TBM在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展方向

Application and future development of TBM in water project construction

趙宇飛，張?jiān)旗?/span>，楊建喜，葉明，徐全

1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048，北京；2.廣東粵海水務(wù)股份有限公司，518018，深圳；3.中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，110169，沈陽(yáng)；4.雅江清潔能源科學(xué)技術(shù)研究（北京）有限公司，100080，北京）

摘要：TBM廣泛應(yīng)用于水利、交通、采礦等相關(guān)行業(yè)隧洞/隧道工程中。得益于高度的機(jī)械化和信息化集成，相較于傳統(tǒng)鉆爆法施工，在適宜掘進(jìn)的圍巖（中硬巖）條件下，采用TBM工法能夠保障施工安全、高效。近年來(lái)水工隧洞工程呈現(xiàn)出距離長(zhǎng)、洞徑大、埋深大等特點(diǎn)，建設(shè)要求逐漸提高，更宜采用TBM法施工。國(guó)產(chǎn)TBM制造水平的提高使得裝備的整體性能、關(guān)鍵部件制造能力和智能化水平得到了充分提升，增強(qiáng)了TBM對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)能力。系統(tǒng)梳理了TBM技術(shù)在我國(guó)水利工程中的應(yīng)用進(jìn)展與未來(lái)方向，重點(diǎn)圍繞三個(gè)方面展開(kāi)：一是總結(jié)引漢濟(jì)渭、滇中引水等標(biāo)志性工程中TBM應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梳理我國(guó)水工TBM隧洞工程的發(fā)展脈絡(luò)；二是分析新型裝備、新材料與新技術(shù)在提升TBM適應(yīng)性方面的創(chuàng)新突破，總結(jié)提煉核心技術(shù)和瓶頸問(wèn)題；三是探討智能化、信息化技術(shù)在實(shí)現(xiàn)TBM自主決策、狀態(tài)自感知與綠色施工中的前沿應(yīng)用，展望大數(shù)據(jù)和人工智能在水利工程發(fā)展中的重要性。研究旨在為我國(guó)水利工程TBM技術(shù)發(fā)展與實(shí)踐提供體系化參考，推動(dòng)行業(yè)技術(shù)迭代與創(chuàng)新能力持續(xù)提升。

關(guān)鍵詞：TBM；水利工程；隧洞工程；施工；新裝備；新材料；新技術(shù)；復(fù)雜地質(zhì)；智能化

作者簡(jiǎn)介：趙宇飛，巖土所副所長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事巖土工程信息化方面的研究。

通信作者：張?jiān)旗?，博士，主要從事巖土工程智能化方面的研究。E-mail：zhangyp@iwhr.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)電力建設(shè)股份有限公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(DJ-HXGG-2023-5）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.21.009

水資源時(shí)空分布不均是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，跨流域調(diào)水工程是解決這一問(wèn)題的有效手段。隨著國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)全面推進(jìn)，長(zhǎng)距離輸水隧洞逐漸成為水利基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。在長(zhǎng)大隧洞建設(shè)中，傳統(tǒng)鉆爆法施工存在效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大、環(huán)境影響突出等局限性，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代水利工程建設(shè)需要。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）作為一種集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣于一體的大型地下空間施工裝備，自20世紀(jì)50年代投入使用以來(lái)，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展與革新，目前已成為國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)距離隧洞工程的首選施工方案，尤其適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、埋深大、距離長(zhǎng)的水工隧洞。

我國(guó)TBM技術(shù)雖然起步較晚，但得益于長(zhǎng)期以來(lái)大量工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)儲(chǔ)備，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，已實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”甚至“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展。20世紀(jì)80—90年代，以天生橋二級(jí)水電站和引大入秦等工程為代表，我國(guó)水利行業(yè)開(kāi)始成規(guī)模應(yīng)用并推廣TBM工法，歷經(jīng)30余年發(fā)展，整體應(yīng)用規(guī)模、施工能力和裝備性能得到了全方位提升。新時(shí)期，在國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)和西南能源開(kāi)發(fā)等背景下，水利工程將面臨更復(fù)雜的地質(zhì)條件和更嚴(yán)格的建設(shè)要求。至此，圍繞重大工程挑戰(zhàn)、復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)對(duì)、新型裝備材料和智能信息發(fā)展等方向，深入研究TBM在水利工程中的應(yīng)用，展望TBM未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)水利高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

TBM技術(shù)基礎(chǔ)

TBM是一種實(shí)現(xiàn)隧洞/隧道全斷面一次成型的大型現(xiàn)代化施工裝備。根據(jù)支護(hù)方式和工作原理的不同，TBM主要分為敞開(kāi)式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和復(fù)合式等類(lèi)型。敞開(kāi)式TBM適用于巖體較完整的硬巖地層，開(kāi)挖后需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)；單護(hù)盾式TBM適用于軟硬巖交錯(cuò)的地層，采用護(hù)盾結(jié)構(gòu)支撐洞壁；雙護(hù)盾式TBM則兼具單護(hù)盾式和敞開(kāi)式特點(diǎn)，既能適應(yīng)不穩(wěn)定圍巖，又能在穩(wěn)定巖層中高效掘進(jìn)；復(fù)合式TBM是針對(duì)極端復(fù)雜地質(zhì)條件開(kāi)發(fā)的多功能組合式掘進(jìn)機(jī)。在水利工程中，根據(jù)輸水隧洞的使用功能、地質(zhì)條件和施工要求，選擇合適的TBM至關(guān)重要。

水利工程中常見(jiàn)TBM類(lèi)型及其適用條件

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)TBM技術(shù)用于水電工程隧道施工。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著南水北調(diào)等重大工程實(shí)施，TBM技術(shù)在我國(guó)水利工程中的應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展期。特別是近10年來(lái)，我國(guó)TBM技術(shù)取得了顯著進(jìn)步：①裝備國(guó)產(chǎn)化率不斷提高，主要廠商已能自主設(shè)計(jì)制造各類(lèi)TBM；②工程應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，TBM掘進(jìn)里程不斷刷新紀(jì)錄；③技術(shù)創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)自主研發(fā)的TBM已成功應(yīng)用于引江補(bǔ)漢、梅山灌區(qū)等多項(xiàng)重大水利工程，隧洞最大直徑達(dá)到12m級(jí)，最大埋深超過(guò)2000m。

