國(guó)內(nèi)外隧道盾構(gòu)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用

摘 要：盾構(gòu)機(jī)是一種專業(yè)工程機(jī)械，它主要用于在地下施工中開(kāi)挖隧道。隨著盾構(gòu)掘機(jī)的發(fā)展，它集成了信息、光、電、傳感、液、機(jī)、技術(shù)于一體，涉及地質(zhì)、測(cè)量、電氣、液壓、機(jī)械、等多門技術(shù)，具有土碴運(yùn)輸、土體切削、襯砌隧道等功能，而且對(duì)于不同的地質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確性很高。文章介紹了盾構(gòu)機(jī)的歷史及其在具體工程中的應(yīng)用與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；發(fā)展；長(zhǎng)沙地鐵

盾構(gòu)機(jī)主要由動(dòng)力部分、頂進(jìn)主軸、導(dǎo)向系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、中繼頂進(jìn)系統(tǒng)、排運(yùn)巖土機(jī)構(gòu)以及等幾個(gè)部分組成。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工作原理就是一個(gè)圓柱形的鋼件沿隧洞軸線一邊對(duì)土壤進(jìn)行開(kāi)挖，一邊同時(shí)向前推進(jìn)。這一鋼件殼的作用是負(fù)責(zé)分擔(dān)來(lái)自周圍土層的壓力，起到對(duì)正在施工作業(yè)隧洞的保護(hù)以及支撐作用，排土、挖掘、襯砌等作業(yè)都在該圓柱組件的支撐下進(jìn)行。由于工作原理的不同，盾構(gòu)機(jī)主要有混合型、泥水加壓式、土壓平衡盾構(gòu)等多種?？紤]到盾構(gòu)機(jī)給實(shí)際工程帶來(lái)了極大的便利，因此已經(jīng)應(yīng)用于許多地鐵、市政、水電、等許多地下工程。

1 盾構(gòu)機(jī)發(fā)展溯源

盾構(gòu)機(jī)從發(fā)明那天起距今已經(jīng)有180多年的歷史，第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)誕生在英國(guó)，后由日本、德國(guó)不斷發(fā)展壯大。盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展主要有三個(gè)階段，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)明，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展普及，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展完善，隨著科技的發(fā)展，盾構(gòu)技術(shù)不斷完善進(jìn)步，從而為世界的隧道建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)。

1.1 第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的誕生

1818年，英國(guó)工程師布魯諾爾在一次偶然的情況下通過(guò)船板上的蛀孔，發(fā)現(xiàn)這種蟲(chóng)子在前進(jìn)的過(guò)程中利用自身的分泌物涂在孔的周圍來(lái)支撐周圍物質(zhì)得到啟示，后來(lái)他完善了構(gòu)思，發(fā)明了一種圓形鐵殼，同時(shí)利用千斤頂在土壤中推進(jìn)，在鐵殼里的工人一邊挖掘，一邊襯砌軌道。從此世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)便問(wèn)世了。

1.2 盾構(gòu)機(jī)在世界各國(guó)進(jìn)一步發(fā)展普及

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初盾構(gòu)技術(shù)相繼傳入德、日、美等國(guó)，并得到了很大的發(fā)展。1892年，美國(guó)率先發(fā)明了掘削工作面封閉不能直接觀察到施工面作業(yè)的封閉式盾構(gòu)，必須輔以多種監(jiān)控裝置來(lái)控制掘削面工作。1931年蘇聯(lián)利用盾構(gòu)機(jī)建造了莫斯科地鐵隧道，施工中首次使用了化學(xué)注漿和凍結(jié)工法。自此，這種施工方法得以傳播，并在全球范圍內(nèi)廣受歡迎。

