1 引 言
水下盾构隧道，顾名思义是指采用盾构法在江河湖海等水底以下岩土体中修建的隧道。早期，人们普遍将盾构直径在10~12m级的隧道称为超大直径盾构隧道，以满足单层2车道需求，而近10年来，基于交通需求量的大幅增长和盾构施工技术的进步，盾构直径14m及以上是当前的主流，以满足双层4/6车道或单层3车道需求，现在普遍认为直径超过14m以上的盾构称为超大直径盾构，主要应用于公路或公路与轨道交通合建的水下隧道工程。
我国盾构隧道技术引入较晚，虽然上世纪60年 代在上海打浦路水下隧道采用了网格挤压式盾构 法，但真正采用现代泥水或土压平衡盾构法是从进 入21世纪开始的。随着国家海洋战略、国家能源战 略、区域经济一体化、国家大通道建设的逐步实施， 大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从武汉长江隧道和南京长江隧 道工程发端，通过引进、消化、再创新国外盾构先进 技术，促使我国超大直径水下盾构隧道技术进入快 速发展阶段，一大批已建和在建工程极大推动了我 国乃至世界水下盾构隧道技术的进步。仅用十余年 时间，我国水下盾构隧道突破了众多技术瓶颈，在盾 构装备、隧道建造等多方位赶上甚至超过发达国家。 图1所示为2000—2023年新建超大直径水下盾构 隧道数量及里程统计数据，我国水下盾构隧道在近 十年发展迅猛，新建数量和里程均位居世界第一。
图1 已建水下盾构隧道里程统计
水下盾构隧道的关键问题在于“水”，与普通盾 构隧道相比，水下盾构隧道面临着水压作用“强烈”， 水体“巨量”，水源供给“无限”，地质条件“多变”等困 难和挑战，施工风险及代价更为巨大。我国水下盾 构隧道所遭遇的水文地质状况更为复杂多变，在水 下盾构隧道的设计、建造等方面尚有诸多“卡脖子” 技术亟待突破。
盾构技术的进步主要围绕三大要素展开，土水 稳定、盾构设备及控制、结构安全与防水（图2）。水 下盾构隧道的建设属于多元、多场耦合的系统，且具 有复杂、开放和动态等特点，不仅需要盾构硬件技术 支撑，还涉及岩土、结构等力学，地质、地震、防灾、材 料、机电、计算机、交通等多个学科交叉，这也加剧了 水下盾构隧道建设安全以及功能保障的难度。
图2 水下盾构隧道的三大要素
土水稳定。土水是盾构设备和隧道结构依存的大环境，土水稳定是水下隧道建设的前提。水下盾构隧道工程面临盾构-土水-结构三者动态相互作用，水下复杂地质条件下的开挖面失稳形态难明，刀 盘切削扰动与泥浆共同作用下开挖面稳定机理复 杂，难以建立盾构掘削及带压开舱条件下的动、静态 开挖面稳定控制理论体系，使水下盾构隧道开挖面 土水稳定精准评价与控制尤为困难。
盾构设备及控制。盾构机本身就是集机、电、液 一体的现代化大型装备，近年来朝着自动化、智能化 方向发展。水下盾构隧道的长、大、地质条件复杂特 性，给设备研发、制造带来挑战，刀盘设计理论、刀具 材料及磨损的评价、关键部件的制造、掘进位姿与管 片拼装精细控制等问题，是水下大直径盾构设备及 控制的关键所在。
结构安全与防水，贯穿了盾构隧道设计、建造和 运营维护阶段。水下复杂的水文地质环境给管片结 构及密封垫设计、拼装形式、管片上浮及破损等一系 列隧道结构安全和防水问题提出了更高的要求。地 震、火灾等灾害对水下盾构隧道威胁极大，提高结构 韧性和抗灾能力，是水下盾构隧道结构安全及防水性能的保障。
近十年来，我国在长江、珠江、钱塘江、黄浦江、 湘江、赣江、黄河和多个内湖与沿海修建了大量的公 路、铁路、地铁、电力、市政等隧道工程，仅在长江流 域江苏省范围内已建及规划多达十余条越江隧道， 有力地推动了超大直径盾构技术的进步。我国超大 直径盾构隧道技术整体水平已跻身世界先进行列， 目前正朝着模块化、信息化、智能化方向发展。本文 比较系统地评述了我国超大直径盾构隧道发展现 状，总结了近十年来在理论、技术与工程应用方面取 得的主要创新成果，分析了当前超大直径盾构隧道 技术面临的挑战，并提出了相应对策。
