掘進(jìn)機(jī)箱體及組合機(jī)床全斷面掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓和自動控制于一體的世界上公認(rèn)的快速地下開挖工程最有效的大型高技術(shù)成套施工裝備，是將掘進(jìn)、移動、出碴和襯砌等多功能有機(jī)組合在一起的聯(lián)合機(jī)組，融合了新材料、新工藝、液壓、自動控制、信息、電子、電力、環(huán)保、人工智能、激光制導(dǎo)、遙測、遙感等高新技術(shù)。由于采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、對圍巖破壞小、利于環(huán)境保護(hù)、降低勞動強(qiáng)度及改善工作環(huán)境等特點(diǎn)，已廣泛用于引水、水電、鐵路、公路、煤礦、城市地鐵和管網(wǎng)以及軍事設(shè)施等方面的地下工程的施工。目前，全斷面掘進(jìn)機(jī)已成為大型隧道施工工程的首選設(shè)備。它是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、巖渣裝運(yùn)、洞壁支護(hù)等一次開挖成洞的高科技施工設(shè)備，是目前世界上最先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。從隧道施工的實(shí)用概念出發(fā)，為了區(qū)別于其它開挖隧道的機(jī)械，我們通?？梢园阉淼谰蜻M(jìn)機(jī)定義為：用機(jī)械能破碎或切削隧道掌子面、隨即將破碎或切削物質(zhì)連續(xù)向后輸出并獲得預(yù)期的洞型、洞線的機(jī)器。隧道掘進(jìn)機(jī)按一次開挖斷面占全部斷面的比例分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)兩種。全斷面掘進(jìn)機(jī)主要包括全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（也稱為 TBM）和全斷面盾構(gòu)機(jī)（一般稱為盾構(gòu)機(jī)） 。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)主要用于具有一定自穩(wěn)能力的巖石地層的掘進(jìn)，多用于野外的長隧道（如引水隧洞、鐵路隧道等） 。而盾構(gòu)機(jī)主要用于有水地層、軟弱不穩(wěn)定圍巖、對地表有嚴(yán)格沉降控制要求的城市地下工程或過江隧道工程的掘進(jìn)。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）主要分為敞開式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾等幾種；盾構(gòu)機(jī)主要分為土壓平衡、泥水平衡等幾種。兩者工作原理有一定區(qū)別。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的機(jī)頭與掌子面之間沒有形成密閉空間，按其用途，不需控制地表的沉降。其技術(shù)重點(diǎn)在高速、高可靠性的長距離掘破高強(qiáng)度巖石、地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、準(zhǔn)確定向、輸變電及通風(fēng)除塵等方面。而盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭與掌子面之間形成了密閉空間，以平衡地層壓力，控制地表沉降是其重點(diǎn)?？傮w來說，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)難度大于盾構(gòu)機(jī)。全斷面掘進(jìn)機(jī)作為地下空間開發(fā)的最現(xiàn)代化大型施工裝備，無疑是地下空間開發(fā)的主力設(shè)備。但從目前國內(nèi)所有采用掘進(jìn)機(jī)施工的工程來看，所使用的掘進(jìn)機(jī)卻幾乎被國外制造商所占據(jù)，大部分是整機(jī)進(jìn)口，少量的是在國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)一部分機(jī)械件，其余均進(jìn)口，在國內(nèi)裝配。如任其這種現(xiàn)象發(fā)展，結(jié)果是我國的投資，卻拉動了別人的經(jīng)濟(jì)，讓外國人把錢全部賺走。另一方面，由于國外公司控制著核心技術(shù)和集成技術(shù)，使 TBM 的價格居高不下，在很大程度上，制約了掘進(jìn)機(jī)在隧道施工中的廣泛應(yīng)用。因此，國內(nèi)的施工企業(yè)期盼擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的本土設(shè)備能早日問世。全斷面掘進(jìn)機(jī)是技術(shù)含量高和附加值高的產(chǎn)品，反映了一個國家的綜合國力和科技水平，是裝備制造業(yè)創(chuàng)新體系的重要組成部分。所以全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于調(diào)整我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高我國裝備制造業(yè)的水平將起重要作用。從長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展角度考慮，我國不能一直依靠國外的設(shè)備和人才來開發(fā)地下空間。