巩江峰，王 伟，周俊超

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 中国铁路盾构隧道概况

我国1953年东北阜新煤矿首次开发与应用盾构，与国外相比晚了128年。直到2007年广深港铁路狮子洋隧道第一次采用盾构法施工[1-2]，随后除2011年外每年均有铁路隧道采用盾构法施工，并且盾构的应用数量在不断攀升。截止2021年底，已运营及在建的铁路盾构隧道达到31座，总长303 km，各年开工的盾构隧道数量统计如图1所示。

图1 铁路盾构隧道年度数量统计(单位：座)

对历年来已实施的盾构掘进进度进行统计，平均进度为168 m/月，最高进度为560 m/月，为温州市域铁路S2线瓯江隧道(盾构外径14.5 m)。不同管片外径的盾构对应平均进度及最高进度如图2所示。

图2 不同外径的铁路盾构隧道掘进进度统计

1.1 运营铁路盾构隧道概况

截止2021年底，14个已运营铁路项目中的19座隧道采用了盾构法施工，隧道总长141 km，设计速度目标值涵盖100～350 km/h各个标准，其中占比最大的为120 km/h，达到32%，共6座，见表1。

表1 已运营的铁路盾构隧道统计

其中长度10 km以上的特长隧道5座，长度共计67 km；直径10 m以上的大盾构隧道共计10座，长度共计60 km；最大直径盾构管片外径12.8 m，为广深港高铁益田路隧道[3]。

1.2 在建铁路盾构隧道概况

截止2021年底，16个在建铁路项目中的17座隧道采用了盾构法施工，隧道总长234 km，设计速度目标值涵盖120～350 km/h各个标准，其中占比最大的为160 km/h，达到47%，共8座，见表2。

表2 在建铁路盾构隧道统计

其中10 km以上的特长隧道10座，长度共计192 km；直径10 m以上的大盾构隧道共计10座，长度共计130 km；最大直径盾构管片外径14.5 m，为温州市域铁路S2线瓯江隧道[4]。

1.3 铁路盾构隧道规划建设情况

截止2021年底，27个规划铁路项目中的40座隧道拟采用盾构法施工，隧道总长387 km，设计速度目标值涵盖80～350 km/h各个标准，其中占比最大的为200 km/h，达到30%，共12座，见表3。

表3 规划铁路盾构隧道统计

长度10 km以上的特长隧道16座，共计266 km；直径10 m以上的大盾构隧道共计38座，长度共计358 km，最大直径盾构管片外径14.8 m，为沪蓉高铁沪宁合段崇太长江隧道[5]。

2 铁路TBM隧道概况

我国1966年在云南下关西洱河水电站开始开发并应用TBM施工[6]，与国外相比晚了近120年，直到1998年1月19日，我国铁路首次采用TBM在西康铁路秦岭Ⅰ线隧道正式开始掘进[7]。近40 年来，中国采用TBM修建隧道数量逐步攀升。

截止2021年底，已运营和在建采用TBM施工的铁路项目共计6个，隧道共计11座(含平导1座)，隧道合计长度283 km，采用TBM法施工段落长度共计245 km，均采用了敞开式TBM施工，刀盘直径最大为西秦岭隧道的10.2 m[8]。规划的深江铁路深莞隧道(西段)拟推荐采用单护盾TBM施工，刀盘外径约13.2 m(盾构外径12.8 m)，为首个国内铁路单洞双线TBM隧道。部分TBM隧道统计见表4。

表4 TBM法施工铁路隧道不完全统计

根据已施工铁路隧道统计，单台TBM连续掘进的最长距离为14.9 km，最高月掘进速度为773 m。在建铁路项目中设计单台TBM连续掘进的最长距离为17 042 m，平均月进度约300 m。

3 中国盾构及TBM隧道的发展与展望

3.1 铁路盾构及TBM隧道的发展概况

近40 年的发展成就表明，中国铁路隧道的数量和长度已占据世界铁路隧道之首[9-12]，所处的地形地质、地域环境等也是世界上最复杂的，隧道工程类型、标准和功能涵盖齐全，技术成就斐然。

在铁路隧道领域，2007年广深港铁路狮子洋隧道采用4台直径11.18 m泥水盾构施工，克服了高水压、地质环境复杂等技术难题。盾构法对地层的适应性较强，盾构法在城市铁路隧道、水下铁路隧道修建中，其安全性、经济性优势明显。西康铁路秦岭Ⅰ线隧道首次采用TBM和整块预制仰拱技术，自秦岭隧道TBM开工以来，逐步构建并完善了中国TBM 设计制造和设计施工的技术理论体系，为实现TBM自主设计、制造奠定了技术基础。

