盾构掘进机发展战略研究
【提 要】：本文在回顾国内外盾构发展历程和阐明国内外盾构现状的基础上，指出国内盾构在地层稳定控制技术、结构设计技术、刀盘刀具设计技术、系统集成技术等7个方面存在的差距，并根据国内现有条件，在盾构研发的策略、组织形式、攻关课题等8个方面，提出了发展思路及措施。
【关键词】：盾构设备发展历史现状发展战略
Abstract: This paper on the base of reviewing shield development history and explaining the existing shield situation both domestic and abroad, indicates the gap lagging behind in relation to those abroad, in terms of ground stability control technique, structure design, cutting disk,and cutting tools design, and system integration, and the like 7 aspects, and in accordance with existing domestic conditions, puts forwards development thinking and measures in terms of shield R&D strategy, organizational pattern, nut cracking topics and the like 8 aspects.
Keywords: shield installation, development history, existing situation, development strategy.
盾构是一种挖掘隧道用的工程机械。传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿车外运，紧接着对挖空了的隧道进行支护，这种方法当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到“及时”支护，极易坍塌，造成大面积的地面塌陷。盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形（或矩形和马蹄形等特殊形状）钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构。在发达国家盾构法施工的隧道已占隧道总量的90%以上，日本一个国家在用盾构达千台以上。盾构法施工的隧道直径可以小到0.2m，大到18m，适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道工程。随着隧道工程对施工质量和环保要求的逐步提高，现代盾构已演变成为一种高度智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工程机械装备。我国在盾构施工隧道的关键设备和技术方面与发达国家相比存在着较大的差距，如何尽快提高我国盾构掘进水平使我国在先进隧道施工技术方面占世界一席之地是相关科研和施工技术人员一直关注的问题，本文综述国内、外盾构设备和技术发展的历史和现状，指出国内外盾构掘进技术的差距，提出我国发展盾构掘进机的思路。
1 国外盾构掘进机的发展历史和现状
1818年Marc Isambard Brunel获得隧道盾构法施工的专利，并在1825年到1843年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明盾构法隧道施工的价值。1830年由劳德考克让施（Lord Cochrance）发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。1874年格雷蒙特（James Henry Greathead）在伦敦地铁南线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出。1896年Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。到20世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广。1917年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构（直径为3.1m）。1974年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国Wayss & Freytag也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。［1～3］
