國內外隧道盾構機技術發展趨勢與應用

摘 要：盾構機是一種專業工程機械，它主要用于在地下施工中開挖隧道。隨著盾構掘機的發展，它集成了信息、光、電、傳感、液、機、技術于一體，涉及地質、測量、電氣、液壓、機械、等多門技術，具有土碴運輸、土體切削、襯砌隧道等功能，而且對于不同的地質進行相應的方案設計，準確性很高。文章介紹了盾構機的歷史及其在具體工程中的應用與發展方向。

關鍵詞：盾構機；發展；長沙地鐵

盾構機主要由動力部分、頂進主軸、導向系統、刀盤系統、糾偏系統、中繼頂進系統、排運巖土機構以及等幾個部分組成。盾構掘進機的工作原理就是一個圓柱形的鋼件沿隧洞軸線一邊對土壤進行開挖，一邊同時向前推進。這一鋼件殼的作用是負責分擔來自周圍土層的壓力，起到對正在施工作業隧洞的保護以及支撐作用，排土、挖掘、襯砌等作業都在該圓柱組件的支撐下進行。由于工作原理的不同，盾構機主要有混合型、泥水加壓式、土壓平衡盾構等多種。考慮到盾構機給實際工程帶來了極大的便利，因此已經應用于許多地鐵、市政、水電、等許多地下工程。

1 盾構機發展溯源

盾構機從發明那天起距今已經有180多年的歷史，第一臺盾構機誕生在英國，后由日本、德國不斷發展壯大。盾構機的發展主要有三個階段，盾構機的發明，盾構機的發展普及，盾構機的發展完善，隨著科技的發展，盾構技術不斷完善進步，從而為世界的隧道建設做出了重要的貢獻。

1.1 第一臺盾構機的誕生

1818年，英國工程師布魯諾爾在一次偶然的情況下通過船板上的蛀孔，發現這種蟲子在前進的過程中利用自身的分泌物涂在孔的周圍來支撐周圍物質得到啟示，后來他完善了構思，發明了一種圓形鐵殼，同時利用千斤頂在土壤中推進，在鐵殼里的工人一邊挖掘，一邊襯砌軌道。從此世界上第一臺盾構機便問世了。

1.2 盾構機在世界各國進一步發展普及

19世紀末到20世紀初盾構技術相繼傳入德、日、美等國，并得到了很大的發展。1892年，美國率先發明了掘削工作面封閉不能直接觀察到施工面作業的封閉式盾構，必須輔以多種監控裝置來控制掘削面工作。1931年蘇聯利用盾構機建造了莫斯科地鐵隧道，施工中首次使用了化學注漿和凍結工法。自此，這種施工方法得以傳播，并在全球范圍內廣受歡迎。

1.3 現代盾構機的進步和完善

進入21世紀以來，日本不斷研究改善盾構施工，做出了許多卓越的貢獻，1968-1989年近20年之間日本研發了多種盾構機類型，使盾構機進入了一個新的臺階，研發了泥水加壓盾構、泥水式雙圓搭接盾構工、泥土加壓盾構、高濃度泥水盾構、注漿盾構工等多種施工法；1969年美國和英國在盾構施工中率先使用油壓千斤頂盾構以及滾筒式挖掘機；這一時期開發了多種新型盾構工法，以泥水式、土壓式盾構工法為主，盾構施工法不斷完善發展，成績斐然。

隨著科技的發展，盾構機中存在的問題得到了有效的解決，其技術的瓶頸部分被不斷突破、升級，像刀具的更換及使用壽命，及面對惡劣環境下的施工方案探討，使盾構機有了進一步的發展。盾構機的發展同時離不開各個盾構機生產廠家的努力，目前國內外均有許多優秀的盾構機制造廠家，國外盾構機的主要制造廠家集中在歐美和日本，如美國的Robbins（羅賓斯）公司，德國的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。國內盾構機主要制造廠有三一重工、中國鐵建重工集團、北京華隧通掘進裝備有限公司、北方重工集團有限公司。目前，廠家已經可以根據不同的工程對象和地質條件、根據不同工程的不同需求來設計盾構機。

2 盾構機的使用日益廣泛

目前，隨著我國交通堵塞日益嚴重，為了緩解這種情況近幾年我國的城市軌道交通發展很快，特別是城市地鐵建設步伐日益加快，盾構施工法越來越多的應用于地鐵施工中。2008年金融危機后，緊隨我國政府投入數萬億資金支持鐵路建設，中小城市的地鐵建設也隨之步入快車道。根據十二五規劃，到2015年隧道建設投資額將達12157億元，總里程將達6120公里，截至目前，北京、廣州、上海等國內一線城市已經建成多條地鐵線路，運營里程已達823.7公里，與此同時，國務院已經批復了20多個城市的地鐵建設。在33個地鐵規劃的城市中，其中在長三角與珠三角地區增長最快，新增248公里、129公里。在這些工程中有很多使用盾構機進行施工。