TBM技術(shù)在水利工程中的發(fā)展不僅提升了施工效率，也推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。目前我國(guó)已形成完整的TBM研發(fā)制造、施工應(yīng)用、運(yùn)維服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈，將為后續(xù)的國(guó)家水網(wǎng)工程建設(shè)提供有力支撐。

我國(guó)TBM應(yīng)用進(jìn)展

1.我國(guó)重大水利工程中的TBM應(yīng)用及突

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2000年以后207項(xiàng)采用TBM施工的隧洞/隧道工程中，水工隧洞共計(jì)134項(xiàng)，占比64.7%。在國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)推動(dòng)下，水工隧洞建設(shè)也將呈現(xiàn)出大直徑、大埋深和長(zhǎng)距離特點(diǎn)，采用TBM法修建水工隧洞成為行業(yè)首選。

引大入秦工程是我國(guó)最早采用TBM施工的水利工程之一，其主要任務(wù)是將黃河水引入秦嶺北麓地區(qū)，以改善當(dāng)?shù)毓┧畻l件。引大入秦工程開(kāi)創(chuàng)我國(guó)大型水利工程全面采用TBM施工先河，盤(pán)道嶺隧道采用了意大利CMC公司生產(chǎn)的TBM，該機(jī)型在當(dāng)時(shí)世界上僅有3臺(tái)；30A、38號(hào)隧洞于1991年1月開(kāi)始施工、1992年8月貫通，隧洞長(zhǎng)度16.649km，采用美國(guó)羅賓斯生產(chǎn)的雙護(hù)盾TBM，開(kāi)挖直徑為5.54m，其中38號(hào)隧洞還進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)第一代SJ550型TBM的掘進(jìn)試驗(yàn)。該工程在機(jī)械化施工、TBM施工技術(shù)體系構(gòu)建、國(guó)際先進(jìn)技術(shù)引入與本土化實(shí)踐等方面實(shí)現(xiàn)了歷史性突破。

山西萬(wàn)家寨引黃入晉工程是山西省水利現(xiàn)代化的重要標(biāo)志性工程，是國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模應(yīng)用TBM技術(shù)的大型調(diào)水工程，至今已累計(jì)向太原、大同、朔州等地區(qū)供水約50億m，同時(shí)向永定河生態(tài)補(bǔ)水近2億m。該工程始建于1994年，全線452.4km，采用多臺(tái)TBM施工，TBM供應(yīng)商為美國(guó)羅賓斯和法國(guó)NFM，開(kāi)挖直徑為4.82～6.13m。工程沿線地形復(fù)雜，需穿越河谷、山地及斷層破碎帶，施工難度較大。工程實(shí)踐中形成了TBM快速掘進(jìn)隧洞設(shè)計(jì)和豆礫石回填灌漿方法，章躍林等提出了兩種施工方案，一是“預(yù)制管片襯砌+豆礫石填充”，適配地質(zhì)均一、快速掘進(jìn)場(chǎng)景；二是“豆礫石回填+灌漿”，適用于復(fù)雜地質(zhì)圍巖加固，并相應(yīng)研發(fā)預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌技術(shù)，為后續(xù)工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。該工程的實(shí)踐證明應(yīng)用TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行長(zhǎng)距離隧洞施工，具有可行性、高效性和經(jīng)濟(jì)性。

進(jìn)入21世紀(jì)，水利工程建設(shè)加快推進(jìn)，一大批工程開(kāi)工。大量工程的實(shí)踐應(yīng)用，培養(yǎng)出一大批具有豐富施工經(jīng)驗(yàn)的一線技術(shù)工作者和管理人員。

引漢濟(jì)渭工程是克服極端地質(zhì)條件施工的代表性工程，該工程于2012年開(kāi)工，旨在將漢江水引入渭河流域。工程隧洞全長(zhǎng)約81.8km，穿越秦嶺山脈，面臨高地應(yīng)力、斷層破碎帶及超硬巖段等復(fù)雜地質(zhì)條件。工程分嶺南段和嶺北段，TBM最大直徑達(dá)到8.05m。施工中，參建單位克服大埋深（超2000m）、超硬巖（局部巖石抗壓強(qiáng)度超過(guò)275MPa）和強(qiáng)巖爆（巖爆事件超千次）等挑戰(zhàn)，同時(shí)應(yīng)用熱能、水力、劈裂等多種破巖技術(shù)，使用基于微震監(jiān)測(cè)的巖爆預(yù)警技術(shù)，充分提升TBM在極硬巖段掘進(jìn)效率和強(qiáng)巖爆段的掘進(jìn)安全性，為深埋高地應(yīng)力隧洞施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

吉林省中部城市引松供水工程是又一項(xiàng)標(biāo)志性重大引調(diào)水工程。在該工程中，國(guó)產(chǎn)TBM設(shè)備的制造能力和施工水平得到了實(shí)踐檢驗(yàn)，此后國(guó)產(chǎn)TBM開(kāi)始逐漸占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。工程成功應(yīng)用了我國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大直徑敞開(kāi)式TBM“長(zhǎng)春號(hào)”，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷；工程將科研和工程實(shí)踐相結(jié)合，首次在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用TBM信息化監(jiān)測(cè)與智能化分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、支護(hù)調(diào)整及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警閉環(huán)，為國(guó)產(chǎn)TBM性能驗(yàn)證和智能化施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；工程創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)多項(xiàng)國(guó)內(nèi)紀(jì)錄，包括月進(jìn)尺1209.8m，平均月進(jìn)尺超過(guò)750m，連續(xù)月進(jìn)尺突破920m，最高日進(jìn)尺86.5m等。

