國內(nèi)外隧道盾構(gòu)機技術(shù)發(fā)展趨勢與應用

摘 要：盾構(gòu)機是一種專業(yè)工程機械，它主要用于在地下施工中開挖隧道。隨著盾構(gòu)掘機的發(fā)展，它集成了信息、光、電、傳感、液、機、技術(shù)于一體，涉及地質(zhì)、測量、電氣、液壓、機械、等多門技術(shù)，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(zhì)進行相應的方案設計，準確性很高。文章介紹了盾構(gòu)機的歷史及其在具體工程中的應用與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；發(fā)展；長沙地鐵

盾構(gòu)機主要由動力部分、頂進主軸、導向系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、中繼頂進系統(tǒng)、排運巖土機構(gòu)以及等幾個部分組成。盾構(gòu)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(yè)隧洞的保護以及支撐作用，排土、挖掘、襯砌等作業(yè)都在該圓柱組件的支撐下進行。由于工作原理的不同，盾構(gòu)機主要有混合型、泥水加壓式、土壓平衡盾構(gòu)等多種?？紤]到盾構(gòu)機給實際工程帶來了極大的便利，因此已經(jīng)應用于許多地鐵、市政、水電、等許多地下工程。

1 盾構(gòu)機發(fā)展溯源

盾構(gòu)機從發(fā)明那天起距今已經(jīng)有180多年的歷史，第一臺盾構(gòu)機誕生在英國，后由日本、德國不斷發(fā)展壯大。盾構(gòu)機的發(fā)展主要有三個階段，盾構(gòu)機的發(fā)明，盾構(gòu)機的發(fā)展普及，盾構(gòu)機的發(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(gòu)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(fā)現(xiàn)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(zhì)得到啟示，后來他完善了構(gòu)思，發(fā)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(gòu)機便問世了。

1.2 盾構(gòu)機在世界各國進一步發(fā)展普及

19世紀末到20世紀初盾構(gòu)技術(shù)相繼傳入德、日、美等國，并得到了很大的發(fā)展。1892年，美國率先發(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)控裝置來控制掘削面工作。1931年蘇聯(lián)利用盾構(gòu)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(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)機的進步和完善

進入21世紀以來，日本不斷研究改善盾構(gòu)施工，做出了許多卓越的貢獻，1968-1989年近20年之間日本研發(fā)了多種盾構(gòu)機類型，使盾構(gòu)機進入了一個新的臺階，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年美國和英國在盾構(gòu)施工中率先使用油壓千斤頂盾構(gòu)以及滾筒式挖掘機；這一時期開發(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，成績斐然。

隨著科技的發(fā)展，盾構(gòu)機中存在的問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，像刀具的更換及使用壽命，及面對惡劣環(huán)境下的施工方案探討，使盾構(gòu)機有了進一步的發(fā)展。盾構(gòu)機的發(fā)展同時離不開各個盾構(gòu)機生產(chǎn)廠家的努力，目前國內(nèi)外均有許多優(yōu)秀的盾構(gòu)機制造廠家，國外盾構(gòu)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(nèi)盾構(gòu)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(jīng)可以根據(jù)不同的工程對象和地質(zhì)條件、根據(jù)不同工程的不同需求來設計盾構(gòu)機。

2 盾構(gòu)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(fā)展很快，特別是城市地鐵建設步伐日益加快，盾構(gòu)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(shù)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(jù)十二五規(guī)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(nèi)一線城市已經(jīng)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(jīng)批復了20多個城市的地鐵建設。在33個地鐵規(guī)劃的城市中，其中在長三角與珠三角地區(qū)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(gòu)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(wǎng)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(gòu)段，投入15臺大型泥水平衡盾構(gòu)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(qū)間，最小站間距為672m，為長沙火車站至錦泰廣場站區(qū)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(xiàn)了多個第一，盾構(gòu)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(chǎn)，尤其是在建設2號線的過程中，其所使用的施工技術(shù)以及機械設備全是國產(chǎn)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(zhì)盾構(gòu)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(gòu)機均是國產(chǎn)的，成功解決了這一難題，最終實現(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?！跋娼惶枴边^江盾構(gòu)創(chuàng)新性的盾構(gòu)技術(shù)，著重改進、升級了許多核心技術(shù)，有目的性的對該技術(shù)進行了改進和創(chuàng)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(shù)難題，積累了寶貴的工程經(jīng)驗。同時這次國內(nèi)自主研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機完美作業(yè)，一舉打破了國外的技術(shù)壟斷，使國際巨頭不得不進行妥協(xié)，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(quán)，為國家節(jié)約了大量資金。同時，這也是對我國盾構(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，從而使其綜合實力更上一層樓。

3 我國盾構(gòu)機發(fā)展歷史和趨勢

隨著我國的經(jīng)濟高速發(fā)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(gòu)掘進機，由于盾構(gòu)機在盾構(gòu)施工中具有許多優(yōu)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(gòu)掘進機自主研發(fā)之路。由于起步有些晚，我國在盾構(gòu)機的關(guān)鍵零件的制造水平仍然與國外有一定差距。

