隧道鑽掘機

全斷面隧道鑽掘機（英語：tunnel boring machine，縮寫TBM）也稱隧道潛盾機或盾構機，俗稱小約翰或大約翰（香港舊譯「隧道盾」），是一種專門用來開鑿隧道的大型機具。該機具有一次開挖完成隧道的特色，從開挖、推進、撐開全由該機具完成，開挖速度是傳統鑽炸工法的5倍。然而該機具完全無法模組化，只能依照開挖隧道的直徑訂作，因此購買價格不菲。

在瑞士聯邦聖哥達基線隧道開挖的全斷面隧道鑽掘機。

全斷面隧道鑽掘機的正面照片。

杭州地鐵建設中使用的軟土隧道鑽掘機

歷史

全斷面隧道鑽掘機於1853年誕生，設計者為Charles Wilson，首用於美國麻薩諸塞州西部的胡薩克隧道的挖掘上，在頁岩中邊掘進邊支護隧道壁。但該台鑽掘機僅僅前進10呎便告損毀，後該隧道改採傳統人工挖掘方式，延遲至1875年始告竣工^[1]。全斷面隧道鑽掘機的首起使用成功案例為美國南達科他州的奧阿希大壩（英語：Oahe Dam），於1952年投入使用，並在1962年竣工^[2]。然而隧道鑽掘機的打響名號，仍遲至1988年起的英法海底隧道建設工程。

全斷面隧道鑽掘機的分類

全斷面隧道鑽掘機可分為：

岩石隧道鑽掘機

• 開敞式（open-type TBM），也稱支撐式TBM或撐靴式TBM。特點是適應硬岩地層，沒有盾構，使用支撐靴（gripper）和前後支撐交替撐緊洞壁上以承受TBM向前掘進的巨大反作用力與反扭矩，並可以調整掘進方向。 如果遇到局部不穩定岩層，開敞式TBM可以使用輔助設備打錨杆、加鋼絲網、噴混凝土、加圈梁等方法加固，以保持洞壁穩定。當遇到局部特軟弱圍岩或破碎帶，開敞式TBM使用自帶的超前鑽及灌漿設備，預先固結掘進前方的一段圍岩，待圍岩強度自穩後再安全掘進。永久性的洞壁襯砌待全線貫通後再集中進行。在西康鐵路秦嶺隧道施工、天生橋二級水電站引水隧道施工
• 護盾硬岩TBM（shielded hard rock TBM）用於破碎岩層，在TBM後方混凝土襯砌支撐不穩定的洞壁。又可分為：
  • 雙護盾TBM（double shield TBM）具有兩種模式：在穩定岩層用支撐靴穩定TBM掘進；在不穩定岩層、破碎岩層，用TBM之後的洞壁作為支撐來穩定TBM；若岩層過於堅硬，可輔以地面預鑽及鑽炸工序，使岩層破碎，從而讓TBM更易通過。
  • 單護盾TBM（single shield TBM）用於破碎岩層，依靠混凝土洞壁來支撐穩定TBM

軟土隧道鑽掘機

• 開敞式（open-face）軟岩鑽掘機，用於穩定且少水的地層。掘進出的隧道土質洞壁在短期內保持直立穩定，不需要襯砌支護。
• 封閉式（closed-face）或壓力平衡式軟岩鑽掘機
  • 土壓平衡式（earth pressure balanced）TBM 由刀盤切割土層，切削下來的土進入土倉（也叫開挖艙）並與工作面的水土壓力保持平衡。土倉內的螺旋輸送機出土量與刀盤的推進量取得平衡，進行連續出土工作。土壓的穩定依靠刀盤切削速度、推進力和螺旋輸送機的轉速聯合協調進行。
  • 泥水平衡式（slurry pressure balanced）TBM用於水壓很大、地下水豐富的土層掘進（如過江、跨海隧道等）。在刀盤後部為泥水室，裡面的泥水與工作面的壓力保持平衡，以保證開挖面泥土地層穩定。從泥水室取出的泥水要水-土分離，分離出的水用於泥水室與工作面加壓；分離出的土裝車運出隧道。

特殊的隧道鑽掘機

大直徑超小轉彎硬岩隧道鑽掘機：2021年5月在中鐵裝備天津公司下線的「撫寧號」硬岩隧道鑽掘機，開挖直徑9.53米，設計轉彎半徑90米，整機總長85米，總重1700噸。該機用於河北省秦皇島市撫寧抽水蓄能電站進廠交通洞和通風兼安全洞的施工建設，該工程線路全長2226.7米，最小轉彎半徑90米，最大設計縱坡9.02%。