2 超大直径水下盾构隧道工程领域研究进展与创新
近年来，我国在水下盾构隧道技术方面展开了 大量研究，根据Scopus数据库，检索"Shield" OR "TBM" AND "Underwater" OR "Submarine" OR"Cross river" OR "Cross sea"等关键词，统计得到了 2012—2023 年国内外水下盾构隧道中、英文发文 量如图3所示。根据知网数据库、Scopus数据库和 国家专利局官网，统计得到2012—2023年水下盾 构隧道中、英文发文数量及专利数量分布情况，如 图4所示。
图3 2012—2023年水下盾构隧道发文量统计
图4 2012—2023年水下盾构隧道发文量及专利数量分布
由图3、图4可知，水下盾构隧道中、英文论文发 文量总体呈逐年增多趋势，特别是2023年，中文论 文发文量达88篇。专利数量近12年来呈现一定波 动和周期性。这也表明中国在水下盾构隧道技术方 面的研究力度远远超过其他国家，这与我国基础工 程建设的迅猛发展密切相关。
近年来国家对水下盾构隧道技术的发展给予了 巨大支持。据不完全统计，近十年科技部批准立项 的“973 计划”、国家自然科学基金重大项目共6项， 国家科技奖励共5项，具体见表1。我国盾构隧道技 术起步较晚，但与国际上盾构技术先进国家如日本、德国、意大利、美国等相比，目前我国在水下盾构隧 道领域的整体科技实力已名列前茅，各式各样的建 设条件与使用要求，促进了该领域技术的快速迭代和进步。
表1盾构技术领域国家科技奖励及重大项目
2.1 土水稳定方向
2.1.1 越江跨海盾构隧道覆土厚度设计
越江跨海软土隧道往往采用泥水平衡盾构进 行施工。受到线路线形、地层条件和工程造价等因 素制约，一般要求隧道覆土厚度尽可能薄。由于 隧道覆土浅，开挖面稳定难控、泥水劈裂难防，易引 发泥水喷发、地层塌陷和江（海）水倒灌等重大事 故。对于硬岩隧道的最小岩层覆盖厚度，国际上有 挪威经验法、日本最小涌水量预测法等，李术才等采用工程类比、数值模拟等方法分析了最小岩石覆 盖厚度，确定了厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海 底隧道最小岩石覆盖厚度。对于水下软土盾构隧 道覆土厚度问题，此前国外学者主要考虑抗浮作 用，袁大军提出了综合性的“合理覆土厚度”概 念，以开挖面劈裂压力和主动失稳压力作为泥水支 护压力的上下限，根据施工中的泥水支护压力波 动范围与支护压力上下限的匹配关系给出满足掘 进安全的最小覆土厚度，并考虑隧道抗浮、坡率限 制、基岩避让等因素综合得出合理覆土厚度，成 功应用于南京市纬三路过江通道、深圳妈湾跨海通 道设计。
2.1.2 盾构施工超前地质预报技术
随着我国隧道建设规模的不断扩大，遭遇异常 复杂地质条件的情况也越来越多，暗河、溶洞、断层 破碎带、孤石等不良地质条件都会给隧道施工带来 重大危害，突水突泥、塌方、卡机、机毁人亡等事故时 有发生。超前地质预报是预防该问题的有效方法， 但在软土盾构隧道中的超前地质预报是一个世界性难题。李术才等研发了可搭载于TBM上的超 前地质预报技术及设备，其中用于探测含水构造的 三维激发极化法（前方30m）和探测不良地质的三 维地震法（前方100m）已在国内TBM施工中得到应 用。在盾构施工方面，张星煜等以盾构刀盘切 削震动为震源，基于地震波反射法探索了盾构施工 超前地质预报方法，预报距离为刀盘前方20m。总 体而言，由于盾构施工时软土介质中电磁、弹性波传 播距离短、反应信号较弱，目前盾构施工超前地质预 报技术的定量化水平及精度较低，难以满足工程实 际需要。另外，现有技术多针对单一不良地质体， 缺乏应对上软下硬、上土下岩等多种地层情况的综合性探测方法，难以满足与盾构机装备的一体化、探测自动化等更高的需求。