1.3 現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)步和完善

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，日本不斷研究改善盾構(gòu)施工，做出了許多卓越的貢獻(xiàn)，1968-1989年近20年之間日本研發(fā)了多種盾構(gòu)機(jī)類型，使盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的臺(tái)階，研發(fā)了泥水加壓盾構(gòu)、泥水式雙圓搭接盾構(gòu)工、泥土加壓盾構(gòu)、高濃度泥水盾構(gòu)、注漿盾構(gòu)工等多種施工法；1969年美國(guó)和英國(guó)在盾構(gòu)施工中率先使用油壓千斤頂盾構(gòu)以及滾筒式挖掘機(jī)；這一時(shí)期開(kāi)發(fā)了多種新型盾構(gòu)工法，以泥水式、土壓式盾構(gòu)工法為主，盾構(gòu)施工法不斷完善發(fā)展，成績(jī)斐然。

隨著科技的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)中存在的問(wèn)題得到了有效的解決，其技術(shù)的瓶頸部分被不斷突破、升級(jí)，像刀具的更換及使用壽命，及面對(duì)惡劣環(huán)境下的施工方案探討，使盾構(gòu)機(jī)有了進(jìn)一步的發(fā)展。盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展同時(shí)離不開(kāi)各個(gè)盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家的努力，目前國(guó)內(nèi)外均有許多優(yōu)秀的盾構(gòu)機(jī)制造廠家，國(guó)外盾構(gòu)機(jī)的主要制造廠家集中在歐美和日本，如美國(guó)的Robbins（羅賓斯）公司，德國(guó)的Herrenknecht AG（海瑞克）公司，加拿大的加拿大Lovat（羅福特）公司以及日本的小松制作所、三菱重工、川崎重工等。國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主要制造廠有三一重工、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)、北京華隧通掘進(jìn)裝備有限公司、北方重工集團(tuán)有限公司。目前，廠家已經(jīng)可以根據(jù)不同的工程對(duì)象和地質(zhì)條件、根據(jù)不同工程的不同需求來(lái)設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)。

2 盾構(gòu)機(jī)的使用日益廣泛

目前，隨著我國(guó)交通堵塞日益嚴(yán)重，為了緩解這種情況近幾年我國(guó)的城市軌道交通發(fā)展很快，特別是城市地鐵建設(shè)步伐日益加快，盾構(gòu)施工法越來(lái)越多的應(yīng)用于地鐵施工中。2008年金融危機(jī)后，緊隨我國(guó)政府投入數(shù)萬(wàn)億資金支持鐵路建設(shè)，中小城市的地鐵建設(shè)也隨之步入快車道。根據(jù)十二五規(guī)劃，到2015年隧道建設(shè)投資額將達(dá)12157億元，總里程將達(dá)6120公里，截至目前，北京、廣州、上海等國(guó)內(nèi)一線城市已經(jīng)建成多條地鐵線路，運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)823.7公里，與此同時(shí)，國(guó)務(wù)院已經(jīng)批復(fù)了20多個(gè)城市的地鐵建設(shè)。在33個(gè)地鐵規(guī)劃的城市中，其中在長(zhǎng)三角與珠三角地區(qū)增長(zhǎng)最快，新增248公里、129公里。在這些工程中有很多使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線：