隨著國(guó)家水網(wǎng)工程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，新時(shí)期引調(diào)水工程更多呈現(xiàn)出大直徑、長(zhǎng)距離、高埋深和集群施工特點(diǎn)，如新疆某供水工程全線采用超過(guò)20臺(tái)TBM，隧洞總長(zhǎng)超過(guò)500km，最長(zhǎng)單洞線路總長(zhǎng)接近300km，超過(guò)10家施工單位同時(shí)施工，是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的TBM集群工程。

滇中引水工程是又一項(xiàng)地質(zhì)條件極為復(fù)雜、施工難度極大的重大引調(diào)水工程。該工程香爐山隧洞于2022年開(kāi)始TBM施工，采用2臺(tái)直徑9.8m的敞開(kāi)式TBM同時(shí)對(duì)打，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)引調(diào)水工程最大直徑TBM的行業(yè)紀(jì)錄。香爐山隧洞穿越斷層破碎帶、軟硬巖互層及高地應(yīng)力區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工面臨巖體強(qiáng)度變化大、圍巖急劇變形和突涌水（泥）等風(fēng)險(xiǎn)。為克服上述問(wèn)題，參建各單位經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期艱苦奮斗，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和強(qiáng)化即時(shí)支護(hù)相結(jié)合方式，逐步突破困難洞段。截至2025年6月底，一期輸水工程已累計(jì)貫通618.7km，占全線總長(zhǎng)的93.2%。該工程也探索了科學(xué)決策支撐工程建設(shè)的新范式，由云南省滇中引水工程建設(shè)管理局牽頭成立了由院士領(lǐng)銜的專(zhuān)家組，匯聚了國(guó)內(nèi)TBM領(lǐng)域頂尖專(zhuān)家學(xué)者，通過(guò)專(zhuān)題討論、針對(duì)研究，為工程建設(shè)提供服務(wù)支撐。

環(huán)北部灣廣東水資源配置工程是采用信息化管理的代表性引調(diào)水工程，該工程于2023年進(jìn)入全線施工，是國(guó)家水網(wǎng)的重要組成部分。隧洞線路總長(zhǎng)接近500km，采用13臺(tái)TBM施工，截至2025年9月已經(jīng)累計(jì)完成掘進(jìn)50km。為提升工程管控質(zhì)量，業(yè)主單位基于數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等技術(shù)構(gòu)建質(zhì)量檢測(cè)智慧監(jiān)管系統(tǒng),通過(guò)實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)交互和傳輸，為數(shù)據(jù)中心提供試驗(yàn)檢測(cè)的實(shí)施數(shù)據(jù)、檢測(cè)報(bào)告、表單數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)及不合格閉合情況數(shù)據(jù)。通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全流程試驗(yàn)檢測(cè)管理，包括移動(dòng)端取樣、RFID芯片或二維碼標(biāo)記樣品、流轉(zhuǎn)過(guò)程監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)過(guò)程監(jiān)控、臨檢漏檢提醒、伺服式試驗(yàn)機(jī)集成及試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)采集、試驗(yàn)成果報(bào)告自動(dòng)生成、試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)分析,實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到成品全過(guò)程監(jiān)控，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、唯一性和可追溯性，提升試驗(yàn)檢測(cè)工作效率和工作質(zhì)量。

引江補(bǔ)漢工程是我國(guó)在建長(zhǎng)距離有壓引調(diào)水隧洞中單洞長(zhǎng)度最長(zhǎng)、洞徑最大、綜合難度最高的工程項(xiàng)目之一。2025年以來(lái)，引江補(bǔ)漢工程多臺(tái)TBM陸續(xù)始發(fā)，創(chuàng)造了多項(xiàng)TBM新紀(jì)錄，包括國(guó)產(chǎn)最大直徑敞開(kāi)式TBM“江漢領(lǐng)航號(hào)”，開(kāi)挖直徑11.93m；國(guó)內(nèi)水利工程最大直徑單護(hù)盾式TBM“江漢開(kāi)拓號(hào)”，開(kāi)挖直徑12.23m；國(guó)內(nèi)在建隧洞工程中最大直徑雙護(hù)盾式TBM“江漢平安號(hào)”，開(kāi)挖直徑11.93m。超大直徑施工對(duì)于設(shè)備性能提出了更高要求，制造商對(duì)此進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，“江漢新石器號(hào)”TBM采用刀具小間距布置、大范圍擴(kuò)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法，以提升超大直徑TBM應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件的能力；“江漢龍安號(hào)”采用了雙模式設(shè)計(jì)，能夠針對(duì)不同地質(zhì)條件切換土壓平衡模式和單護(hù)盾模式，為刀盤(pán)提供穩(wěn)定的支撐，實(shí)現(xiàn)高效破巖；“江漢武當(dāng)號(hào)”裝備了扭矩倍增脫困系統(tǒng)，通過(guò)在主電機(jī)和減速機(jī)之間增加雙速減速機(jī)，充分提升脫困扭矩。該工程將充分檢驗(yàn)國(guó)產(chǎn)大直徑TBM裝備性能，也將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)超大直徑TBM施工能力提升和技術(shù)發(fā)展。

綜上，經(jīng)過(guò)30余年發(fā)展，我國(guó)水工隧洞TBM的制造水平和施工水平均已處于國(guó)際領(lǐng)先地位，一大批重大水利工程的建設(shè)和完工推動(dòng)了國(guó)家骨干水網(wǎng)建設(shè)和完善，有效促進(jìn)了水資源優(yōu)化配置、水安全保障、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

2.TBM相關(guān)新裝備、新材料、新技術(shù)應(yīng)用

（1）新型破巖技術(shù)

