盾构机的研究现状及发展前景

术的开发，但是与国外相比，我国现代盾构机的研制
数企业在生产研制过程中过分依赖于国外技术的吸
在适应性设计、系统集成技术和关键元配件的生产制
收、图纸的消化，缺乏必要的模型试验与系统仿真研
造等方面，存在着一定的差距。
究。在盾构机虚拟样机建立与动态仿真，盾构机施工
３．１ 适应性设计
英、德、日、法、美等国在长期的实践探索过程 中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设
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盾构机的研究现状及发展前景
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ６ 期
自由断面盾构机 （图 ４） 是在一个普通圆形盾构主
刀盘的外侧，设置数个规模比主刀盘小的行星刀
盘，行星刀盘随
主刀盘在外围
做自转的同时
绕主刀盘公
转。掘削面的
中央部位有主
刀盘掘削，其
外周部位由外围
程机械装备。
和电液比例控制技术、遥控技术、激光雷达技术、卫
星制导技术、现场总线控制技术、摄像及视觉信号处
１ 盾构机的发展概述
１８１８ 年，英国人 Ｍａｒｃ Ｉｓａｍｂａｒｄ Ｂｒｕｎｅｌ 从一种食 船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工 技术，并获得专利 ［１］。１９ 世纪末到 ２０ 世纪中叶，盾 构机技术取得较快的发展，主要以气压式、手掘式、 半机械式、机械式盾构为主。２０ 世纪 ６０ 年代中期至 ８０ 年代末，在软粘土中使用了挤压式盾构机，开发了 闭胸式盾构机并得到广泛应用，形成了现代盾构技术 的主流。２０ 世纪 ９０ 年代以来，闭胸式的泥水式盾构
国外在盾构机研制开发过程中，非常重视系统仿
与研究工作。目前，国内许多企业，如上海隧道股份
真与模型试验，作为实现盾构掘进机结构与性能优化
有限公司、中铁隧道集团、广重集团、沈阳重型机械
设计的重要手段。国内只有少数企业，如上海隧道股
集团公司等单位相继开展了盾构设备的研制和相关技
份有限公司等单位建立了工业样机模型试验台，大多
易北河隧道
德国 ２００３ 年
格雷恩哈特隧道 荷兰 ２００４ 年
英吉利海峡隧道 英 国 、法 国 ２００８ 年
上海崇明越江隧道 中国
可靠成熟的国外名牌产品，用于盾构姿态控制、地表 沉降控制的土压探测与传感装置基本依赖进口。刀盘 刀具设计技术是盾构机的核心技术，减少刀具磨损需 要考虑很多方面，包括刀具本身的材质、刀具结构形 式、刀具切削的外部条件等，我国现有盾构机在这方 面还缺乏研究，对刀具磨损过程认识不足，对刀具、
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盾构机的研究现状及发展前景
论文编号：１ ０ ０ １ － ３ ９ ５ ４ （ ２ ０ ０ ６ ） ０ ６ － ０ ０ ２ ４ － ０ ２ ７
盾构机的研究现状及发展前景
＊ 崔国华 １，３ 王国强 １ 何恩光 ２ 张英爽 １
１ 吉林大学机械科学与工程学院 吉林长春 ２ 沈阳重型机械集团公司 ３ 河北工程大学
构机根据需要进
行组合，以开挖
多种隧道断面形
式。Ｈ ＆ Ｖ 盾构机 见图 ８。
图 ８ Ｈ＆Ｖ 盾构机
ＭＳＤ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｈｉｅｌｄ Ｄｏｃｋｉｎｇ） 盾构机。就是
设计制造一对盾构，１ 台为插入盾构，另 １ 台为接收
盾构。插入盾构一侧安装可前后移动的圆形钢套筒，
而在接收盾构的一侧则设置抗压橡胶密封止水条。两
有：Ｈ ＆ Ｖ 盾构法、Ｍ Ｓ Ｄ 盾构法、Ｍ Ｍ Ｓ Ｔ 盾构法、局
部扩大盾构工法、气泡盾构工法、硅胶盾构工法、
Ｅ Ｃ Ｌ 盾构工法
等，适用于各种
盾构工法的盾构
机也相应开发使
用。
Ｈ＆Ｖ （Ｈｏｒｉ－
ｚｏｎｔａｌ ＆ Ｖｅｒｔｉｃａｌ
ｖａｒｉａｔｉｏｎ） 盾构
机。就是将几个
圆形断面单体盾
１３００２５
ห้องสมุดไป่ตู้
盾构机械始于 １９ 世纪初的英国，发展于德、日 等国，适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧
形、马蹄形、椭圆形、ＭＦ 形 （双圆搭接、三圆搭接） 等多种异圆断面盾构机；从功能上讲出现了球体盾
道、引水隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道
构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途
