TBM在水利工程中的應用進展及發(fā)展方向

Application and future development of TBM in water project construction

趙宇飛，張云旆，楊建喜，葉明，徐全

1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，100048，北京；2.廣東粵海水務股份有限公司，518018，深圳；3.中國水利水電第六工程局有限公司，110169，沈陽；4.雅江清潔能源科學技術(shù)研究（北京）有限公司，100080，北京）

摘要：TBM廣泛應用于水利、交通、采礦等相關行業(yè)隧洞/隧道工程中。得益于高度的機械化和信息化集成，相較于傳統(tǒng)鉆爆法施工，在適宜掘進的圍巖（中硬巖）條件下，采用TBM工法能夠保障施工安全、高效。近年來水工隧洞工程呈現(xiàn)出距離長、洞徑大、埋深大等特點，建設要求逐漸提高，更宜采用TBM法施工。國產(chǎn)TBM制造水平的提高使得裝備的整體性能、關鍵部件制造能力和智能化水平得到了充分提升，增強了TBM對于復雜地質(zhì)條件的適應能力。系統(tǒng)梳理了TBM技術(shù)在我國水利工程中的應用進展與未來方向，重點圍繞三個方面展開：一是總結(jié)引漢濟渭、滇中引水等標志性工程中TBM應對復雜地質(zhì)的實踐經(jīng)驗，梳理我國水工TBM隧洞工程的發(fā)展脈絡；二是分析新型裝備、新材料與新技術(shù)在提升TBM適應性方面的創(chuàng)新突破，總結(jié)提煉核心技術(shù)和瓶頸問題；三是探討智能化、信息化技術(shù)在實現(xiàn)TBM自主決策、狀態(tài)自感知與綠色施工中的前沿應用，展望大數(shù)據(jù)和人工智能在水利工程發(fā)展中的重要性。研究旨在為我國水利工程TBM技術(shù)發(fā)展與實踐提供體系化參考，推動行業(yè)技術(shù)迭代與創(chuàng)新能力持續(xù)提升。

關鍵詞：TBM；水利工程；隧洞工程；施工；新裝備；新材料；新技術(shù)；復雜地質(zhì)；智能化

作者簡介：趙宇飛，巖土所副所長，正高級工程師，主要從事巖土工程信息化方面的研究。

通信作者：張云旆，博士，主要從事巖土工程智能化方面的研究。E-mail：zhangyp@iwhr.com

基金項目：中國電力建設股份有限公司重點科技項目(DJ-HXGG-2023-5）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.21.009

水資源時空分布不均是我國經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，跨流域調(diào)水工程是解決這一問題的有效手段。隨著國家水網(wǎng)建設全面推進，長距離輸水隧洞逐漸成為水利基礎設施的關鍵組成部分。在長大隧洞建設中，傳統(tǒng)鉆爆法施工存在效率低、安全風險大、環(huán)境影響突出等局限性，難以滿足現(xiàn)代水利工程建設需要。全斷面巖石掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）作為一種集掘進、支護、出渣于一體的大型地下空間施工裝備，自20世紀50年代投入使用以來，經(jīng)歷了半個多世紀的技術(shù)發(fā)展與革新，目前已成為國內(nèi)外長距離隧洞工程的首選施工方案，尤其適用于地質(zhì)條件復雜、埋深大、距離長的水工隧洞。

我國TBM技術(shù)雖然起步較晚，但得益于長期以來大量工程的實踐經(jīng)驗積累和技術(shù)儲備，通過引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，已實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”甚至“領跑”的跨越式發(fā)展。20世紀80—90年代，以天生橋二級水電站和引大入秦等工程為代表，我國水利行業(yè)開始成規(guī)模應用并推廣TBM工法，歷經(jīng)30余年發(fā)展，整體應用規(guī)模、施工能力和裝備性能得到了全方位提升。新時期，在國家水網(wǎng)建設和西南能源開發(fā)等背景下，水利工程將面臨更復雜的地質(zhì)條件和更嚴格的建設要求。至此，圍繞重大工程挑戰(zhàn)、復雜地質(zhì)應對、新型裝備材料和智能信息發(fā)展等方向，深入研究TBM在水利工程中的應用，展望TBM未來發(fā)展方向，對于推動我國水利高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

TBM技術(shù)基礎

TBM是一種實現(xiàn)隧洞/隧道全斷面一次成型的大型現(xiàn)代化施工裝備。根據(jù)支護方式和工作原理的不同，TBM主要分為敞開式、單護盾式、雙護盾式和復合式等類型。敞開式TBM適用于巖體較完整的硬巖地層，開挖后需及時進行支護；單護盾式TBM適用于軟硬巖交錯的地層，采用護盾結(jié)構(gòu)支撐洞壁；雙護盾式TBM則兼具單護盾式和敞開式特點，既能適應不穩(wěn)定圍巖，又能在穩(wěn)定巖層中高效掘進；復合式TBM是針對極端復雜地質(zhì)條件開發(fā)的多功能組合式掘進機。在水利工程中，根據(jù)輸水隧洞的使用功能、地質(zhì)條件和施工要求，選擇合適的TBM至關重要。