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線是長(zhǎng)沙地鐵中最早建設(shè)的地鐵項(xiàng)目在地鐵網(wǎng)絡(luò)中屬于核心骨干線路，隧道線路全長(zhǎng)：42800m，2號(hào)線全線共分為7個(gè)盾構(gòu)段，投入15臺(tái)大型泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，累計(jì)掘進(jìn)35524米，占總量的83.1%。長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線最大站間距為2036m，為長(zhǎng)沙火車南站至光達(dá)站區(qū)間，最小站間距為672m，為長(zhǎng)沙火車站至錦泰廣場(chǎng)站區(qū)間，平均站間距1182m。由長(zhǎng)沙軌道交通建設(shè)集團(tuán)公司重點(diǎn)建設(shè)，多個(gè)建設(shè)單位共同建造。長(zhǎng)沙地鐵在建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)第一，盾構(gòu)掘進(jìn)施工在地鐵建設(shè)中有著舉足輕重的作用，在其他城市建設(shè)中許多設(shè)備都是從國(guó)外引進(jìn)的，而長(zhǎng)沙在其地鐵建設(shè)中支持國(guó)產(chǎn)，尤其是在建設(shè)2號(hào)線的過(guò)程中，其所使用的施工技術(shù)以及機(jī)械設(shè)備全是國(guó)產(chǎn)的，在我國(guó)尚屬首例。地鐵2號(hào)線是長(zhǎng)沙市軌道交通建設(shè)的重要組成部分。要穿越多種復(fù)雜的地層，為了滿足復(fù)雜土質(zhì)盾構(gòu)機(jī)換了多達(dá)7種刀盤。尤其是線路中總長(zhǎng)為4141m的一段，其施工過(guò)程中所面臨的難題是跨越湘江，考慮到其施工長(zhǎng)度超過(guò)1800m，在整個(gè)工程中所使用的盾構(gòu)機(jī)均是國(guó)產(chǎn)的，成功解決了這一難題，最終實(shí)現(xiàn)整條線路的順利竣工。需要特別指出的是，在該線路中設(shè)立的橘子洲站成為目前我國(guó)僅有的首例設(shè)立在江中央小島上的站臺(tái)，工程難度非常大?！跋娼惶?hào)”過(guò)江盾構(gòu)創(chuàng)新性的盾構(gòu)技術(shù)，著重改進(jìn)、升級(jí)了許多核心技術(shù)，有目的性的對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，成功避免了一系列的施工風(fēng)險(xiǎn)，從而確保了施工人員的人身安全，并攻破了在施工過(guò)程中遇到的技術(shù)難題，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)這次國(guó)內(nèi)自主研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)完美作業(yè)，一舉打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，使國(guó)際巨頭不得不進(jìn)行妥協(xié)，將每臺(tái)機(jī)器的價(jià)格降低了1.1億元，降至每臺(tái)4000萬(wàn)元。從而爭(zhēng)取市場(chǎng)話語(yǔ)權(quán)，為國(guó)家節(jié)約了大量資金。同時(shí)，這也是對(duì)我國(guó)盾構(gòu)公司極大的肯定，促使其不斷創(chuàng)新，提高自身技術(shù)水平，從而使其綜合實(shí)力更上一層樓。

3 我國(guó)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展歷史和趨勢(shì)

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)在交通、水利水電、市政地下工程等基礎(chǔ)建設(shè)方面進(jìn)展迅速，越來(lái)越多的工程離不開(kāi)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，由于盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)施工中具有許多優(yōu)點(diǎn)，如自動(dòng)化程度高、施工快速、地面沉降可控等特點(diǎn)，我國(guó)開(kāi)始了漫長(zhǎng)的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)自主研發(fā)之路。由于起步有些晚，我國(guó)在盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵零件的制造水平仍然與國(guó)外有一定差距。

3.1 我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的早期發(fā)展

1950年，東北阜新煤礦通過(guò)用手掘式盾構(gòu)修建了國(guó)內(nèi)首條盾構(gòu)機(jī)挖掘的隧道。

1963年，上海隧道有限公司自主研發(fā)，結(jié)合上海地質(zhì)條件，研發(fā)出了帶有隧道防水的手掘式盾構(gòu)機(jī)，并成功進(jìn)行試驗(yàn)，貫通了長(zhǎng)為65m的隧道。

1966年，上海的隧道工程設(shè)計(jì)院為了實(shí)現(xiàn)越江公路的順利竣工，與造船廠強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，經(jīng)過(guò)他們不懈的努力，研發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)超大型盾構(gòu)機(jī)，直徑達(dá)10.2m。正是利用這臺(tái)設(shè)備，上海順利完成了越江公路工程的作業(yè)，隧道長(zhǎng)度1331m。

1970年，上海石化總廠率先采用了垂直頂升法取排水口的技術(shù)，采用兩臺(tái)大型擠壓網(wǎng)格盾構(gòu)機(jī)挖掘了總長(zhǎng)3926m海底隧道。