長沙地鐵2號線：

長沙地鐵2號線是長沙地鐵中最早建設的地鐵項目在地鐵網絡中屬于核心骨干線路，隧道線路全長：42800m，2號線全線共分為7個盾構段，投入15臺大型泥水平衡盾構掘進機，累計掘進35524米，占總量的83.1%。長沙地鐵2號線最大站間距為2036m，為長沙火車南站至光達站區間，最小站間距為672m，為長沙火車站至錦泰廣場站區間，平均站間距1182m。由長沙軌道交通建設集團公司重點建設，多個建設單位共同建造。長沙地鐵在建設過程中實現了多個第一，盾構掘進施工在地鐵建設中有著舉足輕重的作用，在其他城市建設中許多設備都是從國外引進的，而長沙在其地鐵建設中支持國產，尤其是在建設2號線的過程中，其所使用的施工技術以及機械設備全是國產的，在我國尚屬首例。地鐵2號線是長沙市軌道交通建設的重要組成部分。要穿越多種復雜的地層，為了滿足復雜土質盾構機換了多達7種刀盤。尤其是線路中總長為4141m的一段，其施工過程中所面臨的難題是跨越湘江，考慮到其施工長度超過1800m，在整個工程中所使用的盾構機均是國產的，成功解決了這一難題，最終實現整條線路的順利竣工。需要特別指出的是，在該線路中設立的橘子洲站成為目前我國僅有的首例設立在江中央小島上的站臺，工程難度非常大。“湘江一號”過江盾構創新性的盾構技術，著重改進、升級了許多核心技術，有目的性的對該技術進行了改進和創新，成功避免了一系列的施工風險，從而確保了施工人員的人身安全，并攻破了在施工過程中遇到的技術難題，積累了寶貴的工程經驗。同時這次國內自主研發具有完全自主知識產權的盾構機完美作業，一舉打破了國外的技術壟斷，使國際巨頭不得不進行妥協，將每臺機器的價格降低了1.1億元，降至每臺4000萬元。從而爭取市場話語權，為國家節約了大量資金。同時，這也是對我國盾構公司極大的肯定，促使其不斷創新，提高自身技術水平，從而使其綜合實力更上一層樓。

3 我國盾構機發展歷史和趨勢

隨著我國的經濟高速發展，我國在交通、水利水電、市政地下工程等基礎建設方面進展迅速，越來越多的工程離不開盾構掘進機，由于盾構機在盾構施工中具有許多優點，如自動化程度高、施工快速、地面沉降可控等特點，我國開始了漫長的盾構掘進機自主研發之路。由于起步有些晚，我國在盾構機的關鍵零件的制造水平仍然與國外有一定差距。

3.1 我國盾構技術的早期發展

1950年，東北阜新煤礦通過用手掘式盾構修建了國內首條盾構機挖掘的隧道。

1963年，上海隧道有限公司自主研發，結合上海地質條件，研發出了帶有隧道防水的手掘式盾構機，并成功進行試驗，貫通了長為65m的隧道。

1966年，上海的隧道工程設計院為了實現越江公路的順利竣工，與造船廠強強聯手，經過他們不懈的努力，研發了我國第一臺超大型盾構機，直徑達10.2m。正是利用這臺設備，上海順利完成了越江公路工程的作業，隧道長度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，采用兩臺大型擠壓網格盾構機挖掘了總長3926m海底隧道。

3.2 我國盾構掘進技術的進步與探尋

1980年，上海市開始了地鐵建設，由于上海地質松軟，淤泥較多，上海隧道工程院積極研發，經過不的努力，終于成功研發了一臺1號一臺直徑7.23m的網格擠壓型盾構機，成功盾構隧道長度達1230m。

1982年，上海在引進一臺日本三菱重工制造的直徑4.21m小刀盤土壓盾構的基礎上，取長補短，研發完成了國內第一臺直徑為4.35m的盾構機，并在我國當時正在施工的過江隧道工程中成功地投入使用，解決了當時施工時的難題，這一設備無論是在制作工藝，還是在科技創新方面，都是當時同類產品的佼佼者，并一舉摘得了1990年國家科技方面的一等獎。

3.3 我國隧道掘進技術的展望

1990年，上海隧道工程設計院、上海隧道股份有限公司在修建地鐵的過程中，聯合法國FCB公司一起研發了7臺直徑達6320mm的土壓平衡盾構機，單機每30天掘進可超過300m，并可有效地將沉降限定在較小的范圍內，為上海地鐵的建設貢獻了不少力量。并在上海地鐵2號線的施工中，成功實現盾構機自主研發。

