国内外隧道盾构机技术发展趋势与应用

盾构机是一种专业工程机械，它主要用于在地下施工中开挖隧道。随着盾构掘机的发展，它集成了信息、光、电、传感、液、机、技术于一体，涉及地质、测量、电气、液压、机械、等多门技术，具有土碴运输、土体切削、衬砌隧道等功能，而且对于不同的地质进行相应的方案设计，准确性很高。文章介绍了盾构机的历史及其在具体工程中的应用与发展方向。

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盾构机主要由动力部分、顶进主轴、导向系统、刀盘系统、纠偏系统、中继顶进系统、排运岩土机构以及等几个部分组成。盾构掘进机的工作原理就是一个圆柱形的钢件沿隧洞轴线一边对土壤进行开挖，一边同时向前推进。这一钢件壳的作用是负责分担来自周围土层的压力，起到对正在施工作业隧洞的保护以及支撑作用，排土、挖掘、衬砌等作业都在该圆柱组件的支撑下进行。由于工作原理的不同，盾构机主要有混合型、泥水加压式、土压平衡盾构等多种。考虑到盾构机给实际工程带来了极大的便利，因此已经应用于许多地铁、市政、水电、等许多地下工程。

1 盾构机发展溯源

盾构机从发明那天起距今已经有180多年的历史，第一台盾构机诞生在英国，后由日本、德国不断发展壮大。盾构机的发展主要有三个阶段，盾构机的发明，盾构机的发展普及，盾构机的发展完善，随着科技的发展，盾构技术不断完善进步，从而为世界的隧道建设做出了重要的贡献。

1.1 第一台盾构机的诞生

1818年，英国工程师布鲁诺尔在一次偶然的情况下通过船板上的蛀孔，发现这种虫子在前进的过程中利用自身的分泌物涂在孔的周围来支撑周围物质得到启示，后来他完善了构思，发明了一种圆形铁壳，同时利用千斤顶在土壤中推进，在铁壳里的工人一边挖掘，一边衬砌轨道。从此世界上第一台盾构机便问世了。

1.2 盾构机在世界各国进一步发展普及

19世纪末到20世纪初盾构技术相继传入德、日、美等国，并得到了很大的发展。12年，美国率先发明了掘削工作面封闭不能直接观察到施工面作业的封闭式盾构，必须辅以多种监控装置来控制掘削面工作。1931年苏联利用盾构机建造了莫斯科地铁隧道，施工中首次使用了化学注浆和冻结工法。自此，这种施工方法得以传播，并在全球范围内广受欢迎。

1.3 现代盾构机的进步和完善

进入21世纪以来，日本不断研究改善盾构施工，做出了许多卓越的贡献，1968-19年近20年之间日本研发了多种盾构机类型，使盾构机进入了一个新的台阶，研发了泥水加压盾构、泥水式双圆搭接盾构工、泥土加压盾构、高浓度泥水盾构、注浆盾构工等多种施工法；1969年美国和英国在盾構施工中率先使用油压千斤顶盾构以及滚筒式挖掘机；这一时期开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主，盾构施工法不断完善发展，成绩斐然。

随着科技的发展，盾构机中存在的问题得到了有效的解决，其技术的瓶颈部分被不断突破、升级，像刀具的更换及使用寿命，及面对恶劣环境下的施工方案探讨，使盾构机有了进一步的发展。盾构机的发展同时离不开各个盾构机生产厂家的努力，目前国内外均有许多优秀的盾构机制造厂家，国外盾构机的主要制造厂家集中在欧美和日本，如美国的Robbins（罗宾斯）公司，德国的Herrenknecht AG（海瑞克）公司，加拿大的加拿大Lovat（罗福特）公司以及日本的小松制作所、三菱重工、川崎重工等。国内盾构机主要制造厂有三一重工、中国铁建重工集团、北京华隧通掘进装备有限公司、北方重工集团有限公司。目前，厂家已经可以根据不同的工程对象和地质条件、根据不同工程的不同需求来设计盾构机。

2 盾构机的使用日益广泛

目前，随着我国交通堵塞日益严重，为了缓解这种情况近几年我国的城市轨道交通发展很快，特别是城市地铁建设步伐日益加快，盾构施工法越来越多的应用于地铁施工中。2008年金融危机后，紧随我国投入数万亿资金支持铁路建设，中小城市的地铁建设也随之步入快车道。根据十二五规划，到2015年隧道建设投资额将达12157亿元，总里程将达6120公里，截至目前，北京、广州、上海等国内一线城市已经建成多条地铁线路，运营里程已达823.7公里，与此同时，已经批复了20多个城市的地铁建设。在33个地铁规划的城市中，其中在长三角与珠三角地区增长最快，新增248公里、129公里。在这些工程中有很多使用盾构机进行施工。

