盾構掘進機發展戰略研究
【提 要】：本文在回顧國內外盾構發展歷程和闡明國內外盾構現狀的基礎上，指出國內盾構在地層穩定控制技術、結構設計技術、刀盤刀具設計技術、系統集成技術等7個方面存在的差距，并根據國內現有條件，在盾構研發的策略、組織形式、攻關課題等8個方面，提出了發展思路及措施。
【關鍵詞】：盾構設備發展歷史現狀發展戰略
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.
盾構是一種挖掘隧道用的工程機械。傳統的隧道施工方法是用人工或機械方法將土挖掘下來，再裝上礦車外運，緊接著對挖空了的隧道進行支護，這種方法當遇到淤泥或流沙層等地質條件時，很難做到“及時”支護，極易坍塌，造成大面積的地面塌陷。盾構施工是在一個能支撐地層壓力而又能在地層中推進的圓形（或矩形和馬蹄形等特殊形狀）鋼筒結構的掩護下，完成挖掘、出土、隧道支護等工作，它的最大的特點就是整個隧道掘進過程都是在這個被稱做護盾的鋼結構的掩護下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。與傳統的隧道掘進技術相比，盾構法施工具有安全可靠、機械化程度高、工作環境好、土方量少、進度快、施工成本低等優點，尤其在地質條件復雜、地下水位高而隧道埋深較大時，只能依賴盾構。在發達國家盾構法施工的隧道已占隧道總量的90%以上，日本一個國家在用盾構達千臺以上。盾構法施工的隧道直徑可以小到0.2m，大到18m，適用于地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道、引水隧道、礦山巷道、城市市政隧道等各種隧道工程。隨著隧道工程對施工質量和環保要求的逐步提高，現代盾構已演變成為一種高度智能化，集機、電、液、光、計算機技術為一體的大型工程機械裝備。我國在盾構施工隧道的關鍵設備和技術方面與發達國家相比存在著較大的差距，如何盡快提高我國盾構掘進水平使我國在先進隧道施工技術方面占世界一席之地是相關科研和施工技術人員一直關注的問題，本文綜述國內、外盾構設備和技術發展的歷史和現狀，指出國內外盾構掘進技術的差距，提出我國發展盾構掘進機的思路。
1 國外盾構掘進機的發展歷史和現狀
1818年Marc Isambard Brunel獲得隧道盾構法施工的專利，并在1825年到1843年間首次使用盾構在倫敦的泰晤士河下修建了一條河底隧道，初步證明盾構法隧道施工的價值。1830年由勞德考克讓施（Lord Cochrance）發明了施加壓縮空氣防止涌水的“氣壓法”。1874年格雷蒙特（James Henry Greathead）在倫敦地鐵南線的隧道建設中采用了氣壓盾構法的施工工藝，并首創了在盾尾后面的襯砌外圍環形空隙中壓漿的施工方法，并開發了用流體支撐開挖面的盾構，開挖出的棄土以泥水流的方式排出。1896年Haag在柏林第一次申請了德國泥水式盾構的專利，形成了現代泥水式盾構的雛形，推動了盾構施工技術的發展。到20世紀初，盾構施工法在英、美、德、俄、法、日等國開始推廣。1917年日本開始在鐵羽越線的折返段隧道施工中引進盾構法，1938年正式在國鐵關門隧道應用盾構法施工，為日本盾構技術的發展奠定了基礎。1967年由英國提出的泥水加壓系統在日本得到了實施，日本研制成功第一臺有切削刀盤、水力出土的泥水加壓式盾構（直徑為3.1m）。1974年日本獨創性地研制成功土壓平衡盾構，同時德國Wayss & Freytag也研制成功頗具特點的膨潤土懸浮液支撐開挖面的泥水平衡盾構。之后，盾構技術得到了迅猛發展，已成功應用于各種公路隧道、地鐵隧道、引水隧道以及市政公用設施隧道等。［1～3］
