全断面隧道掘进机（TBM）的技术应用和发展现状与发展趋势分析

全断面隧道掘进机(TBM)作为地下工程建设的核心装备，经过近200年的发展已成为集光、机、电、液、传感、信息技术于一体的平，占据全球70%的市场份额。TBM具有高效破岩、复杂环境适发、城市地下网络、太空探索等新兴领域展现巨大潜力。本研究为一、引言地下空间作为人类发展的“第二空间”,其开发利用程度已成为衡量国家现代化水平的重要标志。全断面隧道掘进机(TunnelBoringMachine,简称TBM)作为地下工程建设的核心装备，能够实现隧道下工程的巨无霸”。从1818年法国工程师马克·布鲁内尔从船蛆钻洞现象获得启发当前，全球基础设施建设需求持续旺盛，特别是在“一带一路”地质条件、极端施工环境、环保要求提升等挑战也日益严峻，对TBM2.1全球技术发展历程与现状进过程。1818年，法国工程师马克·布鲁内尔从船蛆在木头中钻洞并在英国取得专利。1825年，布鲁内尔在伦敦泰晤士河下方修建了世界第一条盾构机法隧道，1843年该隧道向公众开放，成为世界上中的价值。1874年，英国工程师格雷蒙特在伦敦地铁南线的隧道建设中，定了现代盾构机施工的基础。进入20世纪，TBM技术开始在全球范围内传播和发展。1952年，美国工程师JamesRobbins为南达科他州奥阿西大坝工程研发了第一台现代硬岩TBM,使用拖曳钻头和哑铃20世纪70年代是TBM技术发展的重要转折点。针对松软含水地进入21世纪，特别是2010年以后，随着人工智能、大数据、物中国在这一时期实现了跨越式发展，从2008年前市场占有率几乎为零，到2025年占据全球70%的市场份额，产品出口至50余个国家和2.2中国TBM技术发展水平台TBM(直径3.5米),标志着中国TBM技术进入黎明期。然而，由1985年，天生桥二级水电站引水隧洞工程引进美国罗宾斯公司一阶段，中国通过引进国外先进设备和技术，培养了一批专业人积累了宝贵经验。2002年，国家将盾构研发列入“863计划”,成立了第一个盾构研究项目组，2004年国产首台自主知识产权“863”盾2013年以来，中国进入TBM技术自主创新期，开始设计制造具有完全自主知识产权的TBM。这一时期的标志性成就包括：2013年全年成功牵头研制我国首台大直径敞开式TBM并用于吉林中部城市引就。2025年4月16日，中国自主研制的超大开挖直径达15.7米，计划应用于澳大利亚西部港湾项目建设，刷新(1)在技术创新方面，中国企业在多个领域实现了重大突破。该系统依托盾构/TBM工程大数据中心773条工程线路，1200亿条工技术体系，在某些应用场景的预报精准度已高达90%以上。(2)复杂地质适应性方面，中国研制的“墨子号”双护盾硬岩在西天山特长隧道施工中创造了单日最高掘进45.3米、单月最高掘进827米的世界纪录，刷新了全球同级别、同类型和同类施工条件下(3)核心零部件国产化方面，中国取得了重大突破。依托“隧设计生产能力，核心零部件国产化率超过90%。这一成就彻底改变了基础。2.3国际主要技术流派对比健与强力破岩”的技术理念。海瑞克公司成立于1977年，总部位于德国施瓦瑙(Schwanau),是全球隧道掘进机领域的领备覆盖直径从0.1米的微型隧道掘进机到15.44米的超大直径盾构机。高度较大(如175mm);多采用液压马达驱动，可实现无级调速(0~3rpm),扭矩大，脱困能力强；在密封技术方在高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具。海瑞克S-880型盾构机掘进速度每小时可达6米，在全球名列前茅，其液压油缸同步误差仅0.02毫米，激光导向系统把隧道轴线偏差控制在1厘米。(2)日本流派以小松(Komatsu)、三菱重工(MitsubishiHeavy技术特点包括：滚刀数量较少，刀刃距面板高度较低(如110mm);至2003年一共制造了1608台盾构机，在技术创新方面创造了多个第(3)美国流派以罗宾斯(Robbins)公司为代表，在硬岩掘进技术方面具有传统优势。