中國(guó)盾構(gòu)制造新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

陳 饋， 楊延棟

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

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中國(guó)盾構(gòu)制造新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

陳 饋， 楊延棟

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已形成了一套全面的技術(shù)體系。首先， 從回顧中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的黎明期、技術(shù)創(chuàng)新期、跨越發(fā)展期3個(gè)歷史時(shí)期入手，重點(diǎn)介紹在跨越發(fā)展期所涌現(xiàn)出的幾家代表性盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造企業(yè)及其業(yè)績(jī)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)；其次，從異形盾構(gòu)技術(shù)、新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)、刀盤刀具修復(fù)技術(shù)、快速出碴技術(shù)等方面闡述中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展；最后，提出中國(guó)盾構(gòu)將朝著挑戰(zhàn)極限、性能優(yōu)越化、設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造模塊化、控制智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。

盾構(gòu)技術(shù)； 異形盾構(gòu)； 新型驅(qū)動(dòng)； 刀盤修復(fù)； 碴料運(yùn)輸

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展與城市化水平的提高，隧道及地下空間開發(fā)得到迅猛發(fā)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者在鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵、綜合管廊、地下通道、煤礦巷道和引水隧洞等隧道及地下工程建設(shè)中開展了大量研究工作[1-5]。盾構(gòu)作為機(jī)械化開挖的工程裝備，已在我國(guó)隧道及地下空間開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

2004年，上海隧道成功研制土壓平衡盾構(gòu)“先行號(hào)”[6]；2007年，中鐵隧道集團(tuán)成功研制復(fù)合盾構(gòu)“中鐵1號(hào)”[7]；2008年，上海隧道成功研制泥水平衡盾構(gòu)“進(jìn)越號(hào)”[8]；2013年，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)成功研制煤礦斜井雙模盾構(gòu)[9]；2015年，中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司成功研制超大直徑泥水平衡盾構(gòu)[10]；2015年，上海隧道成功研制類矩形盾構(gòu)；2016年，中鐵工程裝備集團(tuán)成功研制馬蹄形盾構(gòu)和超大直徑土壓平衡盾構(gòu)。雖然中國(guó)盾構(gòu)制造技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但與世界先進(jìn)水平相比仍有較大差距。

中國(guó)作為世界上最大的隧道及地下工程施工市場(chǎng)，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備具有迫切的需求。隨著世界經(jīng)濟(jì)的緩慢復(fù)蘇以及諸多發(fā)展中國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的增加，我國(guó)新興的盾構(gòu)產(chǎn)品已經(jīng)開始進(jìn)入海外市場(chǎng)，對(duì)我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)水平的提高具有強(qiáng)大的推動(dòng)作用。本文主要回顧中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展歷程，對(duì)發(fā)展過程中的新技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并探討中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展歷程

中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)歷史時(shí)期，包括黎明期(1953—2002年)、技術(shù)創(chuàng)新期(2003—2008年)和跨越發(fā)展期(2009年至今)。

1.1 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)黎明期

1953—2002年為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的黎明期，中國(guó)盾構(gòu)經(jīng)歷了從無到有的過程并致力于“造中國(guó)人自己的盾構(gòu)”。該時(shí)期中國(guó)設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)見表1。約50年間，中國(guó)盾構(gòu)經(jīng)歷了手掘式盾構(gòu)、網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)、插刀式盾構(gòu)以及土壓平衡盾構(gòu)等幾個(gè)階段，另外矩形頂管技術(shù)也得到了創(chuàng)新發(fā)展。該時(shí)期盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展主要集中在上海、北京等地鐵修建較早的城市，上海隧道在中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)黎明期發(fā)揮了強(qiáng)大的技術(shù)推動(dòng)作用，是中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的先驅(qū)。

表1 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)黎明期盾構(gòu)列表

1.2 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新期

2002—2008年為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新期，國(guó)家科技部將盾構(gòu)技術(shù)研究列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)，致力于“造中國(guó)最好的盾構(gòu)”，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)盾構(gòu)從有到優(yōu)的發(fā)展。列入國(guó)家“863”計(jì)劃的盾構(gòu)相關(guān)課題見表2。