長(zhǎng)期以來(lái)提升破巖效率一直是學(xué)術(shù)界和工程界的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來(lái)針對(duì)硬巖地層中滾刀與截齒破巖效率低、刀具磨損嚴(yán)重問(wèn)題，在傳統(tǒng)破巖模式基礎(chǔ)上結(jié)合新型破巖方式成為了研究熱點(diǎn)。諸如水力聯(lián)合破巖，即通過(guò)高壓水射流預(yù)先切槽，輔助機(jī)械滾刀破碎巖石，減少滾刀磨損，提高破巖效率；或利用激光輔助破巖，通過(guò)高能激光束預(yù)處理巖石，弱化其強(qiáng)度。比較具有代表性的是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所周輝團(tuán)隊(duì)提出的“預(yù)切槽+滾刀”聯(lián)合破巖模式，通過(guò)高壓水射流切槽，優(yōu)化裂紋擴(kuò)展路徑，提升破巖效率，并減小刀具載荷。需要注意的是，發(fā)揮高壓水射流的破巖效果需保障瞬時(shí)水壓超過(guò)150MPa，同時(shí)射流噴嘴需超前于滾刀刀刃50～80mm布置，以實(shí)現(xiàn)在滾刀壓入巖石前，先行在巖體中切割出初始導(dǎo)向槽。試驗(yàn)表明該技術(shù)可降低44%～53%的破巖力，并揭示了臨界切槽深度對(duì)破巖效果的調(diào)控作用。

（2）裝備制造技術(shù)

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)TBM在核心部件制造、生產(chǎn)和維修保養(yǎng)等方面有了長(zhǎng)足技術(shù)進(jìn)步。以主軸承為例。主軸承是連接刀盤(pán)與主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心承載部件，用于支撐并傳遞掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巨大軸向推力、徑向力和傾覆力矩，決定了TBM的施工狀態(tài)和工作能力，故TBM施工對(duì)主軸承的質(zhì)量要求極高。長(zhǎng)期以來(lái)，盡管?chē)?guó)產(chǎn)TBM已經(jīng)占據(jù)了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，但是主軸承仍然依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。2023年，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司成功實(shí)現(xiàn)了16m級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承的國(guó)產(chǎn)化，為T(mén)BM主軸承的技術(shù)攻關(guān)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)與布局優(yōu)化、快速換刀、多模式出渣、可變徑技術(shù)和后支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化等其他方面，也實(shí)現(xiàn)了不同程度的創(chuàng)新。

（3）新型施工材料

TBM施工需要消耗大量材料，主要以刀具材料和支護(hù)材料為主，其中刀具的性能一定程度上決定了破巖效率，刀具磨損率越低，換刀周期越長(zhǎng)。決定刀具磨損率的因素包括圍巖條件和刀具本身材質(zhì)。以刀具材料為例，選用原則為高耐磨性和抗沖擊性，故通常以高性能合金為主，如鎢鈷合金和高碳高鉻鋼。近年來(lái)，納米涂層技術(shù)逐漸應(yīng)用到刀具制造領(lǐng)域，通過(guò)在刀具表面形成微米級(jí)保護(hù)層提高抗腐蝕性、耐磨性和熱穩(wěn)定性，以適應(yīng)高地溫、超硬巖等復(fù)雜地質(zhì)條件。具體實(shí)現(xiàn)方式為在刀圈基體（如H13鋼）上制備金屬基陶瓷復(fù)合涂層，涂層材料體系主要包括鐵基、鈷基及鎳基自熔性合金，并通過(guò)添加WC、TiC等硬質(zhì)顆粒作為增強(qiáng)相；鎳基WC復(fù)合涂層因綜合性能優(yōu)異而應(yīng)用最廣。在制備工藝上，當(dāng)前通過(guò)激光熔覆技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合，而超音速火焰噴涂則可用于制備高結(jié)合強(qiáng)度的涂層。然而，這項(xiàng)技術(shù)仍面臨涂層高硬度與韌性難以兼顧、制備過(guò)程易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以及缺乏專(zhuān)用粉末和真實(shí)工況驗(yàn)證等挑戰(zhàn)。其他TBM施工材料，如注漿材料（豆礫石等）、新型支護(hù)材料（高強(qiáng)鋼材）等，也是研究的重點(diǎn)方向。

（4）抽水蓄能電站TBM施工技術(shù)

2020年以來(lái)，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用清潔能源，許多抽水蓄能電站項(xiàng)目上馬。抽水蓄能電站隧洞長(zhǎng)度雖然較短但有坡度，采用TBM工法進(jìn)行抽水蓄能電站引水隧洞和斜井的施工成為新的嘗試。相較于平硐施工，抽水蓄能隧洞施工圍巖地質(zhì)條件較好，但由于TBM自重巨大，往往需要針對(duì)性的裝備設(shè)計(jì)與施工組織。中國(guó)水利水電第六工程局有限公司施工的洛寧抽水蓄能電站斜井工程，采用了由中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的“永寧號(hào)”TBM?！坝缹幪?hào)”整機(jī)全長(zhǎng)121m，總重1550t，開(kāi)挖直徑達(dá)7.23m，是首臺(tái)國(guó)產(chǎn)大直徑大傾角斜井硬巖掘進(jìn)機(jī)。為了克服大角度逆坡掘進(jìn)難題，“永寧號(hào)”TBM通過(guò)防滑制動(dòng)與仿生支撐裝置保證掘進(jìn)穩(wěn)定，結(jié)合溜渣槽、連續(xù)皮帶機(jī)與噴淋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效排渣，顯著提升了施工安全性與效率。在整機(jī)設(shè)計(jì)中，針對(duì)TBM下溜、碴料堵渣、掘進(jìn)材料輸送及液壓設(shè)備調(diào)節(jié)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。TBM前半部分設(shè)置2組外凱和2組ABS支撐裝置，用于掘進(jìn)過(guò)程中穩(wěn)定巖壁，4套組件相互獨(dú)立，既提供掘進(jìn)所需推力，又產(chǎn)生足夠摩擦力以確保整機(jī)在掘進(jìn)和換步作業(yè)中保持穩(wěn)定，防止下溜現(xiàn)象發(fā)生。

