深入地下的工程利器：掘进技术的核心解析

在现代工程建设领域，地下空间的开发利用始终是重要课题，而掘进技术作为实现这一目标的关键手段，早已渗透到交通、能源、水利等多个行业。无论是城市地铁隧道的贯通、公路铁路山岭隧道的开凿，还是矿山资源的开采、地下管廊的铺设，都离不开各类掘进技术的支撑。这些技术通过精准控制机械装备与施工流程，将原本坚硬的岩石或土壤逐层破碎、移除，最终形成符合工程需求的地下通道或空间，其性能优劣直接决定了工程的进度、成本与安全系数。

掘进技术并非单一模式的统称，而是根据施工环境、地质条件与工程目标形成的多元化技术体系。不同类型的掘进技术在原理、设备配置和适用场景上存在显著差异，例如适用于软土地层的盾构技术与针对坚硬岩石的 TBM 技术，就有着截然不同的设计思路与操作逻辑。准确区分并合理选用这些技术，是确保地下工程顺利推进的前提，也是工程技术人员必须掌握的核心能力之一。

一、掘进技术的主要分类与核心原理

（一）盾构法：软土地层的 “地下穿山甲”

盾构法专为软土、砂层、黏土层等稳定性较差的地层设计，其核心是借助一个圆柱形的钢制壳体 —— 盾构机，为地下施工提供临时支护。盾构机前端配备刀盘，刀盘上的刀具可根据地层特性选择刮刀、滚刀等类型，在电机驱动下高速旋转，将前方的土壤或软岩切削破碎。破碎后的渣土通过刀盘中心的开口进入螺旋输送机，由螺旋输送机将渣土输送至盾构机尾部的皮带运输机，再由皮带运输机将渣土转运至隧道外的渣土车中运离施工现场。

在切削渣土的同时，盾构机尾部会同步进行管片拼装作业。管片通常为钢筋混凝土预制构件，呈弧形，多片管片通过螺栓连接可组成一个完整的圆形隧道衬砌环。管片拼装由专门的拼装机完成，拼装机通过机械臂抓取管片，精准调整管片位置后将其与已拼装好的管片对接紧固。管片拼装完成后，盾构机还会通过同步注浆系统向管片与地层之间的间隙注入浆液，浆液凝固后可起到填充间隙、稳定地层、防止隧道沉降的作用，同时也能增强隧道的防水性能。

盾构法的优势在于施工过程对地面环境影响小，尤其适合城市市区施工。由于盾构机壳体始终处于地层中，能有效隔绝地层水与松散土体，避免施工过程中出现坍塌、涌水等事故，施工安全性较高。此外，盾构法施工自动化程度高，施工速度相对稳定，不受地面气候条件影响，可实现全天候连续施工，因此在城市地铁隧道、越江隧道、地下管廊等工程中应用广泛。

（二）TBM 法：坚硬岩石地层的 “破壁者”

TBM（Tunnel Boring Machine，全断面硬岩隧道掘进机）法则主要用于花岗岩、石灰岩等坚硬岩石地层的隧道施工，与盾构法的核心区别在于应对坚硬地层的切削能力与支护方式。TBM 的刀盘设计更为坚固，刀盘上安装的滚刀采用高强度合金材料制成，通过刀盘的旋转，滚刀以挤压、剪切的方式将坚硬岩石破碎。由于岩石硬度高，TBM 的刀盘驱动系统需要提供更大的扭矩，通常采用大功率电机与减速齿轮箱组合的驱动方式，部分大型 TBM 的刀盘扭矩可达到数千千牛・米。

TBM 施工中的支护方式根据岩石稳定性分为主动支护与被动支护。对于完整性好、稳定性高的硬岩地层，TBM 可先进行掘进作业，待掘进一段距离后，再通过锚杆、喷射混凝土等方式对隧道壁进行支护，即被动支护；而对于稳定性较差的破碎硬岩地层，TBM 则配备了护盾结构，在掘进的同时，通过护盾对隧道壁进行临时支撑，并及时安装钢筋网与喷射混凝土，实现主动支护，防止岩石坍塌。

TBM 法的突出优势是掘进效率高，在坚硬岩石地层中，其施工速度远快于传统的钻爆法，且施工质量稳定，隧道断面成型规则，无需后续大量的断面修整作业。此外，TBM 施工过程中产生的振动、噪音较小，对周边岩石地层的扰动也相对较小，有利于保护隧道周边的生态环境与既有建筑物。因此，TBM 法在长大山岭隧道、水利水电引水隧道、矿山巷道等工程中应用效果显著，例如我国的秦岭终南山公路隧道、锦屏二级水电站引水隧道等重大工程，均采用了 TBM 法施工。