表2 2002—2008年國(guó)家“863”計(jì)劃盾構(gòu)相關(guān)課題

通過“863”課題的引導(dǎo)和資助以及對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)與吸收，中國(guó)研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、性能優(yōu)良的盾構(gòu)，結(jié)束了我國(guó)盾構(gòu)長(zhǎng)期依賴國(guó)外品牌的歷史，自此中國(guó)進(jìn)入了具備盾構(gòu)自主設(shè)計(jì)、制造和施工技術(shù)的盾構(gòu)大國(guó)行列。該時(shí)期具有代表性的中國(guó)盾構(gòu)及關(guān)鍵零部件見表3。

表3 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新期代表性盾構(gòu)及關(guān)鍵零部件列表

1.3 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)跨越發(fā)展期

2009年至今為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的跨越期，中國(guó)致力于“造世界最好的盾構(gòu)”，中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展從優(yōu)秀到卓越，并走向國(guó)際。中國(guó)盾構(gòu)自主創(chuàng)新能力顯著提高，涌現(xiàn)出多家優(yōu)秀的盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造企業(yè)，包括中鐵工程裝備集團(tuán)、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、上海隧道、北方重工集團(tuán)、遼寧三三工業(yè)有限公司等企業(yè)，其代表性盾構(gòu)產(chǎn)品見表4—9。

表4 中鐵工程裝備代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

表4(續(xù))

表5 鐵建重工代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

表6 北方重工代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

表7 上海隧道代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

表8 中交天和代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

表9 三三工業(yè)代表性盾構(gòu)產(chǎn)品列表

在中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)跨越發(fā)展期，除上述6家盾構(gòu)企業(yè)外，還涌現(xiàn)出其他一些代表性盾構(gòu)企業(yè)，如三一重工研制了中國(guó)首臺(tái)城市地鐵敞口式盾構(gòu)[11]、江蘇瑞成機(jī)械有限公司研制了中國(guó)首臺(tái)最小直徑泥濃式盾構(gòu)、中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司研制了中國(guó)首臺(tái)應(yīng)用于城市地鐵施工的DSUC盾構(gòu)等。

2 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)最新進(jìn)展

中國(guó)盾構(gòu)經(jīng)過60多年的發(fā)展，形成了一大批先進(jìn)技術(shù)，如異型盾構(gòu)技術(shù)、新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)、刀盤刀具快速修復(fù)技術(shù)和快速出碴技術(shù)等。

2.1 異型盾構(gòu)技術(shù)

2.1.1 類矩形盾構(gòu)技術(shù)

2015年11月30日，上海隧道自主研制的世界最大斷面類矩形盾構(gòu)(見圖1)在寧波軌道交通3號(hào)線始發(fā)，這是中國(guó)制造并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界首臺(tái)超大斷面類矩形盾構(gòu)，標(biāo)志著我國(guó)在類矩形盾構(gòu)技術(shù)方面取得重大突破并處于世界領(lǐng)先行列[12]。

該土壓平衡類矩形盾構(gòu)主要由拼裝系統(tǒng)、螺旋機(jī)出土系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和刀盤系統(tǒng)等組成。刀盤采用11.83 m×7.27 m的類矩形全斷面切削組合刀盤，由同一平面相交的2個(gè)X圓形大刀盤和后置偏心多軸刀盤組合而成，通過采用同平面相交雙刀盤協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、GPS實(shí)時(shí)映像檢測(cè)技術(shù)、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)及故障預(yù)警技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)雙刀盤互不干涉交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)，滿足全斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)需求。盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上下糾偏角度±1.5°、左右糾偏角度±1.1°和最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m的急轉(zhuǎn)彎。管片拼裝機(jī)采用環(huán)臂式軌跡自動(dòng)控制管片拼裝機(jī)，克服了拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)空間小、管片超出拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)拼裝范圍、拼裝機(jī)與盾構(gòu)其他部件安裝不協(xié)調(diào)等難題，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度拼裝，具有廣泛的異形斷面適應(yīng)性。

盾構(gòu)采用2種襯砌方案： 在常規(guī)區(qū)間采用設(shè)立柱的鋼筋混凝土管片，在特殊段可采用無立柱的鋼管片。襯砌接頭形式采用預(yù)埋鑄鐵手孔的短直螺栓連接和彎螺栓連接2種形式，密封墊采用遇水膨脹材料與三元乙丙橡膠制造而成。盾構(gòu)采用防背土裝置、土壓調(diào)節(jié)裝置和出土計(jì)量系統(tǒng)。出土計(jì)量系統(tǒng)采用高精度皮帶秤和軌道智能土量檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)出土量，并與綜合管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工的“土量平衡控制”，從而有效控制地表沉降。