（5）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

TBM工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)通常以物探和鉆探為主。傳統(tǒng)物探手段受限于作業(yè)空間、施工環(huán)境，且具有多解性，探測(cè)精度隨探測(cè)距離增長(zhǎng)而衰減，在含水體探測(cè)方面尤為明顯。鉆探技術(shù)施作空間、時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較大，全洞段開(kāi)展的難度較高。故而，有學(xué)者提出通過(guò)整合多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)異常地質(zhì)的提前識(shí)別，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。中國(guó)科學(xué)院王偉研究了基于彈性波反射原理的DOSO雙源雙程重疊觀測(cè)技術(shù)，通過(guò)在隧道底部設(shè)置震源激發(fā)P波與S波，并利用布置于管片及超前鉆孔內(nèi)的三分量檢波器接收反射信號(hào)，對(duì)掌子面前方地質(zhì)體進(jìn)行高分辨率成像，技術(shù)流程涵蓋初至?xí)r間拾取、拉東變換反射波提取、極化分析、速度分析及偏移成像等步驟，并結(jié)合逆時(shí)偏移和全波形反演以提高異常體識(shí)別精度，系統(tǒng)集成三維數(shù)值模擬與可視化模塊，可直觀展現(xiàn)前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從定性識(shí)別向定量分析的轉(zhuǎn)變。工程應(yīng)用表明，該方法探測(cè)距離可達(dá)約100m，能夠有效識(shí)別斷層、破碎帶及富水區(qū)，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM掘進(jìn)安全提供了重要技術(shù)保障。此外，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研究的基于TBM施工振動(dòng)作為激發(fā)源的新型地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究的數(shù)字化TBM超前鉆探方法等，均在探測(cè)手段、數(shù)據(jù)利用等方面進(jìn)行了探索。

3.復(fù)雜地質(zhì)條件應(yīng)對(duì)措施研究

（1）應(yīng)對(duì)圍巖大變形

圍巖大變形主要發(fā)生在深埋軟巖隧洞中，在高地應(yīng)力作用下，軟巖的蠕變效應(yīng)加劇，進(jìn)而影響施工安全和圍巖穩(wěn)定，如滇中引水香爐山隧洞因圍巖大變形引起TBM卡機(jī)，造成了工期延誤和投資增加。同濟(jì)大學(xué)張鋒團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)探討了高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的發(fā)生機(jī)理，提出優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)施工控制等應(yīng)對(duì)措施。長(zhǎng)江科學(xué)院丁秀麗團(tuán)隊(duì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬總結(jié)了軟巖變形規(guī)律，提出了分步開(kāi)挖、臨時(shí)支護(hù)加固及超前支護(hù)設(shè)計(jì)等控制方案。研究表明，初期支護(hù)采用高延性噴射混凝土、可縮式鋼拱架與讓壓錨桿相互結(jié)合的方式，吸收圍巖變形能量，并防止初期結(jié)構(gòu)剛性約束過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致早期破壞；在二襯施工階段，采用高強(qiáng)度混凝土與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，并通過(guò)預(yù)留變形量及設(shè)置滑移連接件實(shí)現(xiàn)二次讓壓，確保襯砌在持續(xù)變形過(guò)程中保持整體穩(wěn)定。對(duì)于高地應(yīng)力或軟巖地層，還可以輔以超前支護(hù)、長(zhǎng)錨索及管棚支護(hù)等措施，提高掌子面穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)圍巖與支護(hù)的協(xié)調(diào)變形，從而有效控制大變形隧洞的穩(wěn)定性問(wèn)題。

（2）應(yīng)對(duì)斷層破碎帶

斷層破碎帶是TBM施工面臨的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)之一。長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司張傳健基于滇中引水香爐山隧洞的施工實(shí)踐，總結(jié)得出斷層破碎帶區(qū)域巖體破碎、含水量高，容易引發(fā)掘進(jìn)阻力增大、刀具磨損嚴(yán)重、圍巖大變形及突涌水（泥）等問(wèn)題。針對(duì)斷層破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)，該工程實(shí)踐中采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提前識(shí)別潛在斷層帶及軟弱地段，結(jié)合分步開(kāi)挖、超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)及多級(jí)排水體系控制圍巖變形和水害。同時(shí)，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能調(diào)控系統(tǒng)，針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)、支護(hù)狀態(tài)和圍巖變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高斷層破碎帶隧道施工的安全性與連續(xù)掘進(jìn)能力。研究表明，通過(guò)在掘進(jìn)前實(shí)施超前固結(jié)灌漿或管棚支護(hù)，可提高破碎圍巖整體性與承載力；掘進(jìn)過(guò)程中采用可讓壓鋼拱架、錨桿和高延性噴射混凝土組合支護(hù)，可控制圍巖收斂與應(yīng)力集中；同時(shí)在拱底和腰線部位加密錨固，可防止底鼓及機(jī)頭下沉。掘進(jìn)完成后及時(shí)施作二襯結(jié)構(gòu)，使初期支護(hù)與二襯協(xié)同承載，形成圍巖-支護(hù)協(xié)調(diào)變形穩(wěn)定體系，從而實(shí)現(xiàn)斷層破碎帶段的安全可控掘進(jìn)。

（3）應(yīng)對(duì)突涌水（泥）

突涌水（泥）是TBM施工中極為嚴(yán)重的常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)之一，常出現(xiàn)在富水?dāng)鄬訋?、破碎帶及高壓含水層中，極易引發(fā)掌子面失穩(wěn)、設(shè)備被淹及長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等嚴(yán)重后果。中鐵十八局集團(tuán)有限公司齊夢(mèng)學(xué)等通過(guò)分析典型TBM工程案例，發(fā)現(xiàn)突涌水（泥）具有突發(fā)性強(qiáng)、涌水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，往往伴隨大量泥石進(jìn)入，導(dǎo)致排渣系統(tǒng)受阻，甚至誘發(fā)塌方災(zāi)害。防治措施應(yīng)遵循“超前預(yù)報(bào)、分級(jí)應(yīng)對(duì)、動(dòng)態(tài)處置”原則：一方面，需通過(guò)超前鉆探、地質(zhì)雷達(dá)和物探等多手段識(shí)別含水構(gòu)造，建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制；另一方面，采用超前帷幕注漿、加固破碎巖體、分區(qū)減壓排水等措施可降低水壓、封堵滲透通道；同時(shí)，在突涌水（泥）發(fā)生后，應(yīng)通過(guò)快速封堵、應(yīng)急排水與掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整，減少災(zāi)害擴(kuò)展范圍。此外，面臨突涌水（泥），可通過(guò)在掌子面前方超前鉆孔注漿形成止水帷幕，利用化學(xué)漿液或高分子材料加固破碎圍巖并封堵滲水通道；對(duì)洞壁滲水采用防水板與引流系統(tǒng)，將水流集中至集水池統(tǒng)一抽排；在高壓突水地段輔以管棚或小導(dǎo)管注漿形成傘狀防水層，提高掌子面抗?jié)B能力。配合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與支護(hù)參數(shù)調(diào)整，該技術(shù)可有效控制突水范圍，確保TBM掘進(jìn)安全與施工穩(wěn)定。

