穿山越河的中国“土行孙”

隧道掘进机作为一种先进的隧道施工设备，凭借其高效、安全、环保等特点，在地下工程建设中发挥着不可替代的作用，堪称地下工程的“钢铁巨龙”，中国的“土行孙”。

什么是隧道掘进机？

隧道掘进机是隧道施工的大型工程机械，通过在隧道内推进一个带有盾体的机械装置，一边挖掘，一边拼装预制的管片，形成隧道的衬砌结构，从而实现隧道的快速、安全施工。通常，用于岩石地层的隧道掘进机简称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机。

隧道掘进机由什么结构组成？

隧道掘进机由刀盘、主驱动系统、盾体、推进系统、管片拼装机、出渣系统以及配套设备等组成。

刀盘是隧道掘进机的“牙齿”，由刀盘面板和各种类型的刀具组成。刀盘在主驱动系统的带动下旋转，将岩石或土体破碎成较小的颗粒，通过出渣系统将其排出隧道。

主驱动系统为刀盘的旋转提供动力，一般由电机、减速机、主轴承等驱动装置组成，确保隧道掘进机的正常掘进。

盾体是一个圆柱形的钢制外壳，起到支撑隧道和防止土层坍塌的作用。盾体内部安装机械设备和操作平台，为施工人员提供了相对安全的工作环境。

推进系统由多个千斤顶组成，通过液压系统控制千斤顶的伸缩，推动隧道掘进机在隧道内向前推进。

管片拼装机是将预制的管片拼装成隧道的衬砌结构，通过机械臂的旋转和伸缩动作，将管片准确放置在隧道内壁上，并通过螺栓连接等方式将管片固定，形成稳定的隧道结构。

出渣系统负责将刀盘切削下来的渣土排出隧道，分为螺旋输送机、皮带输送机和泥水循环系统等出渣方式。

配套设备包括管片运输设备、注浆设备、液压系统、电气系统、供排水系统、通风系统等，确保施工过程的顺利进行。

隧道掘进机如何工作？

隧道掘进机的施工过程主要包括四个步骤：

1

始发阶段

在隧道的起点处，先修建一个始发井或始发洞，将隧道掘进机吊装至井内或步进至始发洞内，并组装调试好。然后，启动隧道掘进机，进入隧道施工阶段。

2

掘进阶段

刀盘在旋转过程中切削岩（土）层，将岩（土）体破碎成较小的颗粒。出渣系统将切削下来的土体排出隧道。在推进过程中，隧道掘进机的盾体对隧道洞口起到支撑作用，防止土层坍塌。当隧道掘进机推进一定距离后，管片拼装机开始工作，将预制的管片拼装成隧道的衬砌结构，形成稳定的隧道空间。

3

注浆阶段

在管片拼装完成后，需要进行注浆作业。将水泥浆或化学浆液通过注浆孔注入管片与土层之间的空隙，使浆液凝固后形成一个稳定的支撑环，防止隧道发生变形和渗漏。

4

接收阶段

当隧道掘进机到达隧道的终点时，需要进行接收作业。在隧道的终点处修建一个接收井，隧道掘进机在这里完成解体和吊出。

隧道掘进机在南水北调工程中如何应用？

中线穿黄工程

穿黄工程是南水北调中线工程的关键性工程。该工程需要在黄河底部开凿两条长4250米的隧洞，每条隧洞直径7米，施工深度最深达35米。这一工程的复杂性在于黄河底部复杂的地质条件和高水压环境。

在穿黄工程施工中，专门定制两台泥水平衡盾构机，每台重达900吨，配备特殊设计的刀盘系统和高压密封装置。

2007年7月3日，横卧竖井底部的“黄河号”盾构机整装待发。（穿黄建管部供图）

盾构机在掘进过程中需要承受高达4.5帕的水压力，相当于每平方米承受45吨的压力。为应对这一挑战，设备采用多层盾尾密封系统，并创新性地应用了“气压辅助”技术，成功解决了高水压条件下的密封难题。

在穿越黄河主河槽时，盾构机顶部覆土仅23米，通过精确控制掘进参数，将河床沉降控制在3厘米以内，确保了黄河大堤的安全。

2021年6月13日，中线穿黄“黄河号”盾构机亮相焦作市南水北调天河公园，将作为南水北调工程建设的重要历史见证供游人参观。（许安强 摄）

引江补汉工程

正在建设的引江补汉工程地质条件极其复杂，全程采用隧洞输水。在穿越山洞的过程中，用到了全断面岩石隧道掘进机，简称TBM，通常分为敞开式岩石隧道掘进机和护盾式岩石隧道掘进机两种。

其工作原理与盾构机基本相同，包括掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现复杂地理地貌深埋长距离岩石隧洞的施工。

引江补汉工程建设中使用的首台TBM为“江汉先锋号”，是目前国内引水隧洞项目中使用的最大直径的单护盾岩石隧道掘进机，开挖直径12.23米，整机长度约160米，重约2800吨，可以在坚硬山体内穿梭，是中国“土行孙”一号。该设备搭载了综合地质预报系统、刀具磨损及状态监测系统、护盾卡机预警及评估系统等，能够有效应对沿线埋深大、外水压力高、突泥涌水、软岩大变形等复杂地质条件。该设备可实现隧洞掘进和管片拼装同步进行，施工效率可提升20%至40%。

“江汉先锋号”TBM组装

“江汉先锋号”TBM下线验收

引江补汉工程“江汉新石器号”是全线首台始发的敞开式TBM，开挖直径达11.93米，整机长度175米，重量约为3000吨。该设备配置了双速比大扭距减速机、护盾润滑减磨系统、护盾应变片检测预警装置等系统，能够有效提高对断层破碎带、突泥涌水、软岩变形等不良地质条件的适应能力。

整个引江补汉工程全长194.7公里，一台TBM的掘进里程最大约20公里，以此类推，引江补汉工程全线共需投入10台TBM。

文字整理 | 靳经纬

封面 | 陈思璐

责编 | 安亦扬

校核 | 陈思璐

审核 | 李东海

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