我國隧道盾構掘進機技術的發展現狀

       1、我國盾構隧道掘進技術的發展歷史
       盾構掘進機是一種隧道掘進的專用工程機械，現代盾構掘進機集機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。盾構掘進機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。
       我國的盾構掘進機制造和應用始于1963年，上海隧道工程公司結合上海軟土地層對盾構掘進機、預制鋼混凝土襯砌、隧道掘進施工參數、隧道接縫防水進行了系統的試驗研究。研制了1臺直徑4.2m的手掘式盾構進行淺埋和深埋隧道掘進試驗，隧道掘進長度68m。
       1965年，由上海隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網格擠壓型盾構掘進機，掘進了2條地鐵區間隧道，掘進總長度1200m。
       1966年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的我國第一臺直徑10.2m超大型網格擠壓盾構掘進機施工，輔以氣壓穩定開挖面，在黃浦江底順利掘進隧道，掘進總長度1322m。
       70年代，采用1臺直徑3.6m和2臺直徑4.3m的網格擠壓型盾構，在上海金山石化總廠建設1條污水排放隧道和2條引水隧道，掘進了3926m海底隧道，并首創了垂直頂升法建筑取排水口的新技術。
       1980年，上海市進行了地鐵1號線試驗段施工，研制了一臺直徑6.41m的刀盤式盾構掘進機，后改為網格擠壓型盾構掘進機，在淤泥質粘土地層中掘進隧道1230m。
       1985年，上海延安東路越江隧道工程1476m圓形主隧道采用上海隧道股份設計、江南造船廠制造的直徑11.3m網格型水力機械出土盾構掘進機。
       1987年上海隧道股份研制成功了我國第一臺φ4.35m加泥式土壓平衡盾構掘進機，用于市南站過江電纜隧道工程，穿越黃浦江底粉砂層，掘進長度583m，技術成果達到80年代國際先進水平，并獲得1990年國家科技進步一等獎。
       1990年，上海地鐵1號線工程全線開工，18km區間隧道采用7臺由法國fcb公司、上海隧道股份、上海隧道工程設計院、滬東造船廠聯合制造的φ6.34m土壓平衡盾構掘進機。每臺盾構月掘進200m以上，地表沉降控制達+1～-3cm。1996年，上海地鐵2號線再次使用原7臺土壓盾構，并又從法國fmt公司引進2臺土壓平衡盾構，掘進24km區間隧道。上海地鐵2號線的10號盾構為上海隧道公司自行設計制造。
       90年代，上海隧道工程股份有限公司自行設計制造了6臺φ3.8～6.34m土壓平衡盾構，用于地鐵隧道、取排水隧道、電纜隧道等，掘進總長度約10km。在90年代中，直徑1.5～3.0m的頂管工程也采用了小刀盤和大刀盤的土壓平衡頂管機，在上海地區使用了10余臺，掘進管道約20km。1998年，上海黃浦江觀光隧道工程購買國外二手φ7.65m鉸接式土壓平衡盾構，經修復后掘進機性能良好，順利掘進隧道644m。
       1996年，上海延安東路隧道南線工程1300m圓形主隧道采用從日本引進的φ11.22m泥水加壓平衡盾構掘進機施工。
       1998年，上海隧道股份成功研制國內第1臺φ2.2m泥水加壓平衡頂管機，用于上海污水治理二期過江倒虹管工程，頂進1220m。
       1999年5月，上海隧道股份研制成功國內第1臺3.8m×3.8m矩形組合刀盤式土壓平衡頂管機，在浦東陸家嘴地鐵車站掘進120m，建成2條過街人行地道。
       2000年2月，廣州地鐵2號線海珠廣場至江南新村區間隧道采用上海隧道股份改制的2臺φ6.14m復合型土壓平衡盾構，在珠江底風化巖地層中掘進。
