国内盾构机研究现状与展望

钟 磊 高 进

（济南重工股份有限公司，济南 250000）

盾构机械始于19世纪初的英国[1]，发展于德国、日本等国，适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道工程[2-4]。随着我国城市建设的不断发展，城市交通成为当下最重要的问题之一，盾构机作为隧道建设的施工设备也被广泛应用，图1为土压平衡式盾构机的总装图。

图1 土压平衡盾构机总装图

1 国内盾构机研究现状

我国在盾构机研制方面已有多年经验，20世纪90年代以来，自主研发了挤压式盾构、气压式盾构。目前，国内许多企业，如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团、沈阳重型机械集团公司等单位相继开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，但与国外相比，我国现代盾构机的研制在适应性设计、系统集成技术和关键元配件的生产制造等方面还存在一定的差距。

经过对盾构机方面论文的查阅发现，针对盾构机的研究大多集中在对刀盘和拼装机研究上，主要因为隧道的掘进和管片的拼装是盾构机最基本的工作。盾构机是集机、电、液、光、计算机技术于一体的大型工程机械装备，因此，关于盾构机的研究也涉及很多领域，如电气、机械、土木、数学等。重庆交通大学桥梁与隧道工程专业的李鹏飞[5]在他的毕业论文中研究了盾构机掘进过程中地面沉降的问题，并对工程施工监测预警系统进行了完善；俱攀武[6]和仝哲[7]都分别在他们的毕业论文中对刀盘受力的问题从不同方面进行分析；王日启[8]、乔向南[9]分别在他们的毕业论文中运用ANSYS对刀盘受力和典型部位焊接进行分析；大连理工大学电机与电器专业的罗亚琴[10]在她的毕业论文中采用系统仿真的方法对四台电机的转速同步和转矩同步系统进行了分析。然而，一般情况下，电驱型盾构机所用的电机数量至少是六个；南京理工大学机械工程专业的孙志超[11]在他的毕业论文中对管片拼装机的结构和控制系统进行了研究。

2 国内盾构机发展展望

盾构技术目前已成为构筑地下铁路、电信、电力、上下水道等城市隧道的主要施工方法[8]。随着微电子技术、自动控制技术、遥感技术的发展以及各类隧道挖掘需求的增加，未来盾构机发展方向趋势可归纳为下述三点。

2.1 机型多样化

未来盾构机将不限于如今的圆形盾构机。为适应各种断面尺寸和形状的需求，未来盾构机刀盘不再是整体结构，整个刀盘将由多个模块构成，通过各模块的自转及模块之间的相对运动来构造出不同的断面形状，以满足不同的需求[9]。

2.2 控制智能化

盾构机将不断采用类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，盾构机的机器人化发展趋势不可阻挡[10]。盾构机智能化是小型化的前提条件。另外，盾构机的施工条件恶劣，各类安全隐患较多，对跟随机器施工的人员安全威胁较大。盾构机智能化可以将人从设备中解放出来。

2.3 整机轻量化

目前，盾构机采用的是整体钢结构，整机重量500t以上，导致其生产、运输、组装等工作困难，从开始生产到下线施工的时间跨度太大。另外，由于施工过程中磨损严重，导致其施工距离仅有几千米，地铁建设成本较大。随着材料技术的发展，更轻、更耐磨的材料将部分甚至整体取代盾构机上的钢结构。随着集成化发展，后配套设施长度将更短，高度和宽度更小，而功能将更加完善。

3 济南地铁建设

近几年，济南地铁的建设也在如火如荼的进行着，其隧道的挖掘便是基本采用盾构机这一设备，且全部为土压平衡式盾构机。目前，R1线已全线贯通，R2、R3线预计在2020年以前结束施工。盾构机整体结构如图2所示，其他重要结构如刀盘和管片拼装机如图3和图4所示。

图2 土压平衡盾构机整体结构图

图3 盾构机刀盘

图4 管片拼装机

4 结语

本文主要介绍了国内盾构机的发展及研究现状，概括性的对未来盾构机发展方向做了展望。综合来看，我国在盾构机行业中属于后来者，起步较晚、实际应用较少，关键零部件还受制于人，国内生产的所有盾构机关键总成和零部件大半部分还是依赖于进口[11]。因此，加快盾构机方面的研究、生产具有自主知识产权的盾构设备变得尤为迫切。

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