罗宾斯公司成立于1952年，是现代TBM技术的开创者之一，已经设计制造了超过250套全断面隧道掘进机。美国TBM的技术特点是在硬岩掘进效率方面表现突出，特别是在大直径、长距离硬岩隧道施工中具有丰富经验。(4)中国流派则呈现出“集成创新、快速迭代”的发展特点。中国企业通过引进消化吸收再创新，结合本土工程实践需求，形成了在产品特点上，追求大直径、多功能、高适应性；在市场策略上，凭借成本优势和快速响应能力占据市场主导地位。中铁装备、铁建重工等企业的产品价格比国外低20%～30%,但在技术性能上已接近或达到国际先进水平。从技术发展趋势看，各流派正在相互借鉴、融合发展。德国企业开始加强智能化技术研发，日本企业在保持精密制造优势的同时扩大产品规格，美国企业则在拓展软土地层应用领域。中国企业在快速扩大市场份额的同时，也在加强基础研究和高端技术开发，努力缩小与传统技术强国在某些领域的差距。三、TBM核心功能分析3.1高效破岩与连续作业功能TBM的核心功能是实现高效破岩和连续作业，这一功能的实现依赖于其独特的破岩机理和系统设计。TBM的破岩过程是一个复杂的物理过程，主要通过挤压破碎和剪切破碎两种方式实现。在破岩机理方面，TBM通过旋转刀盘并推进，使滚刀滚动挤压掘进工作面的岩石，实现切割破岩。具体过程为：首先，滚刀在强大推力作用下切入岩体，形成割痕；然后，刀刃顶部的岩石在巨大压力下急剧压缩，随着刀盘回转和滚刀滚动，部分岩石首先破碎成粉状，积聚在刀刃顶部范围内形成粉核区；最后，刀刃切入岩石和刀刃的两侧劈入岩体，在岩石结合力最微弱的位置产生多处微裂痕，最终实现岩石的整体破碎。TBM的刀盘系统是实现高效破岩的关键部件。刀盘上安装着各种类型的刀具，如盘形滚刀、齿刀等，这些刀具犹如锋利的“牙齿”,在旋转和推进力的双重作用下对岩石进行切削和破碎。现代TBM的刀盘设计越来越注重刀具配置的优化和破岩效率的提升。例如，针对不同地质条件，TBM可配置不同类型和数量的刀具：在硬岩地层中使用盘形滚刀，通过滚压方式使岩石产生裂纹并破碎；在软土地层中使用切刀，通过轴向剪切力和径向切削力切削土体。连续作业功能的实现依赖于TBM的一体化作业模式。与传统钻爆法需要按顺序进行钻孔、装药、爆破、通风、装岩出碴等分开程序不同，TBM是一个连续地从隧道表面“切开”岩石体的过程，然后通过传送带机或坑道车直接把碴从隧道内运出来。这种连续作业模式具有(1)掘进速度快：TBM的掘进速度约为传统钻爆法的4～6倍。钻爆法受爆破次数、通风排烟等因素限制，每天的掘进进度有限；而TBM可实现连续掘进，不受爆破时间限制，大大提高了施工速度。例如，在湖北麻坪磷矿的5.48米TBM项目中，用两年时间完成了7300米回(2)作业效率高：TBM能够实现掘进、支护、出渣等关键工序同步进行。“中铁1429号”TBM开挖直径6.03米，总长85米，整机重约750吨，集掘进、支护、出渣等功能于一体，创造了最高月进尺371米、最高单日进尺17.5米的佳绩。(3)施工质量好：TBM的连续作业模式避免了传统爆破对围岩的扰动，能够保持围岩的稳定性，减少超挖量，降低支护材料消耗30%以上。同时，TBM施工的隧道断面形状规则，表面平整，有利于3.2复杂环境适应性功能互地层中，通常选用双护盾TBM;在软弱围岩占比较高、岩石强度较区段切换土压平衡盾构模式，在硬岩地带启动单护盾TBM模式，从容应对了复杂地质条件。在施工环境适应方面，TBM展现出了强大的环境适应能力。针对不同的施工环境，TBM开发出了多种适应性技术。(1)极端温度适应：针对高温环境，罗宾斯公司推出了耐高温(80°C)TBM,用于地热能源开发项目。这些设备采用特殊的冷却系统和耐高温材料，确保在极端温度下的正常运行。(2)高水压适应：针对深海隧道，海瑞克开发了抗压能力达10bar的超高压盾构。这些设备采用特殊的密封设计和耐压结构，能够在高水压环境下安全作业。(3)复杂地形适应：“墨子号”双护盾硬岩掘进机实现最小50米半径转弯，打破传统TBM需百米半径转弯限制，特别适用于空间受限的施工环境。