 地质条件 突 水、围 岩 大 变形、岩溶
进岩土体强度的不同，隧道掘进机大致可以分为岩石隧道掘进机和盾构； 2） 目前岩石隧道掘进机的研究热点问题主要包括滚刀破
岩机制和施工预测模型的建立 2 个方面，而盾构主要研究内容集中在掌子面稳定、施工过程控制和地表沉降研究 3 个方面，虽然这
些研究都取得了较大进展，并且部分已经有效地应用到实际工程建设中，但解决得不够透彻，还有待于进一步研究； 3） 隧道掘进机
表 1 国外隧道掘进机施工代表性工程 Table 1 Typical tunnels bored by TBMs in foreign countries
工程名称
英吉利 海峡隧道
荷兰 生态绿心隧道
东京湾 海底隧道
丹麦 大海峡隧道
南非莱索托 水利输水隧洞
西班牙 Guadiaro 隧洞
类型 护盾式 泥水盾构 泥浆式 土压平衡 护盾式 护盾式
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］。
软弱岩石
紧密土体
强风化裂隙 发育岩石
紧密土体
岩石、土混合地层 富含水的紧密土体
岩石、土混合地层 松散砂质土体
岩石、土混合地层 软黏土土体
复 合 护 盾 式 双护盾式
坚硬岩石
软土层
掘进机
土压力 － 泥水 平衡转化式
适用土压平衡和泥水平衡的地层
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． 1 TBM 研究现状
技术的研究发展趋势将集中在掘进力学机制的完善、复杂地质条件下掘进机制与施工过程控制研究和复合掘进机技术的发展等方
面，这些会给隧道掘进机技术的研究和发展带来挑战和契机。
关键词： 隧道掘进机； 盾构； 施工预测模型； 滚刀破岩机制； 掌子面稳定； 地表沉降
DOI： 10． 3973 / j． issn． 1672 － 741X． 2013． 06． 004
中图分类号： U 45
文献标志码： A
文章编号： 1672 － 741X（ 2013） 06 － 0443 － 06
Application，Ｒesearch and Future of Tunnel Boring Machine Technology
PENG Qi1，2
（ 1． MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China； 2． Shenzhen Municipal Design
and Ｒesearch Institute Co． ，Ltd． ，Shenzhen 518029，Guangdong，China）
Abstract： In this article，the classification of tunnel boring machines （ TBM） ，the state-of-the-art of studies on tunnel boring machine technology，and the trend of study and development of tunnel boring machine technology are studied and discussed． Conclusions drawn are as follows： 1） According to the strength of the rocks and soils bored，tunnel boring machines can be divided into rock tunnel boring machines and shield machines． 2） The hot topics of studies on rock tunnel boring machines include the rock-breaking mechanism of disc cutters and the establishing of TBM performance prediction models． On the other hand，the hot topics of studies on shield machines include the stability of working face， the control of boring process and the study on ground surface settlement． 3） Studies on tunnel boring machine technology will focus on the improving of the boring mechanism，the boring mechanism and the boring process control under complex geological conditions，and the development of composite boring technology． Key words： Tunnel Boring Machine （ TBM） ； shield machine； performance prediction model； rock-breaking mechanism of disc cutter； stability of working face； ground surface settlement
收稿日期： 2013 － 02 － 18； 修回日期： 2013 － 05 － 06 作者简介： 彭琦（ 1983—） ，男，湖北武汉人，2005 年毕业于武汉大学水利水电工程专业，博士，工程师，主要从事 TBM、盾构施工技术及地下工程方面 的研究与设计工作。
444
隧道建设
第 33 卷
供液压和电力供应的设备等。土体中的盾构系统主要 包括盾体、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排 土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备等。
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% ） ，而其外 围大应变区的形成、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］
隧道掘进机技术的发展和研究现状