（三）钻爆法：传统与灵活的 “地下开凿术”

钻爆法是一种历史悠久的掘进技术，尽管自动化程度不及盾构法与 TBM 法，但凭借其设备简单、适应性强的特点，在复杂地质条件下的隧道施工中仍占据重要地位。钻爆法的施工流程主要包括钻孔、装药、爆破、出渣、支护五大环节。首先，施工人员使用凿岩机在隧道掌子面（掘进工作面）上按照设计的孔位、孔深与孔距钻孔，钻孔类型分为掏槽孔、辅助孔与周边孔，不同类型的钻孔承担不同的爆破功能 —— 掏槽孔用于率先在掌子面上形成槽腔，为后续爆破创造自由面；辅助孔用于扩大爆破范围，破碎大部分岩石；周边孔则用于控制隧道断面形状，减少爆破对隧道壁岩石的破坏。

钻孔完成后，工作人员将炸药与雷管按照设计用量装入钻孔中，然后撤离施工人员与设备，通过起爆系统引爆炸药。爆破过程中，炸药产生的冲击波与高压气体将岩石破碎，形成符合设计要求的隧道断面。爆破结束后，需等待隧道内的有害气体（如一氧化碳、二氧化氮）排出，经检测确认空气质量合格后，再使用装载机、挖掘机等设备将爆破产生的岩渣装入矿车或渣土车中运离，即出渣作业。出渣完成后，及时对隧道壁进行支护，支护方式根据地质条件可选择木支护、钢支护、锚杆支护、喷射混凝土支护等，以防止隧道壁岩石坍塌。

钻爆法的最大优势是适应性强，无论地层是软土、硬岩还是破碎带，只要调整钻孔参数、炸药用量与支护方式，就能开展施工。此外，钻爆法所需设备简单，前期投入成本较低，对于中小型隧道工程或地质条件复杂、不适合采用盾构法与 TBM 法的工程，钻爆法是理想选择。不过，钻爆法施工自动化程度低，施工速度受人为操作与地质条件影响较大，且爆破过程中会产生振动、噪音与有害气体，对周边环境与施工人员安全存在一定影响，因此在施工过程中需采取严格的安全防护与环境治理措施。

二、掘进技术的关键设备与性能要求

（一）核心掘进设备：性能决定施工效率

无论是盾构法、TBM 法还是钻爆法，核心掘进设备的性能都是影响施工效率的关键因素。盾构机与 TBM 作为一体化的大型掘进设备，其性能指标主要包括刀盘直径、掘进速度、扭矩、推力与功率。刀盘直径需根据隧道设计断面尺寸确定，目前国内外大型盾构机与 TBM 的刀盘直径已超过 15 米，可满足超大断面隧道施工需求；掘进速度则与地层硬度、刀盘转速、推力大小相关，在软土地层中，盾构机的掘进速度可达每分钟数厘米，而在坚硬岩石地层中，TBM 的掘进速度通常为每分钟数毫米至数厘米；扭矩与推力则决定了设备应对坚硬地层的能力，扭矩越大，刀盘破碎岩石的能力越强，推力越大，设备在掘进过程中克服地层阻力的能力越强。

钻爆法的核心掘进设备为凿岩机，根据动力来源可分为风动凿岩机、液压凿岩机与电动凿岩机。风动凿岩机凭借结构简单、成本低的优势，在中小型工程中应用广泛，但存在噪音大、能耗高的缺点；液压凿岩机则具有冲击功大、钻孔速度快、噪音低的优点，适用于坚硬岩石地层的深孔钻孔作业，是目前钻爆法施工中的主流设备；电动凿岩机则具有效率高、能耗低、污染小的特点，适合在对环境要求较高的施工场景中使用。此外，钻爆法的出渣设备如装载机、挖掘机，其装载能力与移动速度也会影响施工效率，通常需根据隧道断面尺寸与出渣量选择匹配的设备型号。