工程。我国盾构机的研制、开发始于 ２０ 世纪 ６０ 年
式支
压挤 式 铲 切 掘 大 部 水压
健
撑 式
式压
式
削 进 刀 气 加平 机 盘 压 压衡 切 式 式式
削
图 １ 盾构机分类
机，因此，在泥水、土压盾构技术的完善、改进和提 高的基础上，新型盾构机相继问世。
２．１ 异圆型断面盾构机
主要有 ＭＦ （Ｍｕｌｔｉ－Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｆａｃｅ，多圆搭接） 盾 构机、自由断面 盾构机、偏心多 轴盾构机、双圆 （ Ｄ Ｏ Ｔ ） 盾构机 （ 图 ２ ）、椭圆形 盾构机、矩形 （ 矩形、凸字 形、凹字形） 盾 构机、马蹄形盾
盾构机类型 隧道直径φ （ｍ） 隧道名称
泥水
１４．１４
东京湾道路隧道
国家 日本
建成年限 １９９６ 年
口，影响盾构机的国产化进程。譬如，国内盾构关键 部件 —— 大轴承、驱动马达、液压阀件都是引进的
泥水
泥水 土压 泥水
１４．８０ １４．２０ １４．８０ １５．００ １５．２０
东京地铁 ７ 号线 日本 １９９６ 年
中更换刀具 （无需竖井） 盾构、障碍物直接切除盾构等
代，发展于 ２ ０ 世纪 ９ ０ 年代，其中地铁使用的数量
特种盾构机；从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、
最多，约占 ８ ０ ％ 。现代盾构已演变成为一种高度智能
摆动掘削方式的盾构机；
化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工
（３） 盾构机的技术科技含量越来越高。液力驱动
采· 机和土压平衡式盾构机成为世界范围内的主流产品。 盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家
２ 盾构机的研发现状
掘 和地区，日本和德国处于世界领先水平。据统计全球 己累计生产各种盾构机 １ 万多台，主要生产厂家有日
在都市隧道构筑中，迫切希望出现既能有效利用 地下空间，又能兼顾环境保护和降低工程造价的盾构
理技术等现代高新技术成果不断得到应用； （４） 盾构机基本实现了掘进、衬砌、排土施工工
艺的全机械化和全自动化。目前，施工设备出现了管 片供给、运送和组装自动化装置，施工管理中出现了 盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统，施工信息 化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统；
（５） 泥水盾构、土压平衡盾构是当前盾构机的主 流产品，但有些技术细节有待改进和提高，许多已问 世的新工法、新工艺尚待完善。
３．５ 衬砌和管片制作及拼装技术
是我国目前尚没有十分完善的适合国情的适应性设计
欧洲和日本等国已成功实施了全自动化拼装系
理论。我国现有盾构机与其需掘进地段的地质条件的
统，包括砼管片的输送、拼装机钳住管片、管片就
图 ７ 球体盾构机
直角分岔盾构机是为了实施直角分岔盾构工法
（ 即支线盾构机直接从干线盾构机内垂直进发，省略
中间变向竖井，地中直接构筑垂直分岔隧道的施工方
法） 而开发的产品，由干线盾构机及内藏的支线盾构
机构成。干线盾构机与一般的盾构机基本相同，内部
设有掘削刀盘、螺旋输送机、举重壁等部件。
近年来，各种特种盾构工法的相继问世，主要
浇注混凝土衬砌 片［ ４ ］。Ｍ Ｓ Ｄ 盾构 机见图 ９。
（ｂ） 接收盾构机 图 ９ Ｍ Ｓ Ｄ 盾构机
２．３ 超大口径和小口径圆形断面盾构机
欧洲是盾构技术的发源地，在研发大深度、大口 径、长距离等施工场合盾构机方面走在了世界的前 列。英、法两国联合建造了世界上最长的第一条英吉 利海峡隧道，该隧道全长 ４８．７５ ｋｍ，海底段 ３ ７ ． ５ ｋｍ ，最大深度为 １ ０ ０ ｍ。１ ９ ９ ９ 年，英、法两国又提 出了建造第二条英吉利海峡隧道 （φ １５ ｍ 土压式）， 预定 ２００８ 建成。荷兰格雷恩哈特隧道使用的是目前 世界上直径最大的泥水盾构机，系法国迈通公司设计 制造［３］。
一般情况下，断面直径 φ ≤ １ ｍ 称之为小口径
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采· 掘
２２ ５５
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盾构机的研究现状及发展前景
圆形盾构机，适用于市内各种浅层管道的设置，用途
全适合国情的系统的设计经验数据，没有完全掌握