2.1.3水下盾构隧道施工开挖面稳定控制技术
开挖面稳定是水下盾构隧道施工安全的前提， 高水压、大直径盾构隧道开挖面静、动态稳定尤为难 控。国外学者的相关研究大部分集中于计算开挖面 失稳的极限支护压力，为攻克水下盾构开挖面 静、动态稳定控制难题，我国在泥浆成膜和泥水劈裂 防控方面形成了系列技术成果。在开挖面主动失稳 防控方面，闵凡路等聚焦于盾构开挖面泥浆成 膜现象，提出了以泥浆颗粒粒径与地层孔径对应关 系为核心的泥膜形成理论，研发了基于“渗透带+泥 皮”两阶段成膜方法的开挖面稳定控制技术，大幅提 升了盾构掘进开挖面稳定性及停机开舱闭气时长， 成功应用于国内十余条水下盾构隧道工程。在开挖 面泥水劈裂被动失稳防控方面，北京交通大学袁大 军团队与中铁十四局集团有限公司联合开展相关研究，国际上首次进行了盾构原位劈裂试验，形成了泥 水劈裂发生、伸展系列理论，提出了盾构开挖面泥水 劈裂失稳判定方法，研发了对泥水特性、支护压力和 掘进参数系统调控的成套施工技术，成功应用于南 京长江隧道等国内大型水下隧道工程，初步解决了 水下盾构在高水压、小覆土条件下防控开挖面泥水 劈裂失稳的核心问题[。
2.1.4盾构施工姿态控制技术
目前，人工调姿普遍存在纠偏不及时、多偏欠 纠、少偏过纠等问题。随着大数据、深度学习等技术 的进步，盾构机姿态控制正朝着自动化、智能化方向 发展。浙江大学杨华勇团队从电液控制理论入 手，基于提出的推进液压系统载荷顺应性和姿态预 测性纠偏理论，形成了一套完整的盾构姿态纠偏策 略和轨迹精确跟踪方法，该成果荣获国家科技进步 一等奖。龚国芳等基于推进系统的运动学分 析，提出了一种基于主/从控制策略的多缸控制系统，形成了一种盾构掘进轨迹自动控制方法，为盾构 机姿态自动控制奠定了基础。上海隧道依托人工智 能技术，率先研发了具备“自主巡航”功能的“智驭 号”盾构机，在杭州-绍兴城际铁路区间隧道初 步实现了“自主巡航”。
2.2 盾构设备方向
2.2.1 盾构装备制造技术
盾构机是集隧道掘进、出渣、排泥、拼装衬砌、导 向纠偏等功能于一体的机电设备，涉及地质、土木、 机械、力学、液压、电气、控制、测量等十多门学科。 2005年之前，中国盾构机市场大部分被德、日、美三 国企业垄断。如今，中国90%市场、全球2/3市场由 铁建重工、中铁装备、中交天和、上海隧道、三三工 业、北方重工等中国企业所占有。2021年，在盾构 机制造企业全球5强榜单中，中国有4家企业上榜， 其中铁建重工超越世界知名厂商德国海瑞克位居榜 首。我国盾构机在大直径（中交天和16.07 m泥 水平衡盾构机“运河号”、铁建重工16.07m泥水平 衡盾构机“京华号”）、小直径（铁建重工、中石油管道 局联合研发2.77m泥水平衡盾构“奎河力行号”）、 多模式（中铁装备12.84 m土压-泥水双模盾构 “紫瑞号”）、异形（上海隧道研制类矩形盾构“阳明 号”，断面尺寸11.83 m×7.27 m）等方面均取得显著 的成绩。虽然国产大直径盾构已有成功案例，但我 国在盾构机部分关键零部件的生产制造技术（主轴 承、主密封、减速机、液压配件、检测元器件等）、系统 集成技术、控制技术等方面仍然存在“卡脖子”问题。 盾构机主轴承技术一直被美国铁姆肯Timken，日 本NSK，瑞典斯凯孚SKF等所掌握。