中国盾构机的创新与发展

徐长发，华中科技大学，2020.6.2

大家都知道盾构机在城市建设中发挥了重大的作用，可是对盾构机的具体结构，具体施工，具体技术知道的不多，本文不仅科普一些盾构机的基本知识，而且介绍中国盾构机的发展成就。

盾构机，全名叫盾构隧道掘进机。它集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，它具有开挖切削土、石体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，它涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，它的可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于德国、美国和日本。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。目前国外盾构机的主要制造厂有18家，他们可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，其工艺和设备都是先进的。

一.中国盾构机的发展历程

2008年以前，国内盾构施工全部依赖入口。用3亿元“天价”进口的盾构机，出了故障只能停工，等待外国工程师来维修，除了要付给他们每人每天3000美元的薪水之外，维修现场还拉着警戒线，不让中国人入内。中国是一个大国，国内发展需要大量的盾构机，为挣脱先进国家的勒索和控制，我国必须自主制造盾构机。

2008年4月，我国研制出第一台拥有自主知识产权的复合式土压均衡盾构机器。从此，中国不仅掌握了盾构机的核心技术，走上自我创新之路，而且拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。同年，我国又生产了若干台泥水平衡式盾构机，用于国内地铁建设。

2010年12月，中国生产出大直径断面的盾构机，世界领先。

2013年12月，中国创新出了首台大型的“矩形断面盾构机”，以后不断生产出越来越大型的矩形盾构机，屡创世界纪录。

2016年5月，生产出“多刀盘带滚刀盾构机”，能够适应在砂卵石地层工作。

2017年4月，生产出“组合式盾构机”，能够适应复杂地层的掘进工作。

2018年，生产出“马蹄形断面的盾构机”，世界首创，性能优秀。

我国盾构机不仅实现了从无到有的突破，而且从引进推广到自主创新，从而掌握了各种不同规格和类型的具有自主知识产权的盾构机的生产技术，生产出若干世界上最大断面的盾构机。如今，盾构机不仅已为我国地铁隧道、山地隧道、江底隧道、海底隧道的建设发挥了重要作用，而且中国的盾构机价廉物美，已仅占领全球2/3的盾构机市场。

二.盾构机的基本工作原理

1.盾构机的安装

要先挖一个工作井，在工作井中装配好盾构机。工作井要方便解决盾构机掘进所带来的所有后续问题，例如运输轨道要加长，输运传送带要加长，碎石渣要外出，支撑管片要运进和安装，等等。

盾构机由“刀盘”、“盾体”、“配套排车”组成。

“泥浆仓”在“盾体”和“刀盘”之间，仓中充满加压的泥浆，“盾体”要封闭“泥浆仓”，还要不让泥浆渗透到后面的“配套排车”部位。

“盾体”中装有“刀盘”的主轴，控制刀盘方向的设备，电机驱动设备，还装有维修通道仓。

“管片安装机”介于“盾体”和“配套排车”之间。

“配套排车”装着整体的控制系统、工作室、泥浆回输设备、渣土输出设备、送气设备、液压设备，管片运输设备等。

2.保持工作面的稳定

刀盘切削面和“盾体”之间是“泥浆仓”，工作时要用“加以压力的膨润土泥浆”去填充，这就像钻探石油一样用泥浆做切削润滑剂，好处是能够让“泥浆仓”保持压力，顶住周围土层垮塌，让刀盘顺利工作，也便于含有碎石的泥浆从“出泥口”外出。这些措施能够保证工作面的稳定。

3.排土机构

刀盘切削下的泥土和碎石进入“盾体”底部的“出泥口”，用螺旋输运器运到分离室，不仅把大石块打碎，而且把泥浆再循环压回“泥浆仓”，泥土和碎石由传送带输出到“尾盾”，再由运渣车沿轨道运到工作井，外出。

一边掘进，一边运渣，同时还将管片按照安装的顺序运进“管片拼装机”。

4.管片拼装支撑

盾构机掘进一小段距离后停止前进，拼装机自动地有序地把管片由下而上拼装起来，一边拼装一边支撑住管片，最后插进顶部的最后一块管片。每个管环的管片之间都有密封装置，管环与管环之间也有密封装置，用以防水。当这一环的全部管片安装到位之后，要把该环的所有管片做环状紧固连接。“管片拼装机”伸出若干千斤顶把新装管环与已装好的管环压紧，再做径向紧固连接。这样，新的一环管片就安装完毕了。“管片拼装机”在压紧管环的同时，盾构机就获得了前进的动力，就可以进行下一环的掘进了。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。使隧道—次成型。

此时稍微注意，“盾体”和“管环”支撑着外面的压力，“配套排车”都是在管环之中的，刚安装好的管环与周围土层之间是有间隙的。

5.填空注浆

盾构机“盾体”的外直径大，管环与周围会有少量的空隙，需要及时填充，用以保证隧道的位置稳定、受力均匀。

对于冲积黏土层和砂土层，一般是架设一个管环，就从管片的注浆口中及时地注入水泥砂浆。对于自稳性好的软岩，一般是架设数个管环后，再从管片注浆孔注入水泥砂浆。

这些水泥砂浆是加入速凝剂的，要根据地质情况确定固化速度，注浆要控制速度和压力，注浆后要检测充填效果。

6.控制中枢安装在“配套排车”中

控制刀盘的转速。“前盾”中支撑着刀盘，由电机和减速装置传送动力。于是，只需在工作室中控制电机无极变速即可。

控制盾构机的前进方向。根据定位系统，只需在工作室中控制液压装置，让刀盘偏转一个方向即可。

控制盾构机的前进动力。只需在工作室中控制液压装置，顶住后面的管环，整个盾构机就有了前进动力。

7.刀片维修和更换

在“盾体”中设置有“前室气仓”和“后室气仓”双室气闸门。掘进停止后，先压入空气，把“泥浆仓”排空;维修人员由“后室气仓”进入，逐渐加压空气，再进入“前室气仓”和“泥浆仓”进行操作。同样地，由“泥浆仓”外出，双室气闸门可起到保护和过渡作用。