3.2 我國(guó)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步與探尋

1980年，上海市開(kāi)始了地鐵建設(shè)，由于上海地質(zhì)松軟，淤泥較多，上海隧道工程院積極研發(fā)，經(jīng)過(guò)不的努力，終于成功研發(fā)了一臺(tái)1號(hào)一臺(tái)直徑7.23m的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)機(jī)，成功盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度達(dá)1230m。

1982年，上海在引進(jìn)一臺(tái)日本三菱重工制造的直徑4.21m小刀盤土壓盾構(gòu)的基礎(chǔ)上，取長(zhǎng)補(bǔ)短，研發(fā)完成了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)直徑為4.35m的盾構(gòu)機(jī)，并在我國(guó)當(dāng)時(shí)正在施工的過(guò)江隧道工程中成功地投入使用，解決了當(dāng)時(shí)施工時(shí)的難題，這一設(shè)備無(wú)論是在制作工藝，還是在科技創(chuàng)新方面，都是當(dāng)時(shí)同類產(chǎn)品的佼佼者，并一舉摘得了1990年國(guó)家科技方面的一等獎(jiǎng)。

3.3 我國(guó)隧道掘進(jìn)技術(shù)的展望

1990年，上海隧道工程設(shè)計(jì)院、上海隧道股份有限公司在修建地鐵的過(guò)程中，聯(lián)合法國(guó)FCB公司一起研發(fā)了7臺(tái)直徑達(dá)6320mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，單機(jī)每30天掘進(jìn)可超過(guò)300m，并可有效地將沉降限定在較小的范圍內(nèi)，為上海地鐵的建設(shè)貢獻(xiàn)了不少力量。并在上海地鐵2號(hào)線的施工中，成功實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)自主研發(fā)。

2000年，廣州在修建地鐵的過(guò)程中，積極吸取上海修建地鐵的經(jīng)驗(yàn)，并成功改制上海隧道有限公司自主研發(fā)的2臺(tái)直徑為6.03m復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)，在珠江特殊巖層的土質(zhì)下成功盾構(gòu)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)不斷向前發(fā)展，一邊引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，一邊不斷消化吸收自主研發(fā)。2001年，我國(guó)將盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)列入863計(jì)劃，決定在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)完全自主國(guó)產(chǎn)化。

2015年11月，在湖南長(zhǎng)沙，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鐵路大直徑盾構(gòu)機(jī)成功下線，這一由我國(guó)自主研發(fā)的大型高端裝備，由中國(guó)鐵建股份有限公司研發(fā)而成，使我國(guó)鐵路施工領(lǐng)域在這一方面實(shí)現(xiàn)了零突破，預(yù)示著我國(guó)的盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)水平邁上一個(gè)新臺(tái)階，并有效保障了施工人員的人身安全，也加快了施工進(jìn)度。國(guó)內(nèi)首臺(tái)鐵路大直徑盾構(gòu)機(jī)的下線，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)自主研制的先河，國(guó)產(chǎn)大型盾構(gòu)施工裝備創(chuàng)新能力與技術(shù)水平得到了前所未有的增長(zhǎng)，也有利于加快實(shí)現(xiàn)從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變。

目前我國(guó)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)不斷提高，我們與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的距離慢慢減少。但是我們?nèi)匀辉谠S多方面有著一定差距，如產(chǎn)品研發(fā)、售后保障、技術(shù)支持等方面，只有面對(duì)這種差距，取彼之長(zhǎng)補(bǔ)己之短，才能在產(chǎn)品、技術(shù)、服務(wù)上實(shí)現(xiàn)新的突破，從而真正實(shí)現(xiàn)從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 世界盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展方向

現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)機(jī)集成了多種現(xiàn)代技術(shù)，如機(jī)電液一體化、測(cè)控、材料等，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步使得盾構(gòu)機(jī)的操作、控制地表沉降更加便捷，隧道的施工質(zhì)量大大提高。

