地下空间的开拓者：掘进技术的实践与探索

地下工程建设中，掘进技术是打通岩层与土壤屏障的核心手段，它直接决定了隧道、矿井、地下管廊等基础设施的施工效率与安全水平。从城市地铁的地下穿行到深山矿井的资源开采，从水利工程的输水隧道到公路铁路的山岭通道，掘进技术始终扮演着 “地下开拓者” 的角色，其每一次技术细节的优化，都能为工程建设带来显著的效益提升。在实际施工场景中，掘进技术并非单一的操作模式，而是根据地质条件、工程需求和环境限制，形成了多种技术体系，每种体系都有其独特的设备配置、施工流程和适用范围，这些内容共同构成了掘进技术的实践框架。

在各类掘进技术中，盾构法是城市软土地层施工的常用选择，尤其适合地铁隧道、越江隧道等对地面沉降控制要求严格的工程。盾构法的核心在于利用盾构机这一大型专用设备，实现 “掘进 – 支护 – 出渣” 的一体化作业，整个过程在封闭的盾壳保护下进行，有效避免了施工对周边建筑物、地下管线和道路的影响。以某城市地铁 3 号线隧道施工为例，该工程穿越粉质黏土与粉砂地层，地下水位较高，若采用传统明挖法易引发塌方和沉降。施工团队选用土压平衡盾构机，通过调整刀盘转速、土仓压力和推进速度，将地面沉降控制在 3 毫米以内，同时实现日均掘进 12 米的进度，较计划工期提前了 15 天。这样的实践案例充分体现了盾构法在复杂软土地层中的适应性与可靠性，也让行业看到了专用设备与地质条件精准匹配的重要性。

盾构机的构造设计直接影响其作业能力，一台完整的盾构机通常由盾体、刀盘、推进系统、管片拼装系统、出渣系统和同步注浆系统等部分组成。盾体作为核心保护结构，分为前盾、中盾和尾盾，前盾安装刀盘和驱动装置，中盾配备推进油缸，尾盾则负责管片拼装后的密封。刀盘作为掘进的 “牙齿”，其刀具配置需根据地层硬度调整，在软土地层中多采用刮刀和齿刀，在硬岩地层则需更换为滚刀；推进系统通过多组油缸同步发力，推动盾体向前移动，油缸的推力和行程需根据隧道坡度和管片受力情况精确控制，避免出现管片破损或盾体偏移。管片拼装系统采用机械臂自动抓取管片，通过激光定位确保管片拼接的圆心精度，每环管片拼装完成后，同步注浆系统会向管片与地层之间的间隙注入浆液，快速填充空隙，防止地层变形，这些环节的协同作业，构成了盾构法施工的完整闭环。

与盾构法适用于软土地层不同，TBM（全断面硬岩隧道掘进机）技术则专门针对硬岩地层开发，广泛应用于山岭隧道、水利输水隧道和地下电站厂房等工程。硬岩地层的抗压强度通常超过 100MPa，部分地区甚至达到 200MPa 以上，传统爆破法不仅效率低下，还容易对围岩造成破坏，引发塌方风险。TBM 技术通过滚刀对岩石的挤压、剪切作用实现破岩，滚刀通过刀轴固定在刀盘上，刀盘高速旋转时，滚刀在推力作用下嵌入岩石，随着刀盘转动将岩石切割成块状，再通过出渣系统将岩渣输送至隧道外。某水利工程的输水隧道施工中，隧道穿越花岗岩地层，岩石抗压强度达 180MPa，施工团队采用直径 8.5 米的双护盾 TBM，通过优化滚刀间距和刀盘转速，实现日均掘进 8 米的成绩，相比传统爆破法的日均 2 米，效率提升了 3 倍，同时围岩完整性得到显著提升，隧道支护成本降低了 20%。

TBM 的作业过程中，围岩支护是保障施工安全的关键环节，不同类型的 TBM 在支护方式上存在差异。双护盾 TBM 配备内、外两层护盾，外层护盾用于支撑围岩，内层护盾则可在推进的同时进行管片拼装，适用于稳定性较差的硬岩地层；单护盾 TBM 仅有一层护盾，管片拼装需在停止推进后进行，更适合围岩稳定性较好的地层；而敞开式 TBM 则无护盾结构，通过及时喷射混凝土和安装锚杆进行支护，适用于完整性极高的硬岩地层。在某山岭铁路隧道施工中，由于隧道埋深达 800 米，部分区段存在高地应力，采用敞开式 TBM 施工时，施工团队每掘进 5 米便进行一次围岩监测，通过安装应力传感器和位移监测点，实时掌握围岩变形情况，一旦发现位移超过预警值，立即停止掘进并加强锚杆支护，最终顺利通过高地应力区段，未发生任何围岩失稳事故。这种 “掘进 – 监测 – 支护” 的动态调整模式，成为 TBM 在复杂硬岩地层中安全施工的重要保障。