水利工程中常見TBM類型及其適用條件

我國從20世紀80年代開始引進TBM技術(shù)用于水電工程隧道施工。進入21世紀后，隨著南水北調(diào)等重大工程實施，TBM技術(shù)在我國水利工程中的應用進入快速發(fā)展期。特別是近10年來，我國TBM技術(shù)取得了顯著進步：①裝備國產(chǎn)化率不斷提高，主要廠商已能自主設計制造各類TBM；②工程應用規(guī)模持續(xù)擴大，TBM掘進里程不斷刷新紀錄；③技術(shù)創(chuàng)新能力顯著增強，在復雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)達到國際先進水平。我國自主研發(fā)的TBM已成功應用于引江補漢、梅山灌區(qū)等多項重大水利工程，隧洞最大直徑達到12m級，最大埋深超過2000m。

TBM技術(shù)在水利工程中的發(fā)展不僅提升了施工效率，也推動了相關產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步。目前我國已形成完整的TBM研發(fā)制造、施工應用、運維服務產(chǎn)業(yè)鏈，將為后續(xù)的國家水網(wǎng)工程建設提供有力支撐。

我國TBM應用進展

1.我國重大水利工程中的TBM應用及突

據(jù)不完全統(tǒng)計，2000年以后207項采用TBM施工的隧洞/隧道工程中，水工隧洞共計134項，占比64.7%。在國家水網(wǎng)建設推動下，水工隧洞建設也將呈現(xiàn)出大直徑、大埋深和長距離特點，采用TBM法修建水工隧洞成為行業(yè)首選。

引大入秦工程是我國最早采用TBM施工的水利工程之一，其主要任務是將黃河水引入秦嶺北麓地區(qū)，以改善當?shù)毓┧畻l件。引大入秦工程開創(chuàng)我國大型水利工程全面采用TBM施工先河，盤道嶺隧道采用了意大利CMC公司生產(chǎn)的TBM，該機型在當時世界上僅有3臺；30A、38號隧洞于1991年1月開始施工、1992年8月貫通，隧洞長度16.649km，采用美國羅賓斯生產(chǎn)的雙護盾TBM，開挖直徑為5.54m，其中38號隧洞還進行了國產(chǎn)第一代SJ550型TBM的掘進試驗。該工程在機械化施工、TBM施工技術(shù)體系構(gòu)建、國際先進技術(shù)引入與本土化實踐等方面實現(xiàn)了歷史性突破。

山西萬家寨引黃入晉工程是山西省水利現(xiàn)代化的重要標志性工程，是國內(nèi)首次大規(guī)模應用TBM技術(shù)的大型調(diào)水工程，至今已累計向太原、大同、朔州等地區(qū)供水約50億m，同時向永定河生態(tài)補水近2億m。該工程始建于1994年，全線452.4km，采用多臺TBM施工，TBM供應商為美國羅賓斯和法國NFM，開挖直徑為4.82～6.13m。工程沿線地形復雜，需穿越河谷、山地及斷層破碎帶，施工難度較大。工程實踐中形成了TBM快速掘進隧洞設計和豆礫石回填灌漿方法，章躍林等提出了兩種施工方案，一是“預制管片襯砌+豆礫石填充”，適配地質(zhì)均一、快速掘進場景；二是“豆礫石回填+灌漿”，適用于復雜地質(zhì)圍巖加固，并相應研發(fā)預制鋼筋混凝土管片襯砌技術(shù)，為后續(xù)工程積累了寶貴經(jīng)驗。該工程的實踐證明應用TBM在復雜地質(zhì)條件下進行長距離隧洞施工，具有可行性、高效性和經(jīng)濟性。

進入21世紀，水利工程建設加快推進，一大批工程開工。大量工程的實踐應用，培養(yǎng)出一大批具有豐富施工經(jīng)驗的一線技術(shù)工作者和管理人員。

引漢濟渭工程是克服極端地質(zhì)條件施工的代表性工程，該工程于2012年開工，旨在將漢江水引入渭河流域。工程隧洞全長約81.8km，穿越秦嶺山脈，面臨高地應力、斷層破碎帶及超硬巖段等復雜地質(zhì)條件。工程分嶺南段和嶺北段，TBM最大直徑達到8.05m。施工中，參建單位克服大埋深（超2000m）、超硬巖（局部巖石抗壓強度超過275MPa）和強巖爆（巖爆事件超千次）等挑戰(zhàn)，同時應用熱能、水力、劈裂等多種破巖技術(shù)，使用基于微震監(jiān)測的巖爆預警技術(shù)，充分提升TBM在極硬巖段掘進效率和強巖爆段的掘進安全性，為深埋高地應力隧洞施工積累了寶貴經(jīng)驗。

吉林省中部城市引松供水工程是又一項標志性重大引調(diào)水工程。在該工程中，國產(chǎn)TBM設備的制造能力和施工水平得到了實踐檢驗，此后國產(chǎn)TBM開始逐漸占據(jù)國內(nèi)市場。工程成功應用了我國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大直徑敞開式TBM“長春號”，打破了國外技術(shù)壟斷；工程將科研和工程實踐相結(jié)合，首次在國內(nèi)大規(guī)模應用TBM信息化監(jiān)測與智能化分析技術(shù)，實現(xiàn)掘進參數(shù)優(yōu)化、支護調(diào)整及風險預警閉環(huán)，為國產(chǎn)TBM性能驗證和智能化施工積累了寶貴經(jīng)驗；工程創(chuàng)造了當時多項國內(nèi)紀錄，包括月進尺1209.8m，平均月進尺超過750m，連續(xù)月進尺突破920m，最高日進尺86.5m等。