在水利、城市轨道交通、公路及市政道路等领域，盾构法及TBM隧道均有较为广泛的应用，各领域均具有各自应用特点。水利行业对部分长大输水隧洞采用TBM法施工，TBM直径一般为4～8 m，国内最大直径TBM隧道为锦屏输水隧洞，直径为12.4 m，施工区段一般在10 km以上[13]；城市轨道交通领域区间隧道施工大部分采用盾构法施工，其断面直径一般为6 m左右，区间长度1 km左右，相比于铁路盾构隧道其断面相对较小，单区间连续掘进长度较短，大部分采用双洞小盾构铺设；公路及市政隧道部分跨江跨河、穿越敏感环境位置采用盾构法施工，双车道盾构隧道直径一般为11 m左右，三车道盾构直径一般为14 m左右，现阶段部分双层四车道盾构隧道直径达到15 m以上，区间长度在2～5 km，穿越地层以土层居多，其断面相对较大，区间较短。

3.2 盾构隧道技术挑战及展望

在盾构法隧道方面，我国现阶段突破了直径15 m以上的盾构机制造与应用技术，在大断面软硬不均地层、花岗岩球状风化地层、大卵石地层等情况有了工程实践，应用了限排减压换刀、盾构地中对接及盾构常压换刀等技术。目前在后续盾构技术发展中仍需在以下方面进一步研究。

(1)大埋深高水压隧道。英法海峡隧道位于海平面以下100 m，佛莞城际铁路狮子洋隧道最低深度位于水面以下78 m，后续在琼州海峡[14]、台湾海峡隧道等跨海隧道研究中，需着力解决在大埋深高水压情况下施工风险及结构安全问题。

(2)长距离、不均一地层掘进。现阶段由于地表建(构)筑物环境或水域影响，盾构长距离掘进情况增多，在不均一地层掘进常出现沉降过大影响地表敏感建(构)筑物问题，同时面对刀具设备磨损、掘进效率及设备稳定性等难题，需在设备制造及施工管理方面进行研究。

(3)多功能双模式盾构。盾构掘进面对地层的多样性引起对多模式盾构的需求，需能应对各种地质风险，具有高适应性并兼顾局部特殊性，如土压TBM双模盾构、泥水TBM双模盾构，既具有岩石条件下快速掘进功能，又具有软弱地层时平衡开挖面功能，使盾构技术与TBM 技术相互渗透、融合。

(4)数字化、智能化控制[15-16]。根据国内盾构控制技术的研究现状及其集成化、自动化和系统化的发展趋势，后续可研究盾构的智能化、数字化控制技术，研究盾构地质适应性自动掘进技术，研究采用极简控制理念的盾构一键操作系统。

3.3 TBM隧道技术挑战及展望

我国自1964 年开始TBM 设备的研发和施工，半个多世纪以来，TBM 发展分自力更生、国外承包、国外引进、自主施工联合生产与研发创新4个阶段。20世纪90年代，针对不良地质隧道，在设计、施工、防灾减灾、信息化、机械化方面技术进步显著。21世纪以来，在刀盘刀具高效设计、扩挖设计、隐藏式超前钻机设计、集成式支护系统设计、超前地质预报技术等方面取得了长足发展。目前正在施工和计划投入施工的TBM数量达60台(套)，计划掘进长度近800 km。但现阶段仍需在以下两方面进一步研究。

(1)断层破碎带及节理密集破碎带TBM施工。通过断层破碎带或火成岩蚀变带时，敞开式TBM容易卡刀盘，同时掘进效率大大降低。采用护盾式TBM仍有卡机风险，可能出现掌子面坍塌、护盾尾部大量掉渣，特别是破碎富水洞段，渣土呈泥石流状涌出，发生卡刀盘、卡盾体现象导致TBM难以穿越。对该地层施工需提高刀盘扭矩、减少刀盘暴露及盾体长度，后续研发护盾式TBM具有盾体可伸缩功能，研发敞开式TBM具备超前加固地层辅助推进及管片拼装功能，加强断层破碎带适应性。

(2)极硬岩TBM施工。极硬岩地层TBM施工存在刀盘贯入度低导致掘进速度极低、刀具磨耗增加导致施工成本增加、换刀次数增多导致掘进作业利用率大幅下降、刀盘磨损寿命、开裂、变形风险加大等问题。后续需通过优化掘进参数、刀间距、刀盘结构、刀座结构、采用新型耐磨材料等，其次加强现场刀具检测与管理，来降低刀盘刀具磨损、增加刀盘刀具寿命。通过对刀具技术攻关，开发使用韧性高、磨损性更好的大直径盘形滚刀或新型刀具。

4 结语

我国隧道建设快速发展的同时，人力资源及成本问题逐渐凸显。农民工是我国隧道建设行业从事一线操作的主要力量，随着经济的发展国内新增劳动力人口数量在不断减少，铁路一线工地产生“用工荒、高工资”的问题。究其原因，主要是由于隧道行业洞内施工工作环境恶劣、生活条件艰苦，同时新一代农民工大军选择从事隧道施工较少。用工荒和人工价格的上涨是一个新型劳工社会的转型和升级问题，面对这一问题，通过盾构及TBM法施工降低人员劳动强度、提高隧道开挖质量及开挖效率，提高作业安全性、改善人员作业环境，最终缓解人力资源不足的困境，促进产业升级才是长久之策。TBM及盾构法作为现代科技的产物，其发展日新月异，在我国必将有广阔的应用前景。

说明：文中数据不包括中国香港、澳门特别行政区及中国台湾的数据。