对此，国内 的企业和科研单位进行了科研攻关并取得一些成 果。中铁隧道局、洛阳LYC轴承公司联合研制出了 完全自主知识产权的主轴承（轴承直径4.6m），并应 用于11m直径泥水盾构机中铁R148号，完成舟山 鲁家峙海底隧道掘进任务。2023年10月，由中国 铁建重工自主研制的超大直径主轴承（轴承直径 8.61 m）在湖南长沙下线，可用于驱动18m级超大 直径盾构机，使国产超大直径盾构有了全系列的中 国“心”。行星工程机械公司研制出首台完全自主 知识产权的盾构机主驱动减速机，成功应用于重庆 市江北机场线地铁隧道工程。中交天和在国际上 首次将光纤磨损检测技术应用于“运河号”盾构机的 刀具检测上，服务于北京东六环改造工程。上海隧 道首次将盾构推拼同步技术应用于国产盾构机“骥 跃号”，施工掘进效率有望提升30%~50%。国产盾构机在关键零部件制造方面取得部分进展，也集成了一些较新的技术，但在装备寿命、可靠性、自动化等方面仍需足够的检验。
2.2.2 盾构刀具材料研发、刀具配置及换刀技术
复杂地层水下长大盾构隧道施工时，由于掘进 距离长、切削环境复杂、刀盘边缘线速度较大等原 因，刀具的正常磨损与异常损伤更为突出，开舱换刀 风险更高。为保障水下隧道盾构高效、安全掘进，亟 需改进和研发刀具材料，改善生产工艺，优化刀具配 置方法，实现刀具磨损量的精准预测，提高换刀技术 水平。在刀具材料及生产工艺方面，中国武汉江钻、 株洲硬质合金、洛阳九久和山东天工等企业都在进 行刀圈模具钢的研发，山东天工参与编制了盾构 机切削刀具行业标准。北京科技大学郭汉杰团 队通过超重力场下的近终形电渣浇铸刀圈试验， 确定了浇铸TBM刀圈的最佳工艺参数，形成了有衬 电渣低氧冶炼-复合超重力场近终形电渣浇铸刀圈 的生产工艺，缩短了刀圈的生产流程，提高了材料的 应用率及刀圈的耐磨性。在刀具配置及磨损方面， 中南大学夏毅敏团队针对滚刀刀圈的磨损行为 进行了研究，分析了刀圈硬度及服役环境对刀圈磨 损的影响。何川、周顺华等提出了适用于富水 砂卵石地层的刀盘刀具优化配置方法，研发了新型 耐磨刀具、地层减磨改良以及小空间常压换刀技术， 解决了刀具偏磨、刀盘解体破坏、螺旋机损坏等机具 磨损失效难题，获国家技术发明二等奖。在换刀技 术方面，汕头大学沈水龙团队通过采用整合了遗传 算法的GMDH神经网络建立了滚刀寿命预测模型， 以此对换刀时机进行指导。铁建重工、中铁十四局集 团联合研制了首台国产常压换刀式大直径泥水平衡 盾构机“沅安号”，实现了常压换刀技术的国产化。
2.2.3 盾构施工管片拼装技术
管片拼装机是专门用于隧道内预制管片实时拼 装衬砌的多自由度机械手。人工操作是当前管片拼 装的主要方式，存在着工作效率低、拼装误差大等问 题，影响盾构隧道施工进度和隧道成形质量。随着 科技进步，管片拼装技术正在朝着自动化、多功能 化、智能化方向发展。目前，中铁装备研发了一 种半自动管片拼装机，解决了现有技术中管片拼装 自动化程度低、拼装效率低的问题。上海隧道首创 了盾构“推拼同步”技术及模拟试验平台，形成了推 拼同步组态控制理论和推进系统力矩矢量控制系 统，自主研发了多项专利技术，并已集成到“骥 跃号”盾构机上，掘进效率较传统方式有望提升 30%~50%。中交天和研制出了全自动智能化管片拼装技术，可实现管片的自动运输、抓举和拼装 等功能，并在南京市和燕路过江通道工程“振兴号” 盾构机上成功应用。浙江大学杨华勇院士团队提出了基于位置-速度复合控制系统的高速-高精 度管片拼装技术，可以有效地消除高速和大惯性荷 载引起的稳态误差和冲击力，有效降低了管片拼装 过程中的能耗。
2.2.4 水下盾构隧道病害智能检测及运维技术
