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1隧道掘進機的分類

隧道掘進機作為目前廣泛使用且具有良好應用前景的掘進設備，依據掘進巖土體強度大致可分為巖石隧道掘進機和土體隧道掘進機2類，前者在國內一般稱作TBM（即巖石隧道掘進機），后者一般稱為盾構掘進機。巖石掘進機開挖的巖石一般比較堅硬，掘進速率、施工進度和滾刀刀具的磨損是制約施工進度與造價的主要因素。在堅硬巖石地層中，巖體一般具有自穩能力，開挖過程不需要進行特殊處理來保證巖體穩定。若碰到特殊巖體地層（如軟弱巖體、大斷層通過的地層），則需要考慮采用護盾來保證掘進機的正常和安全運行［1］。盾構掘進時，土體較軟，易于開挖，開挖掘進速度不是盾構面臨的主要問題，保證開挖面的穩定和減小開挖引起的土體沉降是盾構開挖的關鍵。盾構中一般采用護盾和開挖面的土壓平衡、泥水平衡或者氣壓平衡等方式來保證開挖土體的穩定與安全［1］。

2隧道掘進機技術的研究現狀

基于不同巖土體內掘進機工作模式和工程難點的不同，TBM和盾構掘進機技術的研究重點和熱點問題也存在差異。

2．1TBM研究現狀

如何加快巖石掘進機的掘進速率和優化開挖過程是巖石隧道工程的主要問題，故TBM技術的研究熱點問題主要集中在TBM滾刀的破巖機制和施工預測模型2方面。

2．1．1TBM滾刀破巖機制

TBM的掘進過程是通過滾刀切割巖石和刀盤旋轉形成連續破巖完成的，可分為2個階段：第1階段是刀盤在正推力作用下，滾刀對巖體產生壓入作用，巖體產生變形和破壞，裂紋由滾刀接觸部位產生，并且向四周擴展；第2階段是2個滾刀之間裂紋的連接、貫通，巖片的形成，完成破巖過程［1］，因此，TBM滾刀的破巖機制研究可以分為以下方面：1）滾刀的壓入過程，主要采用壓頭實驗和數值模擬研究；2）滾刀間的切割破巖過程，采用線性切割實驗和數值模擬研究。滾刀壓入作用基本力學模型的研究雛形最早可以追溯到1881年，Hert分析了2個弧形物體相互作用下的應力分布及Hertzian裂紋形成和擴展機制［12］；Cook等［13］進行了平板壓頭作用下花崗巖裂紋的發展過程的實驗研究（見圖1），根據裂紋發展過程中的聲發射信息和載荷變化把壓入過程分為微裂紋的閉合、彈性變形、微裂紋的穩定擴展和微裂紋不穩定擴展及貫通4個階段；Lindqvist等［14］、Mishnaevshy［15］和Chiaia［16］均進行了類似的研究，并將壓頭作用下的巖石分為3個區域（即粉碎核、大應變區和彈性區）。一般認為壓頭作用下粉碎區的形成是由延性破壞引起的，巖石高度破碎，力學行為表現為非彈性［12－19］。該區域的變形和形成消耗了絕大多數能量（占70％～85％），而其外圍大應變區的形成、裂紋的連通和巖片的形成只消耗了5％～10％的能量［15］。按照形成部位和擴展特征，粉碎區外裂紋可大致分為中心裂紋、放射裂紋和邊裂紋3類［20］。就裂紋形成的力學機制，目前主要有剪切作用、拉應力作用和拉剪混合作用3種觀點［12，15，21］。隨著計算機技術的發展，數值模擬方法也廣泛地應用于壓入過程研究。Cook等［13］、Chiaia［16］、Liu等［22］、Gong［23］采用數值模擬方法模擬了刀頭的壓入過程，發現刀頭和巖石的相互作用比較復雜，但主要可分為粉碎區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程研究主要是通過全尺寸的室內滾刀切割實驗進行的，而其中比較有代表性的實驗方法是科那拉多學院提出的線性切割實驗［24－25］。Snowdon等［26］對英格蘭地區的巖石進行了一系列的線性切割實驗，實驗中測定了不同刀間距S和切入深度P工況組合下的滾刀作用力和破巖體積，并在此基礎上計算了比能，進而確定最優刀間距與切入深度比值S／P，該實驗方法和結果具有開拓性和代表性，爾后不同的研究者都是按照該實驗的方法流程進行的。針對線性切割實驗設備組裝耗時、設備比較昂貴等缺點，部分研究者嘗試運用數值模擬方法仿真模擬線性切割實驗過程。JungWooCho等［27］運用AUTODYN3D數值軟件嘗試模擬了TBM滾刀的切割滾動過程，證明了數值模擬方法在線性切割實驗方法模擬上運用的可行性。