通过模块化设计和智能控制系统，能够根据地质条件的变化自动或手动切换作业模式。例如，复合式TBM融合了护盾式TBM的结构特点，具备全断面敞开模式和土压平衡模式两种操作模式，可根据地层条件TBM的复杂环境适应性还体现在其超前地质预报功能上。目前国产的TBM出厂都自带了超前的地质探测设备，能够提前探测刀盘前方100米范围内的围岩。这些探测系统包括地质雷达、激发极化、微震监测、HSP地质预报等多种技术，能够实时监测前方地质条件变化，3.3智能化施工管理功能(1)在智能掘进控制方面，中国企业取得了重大突破。隧道掘进机及智能运维全国重点实验室研发的盾构/TBM智能掘进控制系统 (I-TBM系统),实现了主动参数自预测、仓内压力自适应、姿态运模型的深度融合。基于BIM(建筑信息模型)和GIS(地理信息系统)案(如开挖步序、注浆压力),结合AI算法预测潜在风险(如围岩变形、渗水)。一代智能运行控制模式。边缘服务器集成云端双向通信熔断保障机制，确保云端模型动态部署，预测数据实时传送。(4)在智能运输系统方面，TBM配套的运输系统也实现了智能化升级。采用UWB(超宽带)基站定位算法、车载UHF(特高频)无线定位、三维高精度激光雷达障碍物识别等技术，研发了隧道长距离无人驾驶运输系统，具备车辆智能启停、自主转向、车速自动控制、智能避障、车道指引等功能，实现设定路线下L4级智能驾驶。智能化施工管理功能还体现在智能决策支持方面。AI技术驱动的施工管理系统能够实时监控施工装备运行数据，对设备故障和异常及时预警，保障设备长期稳定运行。在设备安全管理方面，AI能够通过分析设备运行数据，预测设备故障，提前进行维护保养，大大提高了设备的可靠性和使用寿命。3.4环保节能功能环保节能是现代TBM的重要功能，也是响应全球可持续发展要求的必能耗降低和材料循环利用等方面。(1)在粉尘控制方面，TBM采用了多种先进技术。通过智能导航系统与绿色施工技术的结合应用，TBM在掘进降低噪音和粉尘污染。系统通过传感器实时监测掘进过程中的粉尘浓度，当粉尘浓度超过设定阈值时，自动启动洒水装置进行降尘处理。针对快速掘进工作面，采用附壁旋流通风与干式除尘器协同控尘技术，将呼吸性粉尘控制在距掘进工作面5米范围内。(3)在能耗降低方面，TBM通过技术创新实现了能源效率升。据统计，智能化技术的应用使TBM的能源效率提高了约30%,每(4)在材料循环利用方面，TBM展现出了良好的环保性能。通3.5安全保障功能安全保障是TBM的基础功能，也是其相比传统施工方法的重要优势之一。TBM在安全保障方面的功能主要体现在人员安全保护、设备安全运行和风险预警防控三个方面。(1)在人员安全保护方面，TBM通过多重措施确保施工人员的安全。首先，施工过程中作业人员都是在护盾保护下进行操作，大大降低了冒顶、片帮等风险。其次，TBM施工减少了人员直接暴露于危险环境的时间，降低了安全事故风险。据统计，与传统工法相比，TBM大幅降低冒顶、片帮风险，规避火工品管理难题。(2)在设备安全运行方面，TBM具备了完善的安全保护系统。TBM具有多种支护模式，可以有效应对各种地层，从而保障设备和隧道安全。同时，TBM配备了先进的监测系统，能够实时监测设备运行状态，及时发现和处理设备故障。(3)在风险预警防控方面，TBM建立了完善的风险防控体系。TBM司机室内架设有三色预警屏，通过整合多种传感器信号源进行滚动研判：当推进系统界面呈黄色时，机组人员需要开启刀盘水幕喷淋装置进行动态润滑；一旦刀盘推力增幅连续三个循环超出阈值区间，中控平台将自动开启径向应力解耦环组件。风险预警防控功能还体现在超前地质预报和应急响应两个方面。通过超前预报技术，TBM能够制定针对性的安全防护措施，降低施工人员伤亡和设备损坏风险。同时，TBM建立了完善的应急预案并进行定期演练，提高施工团队应对突发事件的能力与效率，确保在紧急情4.1经济效益分析(1)在施工效率提升方面，TBM相比传统钻爆法具有压倒性优势。