盾构掘进机发展战略研究

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］。