盾构掘进机发展战略研究

1、盾构掘进机开展战略研究【提要】：本文在回忆国内外盾构开展历程和说明国内外盾构现状的根底上，指出国内盾构在地层稳定控制技术、构造设计技术、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，提出了开展思路及措施。【关键词】：盾构设备开展历史现状开展战略Abstrat:Thispapernthebasefrevieingshielddevelpenthistryandexplainingtheexistingshieldsituatinbthdestiandabrad,indiatesthegaplaggingbehindinre

2、latintthseabrad,intersfgrundstabilityntrltehnique,struturedesign,uttingdisk,anduttingtlsdesign,andsysteintegratin,andthelike7aspets,andinardaneithexistingdestinditins,putsfrardsdevelpentthinkingandeasuresintersfshieldRDstrategy,rganizatinalpattern,nutrakingtpisandthelike8aspets.Keyrds:shieldinstalla

3、tin,develpenthistry,existingsituatin,develpentstrategy.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展支护，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构造的掩护下，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构造的掩护下完成的，可以最大限度地防止坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术相比，盾构

4、法施工具有平安可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工本钱低等优点，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。在兴旺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0.2，大到18，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进步，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兴旺国家相比存在着较大的差距，如何尽快进步我国盾构掘进程度使我国在先进

5、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、外盾构设备和技术开展的历史和现状，指出国内外盾构掘进技术的差距，提出我国开展盾构掘进机的思路。1国外盾构掘进机的开展历史和现状1818年arIsabardBrunel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Lrdhrane创造了施加压缩空气防止涌水的“气压法。1874年格雷蒙特JaesHenryGreathead在伦敦地铁南线的隧道建立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

6、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开展。到20世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开场推广。1917年日本开场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，为日本盾构技术的开展奠定了基矗1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了施行，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3.1。1974年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国ayssFreytag也研制成功颇

7、具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥程度衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛开展，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。13纵观盾构隧道掘进180多年的开展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是在围绕着：地层稳定和地面沉降控制；机械化、自动化掘进和掘进速度；衬砌和隧道质量，这三个要素进展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、改进地基法、冻结法及气压法等。在盾构掘进机本身构造上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式构造。然而，任何地层稳定处理方法即使能

8、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平安的地面沉降问题，所以，很自然地开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，尤其在遇到粘聚力孝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展了有关的试验，1967年日本完成了这一系统，即产生了现代概念上的泥程度衡盾构。泥程度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程度衡土压、保

9、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开展。然而，由于泥程度衡盾构需要大规模的泥水别离处理系统，占地面积大，对环境影响大，施工本钱高，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构造、驱动方式、自动控制、测控导向

10、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。当今盾构根本都是基于泥程度衡和土压平衡这两种形式，或是这两种形式的组合，或是这两种形式与开胸式组合，形成复合型盾构以适应地层条件多变的隧道施工的要求。盾构掘进机的开展一直与根底工业的开展和地下工程的实际需要亲密相关，而且，不同时期的盾构关键技术都被这个时期工业兴旺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、科技的开展，大量地下工程投入建立，促使盾构技术获得了长足的开展。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程度的综合表达。180年来，盾

11、构掘进技术一直随这些相关技术的开展而不断开展完善。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交融了盾构法的三要素，已经根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本钱比人工开挖施工低得多，而掘进速度高得多。为合适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，施工精度进步、本钱降低。同时，盾构的自动化使施工平安和劳动环境、劳动强度大大改善。2国内盾构掘进

12、机的开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2.6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，盾构技术的开展非常缓慢，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，我国开场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，我国开场大规模地引进、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

13、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开展历程相似，我国的盾构开展也是与不同时期的经济、技术的开展相对应，是社会、经济开展的需要和各种相关技术程度的综合表达。但是，在20世纪90年代以后，随着我国经济进入了良性开展的快车道，公路、铁路、水利建立和城市化进程等到达了前所未有的开展速度，对盾构的宏大市场需求大大超过了国内的盾构研制程度。20世纪90年代进展的几项重大工程所采用的盾构设备和施工技术根本都依赖进口，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

14、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、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，不合适建筑密集地区、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才能。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

15、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程度的关键技术之一。现代盾构控制地面沉降和减少对土体扰动的最根本和有效的方法是采用泥程度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到达稳定地层的目的，在施工工程中根据地表沉降情况再进展调整，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拟复杂，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