       2、網格擠壓式盾構掘進機的應用

       1965年6月，上海地鐵60工程區間隧道采用由隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的2臺φ5.8m網格擠壓型盾構施工，總推力為3.724×104kn。隧道覆土約12m，掘進長度2×600m。盾構推進穿越的建筑物和地下管線均未受影響。1967年7月，地鐵試驗工程完成，這是我國首次采用盾構掘進機施工地鐵隧道。
       1967年3月，上海打浦路越江公路隧道采用φ10.2m網格擠壓型盾構，掘進總長1324m。盾構總推力達7.84×104kn。盾構穿越地面以下深度為17～30m的淤泥質粘土層和粉砂層，在岸邊段采用降水全出土、氣壓全出土和局部擠壓方法施工，在江中段采用全氣壓局部擠壓出土法施工。
       1970年以來，上海又用網格擠壓盾構在長江邊和海邊建成了6條φ3.6～4.3m的排水及引水隧道。北京、江蘇、浙江、福建等省市也用盾構法建造了各種不同用途的小直徑隧道。
       1983年，上海建設第2條黃浦江越江公路隧道一延安東路隧道。1476m圓形主隧道采用盾構掘進施工，其中500m穿越黃浦江底，500m穿越市中心區建筑密集群。為提高掘進速度和確保隧道沿線的構筑物安全，上海隧道公司自行設計研制了φ11.3m網格型水力出土盾構，這是在網格擠壓型盾構基礎上發展起來的新穎掘進機。網格上布有30扇可開啟和關閉的液壓閘門，具有調控開挖面進土部位、面積和進土量的作用，可輔助盾構糾偏和控制地面沉降。網格上還布設了20只鋼弦式土壓計，可隨時監測開挖面部位土壓值的變化，首次在盾構掘進過程中實現信息化施工。開挖面高壓水沖切土體，并采用大型泥漿泵接力輸送泥漿，自動計量裝置控制出土量，實現掘進、出土運輸自動化。襯砌拼裝機的回旋裝置首次采用了帶制動器的大扭矩液壓馬達，起重量達5t，運轉平衡。盾尾密封裝置吸收國外新技術，采用三道鋼絲刷，并注入自行研制的盾尾油脂，確保了盾尾密封。盾構推力由尾部周圍 48只油壓千斤頂提供1.08×105kn推力，采用φ11.3m網格型水力出土盾構，順利穿越江中段淺覆土層和浦西500m建筑密集區，保護了沿線的主要建筑物和地下管線。該盾構技術成果被評為國家科技進步二等獎和上海市科技進步一等獎。
       3、土壓平衡盾構掘進機的開發和應用
       70年代以來，英國和日本分別開發了具有刀盤切削的密閉式的可平衡開挖面水土壓力的兩種新穎掘進機一泥水加壓平衡盾構和土壓平衡盾構，使盾構掘進技術發生了一次新的飛躍。1975年，日本隧道業興起了泥水加壓盾構熱，1978年起，土壓盾構也得到廣泛的應用。
       1987年，上海隧道工程公司成立土壓盾構攻關小組，在消化吸收國外土壓平衡盾構機理和設計制造技術的基礎上，研制了國內首臺φ4.3m加泥式土壓平衡盾構掘進機。
       φ4.35m土壓平衡盾構全部采用國產部件，由上海船廠制造，用于市南站過江電纜隧道。隧道總長度534m，在黃浦江底掘進，隧道埋深21～30m，穿越土層主要為砂質粉土。隧道掘進順利解決了高水壓情況下的密封和砂性土的加泥塑流技術難題，施工性能技術指標達到80年代國際先進水平，技術成果獲90年國家科技進步一等獎。
       在掌握了國際先進的土壓盾構技術以后的10余年間，隧道公司又陸續設計制造了10余臺φ3.8～6.34m土壓平衡盾構，用于取排水隧道和地鐵隧道。1993年，制造了1臺φ6.34m土壓盾構，用于南京市夾江排水隧道工程，穿越粉砂地層，掘進長度1294m。