纵观盾构隧道掘进180多年的发展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是在围绕着：①地层稳定和地面沉降控制；②机械化、自动化掘进和掘进速度；③衬砌和隧道质量，这三个要素进行盾构掘进机的改进和施工方法的革命。传统的盾构法是把这三个要素分别独立考虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、冻结法及气压法等。在盾构掘进机本身结构上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构。然而，任何地层稳定处理方法即使能抑制对地层的影响，也很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑安全的地面沉降问题，所以，很自然地发展到下一代盾构——闭胸式盾构。
现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的这三个要素，用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题。用压缩空气平衡土压力的方法，由于容易发生漏气、喷发、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等对环境的不良影响，尤其在遇到粘聚力小、透气性的地层这种方法无法胜任。自然，人们想到用液体代替空气来支撑工作面，最初在德国和英国进行了有关的试验，1967年日本完成了这一系统，即产生了现代概念上的泥水平衡盾构。泥水平衡盾构是靠送入工作面与密闭胸板间所形成空腔的加压泥水平衡土压、保持工作面稳定，并用泥水输送刀盘切削下来的弃土，这个方法的问世使工作面稳定状况大大改善，盾构法的适用范围被大大拓宽，盾构掘进机得到了前所未有的发展。然而，由于泥水平衡盾构需要大规模的泥水分离处理系统，占地面积大，对环境影响大，施工成本高，对城市内施工的隧道这个系统并不理想。继而在1974年日本首先研制成功土压平衡盾构，这一系统是将刀盘切削下来的弃土送入前端密闭仓内，搅拌或注入添加剂搅拌成塑流化的弃土并与螺旋型输送机等机构相结合，边使工作面保持适当稳定的压力，边通过螺旋输送机向外排土。这一系统由于排土处理简单，可靠性较高，得到了广泛的应用。现代盾构掘进机虽然在部件结构、驱动方式、自动控制、测控导向等方面做了很大的改进，但是这些工作面压力平衡的原理和方法一直沿用至今。当今盾构基本都是基于泥水平衡和土压平衡这两种模式，或是这两种模式的组合，或是这两种模式与开胸式组合，形成复合型盾构以适应地层条件多变的隧道施工的要求。
盾构掘进机的发展一直与基础工业的发展和地下工程的实际需要密切相关，而且，不同时期的盾构关键技术都被这个时期工业发达的少数几个国家所掌握，如19世纪的英国、德国和20世纪的德、日、美、法等国。随着这些国家经济、科技的发展，大量地下工程投入建设，促使盾构技术取得了长足的发展。盾构掘进技术是液压技术、机电控制技术、测控技术、计算机技术、材料技术等各类技术水平的综合体现。180年来，盾构掘进技术一直随这些相关技术的发展而不断发展完善。现代高新技术的应用使得盾构掘进的地面沉降控制、推进速度控制、测控导向、自动衬砌等变得越来越容易。
现代盾构掘进机较好地融合了盾构法的三要素，已经基本不需要围岩稳定处理和隧道的二次衬砌，在许多情况下盾构施工的综合施工成本比人工开挖施工低得多，而掘进速度高得多。为适合城市隧道需要的多样化，现已开发出超大断面盾构、多圆盾构、异形断面盾构、球体盾构等多种形式。对土压平衡技术也作了很多改进，气泡法和其它土质改性材料的开发使得土压平衡盾构的土质适用范围进一步拓宽，施工精度提高、成本降低。同时，盾构的自动化使施工安全和劳动环境、劳动强度大大改善。
2 国内盾构掘进机的发展历史和现状
我国盾构掘进技术的应用可以追溯到1953年东北阜新煤矿用手掘式盾构修建直径为2.6m的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术一直没有受到足够的重视，盾构技术的发展非常缓慢，应用也相当有限。直到1985年以后，随着经济技术的突飞猛进，各种地下工程的需求与日俱增，我国开始引进和研制全断面闭胸式盾构，可以说我国起步了现代盾构技术的开发和应用。进入20世纪90年代后，随着城市化进程的加快，城市地下空间的进一步利用，对环境保护和施工质量要求相对较高的城市地铁隧道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备。具有代表性的国内盾构施工隧道工程表1所示［7，8］。
表1 国内盾构施工隧道典型工程
与其他国家盾构发展历程相似，我国的盾构发展也是与不同时期的经济、技术的发展相对应，是社会、经济发展的需要和各种相关技术水平的综合体现。但是，在20世纪90年代以后，随着我国经济进入了良性发展的快车道，公路、铁路、水利建设和城市化进程等达到了前所未有的发展速度，对盾构的巨大市场需求大大超过了国内的盾构研制水平。20世纪90年代进行的几项重大工程所采用的盾构设备和施工技术基本都依赖进口，如：上海地铁1号线采用7台法国制造的土压平衡盾构； 上海2号线除了使用1号线的7台盾构外，又新进口了两台盾构；延安东路复线隧道采用从日本引进的泥水式平衡盾构；广州地铁1号线也采用日本制造的土压平衡盾构。