隨著國家水網(wǎng)工程建設的持續(xù)推進，新時期引調(diào)水工程更多呈現(xiàn)出大直徑、長距離、高埋深和集群施工特點，如新疆某供水工程全線采用超過20臺TBM，隧洞總長超過500km，最長單洞線路總長接近300km，超過10家施工單位同時施工，是目前國內(nèi)規(guī)模最大的TBM集群工程。

滇中引水工程是又一項地質(zhì)條件極為復雜、施工難度極大的重大引調(diào)水工程。該工程香爐山隧洞于2022年開始TBM施工，采用2臺直徑9.8m的敞開式TBM同時對打，創(chuàng)造了當時引調(diào)水工程最大直徑TBM的行業(yè)紀錄。香爐山隧洞穿越斷層破碎帶、軟硬巖互層及高地應力區(qū)，地質(zhì)條件復雜，施工面臨巖體強度變化大、圍巖急劇變形和突涌水（泥）等風險。為克服上述問題，參建各單位經(jīng)過長期艱苦奮斗，采用超前地質(zhì)預報和強化即時支護相結(jié)合方式，逐步突破困難洞段。截至2025年6月底，一期輸水工程已累計貫通618.7km，占全線總長的93.2%。該工程也探索了科學決策支撐工程建設的新范式，由云南省滇中引水工程建設管理局牽頭成立了由院士領銜的專家組，匯聚了國內(nèi)TBM領域頂尖專家學者，通過專題討論、針對研究，為工程建設提供服務支撐。

環(huán)北部灣廣東水資源配置工程是采用信息化管理的代表性引調(diào)水工程，該工程于2023年進入全線施工，是國家水網(wǎng)的重要組成部分。隧洞線路總長接近500km，采用13臺TBM施工，截至2025年9月已經(jīng)累計完成掘進50km。為提升工程管控質(zhì)量，業(yè)主單位基于數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)構(gòu)建質(zhì)量檢測智慧監(jiān)管系統(tǒng),通過實時雙向數(shù)據(jù)交互和傳輸，為數(shù)據(jù)中心提供試驗檢測的實施數(shù)據(jù)、檢測報告、表單數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)及不合格閉合情況數(shù)據(jù)。通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)全流程試驗檢測管理，包括移動端取樣、RFID芯片或二維碼標記樣品、流轉(zhuǎn)過程監(jiān)控、養(yǎng)護過程監(jiān)控、臨檢漏檢提醒、伺服式試驗機集成及試驗結(jié)果自動采集、試驗成果報告自動生成、試驗結(jié)果系統(tǒng)分析,實現(xiàn)從生產(chǎn)到成品全過程監(jiān)控，確保檢測數(shù)據(jù)的真實性、唯一性和可追溯性，提升試驗檢測工作效率和工作質(zhì)量。

引江補漢工程是我國在建長距離有壓引調(diào)水隧洞中單洞長度最長、洞徑最大、綜合難度最高的工程項目之一。2025年以來，引江補漢工程多臺TBM陸續(xù)始發(fā)，創(chuàng)造了多項TBM新紀錄，包括國產(chǎn)最大直徑敞開式TBM“江漢領航號”，開挖直徑11.93m；國內(nèi)水利工程最大直徑單護盾式TBM“江漢開拓號”，開挖直徑12.23m；國內(nèi)在建隧洞工程中最大直徑雙護盾式TBM“江漢平安號”，開挖直徑11.93m。超大直徑施工對于設備性能提出了更高要求，制造商對此進行了針對性的設計，“江漢新石器號”TBM采用刀具小間距布置、大范圍擴挖的刀盤設計方法，以提升超大直徑TBM應對不良地質(zhì)條件的能力；“江漢龍安號”采用了雙模式設計，能夠針對不同地質(zhì)條件切換土壓平衡模式和單護盾模式，為刀盤提供穩(wěn)定的支撐，實現(xiàn)高效破巖；“江漢武當號”裝備了扭矩倍增脫困系統(tǒng)，通過在主電機和減速機之間增加雙速減速機，充分提升脫困扭矩。該工程將充分檢驗國產(chǎn)大直徑TBM裝備性能，也將進一步推動我國超大直徑TBM施工能力提升和技術(shù)發(fā)展。

綜上，經(jīng)過30余年發(fā)展，我國水工隧洞TBM的制造水平和施工水平均已處于國際領先地位，一大批重大水利工程的建設和完工推動了國家骨干水網(wǎng)建設和完善，有效促進了水資源優(yōu)化配置、水安全保障、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

2.TBM相關新裝備、新材料、新技術(shù)應用

（1）新型破巖技術(shù)

長期以來提升破巖效率一直是學術(shù)界和工程界的研究重點和難點。近年來針對硬巖地層中滾刀與截齒破巖效率低、刀具磨損嚴重問題，在傳統(tǒng)破巖模式基礎上結(jié)合新型破巖方式成為了研究熱點。諸如水力聯(lián)合破巖，即通過高壓水射流預先切槽，輔助機械滾刀破碎巖石，減少滾刀磨損，提高破巖效率；或利用激光輔助破巖，通過高能激光束預處理巖石，弱化其強度。比較具有代表性的是由中國科學院武漢巖土力學所周輝團隊提出的“預切槽+滾刀”聯(lián)合破巖模式，通過高壓水射流切槽，優(yōu)化裂紋擴展路徑，提升破巖效率，并減小刀具載荷。需要注意的是，發(fā)揮高壓水射流的破巖效果需保障瞬時水壓超過150MPa，同時射流噴嘴需超前于滾刀刀刃50～80mm布置，以實現(xiàn)在滾刀壓入巖石前，先行在巖體中切割出初始導向槽。試驗表明該技術(shù)可降低44%～53%的破巖力，并揭示了臨界切槽深度對破巖效果的調(diào)控作用。