三.盾构机工作过程中经常遇到的问题及其解决办法

1.对于软、硬土的地层，一般只需要配置切削型刀具，如：切刀、刮刀。考虑到刀盘需要正、反向旋转，因此切刀的切口也要正反方向布置;考虑到刀盘的受力均匀性，刀具的布置点也具有对称性;考虑到在刀盘周边的受力相对大，磨损大，所以在刀盘周边安置较多的切刀;刀具的刃口镶嵌有强度高、高度耐磨且有一定韧性的合金材料;刀具在刀具盘上采用螺栓固定，便于更换。采用这样的配置，可以顺利地切削土层和不坚硬的岩层。

2.对于含有岩石的复合岩土地层，刀盘除配置切刀、刮刀外，还需要配置盘形滚刀。盘形滚刀能够有效地破碎岩层 。同样的道理，刀盘周边的受力大，要安排一些 承受较大载荷的盘形滚刀。

刀具是盾构机的关键之一。要求对于不同的地层都保持着较高的切削效率，要求刀具在刀盘上合理布置，要求刀具使用寿命长，更换方便。

3.对于较小半径拐弯的掘进，为了保证盾构机顺利通过，开挖直径要求相对大一些，此时刀盘上需配置扩孔刀或仿形刀，不仅让掘进孔径适当扩大，而且保证隧洞形状，以便保证管环的架设。

4.防止黏土结块在刀盘上，防止堵住进泥口，泥土和石渣是从刀盘中心处进入泥浆室内，再由前盾下方的出泥口外出。为了防止泥土在刀盘上结块，也防止堵住进渣口，要在刀盘上多处设置搅拌器和喷射泥浆口。

5.对于较大石块和鹅卵石无法排出，当大硬块进入进渣口之后，盾构机内部先把相对大的石块筛选出来，再强行破碎，再和泥沙送出，再渣浆分离，渣土被送出。

6.盾构机在软土层发生沉降。盾构机在掘进过程中一直监测地面有无沉降表现，如果有细微表现就会立即采取措施。要对掘进速度、泥浆比重、泥浆仓压力、盾构坡度、管环轴线对准、管环注浆压力等进行综合调整。

7.掘进过程中出现过多地下水。这种情形一般发生在富含地下水的砂卵石的地层中。地下水出现过多会出现泥浆仓的压力增大的表现。此时的解决办法是，先加大泥浆仓的空气压力，一面阻止过多的水涌入泥浆仓，一面关闭螺旋送渣，让泥浆仓中的水排出，再加强泥浆中膨润土的比重，于是厚厚的泥膜会阻止地下水涌入泥浆仓。

四.马蹄形断面的盾构机

2016年11月我国制造出了马蹄形断面盾构机。它是中国盾构机发展史上的里程碑事件，标志着世界异型隧道掘进机研制技术迈向新阶段，实现异型盾构装备的自主化和智能化。

这是世界首台马蹄形大断面盾构机，其整机长度110米，重量1300吨;它有大小9个刀盘，错落设置，最大的直径4.9米，最小的1.1米，每个刀盘都是独立的操控系统，可随意组合，能同时、单个和不同方向的旋转。

马蹄形断面的盾构机在出土设备上实现了新突破：它比圆形盾构机新增了一个螺旋输送机，不仅能更好地调节开挖土质层土舱压力，还可大大提高盾构机掘进出土的效率;它的多刀盘错落设置，相对圆形盾构机的一个大刀盘施工来说，它可以针对不同土质层进行刀盘组合使用，减少了更换刀具的作业;挖掘中能始终较好保持马蹄形断面的形状。

马蹄形断面的盾构机与圆形盾构机相比，在断面稳定、机身稳定方面性能更好;挖掘效率更高。

马蹄形断面的隧道能够最大程度提高隧道空间利用率，可实现双轨道通行。

五.结束语

盾构机的种类繁多，本文只是科普性质的介绍，据此，读者可以对盾构机的结构、原理、施工程序、遇到的问题有粗略的了解。

中国的盾构机虽然起步晚，但是进步快，创新多，现在已经处于世界领先地位了。同时，国内关于盾构机已经形成完整的产业链。

下面的数据能够说明中国盾构机的地位。1)国内市场占全球盾构机市场的60%;2)国产盾构机在国内市场占90%份额;3)国产盾构机在全球市场占2/3份额;4)中国盾构机性价比高，把国外产品的价格拉低了40%。由此还可以看出，盾构机产业带动了我国不少其它产业的经济发展。

少数技术发达的国家，以前掠夺了全世界的财富，把曾经世界最富有的中国掠夺一空，成为一穷二白的国家;它们利用掠夺的财力去研究和发展高端科技产品，然后不仅用特高价出售，赚取巨额利润，而且最可气的是用技术*卡脖子手段阻止别国发展，好让它们为所欲为，永远站在别国的头上作威作福。中国作为一个大国，又是一个历史悠久的文明古国，几千年的文化根子扎得深，一旦发芽就会快速生长，这是历史发展的必然。近二十年来，我国在很多高精尖技术和设备方面都快速地实现了，从无到有，到创新引领的突破，这就是最好的例证。

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