縱觀盾構隧道掘進180多年的發展歷史，盾構隧道施工法和盾構掘進機的改進都是在圍繞著：①地層穩定和地面沉降控制；②機械化、自動化掘進和掘進速度；③襯砌和隧道質量，這三個要素進行盾構掘進機的改進和施工方法的革命。傳統的盾構法是把這三個要素分別獨立考慮的，把地層穩定處理作為盾構的輔助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、凍結法及氣壓法等。在盾構掘進機本身結構上沒有考慮對地層穩定的影響或減少和防止地面沉降，盾構一般為敞胸式結構。然而，任何地層穩定處理方法即使能抑制對地層的影響，也很難滿足在城市內施工時的各種要求，特別是關系到地面建筑安全的地面沉降問題，所以，很自然地發展到下一代盾構——閉胸式盾構。
現代盾構的一個最為顯著的特點就是統籌考慮盾構法的這三個要素，用盾構掘進機設備本身解決工作面穩定的問題。用壓縮空氣平衡土壓力的方法，由于容易發生漏氣、噴發、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等對環境的不良影響，尤其在遇到粘聚力小、透氣性的地層這種方法無法勝任。自然，人們想到用液體代替空氣來支撐工作面，最初在德國和英國進行了有關的試驗，1967年日本完成了這一系統，即產生了現代概念上的泥水平衡盾構。泥水平衡盾構是靠送入工作面與密閉胸板間所形成空腔的加壓泥水平衡土壓、保持工作面穩定，并用泥水輸送刀盤切削下來的棄土，這個方法的問世使工作面穩定狀況大大改善，盾構法的適用范圍被大大拓寬，盾構掘進機得到了前所未有的發展。然而，由于泥水平衡盾構需要大規模的泥水分離處理系統，占地面積大，對環境影響大，施工成本高，對城市內施工的隧道這個系統并不理想。繼而在1974年日本首先研制成功土壓平衡盾構，這一系統是將刀盤切削下來的棄土送入前端密閉倉內，攪拌或注入添加劑攪拌成塑流化的棄土并與螺旋型輸送機等機構相結合，邊使工作面保持適當穩定的壓力，邊通過螺旋輸送機向外排土。這一系統由于排土處理簡單，可靠性較高，得到了廣泛的應用。現代盾構掘進機雖然在部件結構、驅動方式、自動控制、測控導向等方面做了很大的改進，但是這些工作面壓力平衡的原理和方法一直沿用至今。當今盾構基本都是基于泥水平衡和土壓平衡這兩種模式，或是這兩種模式的組合，或是這兩種模式與開胸式組合，形成復合型盾構以適應地層條件多變的隧道施工的要求。
盾構掘進機的發展一直與基礎工業的發展和地下工程的實際需要密切相關，而且，不同時期的盾構關鍵技術都被這個時期工業發達的少數幾個國家所掌握，如19世紀的英國、德國和20世紀的德、日、美、法等國。隨著這些國家經濟、科技的發展，大量地下工程投入建設，促使盾構技術取得了長足的發展。盾構掘進技術是液壓技術、機電控制技術、測控技術、計算機技術、材料技術等各類技術水平的綜合體現。180年來，盾構掘進技術一直隨這些相關技術的發展而不斷發展完善。現代高新技術的應用使得盾構掘進的地面沉降控制、推進速度控制、測控導向、自動襯砌等變得越來越容易。
現代盾構掘進機較好地融合了盾構法的三要素，已經基本不需要圍巖穩定處理和隧道的二次襯砌，在許多情況下盾構施工的綜合施工成本比人工開挖施工低得多，而掘進速度高得多。為適合城市隧道需要的多樣化，現已開發出超大斷面盾構、多圓盾構、異形斷面盾構、球體盾構等多種形式。對土壓平衡技術也作了很多改進，氣泡法和其它土質改性材料的開發使得土壓平衡盾構的土質適用范圍進一步拓寬，施工精度提高、成本降低。同時，盾構的自動化使施工安全和勞動環境、勞動強度大大改善。
2 國內盾構掘進機的發展歷史和現狀
我國盾構掘進技術的應用可以追溯到1953年東北阜新煤礦用手掘式盾構修建直徑為2.6m的疏水巷道，但是由于受這一時期我國經濟技術的限制，盾構技術一直沒有受到足夠的重視，盾構技術的發展非常緩慢，應用也相當有限。直到1985年以后，隨著經濟技術的突飛猛進，各種地下工程的需求與日俱增，我國開始引進和研制全斷面閉胸式盾構，可以說我國起步了現代盾構技術的開發和應用。進入20世紀90年代后，隨著城市化進程的加快，城市地下空間的進一步利用，對環境保護和施工質量要求相對較高的城市地鐵隧道的需求越來越大，為了滿足這一需求，我國開始大規模地引進、應用國際先進的盾構施工技術和設備。具有代表性的國內盾構施工隧道工程表1所示［7，8］。