我國有如此巨大的掘進(jìn)機(jī)市場，又作為裝備制造業(yè)的大國，絕不能長期整機(jī)進(jìn)口國外掘進(jìn)機(jī)，任由國外掘進(jìn)機(jī)制造商來瓜分我國的市場。因而，“十一五”期間，我們必須掌握全斷面掘進(jìn)機(jī)的核心技術(shù)及集成技術(shù)，建立我國自己的全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)。全斷面掘進(jìn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀全斷面掘進(jìn)機(jī)始于 19 世紀(jì)初的英國，發(fā)展于德、日等國，適用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道、引水隧道、礦山巷道、城市市政隧道等各種隧道工程。我國全斷面掘進(jìn)機(jī)的研制、開發(fā)始于 20 世紀(jì) 60 年代，發(fā)展于 90 年代，其中地鐵使用的數(shù)量最多，約占 80%?，F(xiàn)代全斷面掘進(jìn)機(jī)已演變成為一種高度智能化，集機(jī)、電、液、光、計算機(jī)技術(shù)為一體的大型地下工程機(jī)械裝備。1、 國外發(fā)展?fàn)顩r國際上，掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了一個較漫長的過程。掘進(jìn)機(jī)的雛形可上溯到19 世紀(jì)。1876 年，英國人 John Dickinson Brunton 和 George Brunton 申請了第一個機(jī)械化盾構(gòu)專利，該盾構(gòu)有一個由幾塊板構(gòu)成的半球形的旋轉(zhuǎn)刀盤，開挖的土料落入徑向裝在刀盤上的料斗中，料斗將渣料轉(zhuǎn)運(yùn)至膠帶輸送機(jī)上，再將它轉(zhuǎn)到后面從盾構(gòu)中運(yùn)出，這一構(gòu)想后來被用于修建地鐵隧道。但由于技術(shù)和戰(zhàn)爭的緣故，掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展一直停滯不前。直到 1959 年，用液體支撐隧道工作面的想法由 Elmer CGardner 成功地試用于一條直徑為 3.35m 的排污隧道。1960 年， Schneidereit 提出了用膨潤土懸浮液的活動工作面支撐。在這之后，HLorenz 申請了用加壓膨潤土漿來穩(wěn)定隧道工作面的專利。至此，為現(xiàn)代盾構(gòu)的設(shè)計制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1963 年，日本 Sato Kogy0公司首先開發(fā)出了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，1967 年，第一臺用切削輪和水力出土的泥水盾構(gòu)機(jī)在日本投入使用，其直徑為 3.1m。同年，德國第一臺用膨潤土液支撐隧道工作面的盾構(gòu)機(jī)由 Wayss&Freytag 開發(fā)并應(yīng)用。至此，具有工程實(shí)用的兩類盾構(gòu)機(jī)均已出現(xiàn)，為現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)及其工法的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。從 1845 年開始的 100 多年的時間里，全世界的發(fā)明家都在尋找實(shí)現(xiàn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)械化的方法。直到 1952 年，美國羅賓斯公司的創(chuàng)始人吉姆斯·羅賓斯先生開發(fā)了第一臺具有實(shí)用性的、開掘巖石隧道的巖石掘進(jìn)機(jī)，找到了巖石隧道掘進(jìn)機(jī)械化的方法。此后至今的 40 年來，無論是巖石掘進(jìn)機(jī)還是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)都得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。使用巖石掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的隧道已超過 10000km，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的隧道更多。目前，在國際上掘進(jìn)機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，已達(dá)到工作可靠性高，定向精度高，自動化水平高，適應(yīng)能力強(qiáng)，掘進(jìn)速度快，使用壽命長。掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)發(fā)展一直在圍繞地層穩(wěn)定和地面沉降控制、自動化掘進(jìn)和提高掘進(jìn)速度、襯砌和隧道質(zhì)量三個要素進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的改進(jìn)和施工方法的革命。主要技術(shù)有：1）地層穩(wěn)定和地面沉降控制技術(shù)；2）結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；3）刀具刀盤技術(shù)；4）導(dǎo)向及姿態(tài)控制技術(shù)；5）襯砌技術(shù)；6）防水和同步注漿技術(shù)。