2．1．2TBM施工預測模型

TBM施工預測模型一方面可以為業主對TBM開挖所需工期提供參考，對工程經濟進行評估，選擇合理的開挖方式，另一方面，施工單位可以依據預測模型來編排施工進度，并且對實際開挖進度和預測進度進行比較，找出施工過程中存在的問題，進而指導施工。另外，設計人員、TBM機器制造商以及相關科研人員根據實際的開挖性能參數，分析開挖過程中巖體參數、設備運行參數的匹配關系，優化預測模型，并為TBM運行參數和TBM機器設計參數提供合理的改進意見，促進TBM技術的發展。因此，TBM預測模型受到廣泛關注，成為TBM研究的熱點問題［1］。由于工程巖體所處的地質環境復雜多變，巖體力學特性和結構特征表現出強烈的非線性、不均勻性和各向異性，加上TBM系統作用因素的多樣紛雜，造成了巖體和刀盤之間相互作用認知和描述的困難，給TBM掘進性能的評估和預測帶來了巨大挑戰。預測模型的發展已經經歷了40a，眾多工程建設者、學者設計了多種預測模型。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場數據的經驗方法2類。目前，理論方法大部分是通過分析滾刀和巖體作用機制出發，推導滾刀作用力、滾刀尺寸、切割參數與巖石力學參數的關系，求解理論或者半理論公式，用于實際工程中；或者是通過室內線性切割實驗的方法，測定滾刀推力、侵入深度等數值，分析、回歸它們與巖石力學屬性、滾刀尺寸的數學關系，得到滾刀作用力的預測公式［1］。Roxborough等［28］、Ozdemir等［29］、Sanio［30］、Sato等［31］、Rostami［32］基于室內壓入實驗或者全尺寸下的線性切割實驗模型推導，獲得了滾刀和巖石之間的相互作用關系，得到了滾刀正推力和滾動力的計算公式。實際TBM刀盤運動方式比侵入實驗和室內線性切割機上滾刀運動作用方式復雜得多，這些導致了理論預測方法在實際應用中還不成熟，基于此，學者們研發了基于現場TBM掘進數據的經驗預測模型方法。基于TBM現場掘進數據的經驗預測模型經歷了由單因素預測模型到多因素預測模型的發展歷程，其間伴隨著對TBM滾刀破巖機制和作用模式認識不斷深入的過程。目前，具有代表性的預測模型包括科羅拉多礦業學院的CSM預測模型和挪威科技大學發展的NTNU預測模型。另外，Barton基于大量隧洞TBM掘進數據對Q巖體分級模型進行了修正和改進，其提出的QTBM預測模型也受到了極大關注。近期，Gong基于新加坡深埋污水處理系統TBM開挖數據提出的巖體特性模型也具有較大的影響［1］。TBM系統和巖體的相互作用是高度復雜的非線性和不確定過程，由于模糊數學和人工神經網絡在處理非線性和不確定問題上的優勢，部分學者運用人工智能的數學方法建立了TBM的預測模型［33－36］。目前，TBM掘進性能預測模型的研究呈現百花齊放的態勢，不同的學者針對不同的工程，采取回歸分析或者人工智能等數學工具建立了不同的預測模型，在各自工程應用中均取得了不錯的效果。但目前還沒有一套普遍適合不同工程的預測方法和模型，應該說預測模型對巖體特性和TBM機器參數的依賴性比較大，故目前對于不同的工程，在充分考慮TBM系統作用力、巖體特性和巖體賦存環境的基礎上，需要有針對性地建立預測模型，并提高預測模型的擬合和預測精度。

2．2盾構掘進機研究現狀

盾構掘進機一般都運用于土體或者軟弱巖層中，破巖掘進過程比較容易，但掘進過程中掌子面的穩定和地面沉降控制是工程的主要技術難題，也是盾構技術的研究熱點。盾構施工掘進面穩定研究主要包括掌子面支護壓力和極限支護壓力大小的確定、掌子面破壞模式和機制研究以及掌子面支護壓力控制等，研究的方法和手段包括理論推導計算、現場資料實測分析、室內物理模型試驗研究及數值模擬等。在盾構掘進施工過程中，整體破壞是掌子面破壞失穩的主要模式，目前主要有塑性極限理論分析方法和利用掘進面前方滑動體力的平衡進行穩定分析2種理論分析方法。不同學者通過假定掌子面前方不穩定塊體形狀的不同，各自分析研究得出了一些有益的結論，并在此基礎上研究了掌子面壓力控制參數。值得一提的是，近20a發展起來的人工智能方法也越來越廣泛運用于掌子面穩定方面的研究中［37－38］。盾構施工過程中對地層的擾動作用是盾構技術研究的另外一個重要方向。地層的位移是由于地下水位降低、開挖面的應力釋放、盾尾空隙的發生和掌子面支護壓力等原因引起的土體擾動造成的，主要表現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沉降2部分組成，地表隆起主要是因為掌子面支護力過大形成的。就地表的沉降過程來看，可以分為初期沉降、掌子面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降和長期沉降5個階段。隧道施工期間地表沉降影響因素比較復雜，主要包括隧道埋深、巖土體物理力學參數、隧道尺寸、施工方法及支護方式等。目前，地表沉降分析方法主要包括經驗法、模型試驗法、理論預測法和數值模擬方法［37－38］。

