隧道掘進機作為一種先進的隧道施工設備，憑借其高效、安全、環保等特點，在地下工程建設中發揮著不可替代的作用，堪稱地下工程的“鋼鐵巨龍”，中國的“土行孫”。

什么是隧道掘進機？

隧道掘進機是隧道施工的大型工程機械，通過在隧道內推進一個帶有盾體的機械裝置，一邊挖掘，一邊拼裝預制的管片，形成隧道的襯砌結構，從而實現隧道的快速、安全施工。通常，用于巖石地層的隧道掘進機簡稱為TBM，用于軟土地層的隧道掘進機稱為盾構機。

隧道掘進機由什么結構組成？

隧道掘進機由刀盤、主驅動系統、盾體、推進系統、管片拼裝機、出渣系統以及配套設備等組成。

刀盤是隧道掘進機的“牙齒”，由刀盤面板和各種類型的刀具組成。刀盤在主驅動系統的帶動下旋轉，將巖石或土體破碎成較小的顆粒，通過出渣系統將其排出隧道。

主驅動系統為刀盤的旋轉提供動力，一般由電機、減速機、主軸承等驅動裝置組成，確保隧道掘進機的正常掘進。

盾體是一個圓柱形的鋼制外殼，起到支撐隧道和防止土層坍塌的作用。盾體內部安裝機械設備和操作平臺，為施工人員提供了相對安全的工作環境。

推進系統由多個千斤頂組成，通過液壓系統控制千斤頂的伸縮，推動隧道掘進機在隧道內向前推進。

管片拼裝機是將預制的管片拼裝成隧道的襯砌結構，通過機械臂的旋轉和伸縮動作，將管片準確放置在隧道內壁上，并通過螺栓連接等方式將管片固定，形成穩定的隧道結構。

出渣系統負責將刀盤切削下來的渣土排出隧道，分為螺旋輸送機、皮帶輸送機和泥水循環系統等出渣方式。

配套設備包括管片運輸設備、注漿設備、液壓系統、電氣系統、供排水系統、通風系統等，確保施工過程的順利進行。

隧道掘進機如何工作？

隧道掘進機的施工過程主要包括四個步驟：

1

始發階段

在隧道的起點處，先修建一個始發井或始發洞，將隧道掘進機吊裝至井內或步進至始發洞內，并組裝調試好。然后，啟動隧道掘進機，進入隧道施工階段。

2

掘進階段

刀盤在旋轉過程中切削巖（土）層，將巖（土）體破碎成較小的顆粒。出渣系統將切削下來的土體排出隧道。在推進過程中，隧道掘進機的盾體對隧道洞口起到支撐作用，防止土層坍塌。當隧道掘進機推進一定距離后，管片拼裝機開始工作，將預制的管片拼裝成隧道的襯砌結構，形成穩定的隧道空間。

3

注漿階段

在管片拼裝完成后，需要進行注漿作業。將水泥漿或化學漿液通過注漿孔注入管片與土層之間的空隙，使漿液凝固后形成一個穩定的支撐環，防止隧道發生變形和滲漏。

4

接收階段

當隧道掘進機到達隧道的終點時，需要進行接收作業。在隧道的終點處修建一個接收井，隧道掘進機在這里完成解體和吊出。

隧道掘進機在南水北調工程中如何應用？

中線穿黃工程

穿黃工程是南水北調中線工程的關鍵性工程。該工程需要在黃河底部開鑿兩條長4250米的隧洞，每條隧洞直徑7米，施工深度最深達35米。這一工程的復雜性在于黃河底部復雜的地質條件和高水壓環境。

在穿黃工程施工中，專門定制兩臺泥水平衡盾構機，每臺重達900噸，配備特殊設計的刀盤系統和高壓密封裝置。

2007年7月3日，橫臥豎井底部的“黃河號”盾構機整裝待發。（穿黃建管部供圖）

盾構機在掘進過程中需要承受高達4.5帕的水壓力，相當于每平方米承受45噸的壓力。為應對這一挑戰，設備采用多層盾尾密封系統，并創新性地應用了“氣壓輔助”技術，成功解決了高水壓條件下的密封難題。

在穿越黃河主河槽時，盾構機頂部覆土僅23米，通過精確控制掘進參數，將河床沉降控制在3厘米以內，確保了黃河大堤的安全。

2021年6月13日，中線穿黃“黃河號”盾構機亮相焦作市南水北調天河公園，將作為南水北調工程建設的重要歷史見證供游人參觀。（許安強 攝）

引江補漢工程

正在建設的引江補漢工程地質條件極其復雜，全程采用隧洞輸水。在穿越山洞的過程中，用到了全斷面巖石隧道掘進機，簡稱TBM，通常分為敞開式巖石隧道掘進機和護盾式巖石隧道掘進機兩種。

其工作原理與盾構機基本相同，包括掘進、支護、出渣等施工工序并行連續作業，是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快、利于環保、綜合效益高等優點，可實現復雜地理地貌深埋長距離巖石隧洞的施工。

引江補漢工程建設中使用的首臺TBM為“江漢先鋒號”，是目前國內引水隧洞項目中使用的最大直徑的單護盾巖石隧道掘進機，開挖直徑12.23米，整機長度約160米，重約2800噸，可以在堅硬山體內穿梭，是中國“土行孫”一號。該設備搭載了綜合地質預報系統、刀具磨損及狀態監測系統、護盾卡機預警及評估系統等，能夠有效應對沿線埋深大、外水壓力高、突泥涌水、軟巖大變形等復雜地質條件。該設備可實現隧洞掘進和管片拼裝同步進行，施工效率可提升20%至40%。

“江漢先鋒號”TBM組裝

“江漢先鋒號”TBM下線驗收

引江補漢工程“江漢新石器號”是全線首臺始發的敞開式TBM，開挖直徑達11.93米，整機長度175米，重量約為3000噸。該設備配置了雙速比大扭距減速機、護盾潤滑減磨系統、護盾應變片檢測預警裝置等系統，能夠有效提高對斷層破碎帶、突泥涌水、軟巖變形等不良地質條件的適應能力。

整個引江補漢工程全長194.7公里，一臺TBM的掘進里程最大約20公里，以此類推，引江補漢工程全線共需投入10臺TBM。

文字整理 | 靳經緯

封面 | 陳思璐

責編 | 安亦揚

校核 | 陳思璐

審核 | 李東海

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