彭 琦1，2
( 1． 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，四川 成都 610031; 2． 深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029)
摘要： 通过对隧道掘进机的分类、隧道掘进机技术的研究现状以及隧道掘进机技术研究和发展趋势的调研和探讨，提出： 1） 根据掘
第6 期
彭 琦 ： 隧道掘进机技术的发展和研究现状
445
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。
0 引言
隧道掘进机技术是一种集掘进、出渣运输和支护 衬砌于一体，一次成洞的隧道掘进方法，它引领了隧洞 开挖的全新时代，具有连续作业、施工速度快、环境污 染小、安全优质等特点［1 － 6］。
隧道掘进机根据各系统在施工中发挥的作用，可 以分为主机系统和后配套系统 2 部分［7 － 8］。主机系统
是隧道掘进机的核心，其主要功能是将岩土体切削成 便于运输的渣料，然后通过设置在前端的收集器将渣 料收集至皮带机上，由皮带机将渣料运出洞外。硬岩 掘进机主机系统主要包括刀盘、刀具、主轴承、机头架 和主大梁、支撑系统、液压系统、驱动装置和主机皮带 机等； 后配套系统是隧道掘进机主机后面为掘进提供 服务的各种配套设施的总称，主要包括隧道掘进机提
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． 1 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
隧道长度 / 隧道直径 / 主要工程
km
m
地质条件
51． 3
8． 36 ～ 8． 78 涌水
7． 176 20 14． 8
14． 87 14． 14
7． 7
高水压
高 水 压、 埋深大
涌水
15． 1
5． 2
岩石坚硬
12． 2
4． 88
埋深大
表 2 国内隧道掘进机施工代表性工程 Table 2 Typical tunnels bored by TBMs in China
高地应力、岩爆
地震影响 大 直 径、高 地 应力、岩爆剧烈
本文在对国内外隧道掘进机技术研究现状归纳总 结的基础上，针对工程中遇到的难点和热点问题，对隧 道掘进机技术研究的发展趋势进行探讨，以期能够明 确隧道掘进机技术的发展方向，并为相关研究应用提 供参考。
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
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］。
根据隧道掘进机护盾设备的安装情况，掘进机大 体又分为无护盾式、护盾式和复合护盾式 3 类，具体分 类见表 3［1］。
隧道掘进机自 20 世纪 50 年代问世以来，广泛应 用于世界各国能源、交通、水利以及国防等方面的地下 工程建设 中［1］。 国 外 采 用 掘 进 机 技 术 建 成 的 著 名 大 型隧道工程有英吉利海峡隧道、日本东京湾海底隧道、 荷兰生态绿心隧道等。国内外已建成的隧道掘进机施 工的代表性工程见表 1 和表 2［9 － 11］。国外采用隧道掘 进机施工比较早，积累了很多丰富经验； 国内隧道掘进 机的运用和研究起步比较晚，但随着能源开发和城市 化进程的推进，隧道掘进机技术发展迅速，具有广阔的 应用前景。
表 3 按照护盾设置情况隧道掘进机分类表 Table 3 Classification of TBMs according to shield conditions
盾构机类别 具体型式
无 护 盾 式 绞孔机
掘进机
开敞撑靴式
适用地层 坚硬岩石 坚硬岩石
护盾式 掘进机
护盾式 机械平衡式 压气式 泥水平衡式 土压平衡式
工程名称
TBM 类型
隧道长度 / km
引大入秦 工程
双护盾
16．ห้องสมุดไป่ตู้60
万家寨引 黄工程
双护盾 124． 52
秦岭隧道
台湾五结 输水隧道 锦屏水电站 引水隧洞
开敞式 双护盾 开敞式
36． 92 7． 30
16． 70
隧道直径 / m
5． 54
4． 82 ～6． 13 8． 8 6． 2
12． 4
主要工程 地质条件 突 水、围 岩 大 变形、岩溶
进岩土体强度的不同，隧道掘进机大致可以分为岩石隧道掘进机和盾构； 2） 目前岩石隧道掘进机的研究热点问题主要包括滚刀破
岩机制和施工预测模型的建立 2 个方面，而盾构主要研究内容集中在掌子面稳定、施工过程控制和地表沉降研究 3 个方面，虽然这
些研究都取得了较大进展，并且部分已经有效地应用到实际工程建设中，但解决得不够透彻，还有待于进一步研究； 3） 隧道掘进机
表 1 国外隧道掘进机施工代表性工程 Table 1 Typical tunnels bored by TBMs in foreign countries
工程名称
英吉利 海峡隧道
荷兰 生态绿心隧道
东京湾 海底隧道
丹麦 大海峡隧道
南非莱索托 水利输水隧洞
西班牙 Guadiaro 隧洞
类型 护盾式 泥水盾构 泥浆式 土压平衡 护盾式 护盾式
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］。
软弱岩石
紧密土体
强风化裂隙 发育岩石
紧密土体
岩石、土混合地层 富含水的紧密土体
岩石、土混合地层 松散砂质土体
岩石、土混合地层 软黏土土体
复 合 护 盾 式 双护盾式
坚硬岩石
软土层
掘进机
土压力 － 泥水 平衡转化式
适用土压平衡和泥水平衡的地层
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． 1 TBM 研究现状
技术的研究发展趋势将集中在掘进力学机制的完善、复杂地质条件下掘进机制与施工过程控制研究和复合掘进机技术的发展等方
面，这些会给隧道掘进机技术的研究和发展带来挑战和契机。
关键词： 隧道掘进机； 盾构； 施工预测模型； 滚刀破岩机制； 掌子面稳定； 地表沉降
DOI： 10． 3973 / j． issn． 1672 － 741X． 2013． 06． 004
中图分类号： U 45
文献标志码： A
文章编号： 1672 － 741X（ 2013） 06 － 0443 － 06
Application，Ｒesearch and Future of Tunnel Boring Machine Technology
