国际盾构掘进机设备现状与发展趋势

国际盾构掘进机设备现状与发展趋势

盾构掘进机(Shield) 是地面下暗挖施工隧道的专用工程机械，它具有一个可以移动的钢结构外壳(盾壳)，内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业的一体化施工，被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设。目前，在欧美等发工业发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道已占90%以上。

现代盾构机掘进机集液压、机电控制、测控、计算机、材料等各类技术于一体，属于技术密集型产品，其生产主要集中在日本、德国、英国、美国、加拿大等少数发达国家，其中又以德国、美国、日本技术最为先进。

盾构机的种类

盾构机的机型种类很多。根据地层条件和具体施工方法的不同，隧道盾构机可分为硬岩隧道掘进机(即TMB)、软岩隧道盾构机。而按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和封闭式。其中，开敞式又可细分为人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构；半开敞式也有挤压盾构和网格盾构之分，而封闭式则可进一步分为泥水加压平衡盾构(含直接控制型、间接控制型两种)、土压平衡盾构(包括普通型、加泥型、加水型、泥浆型等种类)。还有将两种类型复合在一起的复合型，也包括泥水型、土压型、敞开型等多种，此外，还有适用于城市地下工程，如市政供排水、电缆管道建设的微型盾构。而目前作为主流技术的，主要有泥水加压平衡盾构机、土压平衡盾构机、复合型盾构机、TMB掘进机和微型盾构机五种。下面将着重介绍国外这五种盾构机的发展动态，包括生产厂商、产品及适用范围等。

（1）泥水加压平衡盾构机

泥水加压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构及附属装置组成。是目前各种盾构中最复杂、价格最贵的一种。它适用范围较大，多用于含水率高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械，对稳定的地层优点尤为明显，其工作效率要高于土压平衡盾构机，但随着土砂百分比的增加，会出现泥水分离难度增大的不足。

泥水平衡盾构机的主要生产厂商有：日本川崎重工、三菱重工、小松盾构以及德国的海瑞克公司；其中，川崎重工推出的产品中有直径为12.04m的超大直径泥水平衡盾构机，而在日本东京湾道路18.8公里海底隧道的掘进工程中就曾使用过日本石川岛播磨重工业株式会社生产的4台直径达到14.14m泥水加压平衡盾构。

（2）土压平衡盾构机

土压平衡盾构是在泥水加压盾构基础上开发的一种新型盾构。主要由盾壳、开挖机构、推进机构、排土机构、拼装机构及附属装置组成。土压平衡盾构通过对土压管理，保持土压或土碴量的相对平衡与稳定来进行工作。可广泛适用于对冲积粘土、洪积粘土砂质土、砂、砂砾、卵石等地质的施工，不需分离装置，占地面

积少，施工时的覆土层可相对较浅。日本川崎重工、德国的海瑞克公司、加拿大的lovat公司均有此类产品出售。其中，川崎重工的产品最大直径为10.2m；lovat 公司的RMEl81SE

Seviesl6900机型的直径为4.58m；德国海瑞克公司的S300产品直径可达15.20m，被认为是目前世界上直径最大的土压平衡盾构机，而日本三菱重工也于2005年7月研发出了直径为15米的土压平衡盾构机。

（3）组合式盾构机

组合式盾构机开挖面稳定，施工方法可视土质情况的变化而转换，因此适应范围较广，根据需要可以从土压平衡转换为泥水加压方式，土料输送可由螺旋输料器转为泥浆及管道输送。有一定知名度的产品有川崎重工推出的直径为10.2m组合式盾构机产品；德国的海瑞克出品的直径为14.2m的盾构机，则为目前世界上该类机型直径最大的产品。

（4）全断面硬岩掘进机（TBM掘进机）

全断面硬岩掘进机是由盾构技术发展而来。通常适用于硬基地层。其施工特点是稳定性良好、施工速度快、隧道成型好、对周围环境影响小。施工隧道直径大体从1.83m到11.93m，但使用最多的是3-6m直径范围，直径6m以上可按工程要求按需供应；开挖岩层的抗压强度范围从3MPa到385MPa，但大多数为50-150Mpa之间。日本川崎重工、德国的海瑞克公司、wirth公司、美国的Robbins 公司、加拿大的lovat公司等均有该机型产品，其中，lovat公司的GS

Series18100型号产品，直径 3.48m；美国Robbins公司的产品系列直径则从1.6m-11.87m不等；日本川崎重工出品的三圆心组合TBM机的外形尺寸可高达10.04×15.84m，为目前世界上直径最大的TBM掘进机。

（5）微型盾构机

行业内通常把直径小于3m的盾构称为微型盾构。该类机型主要用于市政供排水管道，电缆管道等的建造。

目前德国wirth公司出品了RVS80，RVSl60，RVS250-RVSl200型号的产品；加拿大的lovat公司欧洲分部也有直径小于1.5m的产品出售，如MS40PJS产品直径为1m，另外还有2m的产品。美国Robbins公司产品直径一般为1.8、2.1、2.2、2.4m，其中直径1.8m的产品，挖掘隧道长度可达125m。德国的海瑞克公司研发了A VN250-1200的产品系列，其直径从250-700mm不等，规格多达十余种。总体而言，该领域技术当数日本小松公司最为领先，其开发了直径从0.15到2.95m数十种规格的产品。其中0.15m直径的微型盾构为迄今为止世界上最小的该类产品。

盾构机发展方向

（1）开发新型盾构

开发用于海底、江底公路隧道的大口径圆形断面隧道掘进机（Φ≥16m），实现单向3车道，达到高速公路车流要求；开发小口径(Φ<1m)盾构掘进机，对市区密集建筑有自动导向、自动避开硬块等功能；开发异形断面隧道掘进机，满足城市共同沟构筑的要求。

（2）改进刀盘和刀具

刀盘、刀具是隧道掘进机上的重要组成部分之一。研究、开发不仅能自动更换刀盘而且刀头具有耐热、耐磨、耐腐蚀高硬度的材料，使得在隧道掘进机上安置的刀具既可切削坚硬的岩石，又可搅削含水软土层(即混合形盾构)，达到对多种不同性质的土层作稳定掘削。

（3）开发激光、陀螺并用的自动方向控制，新的卫星GPS定位系统，从而迅速准确地判断隧道掘进机姿态和设计轴线的偏差。

（4）提高隧道掘进机止水性能，加强土砂入口密封止水性能；开发新型的耐压性能和弹性止水性能良好的压力平衡式盾尾密封装置。

（5）进一步提高千斤顶推进速度(0.1m/min)，控制切削速度和进切深度。增设刀盘的制冷装置；适当扩大刀盘缝隙；增加滚筒式刀头，提高对较大卵石、石块破碎能力；采用双线路排泥系统，提高泥水分离处理能力，使其与双线路排泥系统适应。这样，可大幅度地提高推进速度。

（6）开发强度高、流动性好的钢纤维混凝土衬砌系统。

（7）研制开发在大坡度、小曲率半径线路上施工的盾构。

（8）管片制作、运输、拼装的新技术和装备。

（9）开发新的接缝防水材料，更新接缝防水、堵漏的施工工艺，彻底解决隧道衬砌渗漏问题。

（10）研制盾构穿越特殊有害地层的施工艺和技术装置。