（4）應(yīng)對(duì)巖爆

巖爆是TBM施工中極具威脅性的地質(zhì)災(zāi)害之一，尤其在高地應(yīng)力、硬巖及軟硬巖互層區(qū)表現(xiàn)突出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在巖爆監(jiān)測(cè)、預(yù)警與防控技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄圍巖微震活動(dòng)，可識(shí)別潛在巖爆發(fā)生區(qū)域及等級(jí)，為支護(hù)設(shè)計(jì)及施工參數(shù)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)巖爆防控，研究提出了主動(dòng)與被動(dòng)聯(lián)合策略：主動(dòng)措施包括超前鉆孔應(yīng)力釋放、超前小孔爆破、先導(dǎo)洞施工、鉆孔注水及超前錨桿加固；被動(dòng)措施包括噴錨網(wǎng)、鋼支撐及鋼筋網(wǎng)等圍巖加固手段。在深埋隧洞工程實(shí)踐中，利用這些措施結(jié)合掘進(jìn)速度、支護(hù)模式及施工節(jié)奏對(duì)巖爆防控進(jìn)行優(yōu)化，形成輕微、中等、強(qiáng)烈三個(gè)等級(jí)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及“掘速控制-風(fēng)險(xiǎn)控制-時(shí)空控制-分級(jí)控制”的防控準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警、施工與支護(hù)的閉環(huán)管理。深埋隧洞巖爆支護(hù)技術(shù)是防控災(zāi)害的核心，可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類(lèi)，旨在通過(guò)加固圍巖提高抗沖擊能力。主動(dòng)支護(hù)如超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，在開(kāi)挖前實(shí)施，通過(guò)應(yīng)力釋放和預(yù)加固降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，適用于高風(fēng)險(xiǎn)洞段；被動(dòng)支護(hù)如噴錨支護(hù)、鋼支撐和掛網(wǎng)防護(hù)，在開(kāi)挖后發(fā)揮作用，其中噴錨支護(hù)結(jié)合混凝土和錨桿形成承載體系，鋼支撐提供剛性支持，而柔性鋼絲網(wǎng)等掛網(wǎng)措施能有效吸收動(dòng)能。

4.信息化和智能化發(fā)展應(yīng)用

（1）智能選型方面

傳統(tǒng)TBM選型方法往往依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)判斷，存在較強(qiáng)主觀性、局限性，難以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件。如何充分利用初勘地質(zhì)資料，引入人工智能方法，對(duì)專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，是新的研究方向。武漢大學(xué)劉泉聲團(tuán)隊(duì)提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的TBM智能選型方法，將設(shè)備選型問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分類(lèi)預(yù)測(cè)任務(wù)，基于沿線地質(zhì)資料及施工先驗(yàn)信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)TBM選型推薦。具體來(lái)說(shuō)，是將施工案例數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)作為選型主要方法，將復(fù)雜、模糊的TBM選型問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單、明確的TBM分類(lèi)問(wèn)題，有效提升了選型的科學(xué)性和可解釋性。研究收集了敞開(kāi)式TBM案例55個(gè)、單護(hù)盾式TBM案例21個(gè)、雙護(hù)盾式TBM案例41個(gè)，收集數(shù)據(jù)包括隧道沿線各級(jí)圍巖占比、隧道直徑、平均埋深、隧道用途、月進(jìn)尺等，利用多重插補(bǔ)算法填補(bǔ)案例中缺失數(shù)據(jù)，并利用SMOTE-NC算法對(duì)不平衡數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)集。其中LightGBM模型表現(xiàn)最佳，測(cè)試集選型精度高達(dá)94.4%。

（2）智能感知方面

圍巖地質(zhì)條件始終是TBM過(guò)程感知的主要對(duì)象，智能感知?jiǎng)t是結(jié)合多源感知信息，充分利用已建工程數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)估和預(yù)判。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院張?jiān)旗坊?個(gè)不同直徑和地質(zhì)條件的TBM施工隧道構(gòu)建了跨工程大數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)特征工程與機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)不良巖體的跨工程識(shí)別與預(yù)測(cè)，開(kāi)發(fā)了一套跨工程智能感知方法，目的是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)提升巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)泛化能力。該方法引入隧道直徑和盤(pán)形刀數(shù)量作為關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，與FPI和TPI結(jié)合，形成擴(kuò)展特征向量（包括TPI、a、b、RT、RF、D、N），以有效克服不同項(xiàng)目間機(jī)械和地質(zhì)條件的差異。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段采用循環(huán)劃分和狀態(tài)函數(shù)過(guò)濾異常值，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；機(jī)器學(xué)習(xí)方面以隨機(jī)森林算法為主算法，將巖體質(zhì)量簡(jiǎn)化為二分類(lèi)問(wèn)題，即分為穩(wěn)定巖體（Ⅰ～Ⅲ級(jí)）與不穩(wěn)定巖體（Ⅳ～Ⅴ級(jí)），并輔以支持向量機(jī)SVM等進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。訓(xùn)練過(guò)程通過(guò)10折交叉驗(yàn)證優(yōu)化并利用ROC曲線調(diào)整概率閾值，從而顯著提升了對(duì)不穩(wěn)定巖體的識(shí)別精度。驗(yàn)證結(jié)果表明，混合學(xué)習(xí)模型的AUC值超過(guò)0.85，F(xiàn)1分?jǐn)?shù)接近0.75，證實(shí)了該方法在跨項(xiàng)目場(chǎng)景下的有效泛化能力，為T(mén)BM在未知地質(zhì)條件下的實(shí)時(shí)感知提供了可靠基礎(chǔ)。特征參數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)支持了輸入數(shù)據(jù)的可靠性；而三維聚類(lèi)分析進(jìn)一步揭示了不同巖體等級(jí)的參數(shù)分離趨勢(shì)，增強(qiáng)了模型的可解釋性。北京交通大學(xué)李旭團(tuán)隊(duì)提出以多源數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)的巖體評(píng)估體系，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定性指標(biāo)量化評(píng)估圍巖狀態(tài)，制定支護(hù)方案。但TBM智能感知也面臨數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、跨工程遷移性、模型可靠性與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