（2）裝備制造技術(shù)

近年來國產(chǎn)TBM在核心部件制造、生產(chǎn)和維修保養(yǎng)等方面有了長足技術(shù)進步。以主軸承為例。主軸承是連接刀盤與主驅(qū)動系統(tǒng)的核心承載部件，用于支撐并傳遞掘進過程中產(chǎn)生的巨大軸向推力、徑向力和傾覆力矩，決定了TBM的施工狀態(tài)和工作能力，故TBM施工對主軸承的質(zhì)量要求極高。長期以來，盡管國產(chǎn)TBM已經(jīng)占據(jù)了大部分國內(nèi)市場，但是主軸承仍然依賴國外進口。2023年，中國鐵建重工集團股份有限公司成功實現(xiàn)了16m級超大直徑盾構(gòu)機主軸承的國產(chǎn)化，為TBM主軸承的技術(shù)攻關奠定了堅實基礎。在刀盤刀具設計與布局優(yōu)化、快速換刀、多模式出渣、可變徑技術(shù)和后支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化等其他方面，也實現(xiàn)了不同程度的創(chuàng)新。

（3）新型施工材料

TBM施工需要消耗大量材料，主要以刀具材料和支護材料為主，其中刀具的性能一定程度上決定了破巖效率，刀具磨損率越低，換刀周期越長。決定刀具磨損率的因素包括圍巖條件和刀具本身材質(zhì)。以刀具材料為例，選用原則為高耐磨性和抗沖擊性，故通常以高性能合金為主，如鎢鈷合金和高碳高鉻鋼。近年來，納米涂層技術(shù)逐漸應用到刀具制造領域，通過在刀具表面形成微米級保護層提高抗腐蝕性、耐磨性和熱穩(wěn)定性，以適應高地溫、超硬巖等復雜地質(zhì)條件。具體實現(xiàn)方式為在刀圈基體（如H13鋼）上制備金屬基陶瓷復合涂層，涂層材料體系主要包括鐵基、鈷基及鎳基自熔性合金，并通過添加WC、TiC等硬質(zhì)顆粒作為增強相；鎳基WC復合涂層因綜合性能優(yōu)異而應用最廣。在制備工藝上，當前通過激光熔覆技術(shù)來實現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合，而超音速火焰噴涂則可用于制備高結(jié)合強度的涂層。然而，這項技術(shù)仍面臨涂層高硬度與韌性難以兼顧、制備過程易產(chǎn)生殘余應力，以及缺乏專用粉末和真實工況驗證等挑戰(zhàn)。其他TBM施工材料，如注漿材料（豆礫石等）、新型支護材料（高強鋼材）等，也是研究的重點方向。

（4）抽水蓄能電站TBM施工技術(shù)

2020年以來，為進一步開發(fā)和利用清潔能源，許多抽水蓄能電站項目上馬。抽水蓄能電站隧洞長度雖然較短但有坡度，采用TBM工法進行抽水蓄能電站引水隧洞和斜井的施工成為新的嘗試。相較于平硐施工，抽水蓄能隧洞施工圍巖地質(zhì)條件較好，但由于TBM自重巨大，往往需要針對性的裝備設計與施工組織。中國水利水電第六工程局有限公司施工的洛寧抽水蓄能電站斜井工程，采用了由中鐵工程裝備集團有限公司生產(chǎn)的“永寧號”TBM?！坝缹幪枴闭麢C全長121m，總重1550t，開挖直徑達7.23m，是首臺國產(chǎn)大直徑大傾角斜井硬巖掘進機。為了克服大角度逆坡掘進難題，“永寧號”TBM通過防滑制動與仿生支撐裝置保證掘進穩(wěn)定，結(jié)合溜渣槽、連續(xù)皮帶機與噴淋系統(tǒng)實現(xiàn)高效排渣，顯著提升了施工安全性與效率。在整機設計中，針對TBM下溜、碴料堵渣、掘進材料輸送及液壓設備調(diào)節(jié)等關鍵問題進行了優(yōu)化改進。TBM前半部分設置2組外凱和2組ABS支撐裝置，用于掘進過程中穩(wěn)定巖壁，4套組件相互獨立，既提供掘進所需推力，又產(chǎn)生足夠摩擦力以確保整機在掘進和換步作業(yè)中保持穩(wěn)定，防止下溜現(xiàn)象發(fā)生。

（5）超前地質(zhì)預報技術(shù)