參與的重要工程

主條目：最大隧道鑽掘機列表

• 1952年，詹姆斯·羅賓斯為美國南達科他州的奧阿希大壩（英語：Oahe Dam）項目開發了首台現代鑽掘機^[3]。
• 1973至1978年，台灣北迴鐵路 的隧道工程。
• 1985年，日本貫通北海道與本州之間的青函隧道。
• 1982至1985年，香港地鐵港島線大多數地下路段（部分連車站月台一併以隧道鑽掘機建造）^[4]。
• 1982至1987年，新加坡地鐵南北線及東西線中部分地下路段。
• 1987年12月1日，英法海底隧道。
• 1991年7月，台灣國道五號中的隧道工程：坪林隧道（今雪山隧道）開挖（因臺灣雪山地質破碎，北上線隧道坍塌壓毀TBM導致報廢，而後北上線改為傳統鑽炸法施工）。
• 1994年，香港放流水排放隧道亞公角至花心坑段。
• 1997年12月，中國首次從德國引進2台敞開式TBM，用於西康鐵路秦嶺隧道I線。
• 2003年，馬來西亞精明隧道。
• 2004年，中國武漢長江隧道；2011年，武漢地鐵二號線。
• 2000至2001年，香港屯馬綫葵青隧道（由環宇海灣至葵芳輔助設施大樓段；是次工程乃香港首次引進法資承建商為鑽掘機命名的文化；及後，鑽掘機重用於落馬洲支線工程）。
• 2003至2006年，香港東鐵綫落馬洲支線上水至洲頭隧道（塱原濕地下隧道輔以凍土法，避免影響水土；此外，是次鑽挖工程重用西鐵線鑽掘機「木蘭」）。
• 2008年，中國錦屏水電站一號引水隧洞。
• 2009年至2014年，中國深圳廣深港高鐵益田路隧道部分路段。
• 2011至2013年，香港港島線上環至西營盤隧道（香港第二次在鑽挖隧道工程中使用凍土法，以便鋸斷隧道上方阻礙鑽挖的樓宇樁柱；同時亦是世界首次使用隧道拆卸機，以拆卸阻礙鑽挖的舊越位隧道）。
• 2012至2013年，中國北京地下直徑線（又稱前三門隧道）。
• 2013至2019年，香港貫通新界屯門區及大嶼山赤鱲角香港國際機場的屯門至赤鱲角連接路，工程使用高達17.6米，用全球體積最大TBM進行工程。
• 2014年起，沙田至中環線，共使用6台隧道鑽掘機，分別負責馬仔坑遊樂場至鑽石山站、鑽石山站至啟德站、土瓜灣站至何文田站（分上下行隧道）、會展站至金鐘站路段。
• 2014至2017年，香港龍山隧道北段（南段仍採鑽炸工程，於2017年7月完成）。
• 2014年開始建設引漢濟渭工程秦嶺引水隧道^[5]。
• 2016年，武漢軌道交通7號線的三陽路公鐵隧道。
• 2018年，深圳地鐵第四期：東莞軌道交通1號線深圳段其中4.3公里隧道、12號線其中約20多公里隧道、13號線其中約16公里隧道、14號線其中46.6公里隧道、16號線其中22公里隧道，軟土、岩石及混合地質鑽掘機均會使用。
• 2019年，中九龍幹線主隧道其中1.5公里路段。

相關條目

• 明挖回填式隧道
• 沉管式隧道

參考文獻

1. Hooac Tunnel Historical Notes. North Adams Public Library. [2015-05-22]. （原始內容存檔於2013-01-21） （英語）.
2. Just Keep Digging: A Brief History of Tunnels. Popular Mechanics. [2015-05-22]. （原始內容存檔於2020-10-29） （英語）.
3. D.威利斯、程方權. TBM的发展历程. 水利水電快報: 24-26. doi:10.3969/j.issn.1006-0081.2013.11.010.
4. 香港前地鐵公司製作施工紀錄片《地鐵》第二部分
5. 走近科学 洞穿秦岭（下）. cctv on youtube. [2017-09-22] （中文）.

外部連結

• 全斷面隧道鑽掘機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• TBM全斷面隧道鑽掘機