国内外隧道盾构机技术发展趋势与应用
盾构机是一种专业工程机械，它主要用于在地下施工中开挖隧道。随着盾构掘机的发展，它集成了信息、光、电、传感、液、机、技术于一体，涉及地质、测量、电气、液压、机械、等多门技术，具有土碴运输、土体切削、衬砌隧道等功能，而且对于不同的地质进行相应的方案设计，准确性很高。文章介绍了盾构机的历史及其在具体工程中的应用与发展方向。
标签：盾构机；发展；长沙地铁
盾构机主要由动力部分、顶进主轴、导向系统、刀盘系统、纠偏系统、中继顶进系统、排运岩土机构以及等几个部分组成。盾构掘进机的工作原理就是一个圆柱形的钢件沿隧洞轴线一边对土壤进行开挖，一边同时向前推进。这一钢件壳的作用是负责分担来自周围土层的压力，起到对正在施工作业隧洞的保护以及支撑作用，排土、挖掘、衬砌等作业都在该圆柱组件的支撑下进行。由于工作原理的不同，盾构机主要有混合型、泥水加压式、土压平衡盾构等多种。考虑到盾构机给实际工程带来了极大的便利，因此已经应用于许多地铁、市政、水电、等许多地下工程。
1 盾构机发展溯源
盾构机从发明那天起距今已经有180多年的历史，第一台盾构机诞生在英国，后由日本、德国不断发展壮大。盾构机的发展主要有三个阶段，盾构机的发明，盾构机的发展普及，盾构机的发展完善，随着科技的发展，盾构技术不断完善进步，从而为世界的隧道建设做出了重要的贡献。
1.1 第一台盾构机的诞生
1818年，英国工程师布鲁诺尔在一次偶然的情况下通过船板上的蛀孔，发现这种虫子在前进的过程中利用自身的分泌物涂在孔的周围来支撑周围物质得到启示，后来他完善了构思，发明了一种圆形铁壳，同时利用千斤顶在土壤中推进，在铁壳里的工人一边挖掘，一边衬砌轨道。从此世界上第一台盾构机便问世了。
1.2 盾构机在世界各国进一步发展普及
19世纪末到20世纪初盾构技术相继传入德、日、美等国，并得到了很大的发展。1892年，美国率先发明了掘削工作面封闭不能直接观察到施工面作业的封闭式盾构，必须辅以多种监控装置来控制掘削面工作。1931年苏联利用盾构机建造了莫斯科地铁隧道，施工中首次使用了化学注浆和冻结工法。自此，这种施工方法得以传播，并在全球范围内广受欢迎。
1.3 现代盾构机的进步和完善
进入21世纪以来，日本不断研究改善盾构施工，做出了许多卓越的贡献，1968-1989年近20年之间日本研发了多种盾构机类型，使盾构机进入了一个新的台阶，研发了泥水加压盾构、泥水式双圆搭接盾构工、泥土加压盾构、高浓度泥水盾构、注浆盾构工等多种施工法；1969年美国和英国在盾構施工中率先使用油压千斤顶盾构以及滚筒式挖掘机；这一时期开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主，盾构施工法不断完善发展，成绩斐然。
随着科技的发展，盾构机中存在的问题得到了有效的解决，其技术的瓶颈部分被不断突破、升级，像刀具的更换及使用寿命，及面对恶劣环境下的施工方案探讨，使盾构机有了进一步的发展。盾构机的发展同时离不开各个盾构机生产厂家的努力，目前国内外均有许多优秀的盾构机制造厂家，国外盾构机的主要制造厂家集中在欧美和日本，如美国的Robbins（罗宾斯）公司，德国的Herrenknecht AG（海瑞克）公司，加拿大的加拿大Lovat（罗福特）公司以及日本的小松制作所、三菱重工、川崎重工等。国内盾构机主要制造厂有三一重工、中国铁建重工集团、北京华隧通掘进装备有限公司、北方重工集团有限公司。目前，厂家已经可以根据不同的工程对象和地质条件、根据不同工程的不同需求来设计盾构机。
2 盾构机的使用日益广泛
目前，随着我国交通堵塞日益严重，为了缓解这种情况近几年我国的城市轨道交通发展很快，特别是城市地铁建设步伐日益加快，盾构施工法越来越多的应用于地铁施工中。2008年金融危机后，紧随我国政府投入数万亿资金支持铁路建设，中小城市的地铁建设也随之步入快车道。根据十二五规划，到2015年隧道建设投资额将达12157亿元，总里程将达6120公里，截至目前，北京、广州、上海等国内一线城市已经建成多条地铁线路，运营里程已达823.7公里，与此同时，国务院已经批复了20多个城市的地铁建设。在33个地铁规划的城市中，其中在长三角与珠三角地区增长最快，新增248公里、129公里。在这些工程中有很多使用盾构机进行施工。