TBM工程的超前地質(zhì)預報技術(shù)通常以物探和鉆探為主。傳統(tǒng)物探手段受限于作業(yè)空間、施工環(huán)境，且具有多解性，探測精度隨探測距離增長而衰減，在含水體探測方面尤為明顯。鉆探技術(shù)施作空間、時間和經(jīng)濟成本較大，全洞段開展的難度較高。故而，有學者提出通過整合多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)對異常地質(zhì)的提前識別，為施工決策提供科學依據(jù)。中國科學院王偉研究了基于彈性波反射原理的DOSO雙源雙程重疊觀測技術(shù)，通過在隧道底部設置震源激發(fā)P波與S波，并利用布置于管片及超前鉆孔內(nèi)的三分量檢波器接收反射信號，對掌子面前方地質(zhì)體進行高分辨率成像，技術(shù)流程涵蓋初至時間拾取、拉東變換反射波提取、極化分析、速度分析及偏移成像等步驟，并結(jié)合逆時偏移和全波形反演以提高異常體識別精度，系統(tǒng)集成三維數(shù)值模擬與可視化模塊，可直觀展現(xiàn)前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從定性識別向定量分析的轉(zhuǎn)變。工程應用表明，該方法探測距離可達約100m，能夠有效識別斷層、破碎帶及富水區(qū)，為復雜地質(zhì)條件下的TBM掘進安全提供了重要技術(shù)保障。此外，中鐵工程裝備集團有限公司研究的基于TBM施工振動作為激發(fā)源的新型地質(zhì)預報方法，中國水利水電科學研究院研究的數(shù)字化TBM超前鉆探方法等，均在探測手段、數(shù)據(jù)利用等方面進行了探索。

3.復雜地質(zhì)條件應對措施研究

（1）應對圍巖大變形

圍巖大變形主要發(fā)生在深埋軟巖隧洞中，在高地應力作用下，軟巖的蠕變效應加劇，進而影響施工安全和圍巖穩(wěn)定，如滇中引水香爐山隧洞因圍巖大變形引起TBM卡機，造成了工期延誤和投資增加。同濟大學張鋒團隊系統(tǒng)探討了高地應力軟巖隧道大變形的發(fā)生機理，提出優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)、加強施工控制等應對措施。長江科學院丁秀麗團隊結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬總結(jié)了軟巖變形規(guī)律，提出了分步開挖、臨時支護加固及超前支護設計等控制方案。研究表明，初期支護采用高延性噴射混凝土、可縮式鋼拱架與讓壓錨桿相互結(jié)合的方式，吸收圍巖變形能量，并防止初期結(jié)構(gòu)剛性約束過強導致早期破壞；在二襯施工階段，采用高強度混凝土與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護，并通過預留變形量及設置滑移連接件實現(xiàn)二次讓壓，確保襯砌在持續(xù)變形過程中保持整體穩(wěn)定。對于高地應力或軟巖地層，還可以輔以超前支護、長錨索及管棚支護等措施，提高掌子面穩(wěn)定性，實現(xiàn)圍巖與支護的協(xié)調(diào)變形，從而有效控制大變形隧洞的穩(wěn)定性問題。

（2）應對斷層破碎帶

斷層破碎帶是TBM施工面臨的關鍵風險之一。長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司張傳健基于滇中引水香爐山隧洞的施工實踐，總結(jié)得出斷層破碎帶區(qū)域巖體破碎、含水量高，容易引發(fā)掘進阻力增大、刀具磨損嚴重、圍巖大變形及突涌水（泥）等問題。針對斷層破碎帶施工風險，該工程實踐中采用超前地質(zhì)預報提前識別潛在斷層帶及軟弱地段，結(jié)合分步開挖、超前支護、臨時支護及多級排水體系控制圍巖變形和水害。同時，建立實時監(jiān)測與智能調(diào)控系統(tǒng)，針對掘進參數(shù)、支護狀態(tài)和圍巖變形情況進行動態(tài)調(diào)整，提高斷層破碎帶隧道施工的安全性與連續(xù)掘進能力。研究表明，通過在掘進前實施超前固結(jié)灌漿或管棚支護，可提高破碎圍巖整體性與承載力；掘進過程中采用可讓壓鋼拱架、錨桿和高延性噴射混凝土組合支護，可控制圍巖收斂與應力集中；同時在拱底和腰線部位加密錨固，可防止底鼓及機頭下沉。掘進完成后及時施作二襯結(jié)構(gòu)，使初期支護與二襯協(xié)同承載，形成圍巖-支護協(xié)調(diào)變形穩(wěn)定體系，從而實現(xiàn)斷層破碎帶段的安全可控掘進。

（3）應對突涌水（泥）

突涌水（泥）是TBM施工中極為嚴重的常見風險之一，常出現(xiàn)在富水斷層帶、破碎帶及高壓含水層中，極易引發(fā)掌子面失穩(wěn)、設備被淹及長時間停機等嚴重后果。中鐵十八局集團有限公司齊夢學等通過分析典型TBM工程案例，發(fā)現(xiàn)突涌水（泥）具有突發(fā)性強、涌水量大、持續(xù)時間長的特點，往往伴隨大量泥石進入，導致排渣系統(tǒng)受阻，甚至誘發(fā)塌方災害。防治措施應遵循“超前預報、分級應對、動態(tài)處置”原則：一方面，需通過超前鉆探、地質(zhì)雷達和物探等多手段識別含水構(gòu)造，建立風險預警機制；另一方面，采用超前帷幕注漿、加固破碎巖體、分區(qū)減壓排水等措施可降低水壓、封堵滲透通道；同時，在突涌水（泥）發(fā)生后，應通過快速封堵、應急排水與掘進參數(shù)調(diào)整，減少災害擴展范圍。此外，面臨突涌水（泥），可通過在掌子面前方超前鉆孔注漿形成止水帷幕，利用化學漿液或高分子材料加固破碎圍巖并封堵滲水通道；對洞壁滲水采用防水板與引流系統(tǒng)，將水流集中至集水池統(tǒng)一抽排；在高壓突水地段輔以管棚或小導管注漿形成傘狀防水層，提高掌子面抗?jié)B能力。配合實時監(jiān)測與支護參數(shù)調(diào)整，該技術(shù)可有效控制突水范圍，確保TBM掘進安全與施工穩(wěn)定。