表1 國內盾構施工隧道典型工程
與其他國家盾構發展歷程相似，我國的盾構發展也是與不同時期的經濟、技術的發展相對應，是社會、經濟發展的需要和各種相關技術水平的綜合體現。但是，在20世紀90年代以后，隨著我國經濟進入了良性發展的快車道，公路、鐵路、水利建設和城市化進程等達到了前所未有的發展速度，對盾構的巨大市場需求大大超過了國內的盾構研制水平。20世紀90年代進行的幾項重大工程所采用的盾構設備和施工技術基本都依賴進口，如：上海地鐵1號線采用7臺法國制造的土壓平衡盾構； 上海2號線除了使用1號線的7臺盾構外，又新進口了兩臺盾構；延安東路復線隧道采用從日本引進的泥水式平衡盾構；廣州地鐵1號線也采用日本制造的土壓平衡盾構。
目前，國內許多企業雖然也開展了盾構設備的研制和相關技術的開發，如：上海隧道股份有限公司、鐵道部隧道局、廣重集團等單位自行設計和開發了適用的盾構掘進機和相關的施工技術，制造了多種形式的盾構，但國產盾構僅能適用于周圍環境要求不高和地質條件單一的地區，不適合建筑密集地區、管線復雜地區、地質條件復雜的地區。當環境要求高、破壞后治理費用大時，綜合考慮費效比后，還是不得不花費大量外匯采用進口盾構。可以說，我國現代盾構掘進設備和技術的研制才剛剛起步，尚沒有形成能針對不同地質條件和環境的要求設計、制造適用的盾構掘進機的能力。
3 國內外盾構掘進機的差距
國內研制的盾構掘進機與國外先進盾構掘進機相比存在以下幾方面的差距:
3.1 地層穩定和地面沉降控制技術
由于環境保護和地面設施的制約，對隧道施工的施工質量和環境保護要求越來越高，地面沉降控制成了衡量現代盾構技術水平的關鍵技術之一。現代盾構控制地面沉降和減少對土體擾動的最基本和有效的方法是采用泥水平衡和土壓平衡（包括加壓，加泥水、泡末和其他土質改性劑）技術。我國現有的平衡式盾構都是通過預先設定土倉內壓力值以達到穩定地層的目的，在施工工程中根據地表沉降情況再進行調整，是一種“滯后式”的土壓糾正。由于開挖面上土層的原始應力比較復雜，這種預先設定與滯后調整的結果會使機頭處的地面隆起或塌陷，所以地層穩定和地表沉降控制的效果在很大程度上取決于施工人員的經驗，施工質量難以保證。國外先進的平衡式盾構，在土倉內都設置先進的土壓傳感器，配備實時反饋及調整的機、電、液與計算機控制系統，在通常情況下都能很好地保證地層穩定的效果。這是國、內外盾構技術所存在的主要差距。
3.2 結構設計技術
我國目前研制的盾構掘進機都是單體形式的，盾體是一個剛體，斷面尺寸越大在運動方面限制也就越嚴格，給隧道的彎道設計和施工造成困難。另外，由于盾構斷面全為一孔，所以即使建造距離很近的（1～5m）復線隧道，也必須分上行與下行兩線進行獨立施工，給地面設施擁擠的城市隧道的設計帶來困難，分別施工的兩隧道的相互干擾也給施工帶來不利影響。國外盾構掘進機已出現可折曲的盾體和多體等形式解決曲率半徑小的彎道施工和復線隧道的一次施工等問題。可以把盾體分成兩到三截，轉彎靈活；截面有眼鏡形、三圓形、拱形、H＆V等多種形式。國外先進盾構除了轉彎半徑與爬坡方面的限制較小外，像H＆V型盾構，在掘進過程中，可作水平與豎向的靈活轉動，形成空間相對位置多樣的隧道［9，10］。
3.3 刀盤刀具設計技術
從現有的盾構看，國內已經掌握基本的全斷面切割刀盤技術，通常是在盾構機頭部安裝一個整體轉動的圓盤，在上面布置若干刀頭包括超挖刀頭，轉動方向固定，只能切割規則空間。在刀頭刀盤的組合與刀頭刀盤的運動分解上，缺少變化，在某些情況下，給盾構掘進機的轉彎和爬坡等造成一定的麻煩。國外盾構出現了能有多種切割方向，可以伴隨盾構機體位的改變而作相應調整的刀盤；并且實現了通過盾構掘進機刀具的切割方向和刀盤的分解組合生成多種異形空間（如矩形，橢圓形，眼鏡形，擴大形等等）。另外，國內對刀具、刀盤的巖土適應性設計方面缺少完整的理論依據、系統的經驗數據和可靠的實驗裝備，在刀具的可靠性和壽命方面存在一定的差距。