长沙地铁2号线：

长沙地铁2号线是长沙地铁中最早建设的地铁项目在地铁网络中属于核心骨干线路，隧道线路全长：42800m，2号线全线共分为7个盾构段，投入15台大型泥水平衡盾构掘进机，累计掘进35524米，占总量的83.1%。长沙地铁2号线最大站间距为2036m，为长沙火车南站至光达站区间，最小站间距为672m，为长沙火车站至锦泰广场站区间，平均站间距1182m。由长沙轨道交通建设集团公司重点建设，多个建设单位共同建造。长沙地铁在建设过程中实现了多个第一，盾构掘进施工在地铁建设中有着举足轻重的作用，在其他城市建设中许多设备都是从国外引进的，而长沙在其地铁建设中支持国产，尤其是在建设2号线的过程中，其所使用的施工技术以及机械设备全是国产的，在我国尚属首例。地铁2号线是长沙市轨道交通建设的重要组成部分。要穿越多种复杂的地层，为了满足复杂土质盾构机换了多达7种刀盘。尤其是线路中总长为4141m的一段，其施工过程中所面临的难题是跨越湘江，考虑到其施工长度超过1800m，在整个工程中所使用的盾构机均是国产的，成功解决了这一难题，最终实现整条线路的顺利竣工。需要特别指出的是，在该线路中设立的橘子洲站成为目前我国仅有的首例设立在江小岛上的站台，工程难度非常大。“湘江一号”过江盾构创新性的盾构技术，着重改进、升级了许多核心技术，有目的性的对该技术进行了改进和创新，成功避免了一系列的施工风险，从而确保了施工人员的人身安全，并攻破了在施工过程中遇到的技术难题，积累了宝贵的工程经验。同时这次国内自主研发具有完全自主知识产权的盾构机完美作业，一举打破了国外的技术垄断，使国际巨头不得不进行妥协，将每台机器的价格降低了1.1亿元，降至每台4000万元。从而争取市场话语权，为国家节约了大量资金。同时，这也是对我国盾构公司极大的肯定，促使其不断创新，提高自身技术水平，从而使其综合实力更上一层楼。3 我国盾构机发展历史和趋势

随着我国的经济高速发展，我国在交通、水利水电、市政地下工程等基础建设方面进展迅速，越来越多的工程离不开盾构掘进机，由于盾构机在盾构施工中具有许多优点，如自动化程度高、施工快速、地面沉降可控等特点，我国开始了漫长的盾构掘进机自主研发之路。由于起步有些晚，我国在盾构机的关键零件的制造水平仍然与国外有一定差距。

3.1 我国盾构技术的早期發展

1950年，东北阜新煤矿通过用手掘式盾构修建了国内首条盾构机挖掘的隧道。

1963年，上海隧道有限公司自主研发，结合上海地质条件，研发出了带有隧道防水的手掘式盾构机，并成功进行试验，贯通了长为65m的隧道。

1966年，上海的隧道工程设计院为了实现越江公路的顺利竣工，与造船厂强强联手，经过他们不懈的努力，研发了我国第一台超大型盾构机，直径达10.2m。正是利用这台设备，上海顺利完成了越江公路工程的作业，隧道长度1331m。

1970年，上海石化总厂率先采用了垂直顶升法取排水口的技术，采用两台大型挤压网格盾构机挖掘了总长3926m海底隧道。

3.2 我国盾构掘进技术的进步与探寻

1980年，上海市开始了地铁建设，由于上海地质松软，淤泥较多，上海隧道工程院积极研发，经过不的努力，终于成功研发了一台1号一台直径7.23m的网格挤压型盾构机，成功盾构隧道长度达1230m。

1982年，上海在引进一台日本三菱重工制造的直径4.21m小刀盘土压盾构的基础上，取长补短，研发完成了国内第一台直径为4.35m的盾构机，并在我国当时正在施工的过江隧道工程中成功地投入使用，解决了当时施工时的难题，这一设备无论是在制作工艺，还是在科技创新方面，都是当时同类产品的佼佼者，并一举摘得了1990年国家科技方面的一等奖。

3.3 我国隧道掘进技术的展望

1990年，上海隧道工程设计院、上海隧道股份有限公司在修建地铁的过程中，联合法国FCB公司一起研发了7台直径达6320mm的土压平衡盾构机，单机每30天掘进可超过300m，并可有效地将沉降限定在较小的范围内，为上海地铁的建设贡献了不少力量。并在上海地铁2号线的施工中，成功实现盾构机自主研发。

2000年，广州在修建地铁的过程中，积极吸取上海修建地铁的经验，并成功改制上海隧道有限公司自主研发的2台直径为6.03m复合型土压平衡盾构，在珠江特殊岩层的土质下成功盾构。