4.1 系統(tǒng)化

盾構(gòu)機(jī)自發(fā)明至今已經(jīng)有近200年的歷史了，其施工方法和機(jī)器的革新和改良都是針對(duì)以下幾個(gè)方面：（1）地貌沉降量和地質(zhì)構(gòu)造；（2）施工的自動(dòng)化程度和掘進(jìn)施工的快捷程度；（3）隧道內(nèi)襯砌筑可靠度。以往盾構(gòu)施工則是單獨(dú)對(duì)這幾個(gè)方面帶來(lái)的影響進(jìn)行考慮，一般情況下，施工單位會(huì)用以下方法提高地層穩(wěn)定性：降低地下水位、通過(guò)地基改良增加地耐力、凍結(jié)法。但是這些方法只是依靠外界作用，并沒(méi)有從設(shè)備本身入手，考慮如何解決這一施工問(wèn)題。盡管采用上述方法能夠提高地層穩(wěn)定性，但是考慮到在不同地點(diǎn)施工時(shí)要求會(huì)有所不同，而很難達(dá)到其所有的要求，尤其是第一個(gè)因素會(huì)使相應(yīng)地上建筑的穩(wěn)固性受到影響。相比之下，目前的盾構(gòu)機(jī)則是面面俱到，將上述要點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，更是從設(shè)備結(jié)構(gòu)角度提高了施工層面的穩(wěn)定性，進(jìn)而大幅度增加施工過(guò)程的安全性。

4.2 種類豐富多樣

為適應(yīng)不同工程的需要，盾構(gòu)機(jī)的種類也越來(lái)越多，目前生產(chǎn)了多種形式的斷面盾構(gòu)機(jī)，例如圓形、矩形、雙圓等盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備，以滿足不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求。例如圓形大口徑的盾構(gòu)機(jī)，就是為在江海中進(jìn)行施工而量身打造的；而在高樓林立、房屋密集的城市進(jìn)行作業(yè)時(shí)，廠家則推出了小口徑的設(shè)備，以供其使用；而為了加快我國(guó)城市化進(jìn)程，廠家又研發(fā)了異形截面的盾構(gòu)機(jī)，以提高其施工效率。

4.3 超大型化和微小型化

為滿足施工單位越來(lái)越高的需求，目前廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品正朝著超大化和微小化的兩個(gè)方向發(fā)展。例如：由德國(guó)一家公司推出的RVS系列設(shè)備，有著RVS80，RVS160，RVS250-RVS1200等型號(hào)；加拿大的一家公司緊隨其后，推出了不超過(guò)1.4m的設(shè)備，如MS40PJS型，其斷面直徑僅為1m，另有2m的產(chǎn)品。而美國(guó)Robbins公司研發(fā)的設(shè)備直徑一般為1.8、2.1、2.4m，其一款直徑1.8m的產(chǎn)品隧道的挖掘長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)125m。而德國(guó)的Herrenknecht AG公司也研發(fā)出口徑為0.21-0.7m等系列設(shè)備。而日本的一家企業(yè)成為了這一領(lǐng)域的佼佼者，先后推出了一系列產(chǎn)品，其直徑范圍從0.15m到2.95m。截至目前，全球最小的盾構(gòu)機(jī)就是該公司生產(chǎn)的直徑為0.15m的產(chǎn)品。這種設(shè)備特別適用于隧道的分?jǐn)嗝媸┕ぃ撛O(shè)備具有先把施工斷面劃分為若干個(gè)小斷面，將其一一作業(yè)完成后再將小斷面間僅存的薄壁貫通，從而完成整個(gè)施工過(guò)程。較以往的方法而言，這種新的方法可使工程費(fèi)用得到大幅度降低，使施工期大幅縮短。另外，考慮到盾構(gòu)機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格達(dá)到數(shù)千萬(wàn)，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在工程量不大的情況下不宜選用盾構(gòu)機(jī)，而是需要隨機(jī)應(yīng)變，對(duì)施工組織方案加以改進(jìn)，選取日本公司生產(chǎn)的小型盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，采用上述施工方法，完成隧道施工，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

我們應(yīng)該注重產(chǎn)品創(chuàng)新，并認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，提高自身技術(shù)水平，努力縮短與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的差距，成為盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域的佼佼者。從中國(guó)制造走向中國(guó)創(chuàng)造，引領(lǐng)世界潮流。

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