（3）智能駕駛方面

TBM實(shí)現(xiàn)了高度的機(jī)械化集成和信息化升級(jí)，正在邁向智能化，其中智能駕駛是智能化的核心環(huán)節(jié)。當(dāng)前研究主要圍繞參數(shù)推薦展開(kāi)，上海隧道工程股份有限公司吳惠明提出的盾構(gòu)自主駕駛技術(shù)通過(guò)多源傳感信息融合，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，減少人工干預(yù)；浙江大學(xué)張亞坤則強(qiáng)調(diào)構(gòu)建“感知—認(rèn)知—決策—執(zhí)行”閉環(huán)體系，推動(dòng)TBM從被動(dòng)監(jiān)測(cè)向主動(dòng)智能控制轉(zhuǎn)變，使圍巖識(shí)別與參數(shù)調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)。但是目前智能駕駛主要針對(duì)掘進(jìn)工序，對(duì)于換步、支護(hù)等工序的搭接考慮不足，同時(shí)推薦參數(shù)的合理性和適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，復(fù)雜地質(zhì)情況下的需求更為強(qiáng)烈。智能盾構(gòu)的自主化運(yùn)行依賴(lài)于一套協(xié)同演進(jìn)的算法與參數(shù)體系，其核心在于通過(guò)多模塊的技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)從地質(zhì)感知到精準(zhǔn)控制的完整閉環(huán)。在地質(zhì)識(shí)別方面，采用k-means聚類(lèi)與XGBoost相結(jié)合的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，依托地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)前方地層的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；壓力平衡控制則通過(guò)模糊PID與自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃等算法，對(duì)土倉(cāng)壓力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確保開(kāi)挖面穩(wěn)定。智能決策系統(tǒng)借助多目標(biāo)優(yōu)化算法與LSTM預(yù)測(cè)模型，以掘進(jìn)速度、能耗與刀具磨損為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整推力、刀盤(pán)扭矩等決策變量實(shí)現(xiàn)綜合性能提升。姿態(tài)控制模塊采用CNN-RNN混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)與糾偏，依據(jù)推進(jìn)油缸的壓力與位移偏差實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。盡管如此，該技術(shù)體系仍面臨模型泛化能力不足、多系統(tǒng)耦合優(yōu)化復(fù)雜等挑戰(zhàn)。未來(lái)需進(jìn)一步發(fā)展基于數(shù)字孿生的協(xié)同控制框架與跨項(xiàng)目遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，以推動(dòng)隧道掘進(jìn)向全流程自主化方向演進(jìn)。

TBM的發(fā)展方向

1.面向超長(zhǎng)深埋隧洞

隨著我國(guó)水網(wǎng)工程持續(xù)建設(shè)，超長(zhǎng)距離、超大埋深已逐漸成為隧洞建設(shè)的顯著特點(diǎn)，如何適應(yīng)長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)、高地應(yīng)力安全施工，是新時(shí)期TBM水工隧洞建設(shè)必須回答的問(wèn)題。為保障工程進(jìn)度和安全，TBM作為主要施工設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)條件感知、智能掘進(jìn)支護(hù)與整體工序協(xié)同的有機(jī)統(tǒng)一。①TBM設(shè)備需具備感知圍巖地質(zhì)條件能力，能夠融合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隨鉆感知、巖渣圖像識(shí)別、微震監(jiān)測(cè)等多源地質(zhì)信息，綜合研判掌子面近前方—中距離—遠(yuǎn)距離的圍巖地質(zhì)情況，作為后續(xù)掘進(jìn)策略和支護(hù)方案制定的基礎(chǔ)；②TBM設(shè)備需具備一定程度的自主掘進(jìn)和智能決策能力，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)和智能算法的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)設(shè)定與自適應(yīng)微調(diào)，做到地質(zhì)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與施工參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的多功能統(tǒng)一，解決應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件難決策和決策滯后的問(wèn)題；③TBM施工狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)評(píng)估是保障超長(zhǎng)距離施工連續(xù)性的關(guān)鍵，對(duì)于軸承、大齒圈、變速箱、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件需要實(shí)現(xiàn)全生命周期監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行故障要進(jìn)行早期診斷，輕微故障需要具備自檢自修能力。同時(shí)，隨著掘進(jìn)距離和埋深的增加，通風(fēng)降溫、渣料排運(yùn)、能源供應(yīng)和管片運(yùn)輸?shù)扰涮紫到y(tǒng)的穩(wěn)定性也需關(guān)注。