据统计，约占总数1/3的隧道存在着衬砌结构 开裂和渗漏水等病害，如何保证百年工程的全寿命 周期正常运营是未来水下隧道亟待解决的关键问 题[74~77]。水下隧道的健康监测系统是针对该问题的 有效手段。近年来，我国也提出了几种便捷、高效 的水下隧道健康检测方法。朱合华等发明了一种 车载式地铁隧道病害数据自动化采集系统，该系统 克服了人工检测的缺陷，具有信息采集准确、病害检 测工作效率高的特点。黄宏伟等提出一种基于全 卷积网络的盾构隧道渗漏水病害图像识别算法，能 有效地避免管片拼缝、螺栓孔、管线、支架等干扰物 的影响，特别是在克服管线遮挡方面具有优越的鲁 棒性。袁勇等发明了一种用于运营地铁隧道结 构病害综合快速检测装置，加快了检测的速度和数 据处理速度。刘学增等提出了一种基于隧道环境 信息的病害预测方法，可用于施工或运营过程中结 构病害预防护工作。朱爱玺等发明了一种基于机 器视觉的高速公路隧道检测车系统，该系统采用图 像处理和激光扫描结合的方式来进行隧道的病害与 环境健康监测。
2.3 结构安全与防水
2.3.1 水下盾构隧道的衬砌结构设计
我国建设及规划的水下隧道工程逐渐呈现出高 水压、大直径、大埋深、地质条件复杂的发展趋势，给 盾构隧道建设、运营安全带来了巨大挑战，提出适用 于高水压条件的管片形式及结构设计理论已成为亟 需攻破的难点问题。西南交通大学何川团队在 973 项目支持下，独立研发了“多功能盾构隧道结构 体试验系统”装置，进行了国内首次大型水下隧道管 片通缝与错缝拼装方式原型结构加载试验，建 立了管片整体刚度和局部强度两项指标，揭示了 大直径水下盾构隧道双层衬砌结构在横、纵方向的 力学特性，探明了管片与二次衬砌之间的相互作用 机理，成果获国家科技进步二等奖。铁四院肖 明清团队提出了一种“管片衬砌+非封闭内衬”的 衬砌结构，可以大幅度地减少河床冲淤变化时的结构横向变形，同时确保隧道底部与两侧等重点部位 的防水性能及结构的长期稳定性。方勇等]研制 了外水压加载装置，实现了圆形衬砌结构的均匀外 水压模拟，揭示了水下盾构土水压力及拼装方式对 管片受力特征的影响机理。
2.3.2 水下盾构隧道的衬砌防水性能
盾构隧道接缝密封垫防水是水下隧道防水的关 键。陆明等利用自主研发的速凝型防水涂层变 形缝和裂缝变化试验装置，进行了国内首次防水涂 层在变形缝与不规则裂缝变化工况下的抗水压性能 测试。同济大学廖少明团队在973项目支持下自 主研制了4MPa级T字缝防水性能检测试验装置， 进行了接缝临界水压与接缝变形关系探索实验，提 出了一种橡胶密封垫耐久性多层次评价方法，对水 下盾构隧道防水安全性能进行了探讨。丁文其 等研发了一种可准确监测接缝在不同开口和偏 移量组合下漏水压力的试验装置，提出了一种考虑 侧向水压力作用的密封胶失效机制。张冬梅等分析了接缝渗漏、侵蚀对隧道结构的影响及引起的 沉降。张稳军等分析了不同错台量条件下复合型 密封垫防水能力失效机制，提出了复合型密封垫长 期防水性能预测方法。肖明清等提出了接缝防水 弹性密封垫功能区块设计思路，建立了保障防水可 靠性的盾构法隧道接缝设计方法。
2.3.3 水下盾构隧道风险评估及应对策略
水下盾构隧道风险评估与管控涵盖项目的勘 察、设计、施工和运维全寿命周期安全，开展风险评 估有利于决策科学化，减少工程事故的发生。 丁烈云等以我国首条穿越长江地铁隧道（武汉地 铁2号线）工程为依托，研发了可对施工过程中环 境、结构及人员等安全信息进行综合分析判断的水 下盾构隧道联络通道施工风险实时预警系统，实现 了高水压条件下盾构隧道施工安全风险“感、传、知、 控”一体化功能。黄宏伟等研发了0.00017°FS高 精度MEMS微型无线倾角支点（功耗为国际一流产 品的1/3～1/2）和接缝张开无线感知节点，实现了隧 道安全风险无线同步“灾变精知”；通过长大隧道工 程无线智慧传感网络理论方法，解决了数据精准传 输（低于0.5%丢包）及超低功耗（2μA）智慧组网难 题，最后提出安全风险动态可视化预警及可恢复控 制技术，该技术亦可用于水下盾构隧道结构风险预 测和管控。
