盾構掘進機發(fā)展戰(zhàn)略研究

1、盾構掘進機發(fā)展戰(zhàn)略研究        【提 要】：本文在回顧國內(nèi)外盾構歷程和闡明國內(nèi)外盾構現(xiàn)狀的基礎上，指出國內(nèi)盾構在地層穩(wěn)定控制技術、結構設計技術、刀盤刀具設計技術、系統(tǒng)集成技術等7個方面存在的差距，并根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有條件，在盾構研發(fā)的策略、組織形式、攻關課題等8個方面，提出了發(fā)展思路及措施?！娟P鍵詞】：盾構設備發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展戰(zhàn)略Abstract: This paper on the base of reviewing shield development history and explaining the exis

2、ting 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 domes

3、tic 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(tǒng)的隧

4、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(tǒng)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(huán)境好、土方量少、進度快、施工成本低等優(yōu)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。

5、在發(fā)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(huán)保要求的逐步提高，盾構已演變成為一種高度智能化，集機、電、液、光、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(fā)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(nèi)、外盾構設備和技術發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，指出國內(nèi)外盾構掘進技術的差距，

6、提出我國發(fā)展盾構掘進機的思路。    1  國外盾構掘進機的發(fā)展歷史和現(xiàn)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(fā)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(chuàng)了在盾尾后面的襯砌外圍環(huán)形空隙中壓漿的施工方

7、法，并開發(fā)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(xiàn)代泥水式盾構的雛形，推動了盾構施工技術的發(fā)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(fā)展奠定了基礎。1967年由英國提出的泥水加壓系統(tǒng)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(chuàng)性地研制成功土壓平衡盾構，同時德國Wayss & Freytag也研制成

8、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(fā)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。13    縱觀盾構隧道掘進180多年的發(fā)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：地層穩(wěn)定和地面沉降控制；機械化、自動化掘進和掘進速度；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(tǒng)的盾構法是把這三個要素分別獨立考慮的，把地層穩(wěn)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(wěn)定的影響或減少和防止地面沉降，盾構一般為敞

9、胸式結構。然而，任何地層穩(wěn)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(nèi)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，很地發(fā)展到下一代盾構閉胸式盾構。    現(xiàn)代盾構的一個最為顯著的特點就是統(tǒng)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(wěn)定的問題。用壓縮空氣平衡土壓力的方法，由于容易發(fā)生漏氣、噴發(fā)、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等對環(huán)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(tǒng)，即產(chǎn)生了現(xiàn)代概念上的泥水平

10、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(wěn)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(wěn)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(fā)展。然而，由于泥水平衡盾構需要大規(guī)模的泥水分離處理系統(tǒng)，占地面積大，對環(huán)境影響大，施工成本高，對城市內(nèi)施工的隧道這個系統(tǒng)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(tǒng)是將刀盤切削下來的棄土送入前端密閉倉內(nèi)，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(wěn)定的壓力，邊通過螺旋輸送機向外排土。這一系統(tǒng)由于排土處理簡單，可靠性較高

11、，得到了廣泛的應用?，F(xiàn)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(fā)展一直與基礎的發(fā)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(yè)發(fā)達的少數(shù)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、科技的發(fā)展，大量地下工程投入建設，促使盾構技術取得了長足的發(fā)展。

12、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(xiàn)。180年來，盾構掘進技術一直隨這些相關技術的發(fā)展而不斷發(fā)展完善?，F(xiàn)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(xiàn)代盾構掘進機較好地融合了盾構法的三要素，已經(jīng)基本不需要圍巖穩(wěn)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(xiàn)已開發(fā)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

13、料的開發(fā)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(huán)境、勞動強度大大改善。    2  國內(nèi)盾構掘進機的發(fā)展歷史和現(xiàn)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(jīng)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(fā)展非常緩慢，應用也相當有限。直到1985年以后，隨著經(jīng)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(xiàn)代盾構技術的開

14、發(fā)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(huán)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(guī)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(nèi)盾構施工隧道工程表1所示7，8。表1  國內(nèi)盾構施工隧道典型工程    與其他國家盾構發(fā)展歷程相似，我國的盾構發(fā)展也是與不同時期的經(jīng)濟、技術的發(fā)展相對應，是社會、經(jīng)濟發(fā)展的需要和各種相關技術水平的綜合體現(xiàn)。但是，在20世紀90年代以后，隨著我國經(jīng)濟進入了良性發(fā)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(fā)展