2.1.2 馬蹄形盾構(gòu)技術(shù)

國(guó)內(nèi)自主研制的首臺(tái)超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)(見圖2)，也是世界首臺(tái)超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)，于2016年7月17日在鄭州下線，并于11月11日在蒙華鐵路白城隧道工程成功始發(fā)，開啟了軟土鐵路隧道開挖的新模式。

圖2 馬蹄形盾構(gòu)

該馬蹄形盾構(gòu)開挖斷面尺寸為11.90 m×10.95 m，盾體采用梭式結(jié)構(gòu)，雙螺旋輸送機(jī)出土。刀盤采用9個(gè)小刀盤共同組成一個(gè)馬蹄形斷面組合方式，可基本進(jìn)行全斷面切削(斷面切削率92%)；刀盤控制采用“前后錯(cuò)開，左右對(duì)稱”的原則，具有調(diào)試、掘進(jìn)、維保3種模式可供選擇；當(dāng)盾構(gòu)發(fā)生滾轉(zhuǎn)時(shí)，可通過多個(gè)刀盤同向轉(zhuǎn)動(dòng)使盾構(gòu)獲得反方向扭矩，以達(dá)到滾轉(zhuǎn)糾偏的目的。

馬蹄形盾構(gòu)攻克了全斷面多刀盤聯(lián)合分步開挖技術(shù)及適應(yīng)性技術(shù)、超大斷面馬蹄形管片拼裝技術(shù)、密閉加壓可變?nèi)莘e液壓泵源技術(shù)、盾尾間隙實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)和超大馬蹄形變曲率斷面土壓平衡技術(shù)等關(guān)鍵難點(diǎn)。

2.2 新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)

2.2.1 盾構(gòu)永磁同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)

盾構(gòu)永磁同步驅(qū)動(dòng)繼承了永磁高鐵牽引電機(jī)節(jié)能、高效、可靠等優(yōu)異性能，且更適應(yīng)盾構(gòu)多電機(jī)協(xié)同工作模式，與同等功率三相異步電機(jī)相比，可大大減輕質(zhì)量，體積更小，維護(hù)更便捷[13]。

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)與三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比(見圖3)，無需減速器，減少了傳動(dòng)能量損失，可提高驅(qū)動(dòng)效率5%；相同體積下，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力可提高100%，且相同驅(qū)動(dòng)能力下，更節(jié)約安裝空間，電機(jī)體積可減小50%。

(a) 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)

(b) 永磁同步驅(qū)動(dòng)

2.2.2 盾構(gòu)電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)

注射碘酊治療組:1周后,囊腫注射部位的粘膜表面發(fā)白,無觸痛,3周后,注射部位與周圍粘膜無差異,囊腫已完全消失,表面粘膜未見異常,半年內(nèi)進(jìn)行隨訪,見6例囊腫復(fù)發(fā)。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)效率高，大大降低了系統(tǒng)的冷卻功率；液壓驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)異的低速特性、穩(wěn)定而均衡的扭矩輸出。盾構(gòu)電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)(見圖4)集成了2種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)，小扭矩工況下，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率高的優(yōu)勢(shì)；大扭矩工況下，電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)協(xié)同驅(qū)動(dòng)，大扭矩需求[14]。在液壓馬達(dá)和減速器之間增加粘性離合器，變剛性聯(lián)接為柔性聯(lián)接，減少?zèng)_擊。

2.3 刀盤刀具修復(fù)技術(shù)

2.3.1 帶壓動(dòng)火技術(shù)

盾構(gòu)施工過程中刀盤刀具的修復(fù)方法包括常壓修復(fù)和帶壓修復(fù)。常壓修復(fù)是通過豎井或地面加固后常壓開艙修復(fù)刀盤，常壓修復(fù)對(duì)停機(jī)位置要求和限制條件高，修復(fù)成本和工期壓力大；帶壓修復(fù)是通過在停機(jī)位置刀盤前方建立高壓空間，維修人員在該空間進(jìn)行帶壓動(dòng)火修復(fù)刀盤。帶壓動(dòng)火修復(fù)適用于受環(huán)境條件限制無法開鑿豎井或?qū)嵤┑孛婕庸痰奈恢?如江河、海底、建筑物或密集管線下方)進(jìn)行修復(fù)，有利于拓寬盾構(gòu)應(yīng)用范圍，同時(shí)節(jié)約作業(yè)成本。