3.4 液壓推進與導向技術
國內盾構所用土壓探測與傳感裝置基本依賴進口，根據地表變形和運動軌跡進行實時反饋控制也基本沒有應用。國外先進的盾構施工通常在開挖面與盾構周邊必要的位置布置有各種監控點，采集盾構運行狀態、土壓和地層擾動等多種信號，這些信號和地表沉降信號一起輸送給信號處理計算機，計算機分析這些數據后,發送液壓系統控制信號，實現對盾構推進和導向的自動控制，基本可以實現無人化的精確操作。上海地鐵1號線使用的法國盾構及延安東路復線隧道使用的日本盾構，都有先進的計算機信息處理與控制系統，既減少了人員勞動強度，又增加盾構機的工作效率與施工精度，通過實時數據分析處理、快速反饋、工程狀態顯示、實時控制，方便現場人員實時決策，達到信息化施工［11，12］。
3.5 襯砌技術
目前國內盾構都是采用管片拼裝系統將砼管片拼裝成隧道襯砌，管片拼裝系統由中心支撐回轉機構、徑向和水平移動液壓缸等組成，雖然實現了管片移動的機械化，但是管片的對中、就位、拼裝等基本還是靠人工作業，管片的拼裝往往占用大量寶貴的掘進作業時間，直接影響施工進度和質量。日本已研制成功全自動化拼裝系統，包括砼管片的輸送、拼裝機鉗住管片、管片就位、管片接頭螺栓的自動穿孔和擰緊等工序的自動化。目前歐洲和日本開始采用ECL（擠壓混凝土襯砌施工法）技術代替傳統的管片襯砌系統，在施工成本和襯砌質量方面都取得了良好的效果，這項技術在國內還沒有應用。
3.6 防水和同步注漿技術
我國現有的盾構施工隧道管片襯砌中，主要采用環向與縱向膨脹橡膠防水，與國外相比，還沒有發展采用土工防水布等技術［］。同步注漿技術是控制地層變形、地面沉降的重要措施，其關鍵是隨著盾構的推進及時充分地充填盾殼外徑與隧道襯砌外徑之間的建筑空隙。目前有兩種同步注漿系統：單液注漿和雙液注漿系統。單液注漿系統較簡單，但是漿液的性能要求較高很難配制合適的漿液。雙液注漿由二套貯漿桶和注漿泵等組成，在出口處二管交叉噴出盾尾，即時硬化充填空隙，避免了單液注漿如果漿液凝結過快堵塞注漿系統并使充填不充分，凝結過慢又使隧道軸線變形和地面產生額外的沉降兩難局面。單液同步注漿系統在國內已經研制成功，但是雙液注漿系統和漿液仍然依賴進口。
3.7 系統集成技術
英、德、日、法、美等國，在長期的從實踐到理論，再從理論到實踐的反復探索過程中，形成了一套針對本國隧道地質條件的盾構設備設計理論、模擬試驗方法和系統的經驗數據，包括掘進機刀盤形式、刀具選型和布置、出土形式等；同時也逐漸形成了安裝和調試的系統技術。幾乎能針對所有的施工隧道地質條件設計、制造適用的盾構。這些國家還在進一步研制適用范圍更廣、開挖深度更深、技術自由度更大的技術。尤其是日本，依賴于盾構技術的發展，除了目前能用盾構開發出各種異形空間外，還提出大深度開發地下空間的種種構想，包括建造地下城市，深度常常達到地下百米以上。我國目前尚沒有適合國情的適應性設計理論的指導，也沒有系統的設計經驗數據，系統的安裝、調試技術也未完全掌握，所以國產盾構存在性能不穩定的現象，主要表現在：土層地質條件的適應能力差、地層擾動和地表沉降難以控制、可靠性低、自動化程度低。
4 發展我國盾構掘進機的戰略
隨著我國十五計劃的實施，城市化進程的加快，國內對盾構的市場需求巨大，據預測，在未來的5年中我國對各類盾構的需求超過300臺套；隨著“863”計劃以及“八五”、“九五”等科技項目的完成，我國在機、電、液、測量、控制技術和巖土施工技術等方面取得了長足的進步，有的已經趕上了世界先進水平，這些相關技術基本能夠滿足現代盾構技術發展的需要。總之，有國內良好的經濟環境，有巨大的市場需求，又有相關技術的支持，我國發展盾構設備和技術的時機已到，我國的盾構設備設計、制造及其他相關技術實現跨越式發展，在較短的時間內趕超國際先進水平是完全可能的。作者在廣泛調研的基礎上，根據我國的國情，認為應該在以下幾個方面采取措施或開展工作。