目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，如：上海隧道股份有限公司、铁道部隧道局、广重集团等单位自行设计和开发了适用的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构，但国产盾构仅能适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集地区、管线复杂地区、地质条件复杂的地区。当环境要求高、破坏后治理费用大时，综合考虑费效比后，还是不得不花费大量外汇采用进口盾构。可以说，我国现代盾构掘进设备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境的要求设计、制造适用的盾构掘进机的能力。
3 国内外盾构掘进机的差距
国内研制的盾构掘进机与国外先进盾构掘进机相比存在以下几方面的差距:
3.1 地层稳定和地面沉降控制技术
由于环境保护和地面设施的制约，对隧道施工的施工质量和环境保护要求越来越高，地面沉降控制成了衡量现代盾构技术水平的关键技术之一。现代盾构控制地面沉降和减少对土体扰动的最基本和有效的方法是采用泥水平衡和土压平衡（包括加压，加泥水、泡末和其他土质改性剂）技术。我国现有的平衡式盾构都是通过预先设定土仓内压力值以达到稳定地层的目的，在施工工程中根据地表沉降情况再进行调整，是一种“滞后式”的土压纠正。由于开挖面上土层的原始应力比较复杂，这种预先设定与滞后调整的结果会使机头处的地面隆起或塌陷，所以地层稳定和地表沉降控制的效果在很大程度上取决于施工人员的经验，施工质量难以保证。国外先进的平衡式盾构，在土仓内都设置先进的土压传感器，配备实时反馈及调整的机、电、液与计算机控制系统，在通常情况下都能很好地保证地层稳定的效果。这是国、内外盾构技术所存在的主要差距。
3.2 结构设计技术
我国目前研制的盾构掘进机都是单体形式的，盾体是一个刚体，断面尺寸越大在运动方面限制也就越严格，给隧道的弯道设计和施工造成困难。另外，由于盾构断面全为一孔，所以即使建造距离很近的（1～5m）复线隧道，也必须分上行与下行两线进行独立施工，给地面设施拥挤的城市隧道的设计带来困难，分别施工的两隧道的相互干扰也给施工带来不利影响。国外盾构掘进机已出现可折曲的盾体和多体等形式解决曲率半径小的弯道施工和复线隧道的一次施工等问题。可以把盾体分成两到三截，转弯灵活；截面有眼镜形、三圆形、拱形、H＆V等多种形式。国外先进盾构除了转弯半径与爬坡方面的限制较小外，像H＆V型盾构，在掘进过程中，可作水平与竖向的灵活转动，形成空间相对位置多样的隧道［9，10］。
3.3 刀盘刀具设计技术
从现有的盾构看，国内已经掌握基本的全断面切割刀盘技术，通常是在盾构机头部安装一个整体转动的圆盘，在上面布置若干刀头包括超挖刀头，转动方向固定，只能切割规则空间。在刀头刀盘的组合与刀头刀盘的运动分解上，缺少变化，在某些情况下，给盾构掘进机的转弯和爬坡等造成一定的麻烦。国外盾构出现了能有多种切割方向，可以伴随盾构机体位的改变而作相应调整的刀盘；并且实现了通过盾构掘进机刀具的切割方向和刀盘的分解组合生成多种异形空间（如矩形，椭圆形，眼镜形，扩大形等等）。另外，国内对刀具、刀盘的岩土适应性设计方面缺少完整的理论依据、系统的经验数据和可靠的实验装备，在刀具的可靠性和寿命方面存在一定的差距。
3.4 液压推进与导向技术
国内盾构所用土压探测与传感装置基本依赖进口，根据地表变形和运动轨迹进行实时反馈控制也基本没有应用。国外先进的盾构施工通常在开挖面与盾构周边必要的位置布置有各种监控点，采集盾构运行状态、土压和地层扰动等多种信号，这些信号和地表沉降信号一起输送给信号处理计算机，计算机分析这些数据后,发送液压系统控制信号，实现对盾构推进和导向的自动控制，基本可以实现无人化的精确操作。上海地铁1号线使用的法国盾构及延安东路复线隧道使用的日本盾构，都有先进的计算机信息处理与控制系统，既减少了人员劳动强度，又增加盾构机的工作效率与施工精度，通过实时数据分析处理、快速反馈、工程状态显示、实时控制，方便现场人员实时决策，达到信息化施工［11，12］。
3.5 衬砌技术
目前国内盾构都是采用管片拼装系统将砼管片拼装成隧道衬砌，管片拼装系统由中心支撑回转机构、径向和水平移动液压缸等组成，虽然实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装等基本还是靠人工作业，管片的拼装往往占用大量宝贵的掘进作业时间，直接影响施工进度和质量。日本已研制成功全自动化拼装系统，包括砼管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。目前欧洲和日本开始采用ECL（挤压混凝土衬砌施工法）技术代替传统的管片衬砌系统，在施工成本和衬砌质量方面都取得了良好的效果，这项技术在国内还没有应用。
3.6 防水和同步注浆技术
我国现有的盾构施工隧道管片衬砌中，主要采用环向与纵向膨胀橡胶防水，与国外相比，还没有发展采用土工防水布等技术［］。同步注浆技术是控制地层变形、地面沉降的重要措施，其关键是随着盾构的推进及时充分地充填盾壳外径与隧道衬砌外径之间的建筑空隙。目前有两种同步注浆系统：单液注浆和双液注浆系统。单液注浆系统较简单，但是浆液的性能要求较高很难配制合适的浆液。双液注浆由二套贮浆桶和注浆泵等组成，在出口处二管交叉喷出盾尾，即时硬化充填空隙，避免了单液注浆如果浆液凝结过快堵塞注浆系统并使充填不充分，凝结过慢又使隧道轴线变形和地面产生额外的沉降两难局面。单液同步注浆系统在国内已经研制成功，但是双液注浆系统和浆液仍然依赖进口。