       1990年，國務院批準上海地鐵1號線開工建設，圓形隧道選用7臺φ6.34m土壓平衡盾構推進。第 1臺φ6.34m土壓盾構于1991年6月始發推進，7臺盾構掘進總長度17.374km，1993年2月全線貫通，掘進施工期僅20個月，每臺盾構的月掘進長度達200～250m。掘進施工穿越市區建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制在+1cm～-3cm。。
       1995年上海地鐵2號線24km區間隧道開始掘進施工，地鐵1號線工程所用的7臺φ6.34m土壓盾構經維修以后，繼續用于2號線區間隧道掘進，同時又從法國fmt公司和上海的聯合體購置2臺土壓盾構，加上上海隧道股份制造的1臺土壓盾構，共計10臺土壓盾構用于隧道施工，并從日本三菱重工引進4臺φ6.14m土壓平衡盾構。
       2000年開工興建的地鐵明珠線二期區間隧道仍使用這10臺φ6.34m土壓平衡盾構施工。
       2000年，廣州地鐵2號線工程海珠廣場至江南新村3423m區間隧道選用2臺φ6.14m復合型土壓盾構掘進施工。地鐵隧道要從珠江底穿越，埋深16～28m，掘進地層主要為全風化巖。
       2000年，北京地鐵5號線工程進行區間隧道盾構掘進試驗工程，引進1臺土壓平衡盾構掘進機。南京地鐵1號線區間隧道也選用3臺土壓平衡盾構掘進機。
       4、泥水加壓平衡盾構的引進和開發應用
       泥水加壓平衡盾構是70年代英國最早開發和應用的，1975年起在日本得到廣泛的應用。1994年，日本東京灣道路隧道工程采用了8臺世界最大直徑14.14m泥水加壓平衡盾構掘進18.8km海底隧道，這是世界最先進、自動化程度最高的盾構掘進機。
       1994年，上海延安東路隧道南線1300m圓形主隧道施工引進日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加壓平衡盾構。
       泥水盾構設有掘進管理、泥水輸送、泥水分離和同步注漿系統。掘進管理和姿態自動計測系統能及時反映盾構開挖面水壓、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤頂頂力和行程、刀盤扭矩、盾構姿態、注漿量和壓力等參數，便于準確設定和調整各類參數。泥水輸送系統和泥水處理系統。
       延安東路南線隧道工程施工的φ11.22m泥水加壓盾構具有自動化程度高、盾構掘進對周圍地層影響小的優點。盾構穿越廠房、防汛墻、地下人行道、高層建筑十分安全，沉降量小于2cm。掘進速度一般為6m/d，最高達12m/d。
       廣州地鐵1號線工程于1996年引進2臺φ6.14m泥水加壓平衡盾構，掘進5852m。掘進地層為粉細砂、中砂、粗砂、粉質粘土和風化巖。
       上海隧道股份在消化吸收φ11.22m泥水平衡盾構基礎上，基本掌握了泥水加壓盾構的設計計算方法，并于1997年自行設計制造了1臺φ2.2m泥水加壓平衡頂管機，用于上海合流二期過江倒虹管隧道工程，在高水壓的砂性地層中順利掘進1220m，其技術成果達到國際先進，被評為1999年上海市科技進步二等獎。
       5、異形盾構掘進機的研究和應用
       常用的盾構隧道掘進機為圓形，主要是圓形結構受力合理，圓形掘進機施工摩阻力小，即使機頭旋轉也影響小。但是圓形隧道往往斷面空間利用率低，尤其在人行地道和車行隧道工程中，矩形、橢圓形、馬蹄形、雙圓形和多圓形斷面更為合理。日本在80年代開發應用了矩形隧道，在90年代開發應用了任意截面盾構和多圓盾構，并完成了多條人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構技術日益成熟，異形斷面隧道工程日益增多。
       上海隧道股份于1995年開始研究矩形隧道技術，1996年研制1臺2.5m×2.5m可變網格矩形頂管掘進機，頂進矩形隧道60m，解決了推進軸線控制、糾偏技術、沉降控制、隧道結構等技術難題。1999年5月，上海地鐵2號線陸家嘴車站過街人行地道采用1臺3.8m×3.8m組合刀盤矩形頂管掘進機施工，掘進距離124m。 