2.面向極端地質(zhì)條件

極端地質(zhì)條件仍然是影響TBM施工安全與效率的核心難題，尤其是我國(guó)西南山區(qū)生態(tài)脆弱、地質(zhì)復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣，在該區(qū)域采用TBM工法對(duì)設(shè)備防護(hù)水平和施工能力提出了更高的要求，同時(shí)也要求參建單位將施工理念從“被動(dòng)防護(hù)”向“主動(dòng)感知與動(dòng)態(tài)控制”轉(zhuǎn)變。對(duì)于極高地應(yīng)力條件下施工，可在整合微震監(jiān)測(cè)與TBM掘進(jìn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)巖爆位置和等級(jí)進(jìn)行超前預(yù)警，從而對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)洞段提前采取超前注漿加固或超前鉆孔釋放應(yīng)力等處置措施。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合針對(duì)性抑爆與柔性支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆危害的動(dòng)態(tài)控制。對(duì)于高地溫環(huán)境下施工，一方面，發(fā)展高效主動(dòng)降溫技術(shù)，通過(guò)更大功率的智能變頻通風(fēng)系統(tǒng)，耦合其他主動(dòng)降溫手段，控制掌子面溫度；另一方面，降低TBM設(shè)備的工作產(chǎn)熱能力，保障關(guān)鍵設(shè)備在高溫環(huán)境下不過(guò)熱，確保施工安全。

3.面向智能建造與綠色施工

智能建造和綠色施工是TBM技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，未來(lái)TBM將具備自主決策、自適應(yīng)控制、自檢自修等功能，真正意義上實(shí)現(xiàn)少人化、無(wú)人化的掘進(jìn)施工。大數(shù)據(jù)和人工智能是決策中樞的“智能大腦”，想要充分發(fā)揮算法優(yōu)勢(shì)，首先需要打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)融合，集成和分析地質(zhì)、設(shè)備、環(huán)境等多源信息，通過(guò)垂直模型應(yīng)用進(jìn)行專(zhuān)業(yè)問(wèn)答、方案輔助編制，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)和制定施工方案。此外，數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)現(xiàn)物理TBM和數(shù)字TBM的實(shí)時(shí)交互，通過(guò)開(kāi)發(fā)與物理TBM實(shí)時(shí)映射的高保真數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于“數(shù)字預(yù)演”模擬TBM施工，預(yù)估TBM工作狀態(tài)，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)建模與閉環(huán)控制。最終實(shí)現(xiàn)有限條件下的自主決策，并通過(guò)研發(fā)新一代人工智能算法，保障TBM具備應(yīng)對(duì)復(fù)雜突變地質(zhì)條件的能力，形成在安全邊界內(nèi)的自主決策能力。

對(duì)于綠色施工，其重點(diǎn)在于將環(huán)保持續(xù)性理念貫穿于掘進(jìn)全過(guò)程，例如建立洞渣資源化高效利用體系，將洞渣轉(zhuǎn)化為符合標(biāo)準(zhǔn)的砂石骨料。在特長(zhǎng)隧道中，推廣變頻智能通風(fēng)系統(tǒng)和液氮降溫等主動(dòng)降溫技術(shù)，并作為長(zhǎng)隧施工的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，借鑒汕頭—梅州高速公路等工程經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)TBM工程向環(huán)境友好方向發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)水工隧洞TBM的整體施工水平和相關(guān)技術(shù)取得了顯著進(jìn)步和重點(diǎn)突破，在制造水平、施工能力等方面已經(jīng)躍居世界領(lǐng)先地位，但隨著國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)和西南能源開(kāi)發(fā)等持續(xù)推進(jìn)，TBM施工仍面臨長(zhǎng)距離、大埋深和復(fù)雜地質(zhì)等諸多因素的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和處置能力不足，巖爆、圍巖大變形及突涌水（泥）等問(wèn)題仍威脅施工安全；設(shè)備在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與耐久性有待驗(yàn)證，核心部件的國(guó)產(chǎn)化仍需繼續(xù)推進(jìn)；智能化應(yīng)用程度不高，智能化仍處于輔助決策階段，距離完全自主掘進(jìn)尚有差距。

未來(lái)，TBM技術(shù)應(yīng)著重提升災(zāi)害識(shí)別與防控能力，突破關(guān)鍵部件的材料與結(jié)構(gòu)瓶頸，推動(dòng)智能化從決策支持向自主掘進(jìn)演進(jìn)，并在綠色施工與節(jié)能降耗方面實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破。而上述問(wèn)題的攻關(guān)需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新，產(chǎn)學(xué)研用的深度融合，共同推動(dòng)TBM領(lǐng)域技術(shù)的迭代優(yōu)化與升級(jí)創(chuàng)新。

Abstract: The Tunnel Boring Machine (TBM) has been widely used in tunnel construction for water resources, transportation, and mining projects. Owing to its high degree of mechanization and digital integration, the TBM method ensures safer and more efficient construction than the conventional drill-and-blast method under suitable geological conditions, particularly in medium-hard rock. In recent years, water conveyance and hydraulic tunnel projects have tended to feature longer lengths, larger diameters, and greater burial depths, with increasingly stringent construction requirements, making TBM construction more preferable. Improvements in domestic TBM manufacturing have significantly enhanced overall performance, key component fabrication capabilities, and the level of intelligent operation, thereby improving adaptability to complex geological conditions. This paper systematically reviews the application progress and future directions of TBM technology in China’s water projects, focusing on three aspects: first, summarizing practical experiences in representative projects, such as the Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project and the Central Yunnan Water Diversion Project, in addressing complex geological conditions, and outlining the development trajectory of TBM-based hydraulic tunnel construction; second, analyzing innovative breakthroughs in new equipment, new materials, and new technologies that enhance TBM adaptability, and identifying core technologies and persistent bottlenecks; third, exploring frontier applications of intelligent and digital technologies for enabling autonomous decision-making, self-sensing, and green construction, and highlighting the significance of big data and artificial intelligence in future water project development. The study aims to provide a systematic reference for the advancement and practical application of TBM technology in China’s water projects, promoting continuous technological iteration and innovation across the sector.

KeywordsTBM; water projects; tunnel engineering; construction; new equipment; new materials; new technologies; complex geology; intelligent

本文引用格式：

趙宇飛，張?jiān)旗?，楊建喜，?TBM在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展方向[J].中國(guó)水利，2025（21）：56-64.

封面攝影湯葉

責(zé)編劉磊寧

校對(duì)葛家諾（見(jiàn)習(xí)） 王慧

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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