（二）辅助设备：保障施工连续推进

除核心掘进设备外，辅助设备在掘进施工中也发挥着不可或缺的作用，主要包括支护设备、注浆设备、通风设备、排水设备与供电设备。支护设备方面，盾构法与 TBM 法中使用的管片拼装机、锚杆钻机、喷射混凝土机，需具备高精度、高稳定性的特点，以确保支护结构的施工质量；钻爆法中使用的钢支护安装机、木支护架设设备，则需操作灵活，能快速完成支护作业。

注浆设备主要用于盾构法与 TBM 法中的同步注浆与二次注浆作业，其性能指标包括注浆压力、注浆量与注浆速度。注浆压力需根据地层特性调整，压力过高可能导致管片破裂或地层隆起，压力过低则无法有效填充间隙，影响支护效果；注浆量需与管片间隙体积匹配，确保间隙充分填充；注浆速度则需与掘进速度同步，避免影响施工进度。

通风设备用于排除隧道内的有害气体、粉尘与热量，为施工人员提供良好的作业环境。根据隧道长度与断面尺寸，通风设备可选择轴流风机、离心风机或射流风机，通风系统需确保隧道内的风速、风量与空气质量符合国家相关标准，尤其在钻爆法施工中，爆破后需通过强力通风快速排出有害气体。

排水设备则用于排除隧道内的地下水与施工废水，防止隧道内积水影响施工。排水设备通常由水泵、水管与集水池组成，水泵的扬程与流量需根据隧道深度与涌水量确定，确保能及时将隧道内的水排出至地面。供电设备则为整个掘进施工系统提供电力支持，需根据设备总功率配置相应容量的变压器、配电柜与电缆，同时配备应急供电系统，以应对突发停电事故，保障施工安全。

（三）设备性能要求：安全、稳定、耐用

掘进设备在地下复杂环境中工作，面临着高压力、高磨损、高振动的工况，因此对设备性能有着严格要求。首先是安全性，设备需配备完善的安全保护装置，如盾构机与 TBM 的紧急停机系统、过载保护系统、防水密封系统，凿岩机的防卡钻装置、防爆装置等，以应对施工过程中的突发情况，保障施工人员与设备安全。

其次是稳定性，掘进设备在施工过程中需保持稳定的运行状态，避免因设备故障导致施工中断。例如，盾构机的刀盘驱动系统、螺旋输送机，TBM 的滚刀、支护系统，均需具备良好的稳定性与可靠性，减少故障发生率。同时，设备需具备适应不同地质条件的能力，可通过调整参数（如刀盘转速、推力、注浆压力）应对地层变化，确保施工连续推进。

最后是耐用性，由于地下施工环境恶劣，设备部件易受磨损、腐蚀与冲击，因此设备部件需采用高强度、高耐磨、耐腐蚀的材料制造，如盾构机刀盘采用耐磨钢，TBM 滚刀采用硬质合金，注浆管道采用耐腐蚀合金钢管等。同时，设备需配备完善的润滑与维护系统，定期对设备部件进行润滑、检查与更换，延长设备使用寿命，降低施工成本。

三、掘进施工中的关键技术要点与质量控制

（一）地质勘察与施工方案制定：前期准备是基础

地质条件是影响掘进施工的首要因素，因此在施工前需进行详细的地质勘察，获取地层岩性、地质构造、地下水分布、地层承载力等关键地质参数。地质勘察通常采用钻探、物探（如地震勘探、电磁勘探）、地质雷达等方法，通过现场勘察与室内试验，形成详细的地质勘察报告。根据地质勘察结果，工程技术人员需制定针对性的施工方案，包括选择合适的掘进技术类型、确定设备参数、设计支护方案、规划施工流程与进度计划等。

例如，在软土地层中，若地层含水量高、稳定性差，应选择盾构法施工，并配备土压平衡或泥水平衡盾构机，采用管片支护与同步注浆技术；在坚硬岩石地层中，若隧道长度长、断面大，应选择 TBM 法施工，并根据岩石硬度选择合适的滚刀类型与刀盘转速；在地质条件复杂、存在破碎带或溶洞的地层中，若隧道断面较小，可选择钻爆法施工，并制定针对性的爆破参数与支护方案，防止坍塌事故发生。施工方案制定完成后，还需组织专家进行评审，确保方案的科学性、合理性与可行性。