3隧道掘進機技術研究和發展趨勢探討

隨著社會經濟的發展和城市化進程的推進，城市內發展地下軌道交通成為必然。隨著能源需求的增長，更多的水利水電項目將規劃修建，且這些工程中很多需要修建長距離的輸水隧洞和地下發電廠房。伴隨科學技術的發展，以往一些技術上存在障礙無法修建的高埋深大直徑的山嶺隧道和跨海隧道也隨之產生，大大提高了交通速度，方便了物質的交換和人們的交流，21世紀將是地下空間的世紀［1］。自上世紀中葉問世以來，伴隨著科學技術的迅速發展，隧道掘進機技術取得了重大進展，它以快速、優質、安全和環保等特點，逐漸成為地下工程建設中的主要施工方法和手段。隧道掘進機適用地層范圍越來越廣，已經從相對單一的巖石或者土類巖土體發展到混合地層交替，高地應力或者節理、斷層發育的復雜巖土體中，但對其在復雜地層中的掘進理論、施工力學理論以及環境影響控制方面的研究還不夠深入徹底，還有以下問題和工作需要深入分析和研究。1）TBM掘進機制深入系統的研究和預測模型的建立。TBM破巖機制直接關系到TBM刀盤選型、設計和開挖性能的評價。目前，硬巖條件下TBM破巖機制的研究主要是通過理論分析、實驗研究以及數值模擬3個方面進行的。國內外學者提出了很多種破巖理論，但對TBM滾刀作用下巖石的破壞過程、破壞作用方式仍然是眾說紛紜，對破巖現象研究還不夠深入透徹。TBM施工預測模型主要是用于掘進性能的評價和預測，不同的研究者針對不同的工程提出了多種預測模型，但這些模型都是基于大量不同巖性地層、不同TBM機器類型的工程數據上發展起來的，針對性較強，在其他實際工程運用中預測精度不高，應用效果不理想，截至目前還沒有一種普遍適用于不同工程的通用預測模型。TBM預測模型的適用性與工程巖體特性和TBM機器參數緊密相關，從這個意義上來說，每個獨立的TBM工程其適用的預測模型是不一樣的。因此，預測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，而這些需要對不同工程巖體特性下TBM滾刀破巖機制的深入了解，進而選擇合理、合適的影響參數。2）地應力影響下TBM掘進機制和施工力學過程、預測模型的研究。目前，世界范圍內將有一批水電引水隧洞、調水隧洞以及交通隧道規劃修建，而它們都處于高山峽谷地區，會面臨埋深大、巖石堅硬、高地應力和地質結構復雜等情況。地應力對TBM滾刀破巖模式的影響、復雜地質條件下的施工措施和預案、地應力在TBM施工預測模型中的作用等相關課題均需繼續深入研究。3）復合地層中盾構掘進力學機制和施工過程控制理論研究。隨著我國城市化進程的推進，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法施工，在修建過程中可能會遇到諸如上軟下硬的復合地層，會給盾構施工帶來刀盤震動、刀具磨損嚴重和地表沉降等問題。因此，需要開展復合地層中刀盤作用力學機制的研究，明確刀盤力學作用和復合地層地質力學參數的匹配關系，進而擬定復合地層中盾構施工控制的對策和方案。4）城市盾構中掌子面穩定和地表沉降控制理論研究。在城市地鐵修建中，盾構施工對掘進面穩定和地表沉降控制比較嚴格，需要發展和完善盾構掌子面穩定和地表沉降控制理論，健全施工力學控制理論，提高地表沉降預測精度，加強環境控制施工對策的研究。5）復雜地質條件下隧道掘進機的掘進機制和施工對策研究。隧道掘進機技術越來越成熟，工程應用也越來越廣泛，工程中遇到復雜地質地層的情況也越來越普遍。如節理巖體和砂卵石地層中掘進機會出現刀具磨損大、施工進度慢等問題，需要開展復雜地層中掘進力學機制和施工對策研究。6）復合掘進機技術的應用和發展。針對隧道施工過程中可能碰到的軟硬地層交替出現、地質條件變化劇烈的情況，復合隧道掘進機應運而生，在穩定性好的圍巖中采取開敞式模式掘進，在穩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，復合掘進機技術產品主要有NFM復合式TBM、羅賓斯混合式TBM和海瑞克泥水－土壓平衡轉換式TBM、SELI兼具開敞式和雙護盾特點的DSU或DSUC機型。復合掘進機技術的出現大大提高了掘進機適應地層的范圍，雖然應用過程中還存在著較多的問題，但它仍將會成為未來掘進機技術發展的趨勢之一。

作者：彭琦單位：西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室土木工程學院