盾构机的研究现状及发展前景.docx

第 34 卷 2006 年第 6 期盾构机的研究现状及发展前景论文编号：1001-3954(2006)06-0024-027盾构机的研究现状及发展前景* 崔国华 1 ，3王国强 1何恩光 2张英爽 11 吉林大学机械科学与工程学院 吉林长春 1300252 沈阳重型机械集团公司3 河北工程大学盾构机械始于 19 世纪初的英国，发展于德、日 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。我国盾构机的研制、开发始于 20 世纪 60 年代，发展于 20 世纪 90 年代，其中地铁使用的数量 最多，约占 80%。现代盾构已演变成为一种高度智能 化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工 程机械装备。1盾构机的发展概述1818 年，英国人 Marc Isambard Brunel 从一种食 船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工 技术，并获得专利 [1]。19 世纪末到 20 世纪中叶，盾 构机技术取得较快的发展，主要以气压式、手掘式、 半机械式、机械式盾构为主。20 世纪 60 年代中期至 80 年代末，在软粘土中使用了挤压式盾构机，开发了 闭胸式盾构机并得到广泛应用，形成了现代盾构技术 的主流。20 世纪 90 年代以来，闭胸式的泥水式盾构·采机和土压平衡式盾构机成为世界范围内的主流产品。 盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家掘和地区，日本和德国处于世界领先水平。据统计全球 己累计生产各种盾构机 1 万多台，主要生产厂家有日 本三菱重工和川崎重工、德国海瑞克公司、美国的罗本栏宾斯公司、法国迈通公司等。盾构机的类型较多，按目照结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，见编图 1。手掘式盾构挤压式盾构半机械式盾构机械式盾构敞开 式正面 支 撑 式棚式全挤 压 式局部 挤 压 式网格 式正 反 铲螺旋 切 削软岩 掘 进 机开 胸大刀 盘 切 削闭胸式局 部 气 压 式泥 水 加 压 式土 压 平 衡 式辑杨 健图 1 盾构机分类形、马蹄形、椭圆形、MF 形 (双圆搭接、三圆搭接) 等多种异圆断面盾构机；从功能上讲出现了球体盾 构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途 中更换刀具 (无需竖井) 盾构、障碍物直接切除盾构等 特种盾构机；从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、 摆动掘削方式的盾构机；(3) 盾构机的技术科技含量越来越高。液力驱动 和电液比例控制技术、遥控技术、激光雷达技术、卫 星制导技术、现场总线控制技术、摄像及视觉信号处 理技术等现代高新技术成果不断得到应用；(4) 盾构机基本实现了掘进、衬砌、排土施工工 艺的全机械化和全自动化。目前，施工设备出现了管 片供给、运送和组装自动化装置，施工管理中出现了 盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统，施工信息 化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统;(5) 泥水盾构、土压平衡盾构是当前盾构机的主 流产品，但有些技术细节有待改进和提高，许多已问 世的新工法、新工艺尚待完善。2盾构机的研发现状在都市隧道构筑中，迫切希望出现既能有效利用 地下空间，又能兼顾环境保护和降低工程造价的盾构 机，因此，在泥水、土压盾构技术的完善、改进和提 高的基础上，新型盾构机相继问世。2.1 异圆型断面盾构机主要有 MF (Multi-Circular Face，多圆搭接) 盾 构机、自由断面盾构机、偏心多 轴盾构机、双圆 (DOT)盾构机 (图 2)、椭圆形 盾构机、矩形 ( 矩形、凸字 形、凹字形) 盾 构机、马蹄形盾2244近年来，盾构机的技术进步极为显著，归纳起来 主要有以下五个特点[2~3]：(1) 盾构机施工隧道的长距离化、大直径化；地 层适应性广，可用于硬岩、沙砾层、卵石层、沙层和 软土等各种地层；掘进断面尺寸变化范围较大，具有 向超大、微小两个方向发展的趋势，直径 18 m 的盾 构机已在研制，小到直径 0.2 m 的微型盾构机已在工 程中得到应用；(2) 盾构机的多样化。从断面形状方面出现了矩* 作者简介：崔国华，男，1975 年生，河北衡水人，吉林大 学博士研究生， 研究方向 ： 机械设计及理论。 构机等。MF 盾构机 是将几只圆形盾 构机的切削刀盘 按前后错开，并 使一部分重叠的 盾构机同时开挖 多个圆形断面。 主要有双圆搭接 型盾构机和三圆 搭接型盾构机 (图 3)。图 2 双圆 (DOT) 盾构机图 3 三圆搭接型盾构机盾构机的研究现状及发展前景第 34 卷 2006 年第 6 期自由断面盾构机 (图 4) 是在一个普通圆形盾构主 刀盘的外侧，设置数个 规模比主刀盘小的行星刀 盘，行星刀盘随主刀盘在外围 做自转的同时 绕 主 刀 盘 公 转。掘削面的 中央部位有主 刀盘掘削，其 外周部位由外围 的旋转行星刀盘中间