TBM的掘进速度约为传统钻爆法的4～6倍，可实现连续掘进，不受的5.48米TBM用两年时间完成了7300米回风斜井施工，较钻爆法节省近一半工期；太钢集团峨口铁矿的3.53米TBM在尾矿输送硐工程中实现月进尺620米，平均进尺保持在500米以上；鞍钢集团西鞍山铁矿的7.03米TBM则在±22%的大坡(2)在成本控制优化方面，虽然TBM设备的购置和维护成本较节约成本约在5%～20%。工单价为36,254元/米，TBM法高出36%。这主要是由于TBM设备的初始投入成本较高，包括设备购置、运输、安装调试等费用。以某TBM项目为例，达产年营业收入24,259万元，总成本费用18,825万元，利润总额5,434万元，利税总额6,462万元，税后净利润4,075万元；达产年投资利润率39.00%,投资利税率46.38%,投资回报率29.25%,全部投资回收期4.92年。从全生命周期成本角度分析，TBM的成本构成包括：设备购置成本(约占整机成本的85%以上)、运维与换刀成本(占70%～80%)、拆卸与处理成本(占10%～20%)、报废或翻新成本(占3%～5%)。虽然初始投资较大，但通过提高设备利用率、优化维护策略、采用再制造技术等措施，可以有效降低全生命周期成本。4.2社会效益评估TBM在社会效益方面的贡献主要体现在安全水平提升、工程质量改善和就业与技能培养三个方面。(1)在安全水平提升方面，TBM施工显著降低了安全风险。与传统施工减少了人员直接暴露于危险环境的时间，降低了安全事故风险。在实际工程中，青藏高原复杂地质条件下双护盾TBM公路隧道建造关键技术的应用，实现了隧道提前贯通和零伤亡的目标，减少卡机等灾优质成巷质量减少超挖量，降低支护材料消耗30%以上。同时，TBM亿元，新增勘察设计费15.9亿元，经济、社会效益显著。(3)在就业与技能培养方面，TBM产业的发展创造了大量就业4.3环境效益分析实际工程中，通过降低机械拖拽的磕碰风险，施工噪音大幅减小，周边居民投诉量降至零，达到“施工不扰民”的良好效果。(2)在资源节约利用方面，TBM展现出了良好的资源利用效率。TBM施工的优质成巷质量减少超挖量，降低支护材料消耗30%以上。同时，TBM采用的再制造技术可以实现资源的循环利用。据统计，相比新品生产，再制造产品平均可节约50%成本、60%能源与70%原材料，污染物排放降低80%以上。(3)在碳减排贡献方面，TBM通过多种途径实现了碳减排。智能化技术的应用使TBM的能源效率提高了约30%,每年可减少碳排放量约15%。同时，TBM采用的绿色施工技术和环保材料也有助于减少碳排放。据统计，中铁隧道局在2019年实现了施工过程中碳排放量比传统方法降低了25%。动了循环经济的发展。再制造技术以产品全生命周期理论为根基，通过激光熔覆、3D打印等先进技术对废旧装备进行专业化修复与升级，最终使产品性能达到甚至超越新品。相较隧道装备传统改造，再制造不但可实现性能系统性升级，还可降低60%以上能耗及80%以上大气污染物排放，且几乎不产生固体性废物。4.4典型工程案例分析通过对典型工程案例的分析，可以更直观地了解TBM的应用价值和技术优势。西天山特长隧道工程是TBM技术应用的典型案例。该工程采用中交天和自主研制的“温宿号”TBM,刀盘直径8.83米，整机长235米，重1800吨，是目前穿越天山直径最大、技术最先进的TBM。在施工过程中，“温宿号”创造了单日最高掘进45.3米、单月最高掘进827米的世界纪录，刷新了全球同级别、同类型和同类施工条件下TBM最高日掘进纪录。该工程的成功实施，充分展示了TBM在复杂地质条件下的适应性和高效性。雅鲁藏布江水电站工程是TBM技术应用的重大工程。在这一超级工程中，TBM(尤其是硬岩TBM)将发挥不可替代的核心作用，其技术突破与高效应用直接决定了工程的可行性与推进速度。该工程对TBM的技术要求极高，需要应对高地应力、高水压、极硬岩等极端地质条件，推动了TBM技术向更高水平发展。青藏高原多雄拉隧道工程是TBM在高海拔地区应用的典型案例。