國際上目前掘進(jìn)機(jī)技術(shù)有以下特點(diǎn)：（1）高度自動化對掘進(jìn)機(jī)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)，向著機(jī)械、電氣、液壓自動化控制一體化、智能化方向發(fā)展，采用了類似機(jī)器人的技術(shù)，計算機(jī)控制、遙控、傳感器、激光導(dǎo)向、超前地質(zhì)探測、通訊技術(shù)等已普遍應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)的自動化程度越來越高，具有施工數(shù)據(jù)采集功能，掘進(jìn)姿態(tài)管理功能，施工數(shù)據(jù)管理功能，設(shè)備管理功能，施工數(shù)據(jù)實(shí)時遠(yuǎn)傳功能?？勺詣訖z測掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)，并利用模糊理論自動進(jìn)行調(diào)整，可自動實(shí)現(xiàn)平衡壓力的控制，可自動實(shí)現(xiàn)管片的拼裝等等。在有些掘進(jìn)機(jī)上，還采用了 GPS 地面衛(wèi)星定向系統(tǒng)以及超遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)。（2）大型、超大型化和長壽命對于巖石掘進(jìn)機(jī)，其最大規(guī)格直徑已達(dá)到 12m，大功率、大推力、大行程、大刀具是主要特點(diǎn)，其單臺使用壽命最長已達(dá) 50Km，平均壽命約為 15km，平均月進(jìn)尺已超過 1000m，盤形刀具直徑達(dá) 19，可適應(yīng)抗壓強(qiáng)度高達(dá) 450MPa的巖層，刀盤回轉(zhuǎn)功率已超過 3500kW，最大推進(jìn)行程已達(dá) 2.45m，最大推進(jìn)力達(dá)到 35MN。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)最大規(guī)格直徑已達(dá)到 15,44m，并且可適應(yīng)軟硬不同的復(fù)雜地質(zhì)情況，壽命可達(dá)到掘進(jìn) 7km，最高日進(jìn)尺達(dá)到 30m。（3）形式多樣化從斷面形狀方面出現(xiàn)了矩形，馬蹄形、橢圓形、MF 形（雙圓搭接、三圓搭接）等多種異圓斷面盾構(gòu)。其中雙圓、三圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已在上海地鐵施工中成功應(yīng)用；從功能上講出現(xiàn)了球體盾構(gòu)、母子盾構(gòu)、擴(kuò)徑盾構(gòu)、變徑盾構(gòu)、分岔盾構(gòu)、途中更換刀具（無需豎井）盾構(gòu)、障礙物直接切除盾構(gòu)等特種盾構(gòu)；從盾構(gòu)機(jī)的掘削方式上看出現(xiàn)了搖動、擺動掘削方式的盾構(gòu)。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)了擴(kuò)孔、斜井和馬蹄形等形式掘進(jìn)機(jī)。（4）高適應(yīng)性隨著現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬巖掘進(jìn)機(jī)與軟土盾構(gòu)技術(shù)相互滲透、相互融合，使其地質(zhì)適應(yīng)能力大大增強(qiáng)。目前，正在朝著將硬巖和軟巖掘進(jìn)機(jī)合二為一的適應(yīng)性更強(qiáng)的復(fù)合型掘進(jìn)機(jī)方向發(fā)展，這種掘進(jìn)機(jī)在有高壓水及斷層情況下，能全封閉按泥漿加壓盾構(gòu)原理工作，在無水時，可很快轉(zhuǎn)換為敞開式掘進(jìn)。此外，還增加高壓水輔助破巖，可提高 50%左右的掘進(jìn)速度。降低成本 25%，傳動功率消耗減少 25%左右。圍巖無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）適應(yīng)范圍可達(dá)3385MPa（常見范圍為 50180MPa） 。當(dāng)然，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)也像其它技術(shù)一樣，也會隨著實(shí)際隧道工程的新的要求以及科技水平的發(fā)展而不斷發(fā)展，也不斷有新問題需要解決。如將要建設(shè)的成都地鐵地質(zhì)情況，目前，在世界其它地方都還未遇到過，這對于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計來說，是一個新的挑戰(zhàn)；再如南水北調(diào)西線工程，所有的隧洞工程都在海拔 4000m 以上，且單條洞線長度長，這在全世界已有的工程中也是從未遇到過的。所以，不管對于哪一家公司來說，都要進(jìn)行新的探索和研究。目前，國際上生產(chǎn)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)著名的廠商有：日本的三菱重工、川崎重工、石川島播磨重工、日立建機(jī)和小松制作所，德國的海瑞克（Herrenknecht）公司、維爾特（Wirth）公司所屬的 NFM 公司，加拿大的羅瓦特（Lovat）公司，法國的 FCB 公司。生產(chǎn)巖石掘進(jìn)機(jī)著名的廠商有：美國的羅賓斯（Robbins）公司，德國的維爾特公司、海瑞克公司，加拿大的羅瓦特公司。這些公司已基本上將自己的掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品系列化。