（二）掘进参数控制：精准操作是关键

在掘进施工过程中，精准控制掘进参数是确保施工质量与安全的关键。不同掘进技术的核心参数不同，需根据地质条件与施工要求实时调整。对于盾构法，核心参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力（土压平衡盾构）或泥水压力（泥水平衡盾构）、螺旋输送机转速与出土量。土仓压力或泥水压力需与地层压力平衡，防止地层坍塌或隆起 —— 当地层压力较大时，需提高土仓压力或泥水压力；当地层压力较小时，需降低压力，避免压力过高导致管片破裂。推进速度需与刀盘转速、出土量匹配，通常情况下，刀盘转速越快、出土量越大，推进速度可适当提高，但需避免因推进速度过快导致地层扰动过大。

对于 TBM 法，核心参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、推进力、掘进速度、锚杆安装数量与喷射混凝土厚度。刀盘转速与推进力需根据岩石硬度调整，在坚硬岩石地层中，需降低刀盘转速、增大推进力，确保滚刀能有效破碎岩石；在较软岩石地层中，可提高刀盘转速、减小推进力，提高掘进速度。同时，需根据岩石稳定性调整支护参数，若岩石破碎，需增加锚杆数量、加厚喷射混凝土厚度，增强支护效果。

对于钻爆法，核心参数包括钻孔深度、钻孔间距、炸药用量、起爆顺序与出渣速度。钻孔深度与间距需根据岩石硬度与隧道断面尺寸确定，通常钻孔深度为 2-5 米，间距为 0.5-1.5 米；炸药用量需根据岩石硬度与钻孔体积计算，避免炸药用量过多导致隧道壁岩石过度破碎，或用量过少导致岩石破碎不充分，影响出渣效率；起爆顺序需按照掏槽孔、辅助孔、周边孔的顺序依次起爆，确保爆破后隧道断面成型规则；出渣速度需与爆破作业进度匹配，避免岩渣堆积影响后续施工。

（三）质量控制与安全管理：全程监管是保障

掘进施工的质量控制主要包括隧道断面尺寸控制、支护结构质量控制与防水质量控制。隧道断面尺寸需符合设计要求，偏差需控制在国家相关规范允许范围内。对于盾构法与 TBM 法，可通过设备上的激光导向系统实时监测隧道轴线与断面尺寸，若发现偏差，及时调整推进方向与刀盘参数；对于钻爆法，需通过测量放线确定钻孔位置，爆破后及时对隧道断面进行检测，若存在超挖或欠挖，需进行修整 —— 超挖部分需采用喷射混凝土填充，欠挖部分需进行二次爆破或人工凿除。

支护结构质量控制是确保隧道安全的关键，需重点检查支护材料质量、支护结构尺寸与安装质量。例如，管片需检查外观质量（无裂缝、缺角）、尺寸偏差与混凝土强度，安装时需检查管片之间的接缝平整度与螺栓紧固程度；锚杆需检查材质、长度与直径，安装时需确保锚杆插入孔底并注浆饱满；喷射混凝土需检查原材料质量（水泥、砂石、外加剂）、配合比与抗压强度，喷射后需检查厚度与平整度，避免出现空洞、裂缝等缺陷。

防水质量控制则需防止隧道出现渗漏水现象，主要包括管片防水、接缝防水与注浆防水。管片制作时需在表面涂刷防水涂层，边缘设置止水条；管片安装时需确保止水条完好，接缝处采用密封胶填充；同步注浆与二次注浆需确保浆液填充饱满，形成连续的防水帷幕。施工过程中需定期对隧道进行渗漏水检测，若发现渗漏点，需及时采取补救措施，如重新注浆、更换止水条等。

安全管理贯穿掘进施工全过程，需建立完善的安全管理制度，落实安全责任。施工前需对施工人员进行安全培训，使其掌握设备操作规范、安全防护知识与应急处理措施；施工过程中需定期对设备进行安全检查，及时排查故障与安全隐患；隧道内需设置完善的安全设施，如应急照明、应急通道、消防器材与气体检测设备；若发生坍塌、涌水、火灾等突发事件，需立即启动应急预案，组织人员撤离与救援，最大限度减少人员伤亡与财产损失。

掘进技术作为地下工程建设的核心技术，其发展与创新始终围绕着提高施工效率、保障施工安全、降低环境影响的目标。不同类型的掘进技术各有优势，需根据具体工程条件合理选用，同时通过精准控制施工参数、严格落实质量与安全管理措施，确保地下工程的顺利推进。在未来的工程实践中，随着材料科学、机械工程与自动化技术的不断进步，掘进技术将进一步优化升级，但当前各类成熟技术的应用与管控，仍是保障地下工程质量与安全的关键所在。