长沙地铁2号线：
长沙地铁2号线是长沙地铁中最早建设的地铁项目在地铁网络中属于核心骨干线路，隧道线路全长：42800m，2号线全线共分为7个盾构段，投入15台大型泥水平衡盾构掘进机，累计掘进35524米，占总量的83.1%。长沙地铁2号线最大站间距为2036m，为长沙火车南站至光达站区间，最小站间距为672m，为长沙火车站至锦泰广场站区间，平均站间距1182m。由长沙轨道交通建设集团公司重点建设，多个建设单位共同建造。长沙地铁在建设过程中实现了多个第一，盾构掘进施工在地铁建设中有着举足轻重的作用，在其他城市建设中许多设备都是从国外引进的，而长沙在其地铁建设中支持国产，尤其是在建设2号线的过程中，其所使用的施工技术以及机械设备全是国产的，在我国尚属首例。地铁2号线是长沙市轨道交通建设的重要组成部分。要穿越多种复杂的地层，为了满足复杂土质盾构机换了多达7种刀盘。尤其是线路中总长为4141m的一段，其施工过程中所面临的难题是跨越湘江，考虑到其施工长度超过1800m，在整个工程
中所使用的盾构机均是国产的，成功解决了这一难题，最终实现整条线路的顺利竣工。需要特别指出的是，在该线路中设立的橘子洲站成为目前我国仅有的首例设立在江中央小岛上的站台，工程难度非常大。“湘江一号”过江盾构创新性的盾构技术，着重改进、升级了许多核心技术，有目的性的对该技术进行了改进和创新，成功避免了一系列的施工风险，从而确保了施工人员的人身安全，并攻破了在施工过程中遇到的技术难题，积累了宝贵的工程经验。同时这次国内自主研发具有完全自主知识产权的盾构机完美作业，一举打破了国外的技术垄断，使国际巨头不得不进行妥协，将每台机器的价格降低了1.1亿元，降至每台4000万元。从而争取市场话语权，为国家节约了大量资金。同时，这也是对我国盾构公司极大的肯定，促使其不断创新，提高自身技术水平，从而使其综合实力更上一层楼。
3 我国盾构机发展历史和趋势
随着我国的经济高速发展，我国在交通、水利水电、市政地下工程等基础建设方面进展迅速，越来越多的工程离不开盾构掘进机，由于盾构机在盾构施工中具有许多优点，如自动化程度高、施工快速、地面沉降可控等特点，我国开始了漫长的盾构掘进机自主研发之路。由于起步有些晚，我国在盾构机的关键零件的制造水平仍然与国外有一定差距。
3.1 我国盾构技术的早期發展
1950年，东北阜新煤矿通过用手掘式盾构修建了国内首条盾构机挖掘的隧道。
1963年，上海隧道有限公司自主研发，结合上海地质条件，研发出了带有隧道防水的手掘式盾构机，并成功进行试验，贯通了长为65m的隧道。
1966年，上海的隧道工程设计院为了实现越江公路的顺利竣工，与造船厂强强联手，经过他们不懈的努力，研发了我国第一台超大型盾构机，直径达10.2m。正是利用这台设备，上海顺利完成了越江公路工程的作业，隧道长度1331m。
1970年，上海石化总厂率先采用了垂直顶升法取排水口的技术，采用两台大型挤压网格盾构机挖掘了总长3926m海底隧道。
3.2 我国盾构掘进技术的进步与探寻
1980年，上海市开始了地铁建设，由于上海地质松软，淤泥较多，上海隧道工程院积极研发，经过不的努力，终于成功研发了一台1号一台直径7.23m的网格挤压型盾构机，成功盾构隧道长度达1230m。
1982年，上海在引进一台日本三菱重工制造的直径4.21m小刀盘土压盾构的基础上，取长补短，研发完成了国内第一台直径为4.35m的盾构机，并在我国当时正在施工的过江隧道工程中成功地投入使用，解决了当时施工时的难题，这一设备无论是在制作工艺，还是在科技创新方面，都是当时同类产品的佼佼者，