该项目是我国首座采用TBM掘进的高海拔公路隧道，应用了青藏高原复杂地质条件下双护盾TBM公路隧道建造关键技术，实现了隧道提前贯通和零伤亡的目标，减少卡机等灾害的发生，为西藏自治区隧道TBM建造起到引领示范作用。项目成果推广应用于多个重大工程中，累计节约投资2.07亿元，新增勘察设计费15.9亿元，经济、社会效城市地铁工程是TBM在城市基础设施建设中应用的重要领域。随高效、环保的特点成为地铁隧道施工的首选设备。在中国，城市地铁盾构法施工占比已超过90%,充分体现了TBM在城市建设中的重要作5.1技术发展趋势(1)在智能化发展趋势方面，人工智能技术将深度融合到TBM的各高效化是主要方向，智能掘进系统、无人化操作技术和节能环保型TBM的研发与应用将显著提升行业竞争力。预计到2030年，智能化绿色化发展的具体方向包括：新能源动力系统的应用，如电动(3)在极端化发展趋势方面，TBM将向适应更极端工况的方向5.2市场需求预测(1)在市场规模方面，全球TBM市场将保持稳定增长。根据LPInformation最新(2025年)数据，2024年全球岩石隧道掘进机市场规模大约为12.61亿美元，预计2031年达到15.57亿美元，2025~2031期间年复合增长率(CAGR)为3.1%。预计到2025年，全球隧道掘进机(TBM)市场的总价值将达到43.05亿美元，隧道掘进机市场(2)在区域市场方面，呈现出明显的分化特征。亚太地区因轨长最活跃的区域，占全球市场份额超过50%。欧洲和北美地区作为传中国市场的增长尤为显著。预计到2030年，中国TBM市场规模将达到1000亿元，年均复合增长率保持在8%左右。中部地区随着长计该区域市场规模在2030年将达到200亿元人民币。(3)在产品结构方面，市场需求呈现出明显的优化趋势。硬岩其市场份额将从2025年的17.3%提升至2030年的21.5%,对应的市场规模由65亿元攀升至118亿元。铁路运输预计将实现显著增长，预计市场收入为6.58亿美元，占市场份额的15.30%。同时，随着城市化进程的加快，地下管网改造、5.3新兴应用领域复杂地质条件量身定制，开挖直径6.3米，整机长度155米，重约1000吨，集掘进、支护、出渣、铺底等功能于一体，实现全工序机(2)在城市地下空间开发领域，TBM技术正在发挥越来越重要(3)在深地探测领域，TBM技术为深地空间开发提供了新能。中交天和研制的“墨子号”双护盾硬岩掘进机实现最小50米半备具备成本低廉(单台造价仅为大型设备的1/5~1/3)、机动性强的优势，可在地下1～5公里花岗岩层中构建网格化管道系统。的地下基地建设中，TBM技术可能发挥重要作用。新兴应用领域还包括能源储存、地下物流等。在能源储存方面，TBM技术可用于建设大型地下储能设施；在地下物流方面，TBM技术可用于建设城市地下物流通道，缓解城市交通压力。5.4发展机遇与挑战TBM行业的未来发展既面临重大机遇，也面临诸多挑战。在发展机遇方面，主要包括：(1)基础设施建设需求旺盛：随着全球人口的不断增长和城市化进程的加速，基础设施建设需求持续旺盛。特别是在发展中国家，如中力巨大。(2)技术创新带来新机遇：人工智能、大数据、新材料等技术的快速发展为TBM技术创新提供了新的机遇。这些技术的应用将使TBM具备更强的智能化水平、更高的作业效率和更好的环境适应性。(3)“一带一路”倡议推动：“一带一路”倡议为中国TBM企业“走出去”提供了重要机遇。随着沿线国家基础设施建设的推进，中国TBM企业在技术、成本、服务等方面的优势将得到充分发挥。(4)绿色发展理念推动：全球对环境保护和可持续发展的重视为绿色TBM技术的发展提供了机遇。政府对环保技术的支持和补贴政策将推动TBM行业向绿色化方向发展。在面临挑战方面，主要包括：(1)技术瓶颈有待突破：在某些关键技术领域，如超大型TBM的设计制造、极端地质条件下的适应性、智能化控制的可靠性等方面，仍存在技术瓶颈，需要持续的研发投入和技术攻关。(2)市场竞争日趋激烈：随着全球TBM市场的快速发展，市场竞争日趋激烈。中国企业虽然在市场份额上占据优势，但