       近年來，上海隧道股份研究所開展了對雙圓隧道和多圓隧道掘進工程的可行性研究，進行了雙圓隧道結構的模擬試驗，為我國異形隧道的發展做了技術儲備工作。
       6、我國目前盾構掘進機水平
       我國從90年代以來，已成功地研制了直徑3.8～6.34m的土壓平衡盾構掘進機10余臺，用于地鐵隧道、引排水隧道、電纜隧道工程，技術水平已接近國際先進，在隧道導向技術、監控技術方面的研究也達到了國際先進。但由于我國液壓泵和閥件的加工制造水平與國外相比尚存在一定差距，在一些盾構掘進機中適量采用了國外的零部件。在直徑1.2～3m的頂管掘進機方面，我國已經先后研制了先進的反鏟頂管機、土壓平衡頂管機和泥水加壓頂管機，國內已完全有能力制造國產機械，替代進口設備。最近，上海已研制了國內第一臺3.8m×3.8m組合刀盤土壓平衡式矩形頂管機，完成了2條62m長的地下人行通道，使我國在異形盾構的開發研究方面擠入世界先進行列。在微型隧道掘進機方面，我國也已研制了直徑600～800mm的中心螺桿出土頂管機、夯管頂管機和水平定向鉆機等設備。
       上海隧道工程股份有限公司機械廠是盾構掘進機專業制造廠。1995～1999年，該廠制造各類盾構32臺（其中制造46m地鐵盾構5臺，修復9臺，制造φ3～5m盾構6臺，制造φ1.5～φ3m盾構10臺，制造矩形盾構2臺）。土壓平衡盾構的設計制造技術水平已接近國際先進水平，國產化率達70％，掌握了泥水加壓盾構的設計制造技術，并制造了1臺直徑2.64m的泥水加壓盾構。在 tbm掘進機方面，已具備設計制造能力，并為國外廠商制造安裝了2臺φ4.88mtbm掘進機。1999年為廣州地鐵2號線改制了2臺φ6.lm的復合型盾構掘進機。上海隧道股份研究所具有設計開發國外各種盾構掘進機的能力，并有20余項盾構掘進機的成果獲國家、建設部、上海市科技進步獎。
       7、我國隧道掘進機展望
       面對21世紀我國城市地下空間開發利用的廣闊市場，在2000～2009年10年間，我國將有20余座城市建設地鐵，至少將建250km。而采用盾構掘進機施工將是必然的選擇，正在建設中的深圳地鐵和南京地鐵采用盾構掘進區間隧道；廣州地鐵2號線、上海地鐵3號線、北京地鐵5號線均采用盾構法施工。φ6m的地鐵盾構的需求量約達40余臺，鐵路隧道將有部分采用tbm掘進機，在今后10年內φ8.6m的tbm掘進機需求量約為6臺。水電隧道將有相當一部分采用tbm掘進機，φ4m的tbm掘進機的需求量約20臺。其它城市管道的建設，φ1.5～5m的盾構掘進機需求量約為100臺。因此，盾構國產化替代進口是我們的目標和主要任務，以每臺φ6m的地鐵盾構500萬美元計算，40臺盾構若全部進口將花外匯2億美元。鐵路隧道φ8.5m的tbm掘進機每臺3000萬美元，進口約需1.8億美元。水電隧道φ4.5m的tbm掘進機每臺1000萬美元，20臺約需2億美元。2000～2009年盾構需求預測見下表。
       2000～2009年國內各類盾構的需求量預測表
盾構機型 直徑（m） 臺數 單價（萬美元／臺）引進費用（億美元） 備注
土壓平衡盾構
泥水加壓盾構 6 70 500 3.5 掘進地鐵500km
3～5 100 200～400 3 掘進市政隧道600km
復合型盾構 6 15 600 0.9 掘進地鐵120km
tbm掘進機 4～5 20 1000 2 掘進水電隧道200km
8～9 6 3000 1.8 掘進鐵路隧道60km
總計 181 11.2 
       由上表預測，今后10年我國隧道掘進機的市場可達10億美元，若有60％采用國產掘進機，至少可節省外匯6億美元，并可振興我國的掘進機制造業。