2.4 超大直径盾构隧道重大工程创新
（1）被称为“万里长江第一隧”的南京长江隧道于2005 年开工建设，是我国最早建设的超大直径盾 构隧道之一。盾构隧道开挖直径达14.96m，最大水 压为0.65 MPa，江底冲槽区覆土超浅（不足1倍洞 径），面临隧道直径大、水压高、距离长、地质复杂、透 水性强、覆土超薄等诸多难题，取得了超大直径盾构 隧道结构设计、卵砾石刀具配置以及高水压浅覆土 冲槽区开挖面稳定控制等重大创新成果，获得国家 科技进步二等奖、中国土木工程詹天佑奖、国家优质 工程金奖等系列重大科技奖励。
（2）被誉为“中国世纪铁路隧道”的狮子洋海底隧道，全长10.8 km，盾构直径11.18 m，是国内首次采用“相向掘进、地中对接、洞内解体”方式进行施工的盾构隧道。该工程具有刀具磨损严重、江底地中盾构对接等工程难点，在建设、设计和科研部门的联合攻关下，系统解决了在结构安全保障、轨道平顺性控制、长距离掘进、关键装备研发、环保与防灾疏散等方面的多项技术难题，形成的成套创新技术，获国家科技进步二等奖、国家优质工程奖、中国土木工程詹天佑奖等多项科技奖励。
（3）汕头苏埃跨海通道是我国首座位于8度地震烈度区的超大直径海底隧道，全长6.68km，其中海底盾构段长度约为3km，盾构开挖直径达15.03 m。苏埃通道水域段全部采用盾构掘进，其中小于1倍洞径的浅覆土段占到线路总长的57%，且上部覆土层以高触变性的淤泥和淤泥质土为主，部分区间段为极端软硬不均复合地层，施工难度极大。项目在刀盘结构与刀具配置、软硬不均地层滚刀破岩适应性、掘进效能最大化、隧道结构抗震等方面取得了诸多创新成果，获中国交通运输协会科学技术一等奖。
3 超大直径盾构隧道工程领域面临的挑战与对策
近年来，我国建设及规划的水下盾构隧道工程逐渐向着大直径、长距离、高水压、地质复杂化等方向发展，随着工程难度的不断增加，超大直径盾构隧道在理论与技术层面也面临着诸多挑战。
3.1 挑 战
（1）高水压复杂地质开挖面稳定控制。水下超 大直径盾构掘进可能面临上软下硬复合地层、高渗 透砂层、江海底冲槽等复杂地质地貌。当盾构穿越 上软下硬地层时，受下部硬岩的影响，掘进速度较 慢，上部软土在刀盘长时间的切削下可能发生坍塌 事故。水下浅覆土冲槽的存在则会加剧泥水劈裂喷发风险。此外，在高水压高渗地层，当盾构在水下带 压开舱时，因地层稳定性差、泥浆成膜困难，开挖面 稳定控制也是困扰水下盾构施工的重要难题，高水 压复杂地质地貌条件下的开挖面稳定控制面临极大 挑战。
（2）盾构设备关键部件国产化与再制造。目 前，国产盾构机的主轴承、姿态测量系统、盾尾密封、 智能刀具等关键部件主要通过引进国外的技术。盾 构主轴承是盾构的核心部件，其国产化正处于初步 探索阶段。国产主轴承工作性能的可靠性、耐久性 仍需要大量工程实践检验与提升，尚未达到高水压 环境下大直径盾构的使用条件。盾构姿态监测等一 系列的监测数据是重要的工程信息，存在数据安全 风险。盾尾密封系统在高水压长距离掘进过程中易 磨损失效，密封安全难以保障。超大断面盾构多地 层穿越面临刀具切削机理复杂、刀具失效难以预测 等问题，缺乏有效监测手段。加速推进主轴承、盾尾 密封等关键部件国产化及再制造迫在眉睫。