（4）應對巖爆

巖爆是TBM施工中極具威脅性的地質(zhì)災害之一，尤其在高地應力、硬巖及軟硬巖互層區(qū)表現(xiàn)突出。近年來，國內(nèi)外在巖爆監(jiān)測、預警與防控技術(shù)方面取得了顯著進展。微震監(jiān)測技術(shù)被廣泛應用，通過實時記錄圍巖微震活動，可識別潛在巖爆發(fā)生區(qū)域及等級，為支護設計及施工參數(shù)調(diào)整提供科學依據(jù)。針對巖爆防控，研究提出了主動與被動聯(lián)合策略：主動措施包括超前鉆孔應力釋放、超前小孔爆破、先導洞施工、鉆孔注水及超前錨桿加固；被動措施包括噴錨網(wǎng)、鋼支撐及鋼筋網(wǎng)等圍巖加固手段。在深埋隧洞工程實踐中，利用這些措施結(jié)合掘進速度、支護模式及施工節(jié)奏對巖爆防控進行優(yōu)化，形成輕微、中等、強烈三個等級的巖爆風險分級及“掘速控制-風險控制-時空控制-分級控制”的防控準則，實現(xiàn)了預警、施工與支護的閉環(huán)管理。深埋隧洞巖爆支護技術(shù)是防控災害的核心，可分為主動和被動兩類，旨在通過加固圍巖提高抗沖擊能力。主動支護如超前錨桿和預應力錨桿，在開挖前實施，通過應力釋放和預加固降低巖爆風險，適用于高風險洞段；被動支護如噴錨支護、鋼支撐和掛網(wǎng)防護，在開挖后發(fā)揮作用，其中噴錨支護結(jié)合混凝土和錨桿形成承載體系，鋼支撐提供剛性支持，而柔性鋼絲網(wǎng)等掛網(wǎng)措施能有效吸收動能。

4.信息化和智能化發(fā)展應用

（1）智能選型方面

傳統(tǒng)TBM選型方法往往依賴經(jīng)驗判斷，存在較強主觀性、局限性，難以適應復雜地質(zhì)條件。如何充分利用初勘地質(zhì)資料，引入人工智能方法，對專家知識進行補充，是新的研究方向。武漢大學劉泉聲團隊提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的TBM智能選型方法，將設備選型問題轉(zhuǎn)化為分類預測任務，基于沿線地質(zhì)資料及施工先驗信息，利用機器學習模型實現(xiàn)TBM選型推薦。具體來說，是將施工案例數(shù)據(jù)驅(qū)動作為選型主要方法，將復雜、模糊的TBM選型問題轉(zhuǎn)換為簡單、明確的TBM分類問題，有效提升了選型的科學性和可解釋性。研究收集了敞開式TBM案例55個、單護盾式TBM案例21個、雙護盾式TBM案例41個，收集數(shù)據(jù)包括隧道沿線各級圍巖占比、隧道直徑、平均埋深、隧道用途、月進尺等，利用多重插補算法填補案例中缺失數(shù)據(jù)，并利用SMOTE-NC算法對不平衡數(shù)據(jù)集進行處理，從而增強數(shù)據(jù)集。其中LightGBM模型表現(xiàn)最佳，測試集選型精度高達94.4%。

（2）智能感知方面

圍巖地質(zhì)條件始終是TBM過程感知的主要對象，智能感知則是結(jié)合多源感知信息，充分利用已建工程數(shù)據(jù)，對圍巖地質(zhì)條件進行評估和預判。中國水利水電科學研究院張云旆基于3個不同直徑和地質(zhì)條件的TBM施工隧道構(gòu)建了跨工程大數(shù)據(jù)庫，通過特征工程與機器學習模型實現(xiàn)不良巖體的跨工程識別與預測，開發(fā)了一套跨工程智能感知方法，目的是通過機器學習提升巖體質(zhì)量預測泛化能力。該方法引入隧道直徑和盤形刀數(shù)量作為關鍵輸入?yún)?shù)，與FPI和TPI結(jié)合，形成擴展特征向量（包括TPI、a、b、RT、RF、D、N），以有效克服不同項目間機械和地質(zhì)條件的差異。數(shù)據(jù)預處理階段采用循環(huán)劃分和狀態(tài)函數(shù)過濾異常值，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；機器學習方面以隨機森林算法為主算法，將巖體質(zhì)量簡化為二分類問題，即分為穩(wěn)定巖體（Ⅰ～Ⅲ級）與不穩(wěn)定巖體（Ⅳ～Ⅴ級），并輔以支持向量機SVM等進行對比驗證。訓練過程通過10折交叉驗證優(yōu)化并利用ROC曲線調(diào)整概率閾值，從而顯著提升了對不穩(wěn)定巖體的識別精度。驗證結(jié)果表明，混合學習模型的AUC值超過0.85，F(xiàn)1分數(shù)接近0.75，證實了該方法在跨項目場景下的有效泛化能力，為TBM在未知地質(zhì)條件下的實時感知提供了可靠基礎。特征參數(shù)正態(tài)分布檢驗支持了輸入數(shù)據(jù)的可靠性；而三維聚類分析進一步揭示了不同巖體等級的參數(shù)分離趨勢，增強了模型的可解釋性。北京交通大學李旭團隊提出以多源數(shù)據(jù)融合為基礎的巖體評估體系，基于神經(jīng)網(wǎng)絡和穩(wěn)定性指標量化評估圍巖狀態(tài)，制定支護方案。但TBM智能感知也面臨數(shù)據(jù)標準化、跨工程遷移性、模型可靠性與現(xiàn)場應用等問題和挑戰(zhàn)。