除了盾构法和 TBM 技术这类全断面掘进方式，浅埋暗挖法也是城市地下工程中常用的掘进技术，尤其适用于地下管线密集、地面建筑物众多，无法采用盾构机的小断面隧道施工。浅埋暗挖法以 “管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测” 为核心原则，通过小断面分步开挖，减少对地层的扰动，同时及时进行支护，控制地面沉降。在某城市地下综合管廊施工中，管廊断面尺寸为 3 米 ×2.5 米，穿越老城区，地下分布有上世纪 50 年代的铸铁管线和砖混结构房屋，施工团队采用 CRD（交叉中隔壁法）进行开挖，将整个断面分为四个小导洞，每个导洞开挖长度控制在 1.5 米以内，开挖后立即喷射 5 厘米厚的混凝土作为初期支护，再铺设钢筋网并架设钢格栅，最后进行二次衬砌。通过这种分步开挖、及时支护的方式，地面沉降被控制在 5 毫米以内，周边建筑物和地下管线均未出现损坏，成功在复杂城市环境中完成了地下管廊的建设。

浅埋暗挖法的支护体系分为初期支护和二次衬砌，初期支护作为临时支护结构，需在开挖后迅速形成，承担围岩的初期荷载，常用的初期支护形式包括喷射混凝土、钢筋网和钢格栅，喷射混凝土采用湿喷工艺，确保混凝土的密实度和强度，钢筋网与钢格栅通过锚杆固定在围岩上，形成整体受力结构；二次衬砌作为永久支护结构，需在初期支护变形稳定后施工，采用模筑混凝土，混凝土强度等级不低于 C30，同时需设置防水板，防止地下水渗入隧道内部。在某地下通道施工中，由于隧道穿越粉土地层，透气性强，施工团队在初期支护前增加了小导管超前注浆环节，通过向地层中注入水泥 – 水玻璃双液浆，提高地层的密实度和强度，有效防止了开挖过程中的涌砂现象，这种根据地层特性灵活调整支护措施的做法，是浅埋暗挖法能够适应复杂城市环境的关键。

掘进技术的应用不仅需要匹配地质条件和工程需求，还需重视施工过程中的安全管理与质量控制。在盾构法施工中，刀盘扭矩异常、土仓压力波动和管片拼装偏差是常见的安全质量隐患，施工团队需通过实时监测系统，对刀盘扭矩、土仓压力、推进速度等参数进行 24 小时监控，一旦发现扭矩超过预警值，立即停止推进，检查刀具磨损情况，若存在刀具损坏，需通过刀盘后的人仓进行更换；土仓压力需根据地下水位和地层压力动态调整，压力过高易导致管片破损，压力过低则可能引发塌方；管片拼装偏差需通过激光导向系统实时校正，确保每环管片的圆心偏差不超过 5 毫米，环向接缝平整度不超过 3 毫米。在 TBM 施工中，滚刀磨损是影响掘进效率的主要因素，施工团队需定期通过刀盘检查孔对滚刀进行检查，当滚刀磨损量超过 15 毫米时及时更换，同时需关注出渣颗粒大小，若出现大量细颗粒岩渣，可能表明滚刀存在偏磨，需及时调整刀盘转速或推力。

质量控制方面，隧道的轴线偏差和衬砌厚度是核心控制指标。在盾构法和 TBM 施工中，通过激光导向系统实时监测隧道轴线，每掘进 1 环（约 1.5 米）进行一次轴线复测，确保隧道轴线偏差不超过设计值的 1/5000；衬砌厚度需通过地质雷达进行检测，检测频率为每 100 米不少于 3 个断面，每个断面检测点不少于 5 个，确保衬砌厚度满足设计要求，无空洞或夹层。在浅埋暗挖法施工中，开挖轮廓尺寸的控制直接影响二次衬砌的厚度，施工团队需采用全站仪进行开挖轮廓线放样，每开挖 1 米进行一次轮廓尺寸检查，确保开挖轮廓线与设计轮廓线的偏差不超过 10 厘米，同时需对初期支护的喷射混凝土厚度进行钻芯取样检测，取样频率为每 50 米不少于 1 组，每组不少于 3 个芯样，确保初期支护的强度和厚度符合规范要求。

不同掘进技术的选择与应用，本质上是工程需求、地质条件与技术特性三者之间的平衡。盾构法的优势在于软土地层中的高效与安全，TBM 技术的核心是硬岩地层中的精准破岩，浅埋暗挖法的价值则体现在城市复杂环境中的灵活适应。无论是大型盾构机的精准操控，还是 TBM 滚刀的优化配置，亦或是浅埋暗挖法的分步支护，每一项技术细节的落实，都需要施工人员具备丰富的实践经验和专业知识，能够根据现场实际情况做出及时调整。在未来的地下工程建设中，掘进技术将继续以解决实际工程难题为导向，通过设备改进、工艺优化和管理升级，为更多地下空间的开发提供可靠的技术支撑，而对现有技术的深入理解与熟练应用，正是推动地下工程建设高质量发展的基础。