15、速度，對盾構的巨大市場需求大大超過了國內(nèi)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(nèi)許多雖然也開展了盾構設備的研制和相關技術的開發(fā)，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(fā)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(chǎn)盾構僅能適用于周圍環(huán)境要求不高和地質條

16、件單一的地區(qū)，不適合建筑密集地區(qū)、管線復雜地區(qū)、地質條件復雜的地區(qū)。當環(huán)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?？梢哉f，我國現(xiàn)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(huán)境的要求設計、制造適用的盾構掘進機的能力。    3  國內(nèi)外盾構掘進機的差距    國內(nèi)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(wěn)定和地面沉降控制技術    由于環(huán)境保護和地

17、面設施的制約，對隧道施工的施工質量和環(huán)境保護要求越來越高，地面沉降控制成了衡量現(xiàn)代盾構技術水平的關鍵技術之一?，F(xiàn)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(xiàn)有的平衡式盾構都是通過預先設定土倉內(nèi)壓力值以達到穩(wěn)定地層的目的，在施工工程中根據(jù)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(wěn)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(jīng)驗，施工質量難以保證。國外先進的平衡式盾構，在土倉內(nèi)都設置先進的土壓傳

18、感器，配備實時反饋及調整的機、電、液與計算機控制系統(tǒng)，在通常情況下都能很好地保證地層穩(wěn)定的效果。這是國、內(nèi)外盾構技術所存在的主要差距。1             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（15m）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

19、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(xiàn)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?？梢园讯荏w分成兩到三截，轉彎靈活；截面有眼鏡形、三圓形、拱形、HV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HV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(xiàn)有的盾構看，國內(nèi)已經(jīng)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

20、包括超挖刀頭，轉動方向固定，只能切割規(guī)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)對刀具、刀盤的巖土適應性設計方面缺少完整的理論依據(jù)、系統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(nèi)盾構所用土

21、壓探測與傳感裝置基本依賴進口，根據(jù)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(jiān)控點，采集盾構運行狀態(tài)、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機，計算機分析這些數(shù)據(jù)后,發(fā)送液壓系統(tǒng)控制信號，實現(xiàn)對盾構推進和導向的自動控制，基本可以實現(xiàn)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(tǒng)，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(shù)據(jù)分析處理、快速反饋、工程狀態(tài)顯示、實時控制，方便現(xiàn)場人員實時決策，達到信息化施工11，1

22、2。    3.5  襯砌技術    目前國內(nèi)盾構都是采用管片拼裝系統(tǒng)將砼管片拼裝成隧道襯砌，管片拼裝系統(tǒng)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(xiàn)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(yè)，管片的拼裝往往占用大量寶貴的掘進作業(yè)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(tǒng)，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?zhèn)鹘y(tǒng)的管片襯砌系統(tǒng)，在施工成本和襯砌質量方面都取得了良

23、好的效果，這項技術在國內(nèi)還沒有應用。    3.6  防水和同步注漿技術    我國現(xiàn)有的盾構施工隧道管片襯砌中，主要采用環(huán)向與縱向膨脹橡膠防水，與國外相比，還沒有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(tǒng)：單液注漿和雙液注漿系統(tǒng)。單液注漿系統(tǒng)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

24、塞注漿系統(tǒng)并使充填不充分，凝結過慢又使隧道軸線變形和地面產(chǎn)生額外的沉降兩難局面。單液同步注漿系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)研制成功，但是雙液注漿系統(tǒng)和漿液仍然依賴進口。    3.7  系統(tǒng)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(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，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(tǒng)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

25、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(fā)展，除了目前能用盾構開發(fā)出各種異形空間外，還提出大深度開發(fā)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(tǒng)的設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的安裝、調試技術也未完全掌握，所以國產(chǎn)盾構存在性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)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(fā)展我國盾構掘進機的戰(zhàn)略    隨著我國十五計劃的實施，城市化進程的加快，國內(nèi)對盾構的市場需求巨大，據(jù)

26、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(jīng)趕上了世界先進水平，這些相關技術基本能夠滿足盾構技術發(fā)展的需要?？傊?，有國內(nèi)良好的環(huán)境，有巨大的市場需求，又有相關技術的支持，我國發(fā)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(xiàn)跨越式發(fā)展，在較短的時間內(nèi)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(jù)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(fā)策略    本著“有所為有所不為的原則”，根據(jù)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(fā)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(fā)展。    4.2  組織形