3.1 我國盾構(gòu)技術(shù)的早期發(fā)展

1950年，東北阜新煤礦通過用手掘式盾構(gòu)修建了國內(nèi)首條盾構(gòu)機挖掘的隧道。

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，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(xiàn)越江公路的順利竣工，與造船廠強強聯(lián)手，經(jīng)過他們不懈的努力，研發(fā)了我國第一臺超大型盾構(gòu)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(yè)，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(shù)，采用兩臺大型擠壓網(wǎng)格盾構(gòu)機挖掘了總長3926m海底隧道。

3.2 我國盾構(gòu)掘進技術(shù)的進步與探尋

1980年，上海市開始了地鐵建設，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)過不的努力，終于成功研發(fā)了一臺1號一臺直徑7.23m的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)機，成功盾構(gòu)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(gòu)的基礎上，取長補短，研發(fā)完成了國內(nèi)第一臺直徑為4.35m的盾構(gòu)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(chuàng)新方面，都是當時同類產(chǎn)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(shù)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(lián)合法國FCB公司一起研發(fā)了7臺直徑達6320mm的土壓平衡盾構(gòu)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(nèi)，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(xiàn)盾構(gòu)機自主研發(fā)。

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(jīng)驗，并成功改制上海隧道有限公司自主研發(fā)的2臺直徑為6.03m復合型土壓平衡盾構(gòu)，在珠江特殊巖層的土質(zhì)下成功盾構(gòu)。

進入21世紀以來，我國盾構(gòu)技術(shù)不斷向前發(fā)展，一邊引進國外先進設備，一邊不斷消化吸收自主研發(fā)。2001年，我國將盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)列入863計劃，決定在較短時間內(nèi)實現(xiàn)盾構(gòu)機完全自主國產(chǎn)化。

2015年11月，在湖南長沙，國內(nèi)第一臺鐵路大直徑盾構(gòu)機成功下線，這一由我國自主研發(fā)的大型高端裝備，由中國鐵建股份有限公司研發(fā)而成，使我國鐵路施工領域在這一方面實現(xiàn)了零突破，預示著我國的盾構(gòu)機的生產(chǎn)技術(shù)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(nèi)首臺鐵路大直徑盾構(gòu)機的下線，開創(chuàng)了國產(chǎn)自主研制的先河，國產(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，也有利于加快實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變。

目前我國盾構(gòu)掘進技術(shù)不斷提高，我們與發(fā)達工業(yè)國家的距離慢慢減少。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，只有面對這種差距，取彼之長補己之短，才能在產(chǎn)品、技術(shù)、服務上實現(xiàn)新的突破，從而真正實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)型升級。

4 世界盾構(gòu)機的發(fā)展方向

現(xiàn)代盾構(gòu)機掘進機集成了多種現(xiàn)代技術(shù)，如機電液一體化、測控、材料等，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。隨著技術(shù)不斷進步使得盾構(gòu)機的操作、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)機自發(fā)明至今已經(jīng)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(zhì)構(gòu)造；（2）施工的自動化程度和掘進施工的快捷程度；（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(wěn)定性：降低地下水位、通過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(wěn)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(wěn)固性受到影響。相比之下，目前的盾構(gòu)機則是面面俱到，將上述要點進行綜合考慮，更是從設備結(jié)構(gòu)角度提高了施工層面的穩(wěn)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(gòu)機的種類也越來越多，目前生產(chǎn)了多種形式的斷面盾構(gòu)機，例如圓形、矩形、雙圓等盾構(gòu)掘進設備，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，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(yè)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(fā)了異形截面的盾構(gòu)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(chǎn)的產(chǎn)品正朝著超大化和微小化的兩個方向發(fā)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(chǎn)品。而美國Robbins公司研發(fā)的設備直徑一般為1.8、2.1、2.4m，其一款直徑1.8m的產(chǎn)品隧道的挖掘長度長達125m。而德國的Herrenknecht AG公司也研發(fā)出口徑為0.21-0.7m等系列設備。而日本的一家企業(yè)成為了這一領域的佼佼者，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)機就是該公司生產(chǎn)的直徑為0.15m的產(chǎn)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(yè)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(gòu)機的市場價格達到數(shù)千萬，從經(jīng)濟性方面考慮，在工程量不大的情況下不宜選用盾構(gòu)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(chǎn)的小型盾構(gòu)機設備，采用上述施工方法，完成隧道施工，從而達到節(jié)約成本的目的。

我們應該注重產(chǎn)品創(chuàng)新，并認真學習國外先進技術(shù)，提高自身技術(shù)水平，努力縮短與國際先進技術(shù)的差距，成為盾構(gòu)機生產(chǎn)領域的佼佼者。從中國制造走向中國創(chuàng)造，引領世界潮流。

參考文獻

[1]徐永福.盾構(gòu)推進引起地面變形的分析[J].地下工程與隧道，2000，27（1）：21-25.

[2]徐永福，孫鈞.隧道盾構(gòu)掘進施工對周圍土體的影響[J].地下工程與隧道，1999，26（2）：9-13.

[3]尹旅超，等.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].華中理工大學出版社，1999.