极广。但方向不易控制，掘削中遇到硬块 （ 混凝土
图 ５ 偏心多轴式盾构机
２．２ 特种盾构机
主要有母子盾构机、球体盾构机、直角分岔盾构
机、复合盾构机 （ 系指硬岩、软土皆可掘削的盾构
机） 、中折盾构机、直角弯隧道盾构机、倾斜中空轴
全断面机内注浆盾构机、偏心中折急弯曲线盾构机
等。
母子盾构
机 （图 ６），即在
母盾构中内藏
一个直径比母
盾构直径小的
子盾构，掘进
台盾构分别从两侧各自推进到预定位置后，停止开
挖。各自将突出的切削刀盘拉进至盾构外壳内，插入
盾构将推出收藏
在盾构内的圆形
钢套筒，插入接
收盾构的受压橡
胶止水条至套筒
贯入室，使两台
盾构在地下结 合。完成对接
（ａ） 插入盾构机
后，在圆形钢套
筒的内周焊接钢
板使两台盾构机
形成一体，最后
把盾构内脏解
体，在隧道内侧
３ 国内外盾构机的技术差距
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
我国在盾构机研制方面已有多年经验，上世纪 ９０ 年代以来，自主研发了挤压式盾构、气压式盾构，重
寿命方面存在一定的差距。
３．４ 模型试验与系统仿真
点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化
（２） 盾构机的多样化。从断面形状方面出现了矩
构机的切削刀盘 按前后错开，并 使一部分重叠的 盾构机同时开挖 多个圆形断面。 主要有双圆搭接 型盾构机和三圆
＊ 作者简介：崔国华，男，１ ９ ７ ５ 年生，河北衡水人，吉林大
搭接型盾构机
学博士研究生，研究方向：机械设计及理论。
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（图 ３）。
图 ３ 三圆搭接型盾构机
的旋转行星刀盘 掘削，行星刀盘
图 ４ 自由断面盾构机
由摆动臂支撑［４］。
偏心多轴式盾构机 （图 ５） 采用多根主轴，垂直于
主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴上再安装刀架。
运转主轴刀架将
在同一平面内做
圆弧运动，被开
挖的断面接近于
刀架的形状。可
根据隧道断面形
状要求，将刀架
设计成圆弧矩
形、矩形、椭圆 形或马蹄形。
本 本三菱重工和川崎重工、德国海瑞克公司、美国的罗 栏 宾斯公司、法国迈通公司等。盾构机的类型较多，按 目 照结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，见
编 图 １。
辑
手掘式盾构 挤压式盾构 半机械式盾构 机械式盾构
敞 正 棚 全 局 网 正 螺 软 开 闭胸式
杨
开面 式 挤 部 格 反 旋 岩 胸 局 泥土
近年来，盾构机的技术进步极为显著，归纳起来
构机等。
图 ２ 双圆 （ＤＯＴ） 盾构机
主要有以下五个特点［２￣３］：
Ｍ Ｆ 盾构机
（１） 盾构机施工隧道的长距离化、大直径化；地
是将几只圆形盾
层适应性广，可用于硬岩、沙砾层、卵石层、沙层和 软土等各种地层；掘进断面尺寸变化范围较大，具有 向超大、微小两个方向发展的趋势，直径 １８ ｍ 的盾 构机已在研制，小到直径 ０．２ ｍ 的微型盾构机已在工 程中得到应用；
系统的安装、调试技术，所以国产盾构存在性能不稳
块、砖块、铁器管、铁器等） 时掘削困难。目前，直
定的现象［２，５ ，９］ 。
径为 ０．２ ｍ 的微型盾构机已在工程中得到应用。 近年超大断面盾构机应用情况见表 １。
表 １ 近年超大断面盾构机应用情况
３．３ 关键元配件生产技术
盾构机许多配套设备要求很高，但是国内盾构机 配套设备生产技术相对落后，许多关键设备还需要进
采· 计理论、盾构模拟试验方法和系统的经验数据。虽然 上海隧道股份公司国家 “８ ６ ３” 科研项目—— “盾构
掘 地层适应性设计理论、方法和模拟试验平台” 中的盾 构掘进模拟试验平台，已于 ２ ０ ０ ４ 年 １ ０ 月建成，但
作业过程的数值仿真，刀盘系统与纠偏系统的数值仿 真与模型试验，主轴顶进、中继顶进、主顶进等液压 系统的数值仿真与模型试验，物料输送机械／ 流体传 动系统的数值仿真等方面存在一定的差距，直接影响 了自主研发水平的提升，在关键技术与核心部件设计 上缺乏自主研发能力。
途中使子盾构
从母盾构中分
离出来继续掘
进，从而构筑 一条直径由大
图 ６ 母子盾构机
变小的两种直径隧道。
球体盾构机 （图 ７） 由大盾构、球体及小盾构组
成，大盾构内藏
可以旋转的球
体，球体内藏一
个无尾板可以伸
缩的小盾构。大
盾构完成大直径
隧道的切削，球
体的作用是转
向，小盾构完成
转向后小直径隧 道的切削。