（3）盾构智能化掘进控制技术。目前工程中盾 构掘进参数，主要是操作手凭经验进行控制，存在 掘进参数对地层的不适应性问题。当盾构在更高 水压、更深覆土的环境中掘进，对掘进参数的适应 性的要求更高，施工风险更大，仅凭经验操作已无 法满足未来更为严苛的施工安全要求。盾构智能 化掘进是盾构技术的重要发展方向，虽然人工智能 已广泛应用于各行各业，但是在盾构领域进行应用 还存在诸多问题，如何实现盾构智能化掘进仍需要 进一步探索。
（4）高水压盾构隧道结构及接缝防水安全。在 常规条件下，现有水土压力及结构设计理论基本可 以满足工程需求，而在高水压作用下，渗流影响是无 法忽略的关键性问题，结构受力特性也可能发生变 化，常规土水荷载计算及结构设计方法是否满足工 程需求仍需验证。此外，水下盾构隧道在长期运营 阶段面临江海水侵蚀、复杂围岩荷载、车辆荷载以及 灾害等，易产生接缝张开、错台、结构破损、防水材料 老化问题，导致高水压作用下隧道结构防水体系失 效。如何保持盾构隧道结构及接缝防水的长期安全 可靠是水下盾构隧道工程面临的重大难题。
（5）水下盾构隧道结构双层衬砌工作性能。当 前，我国水下盾构隧道大量采用单层衬砌结构，在高 水压复杂地质条件下的单层衬砌结构长期耐久性面 临较大挑战，施作二次衬砌可以提升盾构隧道力学 及防水性能，但是，二次衬砌同样会挤占建筑空间、 增加工程成本。因此，水下盾构隧道是否采用二次衬砌还存在争议，二次衬砌与管片间的相互作用、 二次衬砌的承载机理等都未完全明确，缺乏系统的 双层衬砌结构力学性能的分析理论与评价方法，水 下盾构隧道是否施作二次衬砌、施作二次衬砌后的 工作性能如何等一系列基本问题仍需要进一步研 究解答。
（6）水下盾构隧道健康监测与维护。盾构隧道 的健康监测与维护对于运营安全具有重要意义，水 下盾构隧道面临地质复杂、水压高、腐蚀性强等问 题，长期监测对传感设备的防水、防腐蚀、存活率、长 距离传输稳定性提出了新的挑战。对于出现病害的 隧道，病害的识别诊断与修复迫在眉睫，隧道病害特 别是一些深层次的空洞、裂缝、钢筋锈蚀、接缝张开、 错台具有隐蔽性，出现的病害也往往难以根治，如何 有效维护病害隧道也缺乏系统的理论与技术体系， 随着水下盾构隧道大量进入运营期，如何保证百年 工程的全寿命周期安全是未来水下隧道亟待解决的 重大问题。
（7）盾构浆渣绿色处理与资源化利用。随着盾 构隧道向大直径、超大直径、特大直径发展，对设备 选型、参数配置、操控技术及配套工艺要求越高，产 生废弃泥浆与渣土量也越大。因施工工艺需要，盾 构施工期间采用的密封油脂、絮凝剂等辅助材料会 进入盾构浆渣中，巨大量级的盾构浆渣的处理处置 不仅提高经济成本，还带来了消纳场地、环境影响等 问题，在大力推行绿色环保理念的背景下，如何实现 废弃浆渣的减量化、资源化再利用成为盾构工程面 临的一大难题。
（8）水下盾构隧道联络通道设计与施工。水下 盾构隧道距离长、救援难度大，双线隧道间的横向联 络通道是灾情发生时人群疏散与救援的“生命通 道”。水下盾构隧道间的联络通道如何确定合理间 距尚无标准可依、缺乏相应的理论与设计方法；修建 水下联络通道难度极大，若采用冻结法+矿山法开 挖，巨量水体冻结难度大、开挖风险高。机械法联络 通道则面临交叉结构稳定性和防水安全的重大挑 战，例如，香港屯门海底隧道采用机械法修建联络通 道，出现了结构破损、土水涌入隧道的险情。因而， 隧道联络通道设计与施工仍然是水下盾构隧道工程 的重大挑战。
3.2 对 策
（1）在水下盾构隧道开挖面稳定控制方面：加强高水压复杂地质条件下的盾构开挖面稳定基础理论的研究，通过试验探明高水压复杂地质的开挖面失稳形态，建立上软下硬地层、成层土的开挖面主动 失稳和劈裂破坏模型，揭示盾构刀盘及动态泥膜对 开挖面稳定作用机制，构建盾构刀盘与泥水共同作 用下开挖面稳定评价理论。大力发展常压换刀技 术，减少开舱换刀带来的开挖面失稳风险，将理论成 果与实际工程相结合，形成一套成熟的高水压复杂 地质条件下盾构开挖面稳定控制技术体系。