进入21世纪以来，我国盾构技术不断向前发展，一边引进国外先进设备，一边不断消化吸收自主研发。2001年，我国将盾构关键技术列入863计划，决定在较短时间内实现盾构机完全自主国产化。

2015年11月，在湖南长沙，国内第一台铁路大直径盾构机成功下线，这一由我国自主研发的大型高端装备，由中国铁建股份有限公司研发而成，使我国铁路施工领域在这一方面实现了零突破，预示着我国的盾构机的生产技术水平迈上一个新台阶，并有效保障了施工人员的人身安全，也加快了施工进度。国内首台铁路大直径盾构机的下线，开创了国产自主研制的先河，国产大型盾构施工装备创新能力与技术水平得到了前所未有的增长，也有利于加快实现从中国制造到中国创造的转变。

目前我国盾构掘进技术不断提高，我们与发达工业国家的距离慢慢减少。但是我们仍然在许多方面有着一定差距，如产品研发、售后保障、技术支持等方面，只有面对这种差距，取彼之长补己之短，才能在产品、技术、服务上实现新的突破，从而真正实现从中国制造到中国创造的转型升级。

4 世界盾构机的发展方向

现代盾构机掘进机集成了多种现代技术，如机电液一体化、测控、材料等，属于技术密集型产品。随着技术不断进步使得盾构机的操作、控制地表沉降更加便捷，隧道的施工质量大大提高。

4.1 系统化

盾构机自发明至今已经有近200年的历史了，其施工方法和机器的革新和改良都是针对以下几个方面：（1）地貌沉降量和地质构造；（2）施工的自动化程度和掘进施工的快捷程度；（3）隧道内衬砌筑可靠度。以往盾构施工则是单独对这几个方面带来的影响进行考虑，一般情况下，施工单位会用以下方法提高地层稳定性：降低地下水位、通过地基改良增加地耐力、冻结法。但是这些方法只是依靠外界作用，并没有从设备本身入手，考虑如何解决这一施工问题。尽管采用上述方法能够提高地层稳定性，但是考虑到在不同地点施工时要求会有所不同，而很难达到其所有的要求，尤其是第一个因素会使相应地上建筑的稳固性受到影响。相比之下，目前的盾构机则是面面俱到，将上述要点进行综合考虑，更是从设备结构角度提高了施工层面的稳定性，进而大幅度增加施工过程的安全性。

4.2 种类丰富多样

为适应不同工程的需要，盾构机的种类也越来越多，目前生产了多种形式的断面盾构机，例如圆形、矩形、双圆等盾构掘进设备，以满足不同地质结构的需求。例如圆形大口径的盾构机，就是为在江海中进行施工而量身打造的；而在高楼林立、房屋密集的城市进行作业时，厂家则推出了小口径的设备，以供其使用；而为了加快我国城市化进程，厂家又研发了异形截面的盾构机，以提高其施工效率。

4.3 超大型化和微小型化

为满足施工单位越来越高的需求，目前厂家所生产的产品正朝着超大化和微小化的两个方向发展。例如：由德国一家公司推出的RVS系列设备，有着RVS80，RVS160，RVS250-RVS1200等型号；加拿大的一家公司紧随其后，推出了不超过1.4m的设备，如MS40PJS型，其断面直径仅为1m，另有2m的产品。而美国Robbins公司研发的设备直径一般为1.8、2.1、2.4m，其一款直径1.8m的产品隧道的挖掘长度长达125m。而德国的Herrenknecht AG公司也研发出口径为0.21-0.7m等系列设备。而日本的一家企业成为了这一领域的佼佼者，先后推出了一系列产品，其直径范围从0.15m到2.95m。截至目前，全球最小的盾构机就是该公司生产的直径为0.15m的产品。这种设备特别适用于隧道的分断面施工，该设备具有先把施工断面划分为若干个小断面，将其一一作业完成后再将小断面间仅存的薄壁贯通，从而完成整个施工过程。较以往的方法而言，这种新的方法可使工程费用得到大幅度降低，使施工期大幅缩短。另外，考虑到盾构机的市场价格达到数千万，从经济性方面考虑，在工程量不大的情况下不宜选用盾构机，而是需要随机应变，对施工组织方案加以改进，选取日本公司生产的小型盾构机设备，采用上述施工方法，完成隧道施工，从而达到节约成本的目的。

我们应该注重产品创新，并认真学习国外先进技术，提高自身技术水平，努力缩短与国际先进技术的差距，成为盾构机生产领域的佼佼者。从中国制造走向中国创造，引领世界潮流。

参考文献

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[2]徐永福，孙钧.隧道盾构掘进施工对周围土体的影响[J].地下工程与隧道，1999，26（2）：9-13.

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