盾构机操作与维护指南

1.1.1　盾构机的发展与应用

盾构机（Shield Machine,Shield TBM）简称盾构，是在软土和软岩地层（淤泥、黏土、卵石等）中进行地下工程作业的工程机械。许多资料又将其称为盾构掘进机（Shield Tunneling Machine），因为盾构与掘进机之间难于严格界定，只是两者作业于不同的地层或围岩之中，是隧道掘进的专用工程机械。现代盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，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，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，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，发展于日本、德国。1818年，法国的布鲁诺尔（M.I.Brune 1）从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利，如图1-1所示。1825年，他第一次在伦敦泰晤士河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m，并由12个邻接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一个框架分成3个仓，每一个仓里有一个工人，共有36个工人。泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上的特大洪水后，直到1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。最早的盾构机及施工如图1-2（a）、1-2（b）所示。

图1-1　布鲁诺尔注册专利的盾构

图1-2　最早的盾构机及施工(www.xing528.com)

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、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，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。盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提以及高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具。

盾构技术是目前国际上较为广泛采用的地下隧洞全机械化开挖的施工技术。从目前情况来看，日本、德国、法国等国的盾构施工技术及盾构机制造水平比较先进。目前，世界上最长的英法海底隧道（长37.2km）承受120m深的海水压力（12bar大气压），日本东京湾海底隧道（长10km）也是承受高水头（海面下约60m、海底面下约30m）、高水压（约6bar大气压），但基本上是在均质硬岩中掘进，采用了许多当今世界上最先进的技术，所有电气和机械设备均考虑密封和防突然溃入的海水浸蚀。日本的盾构技术通过几十年的发展，顺应了高水压、长距离、高速施工和劳动环境等方面的挑战，使信息化施工技术得以进步，并改善了机械设备，从而达到世界顶级的水平。

从我国情况来看，与日本及欧洲等国家相比，我国使用盾构技术的历史较短，施工经验较少，因此在这一新技术的研究和应用中，有着较大的空间。国内盾构施工技术和盾构机制造水平最近几年也有了很大的提高，近年来在我国的地铁隧道、排污隧道、越江隧道的施工中开始了较为广泛的应用。上海、南京、广州等城市已成功地利用盾构技术完成了多条城市地铁、过江（河）隧道的施工，积累了大量的工程施工经验。如，北京、上海、广州、深圳、南京、杭州、成都等城市地铁建设，上海的穿越黄浦江公路隧道，污水治理工程的排污隧道、西气东输南京三江口穿越长江隧道、重庆市主城排水过江隧道、广州的地下电力隧道、武汉长江公路隧道等。我国的盾构技术正以其高起点飞速发展，其先进性、高质量、高安全性和强环保性为国人所认同和推广。