隧道掘进机

全断面隧道掘进机（英语：tunnel boring machine，缩写TBM）也称隧道潜盾机或盾构机，俗称小约翰或大约翰（香港旧译“隧道盾”），是一种专门用来开凿隧道的大型机具。该机具有一次开挖完成隧道的特色，从开挖、推进、撑开全由该机具完成，开挖速度是传统钻爆工法的5倍。然而该机具完全无法模组化，只能依照开挖隧道的直径订作，因此购买价格不菲。

在瑞士联邦圣哥达基线隧道开挖的全断面隧道掘进机。

全断面隧道掘进机的正面照片。

杭州地铁建设中使用的软土隧道盾构机

历史

全断面隧道掘进机于1853年诞生，设计者为Charles Wilson，首用于美国马萨诸塞州西部的胡萨克隧道的挖掘上，在页岩中边掘进边支护隧道壁。但该台掘进机仅仅前进10呎便告损毁，后该隧道改采传统人工挖掘方式，延迟至1875年始告竣工^[1]。全断面隧道掘进机的首起使用成功案例为美国南达科他州的奥阿希大坝（英语：Oahe Dam），于1952年投入使用，并在1962年竣工^[2]。然而隧道掘进机的打响名号，仍迟至1988年起的英法海底隧道建设工程。

全断面隧道掘进机的分类

全断面隧道掘进机可分为：

岩石隧道掘进机

• 开敞式（open-type TBM），也称支撑式TBM或撑靴式TBM。特点是适应硬岩地层，没有盾构，使用支撑靴（gripper）和前后支撑交替撑紧洞壁上以承受TBM向前掘进的巨大反作用力与反扭矩，并可以调整掘进方向。 如果遇到局部不稳定岩层，开敞式TBM可以使用辅助设备打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、加圈梁等方法加固，以保持洞壁稳定。当遇到局部特软弱围岩或破碎带，开敞式TBM使用自带的超前钻及灌浆设备，预先固结掘进前方的一段围岩，待围岩强度自稳后再安全掘进。永久性的洞壁衬砌待全线贯通后再集中进行。在西康铁路秦岭隧道施工、天生桥二级水电站引水隧道施工
• 护盾硬岩TBM（shielded hard rock TBM）用于破碎岩层，在TBM后方混凝土衬砌支撑不稳定的洞壁。又可分为：
  • 双护盾TBM（double shield TBM）具有两种模式：在稳定岩层用支撑靴稳定TBM掘进；在不稳定岩层、破碎岩层，用TBM之后的洞壁作为支撑来稳定TBM；若岩层过于坚硬，可辅以地面预钻及钻爆工序，使岩层破碎，从而让TBM更易通过。
  • 单护盾TBM（single shield TBM）用于破碎岩层，依靠混凝土洞壁来支撑稳定TBM

软土隧道掘进机

• 开敞式（open-face）软岩掘进机，用于稳定且少水的地层。掘进出的隧道土质洞壁在短期内保持直立稳定，不需要衬砌支护。
• 封闭式（closed-face）或压力平衡式软岩掘进机
  • 土压平衡式（earth pressure balanced）TBM 由刀盘切割土层，切削下来的土进入土仓（也叫开挖舱）并与工作面的水土压力保持平衡。土仓内的螺旋输送机出土量与刀盘的推进量取得平衡，进行连续出土工作。土压的稳定依靠刀盘切削速度、推进力和螺旋输送机的转速联合协调进行。
  • 泥水平衡式（slurry pressure balanced）TBM用于水压很大、地下水丰富的土层掘进（如过江、跨海隧道等）。在刀盘后部为泥水室，里面的泥水与工作面的压力保持平衡，以保证开挖面泥土地层稳定。从泥水室取出的泥水要水-土分离，分离出的水用于泥水室与工作面加压；分离出的土装车运出隧道。

特殊的隧道掘进机

大直径超小转弯硬岩隧道掘进机：2021年5月在中铁装备天津公司下线的“抚宁号”硬岩隧道掘进机，开挖直径9.53米，设计转弯半径90米，整机总长85米，总重1700吨。该机用于河北省秦皇岛市抚宁抽水蓄能电站进厂交通洞和通风兼安全洞的施工建设，该工程线路全长2226.7米，最小转弯半径90米，最大设计纵坡9.02%。