（3）智能駕駛方面

TBM實現(xiàn)了高度的機械化集成和信息化升級，正在邁向智能化，其中智能駕駛是智能化的核心環(huán)節(jié)。當前研究主要圍繞參數(shù)推薦展開，上海隧道工程股份有限公司吳惠明提出的盾構(gòu)自主駕駛技術(shù)通過多源傳感信息融合，實現(xiàn)掘進參數(shù)與姿態(tài)的動態(tài)優(yōu)化，減少人工干預；浙江大學張亞坤則強調(diào)構(gòu)建“感知—認知—決策—執(zhí)行”閉環(huán)體系，推動TBM從被動監(jiān)測向主動智能控制轉(zhuǎn)變，使圍巖識別與參數(shù)調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)自適應。但是目前智能駕駛主要針對掘進工序，對于換步、支護等工序的搭接考慮不足，同時推薦參數(shù)的合理性和適用性有待進一步驗證，復雜地質(zhì)情況下的需求更為強烈。智能盾構(gòu)的自主化運行依賴于一套協(xié)同演進的算法與參數(shù)體系，其核心在于通過多模塊的技術(shù)融合實現(xiàn)從地質(zhì)感知到精準控制的完整閉環(huán)。在地質(zhì)識別方面，采用k-means聚類與XGBoost相結(jié)合的機器學習方法，依托地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和實時掘進參數(shù)實現(xiàn)對前方地層的精準預測；壓力平衡控制則通過模糊PID與自適應動態(tài)規(guī)劃等算法，對土倉壓力、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速等關鍵參數(shù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，確保開挖面穩(wěn)定。智能決策系統(tǒng)借助多目標優(yōu)化算法與LSTM預測模型，以掘進速度、能耗與刀具磨損為優(yōu)化目標，通過調(diào)整推力、刀盤扭矩等決策變量實現(xiàn)綜合性能提升。姿態(tài)控制模塊采用CNN-RNN混合網(wǎng)絡進行軌跡預測與糾偏，依據(jù)推進油缸的壓力與位移偏差實現(xiàn)精準導航。盡管如此，該技術(shù)體系仍面臨模型泛化能力不足、多系統(tǒng)耦合優(yōu)化復雜等挑戰(zhàn)。未來需進一步發(fā)展基于數(shù)字孿生的協(xié)同控制框架與跨項目遷移學習技術(shù)，以推動隧道掘進向全流程自主化方向演進。

TBM的發(fā)展方向

1.面向超長深埋隧洞

隨著我國水網(wǎng)工程持續(xù)建設，超長距離、超大埋深已逐漸成為隧洞建設的顯著特點，如何適應長距離獨頭掘進、高地應力安全施工，是新時期TBM水工隧洞建設必須回答的問題。為保障工程進度和安全，TBM作為主要施工設備，需要實現(xiàn)地質(zhì)條件感知、智能掘進支護與整體工序協(xié)同的有機統(tǒng)一。①TBM設備需具備感知圍巖地質(zhì)條件能力，能夠融合超前地質(zhì)預報、隨鉆感知、巖渣圖像識別、微震監(jiān)測等多源地質(zhì)信息，綜合研判掌子面近前方—中距離—遠距離的圍巖地質(zhì)情況，作為后續(xù)掘進策略和支護方案制定的基礎；②TBM設備需具備一定程度的自主掘進和智能決策能力，通過數(shù)字孿生技術(shù)和智能算法的有機結(jié)合，實現(xiàn)掘進參數(shù)的預設定與自適應微調(diào)，做到地質(zhì)識別、風險預警與施工參數(shù)動態(tài)優(yōu)化的多功能統(tǒng)一，解決應對復雜地質(zhì)條件難決策和決策滯后的問題；③TBM施工狀態(tài)和設備狀態(tài)評估是保障超長距離施工連續(xù)性的關鍵，對于軸承、大齒圈、變速箱、主驅(qū)動電機等關鍵部件需要實現(xiàn)全生命周期監(jiān)測，對運行故障要進行早期診斷，輕微故障需要具備自檢自修能力。同時，隨著掘進距離和埋深的增加，通風降溫、渣料排運、能源供應和管片運輸?shù)扰涮紫到y(tǒng)的穩(wěn)定性也需關注。

2.面向極端地質(zhì)條件

極端地質(zhì)條件仍然是影響TBM施工安全與效率的核心難題，尤其是我國西南山區(qū)生態(tài)脆弱、地質(zhì)復雜、施工環(huán)境惡劣，在該區(qū)域采用TBM工法對設備防護水平和施工能力提出了更高的要求，同時也要求參建單位將施工理念從“被動防護”向“主動感知與動態(tài)控制”轉(zhuǎn)變。對于極高地應力條件下施工，可在整合微震監(jiān)測與TBM掘進參數(shù)的基礎上，結(jié)合深度學習算法，對巖爆位置和等級進行超前預警，從而對高風險洞段提前采取超前注漿加固或超前鉆孔釋放應力等處置措施。在此基礎上，結(jié)合針對性抑爆與柔性支護技術(shù)，實現(xiàn)對巖爆危害的動態(tài)控制。對于高地溫環(huán)境下施工，一方面，發(fā)展高效主動降溫技術(shù)，通過更大功率的智能變頻通風系統(tǒng)，耦合其他主動降溫手段，控制掌子面溫度；另一方面，降低TBM設備的工作產(chǎn)熱能力，保障關鍵設備在高溫環(huán)境下不過熱，確保施工安全。