PENG Qi1，2
（ 1． MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China； 2． Shenzhen Municipal Design
and Ｒesearch Institute Co． ，Ltd． ，Shenzhen 518029，Guangdong，China）
Abstract： In this article，the classification of tunnel boring machines （ TBM） ，the state-of-the-art of studies on tunnel boring machine technology，and the trend of study and development of tunnel boring machine technology are studied and discussed． Conclusions drawn are as follows： 1） According to the strength of the rocks and soils bored，tunnel boring machines can be divided into rock tunnel boring machines and shield machines． 2） The hot topics of studies on rock tunnel boring machines include the rock-breaking mechanism of disc cutters and the establishing of TBM performance prediction models． On the other hand，the hot topics of studies on shield machines include the stability of working face， the control of boring process and the study on ground surface settlement． 3） Studies on tunnel boring machine technology will focus on the improving of the boring mechanism，the boring mechanism and the boring process control under complex geological conditions，and the development of composite boring technology． Key words： Tunnel Boring Machine （ TBM） ； shield machine； performance prediction model； rock-breaking mechanism of disc cutter； stability of working face； ground surface settlement
收稿日期： 2013 － 02 － 18； 修回日期： 2013 － 05 － 06 作者简介： 彭琦（ 1983—） ，男，湖北武汉人，2005 年毕业于武汉大学水利水电工程专业，博士，工程师，主要从事 TBM、盾构施工技术及地下工程方面 的研究与设计工作。
444
隧道建设
第 33 卷
供液压和电力供应的设备等。土体中的盾构系统主要 包括盾体、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排 土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备等。
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% ） ，而其外 围大应变区的形成、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］
隧道掘进机技术的发展和研究现状
彭 琦1，2
( 1． 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，四川 成都 610031; 2． 深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029)
摘要： 通过对隧道掘进机的分类、隧道掘进机技术的研究现状以及隧道掘进机技术研究和发展趋势的调研和探讨，提出： 1） 根据掘
第6 期
彭 琦 ： 隧道掘进机技术的发展和研究现状
445
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。
0 引言
隧道掘进机技术是一种集掘进、出渣运输和支护 衬砌于一体，一次成洞的隧道掘进方法，它引领了隧洞 开挖的全新时代，具有连续作业、施工速度快、环境污 染小、安全优质等特点［1 － 6］。
隧道掘进机根据各系统在施工中发挥的作用，可 以分为主机系统和后配套系统 2 部分［7 － 8］。主机系统
是隧道掘进机的核心，其主要功能是将岩土体切削成 便于运输的渣料，然后通过设置在前端的收集器将渣 料收集至皮带机上，由皮带机将渣料运出洞外。硬岩 掘进机主机系统主要包括刀盘、刀具、主轴承、机头架 和主大梁、支撑系统、液压系统、驱动装置和主机皮带 机等； 后配套系统是隧道掘进机主机后面为掘进提供 服务的各种配套设施的总称，主要包括隧道掘进机提
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． 1 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
隧道长度 / 隧道直径 / 主要工程
km
m
地质条件
51． 3
8． 36 ～ 8． 78 涌水
7． 176 20 14． 8
14． 87 14． 14
7． 7
高水压
高 水 压、 埋深大
涌水
15． 1
5． 2
岩石坚硬
12． 2
4． 88
埋深大
表 2 国内隧道掘进机施工代表性工程 Table 2 Typical tunnels bored by TBMs in China