國內(nèi)盾構(gòu)機研究現(xiàn)狀與展望

鐘 磊 高 進

（濟南重工股份有限公司，濟南 250000）

盾構(gòu)機械始于19世紀初的英國[1]，發(fā)展于德國、日本等國，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[2-4]。隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市交通成為當(dāng)下最重要的問題之一，盾構(gòu)機作為隧道建設(shè)的施工設(shè)備也被廣泛應(yīng)用，圖1為土壓平衡式盾構(gòu)機的總裝圖。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機總裝圖

1 國內(nèi)盾構(gòu)機研究現(xiàn)狀

我國在盾構(gòu)機研制方面已有多年經(jīng)驗，20世紀90年代以來，自主研發(fā)了擠壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)。目前，國內(nèi)許多企業(yè)，如上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團、廣重集團、沈陽重型機械集團公司等單位相繼開展了盾構(gòu)設(shè)備的研制和相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，但與國外相比，我國現(xiàn)代盾構(gòu)機的研制在適應(yīng)性設(shè)計、系統(tǒng)集成技術(shù)和關(guān)鍵元配件的生產(chǎn)制造等方面還存在一定的差距。

經(jīng)過對盾構(gòu)機方面論文的查閱發(fā)現(xiàn)，針對盾構(gòu)機的研究大多集中在對刀盤和拼裝機研究上，主要因為隧道的掘進和管片的拼裝是盾構(gòu)機最基本的工作。盾構(gòu)機是集機、電、液、光、計算機技術(shù)于一體的大型工程機械裝備，因此，關(guān)于盾構(gòu)機的研究也涉及很多領(lǐng)域，如電氣、機械、土木、數(shù)學(xué)等。重慶交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)的李鵬飛[5]在他的畢業(yè)論文中研究了盾構(gòu)機掘進過程中地面沉降的問題，并對工程施工監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行了完善；俱攀武[6]和仝哲[7]都分別在他們的畢業(yè)論文中對刀盤受力的問題從不同方面進行分析；王日啟[8]、喬向南[9]分別在他們的畢業(yè)論文中運用ANSYS對刀盤受力和典型部位焊接進行分析；大連理工大學(xué)電機與電器專業(yè)的羅亞琴[10]在她的畢業(yè)論文中采用系統(tǒng)仿真的方法對四臺電機的轉(zhuǎn)速同步和轉(zhuǎn)矩同步系統(tǒng)進行了分析。然而，一般情況下，電驅(qū)型盾構(gòu)機所用的電機數(shù)量至少是六個；南京理工大學(xué)機械工程專業(yè)的孫志超[11]在他的畢業(yè)論文中對管片拼裝機的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了研究。

2 國內(nèi)盾構(gòu)機發(fā)展展望

盾構(gòu)技術(shù)目前已成為構(gòu)筑地下鐵路、電信、電力、上下水道等城市隧道的主要施工方法[8]。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、遙感技術(shù)的發(fā)展以及各類隧道挖掘需求的增加，未來盾構(gòu)機發(fā)展方向趨勢可歸納為下述三點。

2.1 機型多樣化

未來盾構(gòu)機將不限于如今的圓形盾構(gòu)機。為適應(yīng)各種斷面尺寸和形狀的需求，未來盾構(gòu)機刀盤不再是整體結(jié)構(gòu)，整個刀盤將由多個模塊構(gòu)成，通過各模塊的自轉(zhuǎn)及模塊之間的相對運動來構(gòu)造出不同的斷面形狀，以滿足不同的需求[9]。

2.2 控制智能化

盾構(gòu)機將不斷采用類似機器人的技術(shù)，如控制、遙控、傳感器、導(dǎo)向、測量、探測、通訊技術(shù)等，盾構(gòu)機的機器人化發(fā)展趨勢不可阻擋[10]。盾構(gòu)機智能化是小型化的前提條件。另外，盾構(gòu)機的施工條件惡劣，各類安全隱患較多，對跟隨機器施工的人員安全威脅較大。盾構(gòu)機智能化可以將人從設(shè)備中解放出來。

2.3 整機輕量化

目前，盾構(gòu)機采用的是整體鋼結(jié)構(gòu)，整機重量500t以上，導(dǎo)致其生產(chǎn)、運輸、組裝等工作困難，從開始生產(chǎn)到下線施工的時間跨度太大。另外，由于施工過程中磨損嚴重，導(dǎo)致其施工距離僅有幾千米，地鐵建設(shè)成本較大。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，更輕、更耐磨的材料將部分甚至整體取代盾構(gòu)機上的鋼結(jié)構(gòu)。隨著集成化發(fā)展，后配套設(shè)施長度將更短，高度和寬度更小，而功能將更加完善。

3 濟南地鐵建設(shè)

近幾年，濟南地鐵的建設(shè)也在如火如荼的進行著，其隧道的挖掘便是基本采用盾構(gòu)機這一設(shè)備，且全部為土壓平衡式盾構(gòu)機。目前，R1線已全線貫通，R2、R3線預(yù)計在2020年以前結(jié)束施工。盾構(gòu)機整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其他重要結(jié)構(gòu)如刀盤和管片拼裝機如圖3和圖4所示。

圖2 土壓平衡盾構(gòu)機整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 盾構(gòu)機刀盤

圖4 管片拼裝機

4 結(jié)語

本文主要介紹了國內(nèi)盾構(gòu)機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，概括性的對未來盾構(gòu)機發(fā)展方向做了展望。綜合來看，我國在盾構(gòu)機行業(yè)中屬于后來者，起步較晚、實際應(yīng)用較少，關(guān)鍵零部件還受制于人，國內(nèi)生產(chǎn)的所有盾構(gòu)機關(guān)鍵總成和零部件大半部分還是依賴于進口[11]。因此，加快盾構(gòu)機方面的研究、生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)設(shè)備變得尤為迫切。

Current Status and Prospects of Domestic Shield Machine Research

ZHONG Lei,GAO jin
(Jinan Heavy Machinery Joint-stock Co., Ltd., Jinan 250000)

Abstract:This paper mainly introduces the development process and current situation of shield tunneling machine and the related achievements in China. In light of my own reality, take Ji’nan as example, this article made a brief summary of the current situation of the shield machine combining with my actual work.

Key Words:Shield tunneling machine,Ji’nan Metro,Earth pressure balance,Light weight