3.面向智能建造與綠色施工

智能建造和綠色施工是TBM技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，未來TBM將具備自主決策、自適應控制、自檢自修等功能，真正意義上實現(xiàn)少人化、無人化的掘進施工。大數(shù)據(jù)和人工智能是決策中樞的“智能大腦”，想要充分發(fā)揮算法優(yōu)勢，首先需要打破數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)融合，集成和分析地質(zhì)、設備、環(huán)境等多源信息，通過垂直模型應用進行專業(yè)問答、方案輔助編制，優(yōu)化掘進參數(shù)和制定施工方案。此外，數(shù)字孿生技術(shù)將實現(xiàn)物理TBM和數(shù)字TBM的實時交互，通過開發(fā)與物理TBM實時映射的高保真數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于“數(shù)字預演”模擬TBM施工，預估TBM工作狀態(tài)，將重點轉(zhuǎn)向精準建模與閉環(huán)控制。最終實現(xiàn)有限條件下的自主決策，并通過研發(fā)新一代人工智能算法，保障TBM具備應對復雜突變地質(zhì)條件的能力，形成在安全邊界內(nèi)的自主決策能力。

對于綠色施工，其重點在于將環(huán)保持續(xù)性理念貫穿于掘進全過程，例如建立洞渣資源化高效利用體系，將洞渣轉(zhuǎn)化為符合標準的砂石骨料。在特長隧道中，推廣變頻智能通風系統(tǒng)和液氮降溫等主動降溫技術(shù)，并作為長隧施工的強制性標準。同時，借鑒汕頭—梅州高速公路等工程經(jīng)驗，推動TBM工程向環(huán)境友好方向發(fā)展。

結(jié)語

經(jīng)過多年發(fā)展，我國水工隧洞TBM的整體施工水平和相關技術(shù)取得了顯著進步和重點突破，在制造水平、施工能力等方面已經(jīng)躍居世界領先地位，但隨著國家水網(wǎng)建設和西南能源開發(fā)等持續(xù)推進，TBM施工仍面臨長距離、大埋深和復雜地質(zhì)等諸多因素的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：地質(zhì)災害的預警和處置能力不足，巖爆、圍巖大變形及突涌水（泥）等問題仍威脅施工安全；設備在惡劣環(huán)境下長期運行的可靠性與耐久性有待驗證，核心部件的國產(chǎn)化仍需繼續(xù)推進；智能化應用程度不高，智能化仍處于輔助決策階段，距離完全自主掘進尚有差距。

未來，TBM技術(shù)應著重提升災害識別與防控能力，突破關鍵部件的材料與結(jié)構(gòu)瓶頸，推動智能化從決策支持向自主掘進演進，并在綠色施工與節(jié)能降耗方面實現(xiàn)實質(zhì)性突破。而上述問題的攻關需要跨學科、跨領域的協(xié)同創(chuàng)新，產(chǎn)學研用的深度融合，共同推動TBM領域技術(shù)的迭代優(yōu)化與升級創(chuàng)新。

Abstract: The Tunnel Boring Machine (TBM) has been widely used in tunnel construction for water resources, transportation, and mining projects. Owing to its high degree of mechanization and digital integration, the TBM method ensures safer and more efficient construction than the conventional drill-and-blast method under suitable geological conditions, particularly in medium-hard rock. In recent years, water conveyance and hydraulic tunnel projects have tended to feature longer lengths, larger diameters, and greater burial depths, with increasingly stringent construction requirements, making TBM construction more preferable. Improvements in domestic TBM manufacturing have significantly enhanced overall performance, key component fabrication capabilities, and the level of intelligent operation, thereby improving adaptability to complex geological conditions. This paper systematically reviews the application progress and future directions of TBM technology in China’s water projects, focusing on three aspects: first, summarizing practical experiences in representative projects, such as the Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project and the Central Yunnan Water Diversion Project, in addressing complex geological conditions, and outlining the development trajectory of TBM-based hydraulic tunnel construction; second, analyzing innovative breakthroughs in new equipment, new materials, and new technologies that enhance TBM adaptability, and identifying core technologies and persistent bottlenecks; third, exploring frontier applications of intelligent and digital technologies for enabling autonomous decision-making, self-sensing, and green construction, and highlighting the significance of big data and artificial intelligence in future water project development. The study aims to provide a systematic reference for the advancement and practical application of TBM technology in China’s water projects, promoting continuous technological iteration and innovation across the sector.

KeywordsTBM; water projects; tunnel engineering; construction; new equipment; new materials; new technologies; complex geology; intelligent

本文引用格式：

趙宇飛，張云旆，楊建喜，等.TBM在水利工程中的應用進展及發(fā)展方向[J].中國水利，2025（21）：56-64.

封面攝影湯葉

責編劉磊寧

校對葛家諾（見習） 王慧

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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