参与的重要工程

主条目：最大隧道掘进机列表

• 1952年，詹姆斯·罗宾斯为美国南达科他州的奥阿希大坝（英语：Oahe Dam）项目开发了首台现代盾构机^[3]。
• 1973至1978年，台湾北回铁路 的隧道工程。
• 1985年，日本贯通北海道与本州之间的青函隧道。
• 1982至1985年，香港地铁港岛线大多数地下路段（部分连车站月台一并以隧道掘进机建造）^[4]。
• 1982至1987年，新加坡地铁南北线及东西线中部分地下路段。
• 1987年12月1日，英法海底隧道。
• 1991年7月，台湾国道五号中的隧道工程：坪林隧道（今雪山隧道）开挖（因台湾雪山地质破碎，北上线隧道坍塌压毁TBM导致报废，而后北上线改为传统钻爆法施工）。
• 1994年，香港放流水排放隧道亚公角至花心坑段。
• 1997年12月，中国首次从德国引进2台敞开式TBM，用于西康铁路秦岭隧道I线。
• 2003年，马来西亚精明隧道。
• 2004年，中国武汉长江隧道；2011年，武汉地铁二号线。
• 2000至2001年，香港屯马线葵青隧道（由环宇海湾至葵芳辅助设施大楼段；是次工程乃香港首次引进法资承建商为掘进机命名的文化；及后，掘进机重用于落马洲支线工程）。
• 2003至2006年，香港东铁线落马洲支线上水至洲头隧道（塱原湿地下隧道辅以冻土法，避免影响水土；此外，是次钻挖工程重用西铁线掘进机“木兰”）。
• 2008年，中国锦屏水电站一号引水隧洞。
• 2009年至2014年，中国深圳广深港高铁益田路隧道部分路段。
• 2011至2013年，香港港岛线上环至西营盘隧道（香港第二次在钻挖隧道工程中使用冻土法，以便锯断隧道上方阻碍钻挖的楼宇桩柱；同时亦是世界首次使用隧道拆卸机，以拆卸阻碍钻挖的旧越位隧道）。
• 2012至2013年，中国北京地下直径线（又称前三门隧道）。
• 2013至2019年，香港贯通新界屯门区及大屿山赤鱲角香港国际机场的屯门至赤鱲角连接路，工程使用高达17.6米，用全球体积最大TBM进行工程。
• 2014年起，沙田至中环线，共使用6台隧道掘进机，分别负责马仔坑游乐场至钻石山站、钻石山站至启德站、土瓜湾站至何文田站（分上下行隧道）、会展站至金钟站路段。
• 2014至2017年，香港龙山隧道北段（南段仍采钻爆工程，于2017年7月完成）。
• 2014年开始建设引汉济渭工程秦岭引水隧道^[5]。
• 2016年，武汉轨道交通7号线的三阳路公铁隧道。
• 2018年，深圳地铁第四期：东莞轨道交通1号线深圳段其中4.3公里隧道、12号线其中约20多公里隧道、13号线其中约16公里隧道、14号线其中46.6公里隧道、16号线其中22公里隧道，软土、岩石及混合地质掘进机均会使用。
• 2019年，中九龙干线主隧道其中1.5公里路段。

相关条目

• 明挖回填式隧道
• 沉管式隧道

参考文献

1. Hooac Tunnel Historical Notes. North Adams Public Library. [2015-05-22]. （原始内容存档于2013-01-21） （英语）.
2. Just Keep Digging: A Brief History of Tunnels. Popular Mechanics. [2015-05-22]. （原始内容存档于2020-10-29） （英语）.
3. D.威利斯、程方权. TBM的发展历程. 水利水电快报: 24-26. doi:10.3969/j.issn.1006-0081.2013.11.010.
4. 香港前地铁公司制作施工纪录片《地铁》第二部分
5. 走近科学 洞穿秦岭（下）. cctv on youtube. [2017-09-22] （中文）.

外部链接

• 全断面隧道掘进机 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• TBM全断面隧道掘进机