16、工人员的经历，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，装备实时反应及调整的机、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。转贴于论文联盟.ll.3.2构造设计技术我国目前研制的盾构掘进机都是单体形式的，盾体是一个刚体，断面尺寸越大在运动方面限制也就越严格，给隧道的弯道设计和施工造成困难。另外，由于盾构断面全为一孔，所以即使建造间隔 很近的15复线隧道，也必须分上行与下行两线进展独立施工，给地面设施拥挤的城市隧道的设计带来困难，分别施工的两隧道的互相干扰也给施工带来不利影响。国外盾构掘进机已出现可折曲的盾

17、体和多体等形式解决曲率半径小的弯道施工和复线隧道的一次施工等问题。可以把盾体分成两到三截，转弯灵敏；截面有眼镜形、三圆形、拱形、HV等多种形式。国外先进盾构除了转弯半径与爬坡方面的限制较小外，像HV型盾构，在掘进过程中，可作程度与竖向的灵敏转动，形成空间相对位置多样的隧道9，10。3.3刀盘刀具设计技术从现有的盾构看，国内已经掌握根本的全断面切割刀盘技术，通常是在盾构机头部安装一个整体转动的圆盘，在上面布置假设干刀头包括超挖刀头，转动方向固定，只能切割规那么空间。在刀头刀盘的组合与刀头刀盘的运动分解上，缺少变化，在某些情况下，给盾构掘进机的转弯和爬坡等造成一定的费事。国外盾构出现了能有多种切割

18、方向，可以伴随盾构机体位的改变而作相应调整的刀盘；并且实现了通过盾构掘进机刀具的切割方向和刀盘的分解组合生成多种异形空间如矩形，椭圆形，眼镜形，扩大形等等。另外，国内对刀具、刀盘的岩土适应性设计方面缺少完好的理论根据、系统的经历数据和可靠的实验装备，在刀具的可靠性和寿命方面存在一定的差距。3.4液压推进与导向技术国内盾构所用土压探测与传感装置根本依赖进口，根据地表变形和运动轨迹进展实时反应控制也根本没有应用。国外先进的盾构施工通常在开挖面与盾构周边必要的位置布置有各种监控点，采集盾构运行状态、土压和地层扰动等多种信号，这些信号和地表沉降信号一起输送给信号处理计算机，计算机分析这些数据后,发送液

19、压系统控制信号，实现对盾构推进和导向的自动控制，根本可以实现无人化的准确操作。上海地铁1号线使用的法国盾构及延安东路复线隧道使用的日本盾构，都有先进的计算机信息处理与控制系统，既减少了人员劳动强度，又增加盾构机的工作效率与施工精度，通过实时数据分析处理、快速反愧工程状态显示、实时控制，方便现场人员实时决策，到达信息化施工11，12。3.5衬砌技术目前国内盾构都是采用管片拼装系统将砼管片拼装成隧道衬砌，管片拼装系统由中心支撑回转机构、径向和程度挪动液压缸等组成，虽然实现了管片挪动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装等根本还是靠人工作业，管片的拼装往往占用大量珍贵的掘进作业时间，直接影响施工进度和

20、质量。日本已研制成功全自动化拼装系统，包括砼管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。目前欧洲和日本开场采用EL挤压混凝土衬砌施工法技术代替传统的管片衬砌系统，在施工本钱和衬砌质量方面都获得了良好的效果，这项技术在国内还没有应用。3.6防水和同步注浆技术我国现有的盾构施工隧道管片衬砌中，主要采用环向与纵向膨胀橡胶防水，与国外相比，还没有开展采用土工防水布等技术。同步注浆技术是控制地层变形、地面沉降的重要措施，其关键是随着盾构的推进及时充分地充填盾壳外径与隧道衬砌外径之间的建筑空隙。目前有两种同步注浆系统：单液注浆和双液注浆系统。单液注浆系统较简单，但是浆

21、液的性能要求较高很难配制适宜的浆液。双液注浆由二套贮浆桶和注浆泵等组成，在出口处二管穿插喷出盾尾，即时硬化充填空隙，防止了单液注浆假如浆液凝结过快堵塞注浆系统并使充填不充分，凝结过慢又使隧道轴线变形和地面产生额外的沉降两难场面。单液同步注浆系统在国内已经研制成功，但是双液注浆系统和浆液仍然依赖进口。3.7系统集成技术英、德、日、法、美等国，在长期的从理论到理论，再从理论到理论的反复探究过程中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设计理论、模拟试验方法和系统的经历数据，包括掘进机刀盘形式、刀具选型和布置、出土形式等；同时也逐渐形成了安装和调试的系统技术。几乎能针对所有的施工隧道地质条件设计、

