國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研究現(xiàn)狀與展望

鐘 磊 高 進(jìn)

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250000）

盾構(gòu)機(jī)械始于19世紀(jì)初的英國(guó)[1]，發(fā)展于德國(guó)、日本等國(guó)，適用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道、引水隧道、礦山巷道、城市市政隧道等各種隧道工程[2-4]。隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市交通成為當(dāng)下最重要的問(wèn)題之一，盾構(gòu)機(jī)作為隧道建設(shè)的施工設(shè)備也被廣泛應(yīng)用，圖1為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的總裝圖。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)總裝圖

1 國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在盾構(gòu)機(jī)研制方面已有多年經(jīng)驗(yàn)，20世紀(jì)90年代以來(lái)，自主研發(fā)了擠壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)，如上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團(tuán)、廣重集團(tuán)、沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)公司等單位相繼開(kāi)展了盾構(gòu)設(shè)備的研制和相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，但與國(guó)外相比，我國(guó)現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)的研制在適應(yīng)性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成技術(shù)和關(guān)鍵元配件的生產(chǎn)制造等方面還存在一定的差距。

經(jīng)過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)方面論文的查閱發(fā)現(xiàn)，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的研究大多集中在對(duì)刀盤(pán)和拼裝機(jī)研究上，主要因?yàn)樗淼赖木蜻M(jìn)和管片的拼裝是盾構(gòu)機(jī)最基本的工作。盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)、電、液、光、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的大型工程機(jī)械裝備，因此，關(guān)于盾構(gòu)機(jī)的研究也涉及很多領(lǐng)域，如電氣、機(jī)械、土木、數(shù)學(xué)等。重慶交通大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)的李鵬飛[5]在他的畢業(yè)論文中研究了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中地面沉降的問(wèn)題，并對(duì)工程施工監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了完善；俱攀武[6]和仝哲[7]都分別在他們的畢業(yè)論文中對(duì)刀盤(pán)受力的問(wèn)題從不同方面進(jìn)行分析；王日啟[8]、喬向南[9]分別在他們的畢業(yè)論文中運(yùn)用ANSYS對(duì)刀盤(pán)受力和典型部位焊接進(jìn)行分析；大連理工大學(xué)電機(jī)與電器專(zhuān)業(yè)的羅亞琴[10]在她的畢業(yè)論文中采用系統(tǒng)仿真的方法對(duì)四臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步和轉(zhuǎn)矩同步系統(tǒng)進(jìn)行了分析。然而，一般情況下，電驅(qū)型盾構(gòu)機(jī)所用的電機(jī)數(shù)量至少是六個(gè)；南京理工大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的孫志超[11]在他的畢業(yè)論文中對(duì)管片拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

2 國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展展望

盾構(gòu)技術(shù)目前已成為構(gòu)筑地下鐵路、電信、電力、上下水道等城市隧道的主要施工方法[8]。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、遙感技術(shù)的發(fā)展以及各類(lèi)隧道挖掘需求的增加，未來(lái)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展方向趨勢(shì)可歸納為下述三點(diǎn)。

2.1 機(jī)型多樣化

未來(lái)盾構(gòu)機(jī)將不限于如今的圓形盾構(gòu)機(jī)。為適應(yīng)各種斷面尺寸和形狀的需求，未來(lái)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)不再是整體結(jié)構(gòu)，整個(gè)刀盤(pán)將由多個(gè)模塊構(gòu)成，通過(guò)各模塊的自轉(zhuǎn)及模塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)構(gòu)造出不同的斷面形狀，以滿(mǎn)足不同的需求[9]。

2.2 控制智能化

盾構(gòu)機(jī)將不斷采用類(lèi)似機(jī)器人的技術(shù)，如控制、遙控、傳感器、導(dǎo)向、測(cè)量、探測(cè)、通訊技術(shù)等，盾構(gòu)機(jī)的機(jī)器人化發(fā)展趨勢(shì)不可阻擋[10]。盾構(gòu)機(jī)智能化是小型化的前提條件。另外，盾構(gòu)機(jī)的施工條件惡劣，各類(lèi)安全隱患較多，對(duì)跟隨機(jī)器施工的人員安全威脅較大。盾構(gòu)機(jī)智能化可以將人從設(shè)備中解放出來(lái)。

2.3 整機(jī)輕量化

目前，盾構(gòu)機(jī)采用的是整體鋼結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量500t以上，導(dǎo)致其生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝等工作困難，從開(kāi)始生產(chǎn)到下線(xiàn)施工的時(shí)間跨度太大。另外，由于施工過(guò)程中磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致其施工距離僅有幾千米，地鐵建設(shè)成本較大。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，更輕、更耐磨的材料將部分甚至整體取代盾構(gòu)機(jī)上的鋼結(jié)構(gòu)。隨著集成化發(fā)展，后配套設(shè)施長(zhǎng)度將更短，高度和寬度更小，而功能將更加完善。

3 濟(jì)南地鐵建設(shè)

近幾年，濟(jì)南地鐵的建設(shè)也在如火如荼的進(jìn)行著，其隧道的挖掘便是基本采用盾構(gòu)機(jī)這一設(shè)備，且全部為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。目前，R1線(xiàn)已全線(xiàn)貫通，R2、R3線(xiàn)預(yù)計(jì)在2020年以前結(jié)束施工。盾構(gòu)機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其他重要結(jié)構(gòu)如刀盤(pán)和管片拼裝機(jī)如圖3和圖4所示。

圖2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)

圖4 管片拼裝機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，概括性的對(duì)未來(lái)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展方向做了展望。綜合來(lái)看，我國(guó)在盾構(gòu)機(jī)行業(yè)中屬于后來(lái)者，起步較晚、實(shí)際應(yīng)用較少，關(guān)鍵零部件還受制于人，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的所有盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵總成和零部件大半部分還是依賴(lài)于進(jìn)口[11]。因此，加快盾構(gòu)機(jī)方面的研究、生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)設(shè)備變得尤為迫切。

Current Status and Prospects of Domestic Shield Machine Research

ZHONG Lei,GAO jin
(Jinan Heavy Machinery Joint-stock Co., Ltd., Jinan 250000)

Abstract:This paper mainly introduces the development process and current situation of shield tunneling machine and the related achievements in China. In light of my own reality, take Ji’nan as example, this article made a brief summary of the current situation of the shield machine combining with my actual work.

Key Words:Shield tunneling machine,Ji’nan Metro,Earth pressure balance,Light weight