（2）在盾构关键部件国产化及再制造方面：加 强特种材料的基础研发，建立可实现多工况多种环 境的主轴承工作极限试验平台，形成高能束激光熔 覆再制造控形-控性技术和修复方法，研发可承受 高速旋转、巨大载荷和强烈温升的盾构主轴承，形成 超大直径盾构主轴承再制造抗磨修复技术与工艺方 法，最终实现超大直径盾构领域的“中国芯”。倾斜 仪作为盾构姿态监测系统的主要部件，国产化的关 键在于倾斜仪和转换模块的国产化替代，深入剖析 目前已有成熟的盾构姿态监测系统的内在原理及设 备构造，结合我国先进的5G技术，并集成于盾构掘 进大数据智慧平台。研发耐磨抗疲劳的新型盾构密 封刷和耐高压密封性能的新型油脂材料，实现盾尾 密封系统耐水压性能大于0.8MPa，耐磨次数提高 至2万次。研发刀具传感器内置集成装置及刀具状 态精准感知和无线传输技术，建立信息融合的刀具 智能感知与诊断系统，实现毫米级精度刀具磨损实 时监测。
（3）在盾构智能掘进方面：盾构掘进必须从仅 凭经验操控，向“经验+智能”发展，最终实现“智 能”掘进。而盾构智能掘进的实现需要多学科、多 技术的交叉融合。通过目前发展迅速的通信、信 息、计算机软件、人工智能、管理科学、行为科学、控 制工程以及系统科学等理论，进行盾构掘进机械化 与智能决策信息化深度融合，形成盾构智能掘进技 术体系。
（4）在水下盾构隧道结构及接缝防水方面：发展高水压条件下海底超大直径盾构隧道荷载计算及结构设计方法，优化密封垫材料与型式，提升防水性能；对于水下盾构隧道结构性能的劣化，可考虑采用双层衬砌结构；发展新型管片结构，研发新型材料，兼具结构安全和防灾功能的提升。
（5）在水下盾构隧道双层衬砌方面：对于水下 盾构隧道的单层衬砌结构，需要考虑长期使用或灾 害、事故发生后结构性能的劣化，预留内衬及补强的 空间；对盾构管片与二次衬砌间作用机理进行研究， 开展盾构隧道二次衬砌结构力学及方式性能足尺试 验，探明水土压力作用下双层衬砌结构荷载变化规律，提出考虑二次衬砌的隧道结构强度、耐久性、稳 定性多指标评价体系，建立双层衬砌结构性能评价 理论与方法，系统地解答水下盾构隧道何种情况下 需要施作二次衬砌、如何合理设计二次衬砌等关键 问题。
（6）在水下盾构隧道监测与维护方面：对于水 下盾构隧道监测要考虑高水压海水腐蚀、长距离传 输等问题，通过多学科交叉，研发防水性强、防腐蚀 性高、耐久性好、能长距离自动监测的传感设备与技 术，基于大数据与智能算法研发隧道病害自动化巡 检机器人，建立科学的水下盾构隧道健康监测方法 与技术标准，完善盾构隧道病害诊断和评估理论体 系，研发水下盾构隧道结构新型修复材料和韧性提 升技术。
（7）在盾构浆渣绿色处理与资源化利用方面： 厘清不同地层条件下盾构浆渣的基本特性，揭示盾构浆渣的产生及刀具切削、刀盘旋转与环流携渣机 理，提高盾构浆渣泥水分离效率，通过掘进参数、刀 盘刀具合理设计，使更多的泥浆进入泥水循环系统 中，实现废弃浆渣的减量化。同时，研发盾构浆渣回 收利用新技术、新模式，将外运的废弃浆渣经加工处 理后用作同步注浆、注浆加固材料和路基垫层等，变 废为宝，节约资源，同时可减少环境污染。
（8）在水下盾构隧道联络通道设计与施工方 面：结合火灾原型模拟试验和虚拟场景搭建，建立火 灾人员疏散模型，为逃生通道间距设计提供理论依 据；优化特殊衬砌环结构设计理论，保证机械法高效 破洞和结构安全；从新型刀盘刀具型式研制、掘进机 姿态控制、始发接收措施、交叉结构防水等方面优化 联络通道机械法施工技术，保证水下盾构隧道工程 安全。