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

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。

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。