2000年，廣州在修建地鐵的過程中，積極吸取上海修建地鐵的經驗，并成功改制上海隧道有限公司自主研發的2臺直徑為6.03m復合型土壓平衡盾構，在珠江特殊巖層的土質下成功盾構。

進入21世紀以來，我國盾構技術不斷向前發展，一邊引進國外先進設備，一邊不斷消化吸收自主研發。2001年，我國將盾構關鍵技術列入863計劃，決定在較短時間內實現盾構機完全自主國產化。

2015年11月，在湖南長沙，國內第一臺鐵路大直徑盾構機成功下線，這一由我國自主研發的大型高端裝備，由中國鐵建股份有限公司研發而成，使我國鐵路施工領域在這一方面實現了零突破，預示著我國的盾構機的生產技術水平邁上一個新臺階，并有效保障了施工人員的人身安全，也加快了施工進度。國內首臺鐵路大直徑盾構機的下線，開創了國產自主研制的先河，國產大型盾構施工裝備創新能力與技術水平得到了前所未有的增長，也有利于加快實現從中國制造到中國創造的轉變。

目前我國盾構掘進技術不斷提高，我們與發達工業國家的距離慢慢減少。但是我們仍然在許多方面有著一定差距，如產品研發、售后保障、技術支持等方面，只有面對這種差距，取彼之長補己之短，才能在產品、技術、服務上實現新的突破，從而真正實現從中國制造到中國創造的轉型升級。

4 世界盾構機的發展方向

現代盾構機掘進機集成了多種現代技術，如機電液一體化、測控、材料等，屬于技術密集型產品。隨著技術不斷進步使得盾構機的操作、控制地表沉降更加便捷，隧道的施工質量大大提高。

4.1 系統化

盾構機自發明至今已經有近200年的歷史了，其施工方法和機器的革新和改良都是針對以下幾個方面：（1）地貌沉降量和地質構造；（2）施工的自動化程度和掘進施工的快捷程度；（3）隧道內襯砌筑可靠度。以往盾構施工則是單獨對這幾個方面帶來的影響進行考慮，一般情況下，施工單位會用以下方法提高地層穩定性：降低地下水位、通過地基改良增加地耐力、凍結法。但是這些方法只是依靠外界作用，并沒有從設備本身入手，考慮如何解決這一施工問題。盡管采用上述方法能夠提高地層穩定性，但是考慮到在不同地點施工時要求會有所不同，而很難達到其所有的要求，尤其是第一個因素會使相應地上建筑的穩固性受到影響。相比之下，目前的盾構機則是面面俱到，將上述要點進行綜合考慮，更是從設備結構角度提高了施工層面的穩定性，進而大幅度增加施工過程的安全性。

4.2 種類豐富多樣

為適應不同工程的需要，盾構機的種類也越來越多，目前生產了多種形式的斷面盾構機，例如圓形、矩形、雙圓等盾構掘進設備，以滿足不同地質結構的需求。例如圓形大口徑的盾構機，就是為在江海中進行施工而量身打造的；而在高樓林立、房屋密集的城市進行作業時，廠家則推出了小口徑的設備，以供其使用；而為了加快我國城市化進程，廠家又研發了異形截面的盾構機，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越高的需求，目前廠家所生產的產品正朝著超大化和微小化的兩個方向發展。例如：由德國一家公司推出的RVS系列設備，有著RVS80，RVS160，RVS250-RVS1200等型號；加拿大的一家公司緊隨其后，推出了不超過1.4m的設備，如MS40PJS型，其斷面直徑僅為1m，另有2m的產品。而美國Robbins公司研發的設備直徑一般為1.8、2.1、2.4m，其一款直徑1.8m的產品隧道的挖掘長度長達125m。而德國的Herrenknecht AG公司也研發出口徑為0.21-0.7m等系列設備。而日本的一家企業成為了這一領域的佼佼者，先后推出了一系列產品，其直徑范圍從0.15m到2.95m。截至目前，全球最小的盾構機就是該公司生產的直徑為0.15m的產品。這種設備特別適用于隧道的分斷面施工，該設備具有先把施工斷面劃分為若干個小斷面，將其一一作業完成后再將小斷面間僅存的薄壁貫通，從而完成整個施工過程。較以往的方法而言，這種新的方法可使工程費用得到大幅度降低，使施工期大幅縮短。另外，考慮到盾構機的市場價格達到數千萬，從經濟性方面考慮，在工程量不大的情況下不宜選用盾構機，而是需要隨機應變，對施工組織方案加以改進，選取日本公司生產的小型盾構機設備，采用上述施工方法，完成隧道施工，從而達到節約成本的目的。

我們應該注重產品創新，并認真學習國外先進技術，提高自身技術水平，努力縮短與國際先進技術的差距，成為盾構機生產領域的佼佼者。從中國制造走向中國創造，引領世界潮流。

參考文獻

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