3.7 系统集成技术
英、德、日、法、美等国，在长期的从实践到理论，再从理论到实践的反复探索过程中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，包括掘进机刀盘形式、刀具选型和布置、出土形式等；同时也逐渐形成了安装和调试的系统技术。几乎能针对所有的施工隧道地质条件设计、制造适用的盾构。这些国家还在进一步研制适用范围更广、开挖深度更深、技术自由度更大的技术。尤其是日本，依赖于盾构技术的发展，除了目前能用盾构开发出各种异形空间外，还提出大深度开发地下空间的种种构想，包括建造地下城市，深度常常达到地下百米以上。我国目前尚没有适合国情的适应性设计理论的指导，也没有系统的设计经验数据，系统的安装、调试技术也未完全掌握，所以国产盾构存在性能不稳定的现象，主要表现在：土层地质条件的适应能力差、地层扰动和地表沉降难以控制、可靠性低、自动化程度低。
4 发展我国盾构掘进机的战略
随着我国十五计划的实施，城市化进程的加快，国内对盾构的市场需求巨大，据预测，在未来的5年中我国对各类盾构的需求超过300台套；随着“863”计划以及“八五”、“九五”等科技项目的完成，我国在机、电、液、测量、控制技术和岩土施工技术等方面取得了长足的进步，有的已经赶上了世界先进水平，这些相关技术基本能够满足现代盾构技术发展的需要。总之，有国内良好的经济环境，有巨大的市场需求，又有相关技术的支持，我国发展盾构设备和技术的时机已到，我国的盾构设备设计、制造及其他相关技术实现跨越式发展，在较短的时间内赶超国际先进水平是完全可能的。作者在广泛调研的基础上，根据我国的国情，认为应该在以下几个方面采取措施或开展工作。
4.1 研发策略
本着“有所为有所不为的原则”，根据国情确定以具有广泛市场前景、技术要求高、直径为6.3m左右的地铁隧道盾构为研制对象；以具有典型复杂地质条件的地铁隧道为工程示范基地；以这套盾构和这个基地为载体，开发和实践先进的设计理论和相关技术；以点带面促进盾构技术的全面进步，继而带动全断面掘进机、非开挖设备的发展。
4.2 组织形式
盾构是集机、电、液、测控等多项技术于一体的大型工程装备，在我国发展盾构应该充分利用我国“便于集中力量办大事”的制度上的优势。集中全国各有关专业技术的优势，产、学、研等各个方面相结合，是推动我国盾构技术进步、保证在较短的时间内赶上世界先进水平的有效途径。为此，有必要成立一个由盾构设计、制造、安装、调试、施工及其他相关专业专家和技术管理人员组成的“盾构动态技术联盟”，协调各个研究单位开展工作。
4.3 合作模式的形成
充分利用国内现有的盾构设备研发能力及施工技术是发展我国盾构的捷径，所以应该引导形成一种合作模式，在这个模式下，把目前各自为政的盾构设计、制造、施工等企业联合起来，并和在相关技术上有优势的高校、科研院所相结合，形成一种企业间的动态技术联盟共同参与国际竞争。国家可以通过宏观的激励政策促成这种技术联盟的形成，在取得具有自主知识产权的关键共性技术后，保证参加单位有优先享用的权利。
4.4 盾构设计规范、标准建设
设计规范、试验标准等是保证盾构技术健康快速发展的必要条件。盾构设备不同于其他机械设备，具有很强的针对性，一般情况下都是根据工程的需要“量体定制”的，但是其施工质量、试验手段和结果的量化等可以制定相应的标准；其部件结构如：推进液压缸、液压马达等是可以制定相应的设计规范，便于部件的通用化，降低成本。
4.5 专业队伍的培养
设备和技术的竞争归根结底是人才的竞争，我国目前缺乏高层次的盾构设计、制造、安装、调试的专门人才，通过样机的研制和工程示范培养一支高水平的设计、制造、安装、调试的专业人才队伍，为盾构技术在我国的持续发展打下基础。
4.6 加强国际合作
通过多种途径、多种形式与国外著名企业和专家合作，借鉴别人的成功经验，在国际较高水平的基础上开展研究，以避免走不必要的弯路，确保我国盾构研发成果的高水平。
4.7 技术攻关课题组织
强调联合攻关，充分利用国内现有的如：液压、测控等技术的研究成果，组织相关专业领域的著名专家针对这些成果在盾构设备上的应用开展研究。围绕样机的研制设立科研课题进行攻关，并在样机上得到应用和验证；针对上述国内外盾构的7方面的差距，设立必要的基础研究课题作为进一步发展盾构的理论和技术上的储备。
4.8 建立盾构研发的数据库
盾构研制和施工的信息化是盾构技术发展的必然趋势，完善的数据库是盾构研发信息化的基础。在盾构的研发过程中建立和完善设计、制造、安装、调试、维修、施工的数据库是高速发展我国盾构技术必要的基础工程。克服以往盾构研制中的无效的重复现象，使其在全国范围内在一个前后贯穿的研发与积累的路线上进步。目前，在许多城市，如北京、上海、广州等地铁隧道施工正在紧张进行中，其中也不乏利用目前国际先进的盾构设备进行施工的隧道，为盾构施工积累了许多宝贵的经验和数据，充分利用这些数据，整理建立相应的数据库为盾构的研发服务，可以在较低的成本下取得宝贵的第一手资料，有效促进我国盾构研发水平的提高。
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新闻来源：《城市交通隧道工程最新技术》