22、制造适用的盾构。这些国家还在进一步研制适用范围更广、开挖深度更深、技术自由度更大的技术。尤其是日本，依赖于盾构技术的开展，除了目前能用盾构开发出各种异形空间外，还提出大深度开发地下空间的种种设想，包括建造地下城市，深度常常到达地下百米以上。我国目前尚没有合适国情的适应性设计理论的指导，也没有系统的设计经历数据，系统的安装、调试技术也未完全掌握，所以国产盾构存在性能不稳定的现象，主要表如今：土层地质条件的适应才能差、地层扰动和地表沉降难以控制、可靠性低、自动化程度低。4开展我国盾构掘进机的战略随着我国十五方案的施行，城市化进程的加快，国内对盾构的市场需求宏大，据预测，在将来的5年中我国对各类盾构

23、的需求超过300台套；随着“863方案以及“八五、“九五等科技工程的完成，我国在机、电、液、测量、控制技术和岩土施工技术等方面获得了长足的进步，有的已经赶上了世界先进程度，这些相关技术根本可以满足现代盾构技术开展的需要。总之，有国内良好的经济环境，有宏大的市场需求，又有相关技术的支持，我国开展盾构设备和技术的时机已到，我国的盾构设备设计、制造及其他相关技术实现跨越式开展，在较短的时间内赶超国际先进程度是完全可能的。作者在广泛调研的根底上，根据我国的国情，认为应该在以下几个方面采取措施或开展工作。4.1研发策略本着“有所为有所不为的原那么，根据国情确定以具有广泛市场前景、技术要求高、直径为6.3

24、左右的地铁隧道盾构为研制对象；以具有典型复杂地质条件的地铁隧道为工程示范基地；以这套盾构和这个基地为载体，开发和理论先进的设计理论和相关技术；以点带面促进盾构技术的全面进步，继而带动全断面掘进机、非开挖设备的开展。4.2组织形式盾构是集机、电、液、测控等多项技术于一体的大型工程装备，在我国开展盾构应该充分利用我国“便于集中力量办大事的制度上的优势。集中全国各有关专业技术的优势，产、学、研等各个方面相结合，是推动我国盾构技术进步、保证在较短的时间内赶上世界先进程度的有效途径。为此，有必要成立一个由盾构设计、制造、安装、调试、施工及其他相关专业专家和技术管理人员组成的“盾构动态技术联盟，协调各个研

25、究单位开展工作。4.3合作形式的形成充分利用国内现有的盾构设备研发才能及施工技术是开展我国盾构的捷径，所以应该引导形成一种合作形式，在这个形式下，把目前各自为政的盾构设计、制造、施工等企业结合起来，并和在相关技术上有优势的高校、科研院所相结合，形成一种企业间的动态技术联盟共同参与国际竞争。国家可以通过宏观的鼓励政策促成这种技术联盟的形成，在获得具有自主知识产权的关键共性技术后，保证参加单位有优先享用的权利。4.4盾构设计标准、标准建立设计标准、试验标准等是保证盾构技术安康快速开展的必要条件。盾构设备不同于其他机械设备，具有很强的针对性，一般情况下都是根据工程的需要“量体定制的，但是其施工质量、

26、试验手段和结果的量化等可以制定相应的标准；其部件构造如：推进液压缸、液压马达等是可以制定相应的设计标准，便于部件的通用化，降低本钱。4.5专业队伍的培养设备和技术的竞争归根结底是人才的竞争，我国目前缺乏高层次的盾构设计、制造、安装、调试的专门人才，通过样机的研制和工程示范培养一支高程度的设计、制造、安装、调试的专业人才队伍，为盾构技术在我国的持续开展打下基矗4.6加强国际合作通过多种途径、多种形式与国外著名企业和专家合作，借鉴别人的成功经历，在国际较高程度的根底上开展研究，以防止走不必要的弯路，确保我国盾构研发成果的高程度。4.7技术攻关课题组织强调结合攻关，充分利用国内现有的如：液压、测控等技术的研究成果，组织相关专业领域的著名专家针对这些成果在盾构设备上的应用开展研究。围绕样机的研制设立科研课题进展攻关，并在样机上得到应用和验证；针对上述国内外盾构的7方面的差距，设立必要的根底研究课题作为进一步开展盾构的理论和技术上的储藏。4.8建立盾构研发的数据库盾构研制和施工的信息化是盾构技术