4.1 研發策略
本著“有所為有所不為的原則”，根據國情確定以具有廣泛市場前景、技術要求高、直徑為6.3m左右的地鐵隧道盾構為研制對象；以具有典型復雜地質條件的地鐵隧道為工程示范基地；以這套盾構和這個基地為載體，開發和實踐先進的設計理論和相關技術；以點帶面促進盾構技術的全面進步，繼而帶動全斷面掘進機、非開挖設備的發展。
4.2 組織形式
盾構是集機、電、液、測控等多項技術于一體的大型工程裝備，在我國發展盾構應該充分利用我國“便于集中力量辦大事”的制度上的優勢。集中全國各有關專業技術的優勢，產、學、研等各個方面相結合，是推動我國盾構技術進步、保證在較短的時間內趕上世界先進水平的有效途徑。為此，有必要成立一個由盾構設計、制造、安裝、調試、施工及其他相關專業專家和技術管理人員組成的“盾構動態技術聯盟”，協調各個研究單位開展工作。
4.3 合作模式的形成
充分利用國內現有的盾構設備研發能力及施工技術是發展我國盾構的捷徑，所以應該引導形成一種合作模式，在這個模式下，把目前各自為政的盾構設計、制造、施工等企業聯合起來，并和在相關技術上有優勢的高校、科研院所相結合，形成一種企業間的動態技術聯盟共同參與國際競爭。國家可以通過宏觀的激勵政策促成這種技術聯盟的形成，在取得具有自主知識產權的關鍵共性技術后，保證參加單位有優先享用的權利。
4.4 盾構設計規范、標準建設
設計規范、試驗標準等是保證盾構技術健康快速發展的必要條件。盾構設備不同于其他機械設備，具有很強的針對性，一般情況下都是根據工程的需要“量體定制”的，但是其施工質量、試驗手段和結果的量化等可以制定相應的標準；其部件結構如：推進液壓缸、液壓馬達等是可以制定相應的設計規范，便于部件的通用化，降低成本。
4.5 專業隊伍的培養
設備和技術的競爭歸根結底是人才的競爭，我國目前缺乏高層次的盾構設計、制造、安裝、調試的專門人才，通過樣機的研制和工程示范培養一支高水平的設計、制造、安裝、調試的專業人才隊伍，為盾構技術在我國的持續發展打下基礎。
4.6 加強國際合作
通過多種途徑、多種形式與國外著名企業和專家合作，借鑒別人的成功經驗，在國際較高水平的基礎上開展研究，以避免走不必要的彎路，確保我國盾構研發成果的高水平。
4.7 技術攻關課題組織
強調聯合攻關，充分利用國內現有的如：液壓、測控等技術的研究成果，組織相關專業領域的著名專家針對這些成果在盾構設備上的應用開展研究。圍繞樣機的研制設立科研課題進行攻關，并在樣機上得到應用和驗證；針對上述國內外盾構的7方面的差距，設立必要的基礎研究課題作為進一步發展盾構的理論和技術上的儲備。
4.8 建立盾構研發的數據庫
盾構研制和施工的信息化是盾構技術發展的必然趨勢，完善的數據庫是盾構研發信息化的基礎。在盾構的研發過程中建立和完善設計、制造、安裝、調試、維修、施工的數據庫是高速發展我國盾構技術必要的基礎工程。克服以往盾構研制中的無效的重復現象，使其在全國范圍內在一個前后貫穿的研發與積累的路線上進步。目前，在許多城市，如北京、上海、廣州等地鐵隧道施工正在緊張進行中，其中也不乏利用目前國際先進的盾構設備進行施工的隧道，為盾構施工積累了許多寶貴的經驗和數據，充分利用這些數據，整理建立相應的數據庫為盾構的研發服務，可以在較低的成本下取得寶貴的第一手資料，有效促進我國盾構研發水平的提高。
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新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》