圖4 盾構(gòu)電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)

帶壓動(dòng)火技術(shù)[15]主要由高壓作業(yè)空間構(gòu)建與安全保持技術(shù)、高壓環(huán)境作業(yè)人員安全及健康保障技術(shù)、高壓環(huán)境盾構(gòu)刀盤刀具切割焊接技術(shù)3部分組成，見圖5。高壓作業(yè)空間構(gòu)建與安全保持通過掌子面采用高黏度泥漿建立泥膜、采用氣囊進(jìn)行密封保壓來實(shí)現(xiàn)；高壓環(huán)境作業(yè)人員安全及健康保障通過作業(yè)人員佩戴專用呼吸面罩、改進(jìn)自動(dòng)保壓進(jìn)排氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；高壓環(huán)境盾構(gòu)刀盤刀具切割焊接技術(shù)通過開展0.7 MPa以下不同體積比的甲烷氣體密閉空間點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)和焊接試驗(yàn)，確保焊接過程的安全性。

圖5 帶壓動(dòng)火技術(shù)

2.3.2 常壓換刀技術(shù)

大直徑泥水盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)是在不采取地面或掌子面加固措施、開挖艙充滿泥漿的情況下，作業(yè)人員在常壓下進(jìn)入特殊設(shè)計(jì)的盾構(gòu)刀盤主臂空腔內(nèi)進(jìn)行刀具檢查、更換的技術(shù)，可在高水壓條件下常壓更換滾刀和切刀，見圖6。中鐵工程裝備集團(tuán)與中鐵隧道集團(tuán)聯(lián)合研制的用于蘇埃通道的超大直徑泥水盾構(gòu)(國(guó)家“863”計(jì)劃)將應(yīng)用該技術(shù)。

圖6 常壓換刀技術(shù)

2.3.3 機(jī)器人輔助作業(yè)技術(shù)

在高壓環(huán)境下更換刀具和修復(fù)刀盤，作業(yè)人員的安全和健康風(fēng)險(xiǎn)較大。為了降低人員作業(yè)分險(xiǎn)，開展了機(jī)器人作業(yè)代替人工作業(yè)技術(shù)研究，如高清視頻輔助檢查作業(yè)、機(jī)械手輔助清洗刀盤作業(yè)以及機(jī)械手輔助更換刀具作業(yè)等，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人輔助作業(yè)技術(shù)

2.4 快速出碴技術(shù)

2.4.1 大粒徑卵石高效破碎技術(shù)

針對(duì)大粒徑卵石地層，在泥水盾構(gòu)排進(jìn)回路上配置采石箱和大功率二次破碎機(jī)，對(duì)大粒徑卵石采用拍破結(jié)合的策略，為富水砂卵石地層盾構(gòu)快速出碴提供了一種新的解決方法，如圖8所示。

圖8 大粒徑卵石高效破碎技術(shù)

Fig. 8 High-efficient crushing technology for large-diameter gravel

2.4.2 碴料垂直運(yùn)輸技術(shù)

垂直運(yùn)輸機(jī)具有占地面積小、輸送角度大、節(jié)省設(shè)備投資和土建費(fèi)用的特點(diǎn)，特別適用于施工現(xiàn)場(chǎng)受空間和環(huán)境條件限制的場(chǎng)合。垂直運(yùn)輸機(jī)可替代運(yùn)輸速度慢、危險(xiǎn)性高的門吊，為盾構(gòu)始發(fā)井處物料和碴土的運(yùn)輸提供一種新的解決方案。目前的垂直運(yùn)輸機(jī)提升高度可達(dá)200 m，輸送能力可達(dá)1 000 t/h，如圖9所示。

(a)

(b)

3 中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著盾構(gòu)技術(shù)日趨完善，通過對(duì)中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)最新進(jìn)展的分析，可以預(yù)見中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1)挑戰(zhàn)極限。盾構(gòu)斷面將挑戰(zhàn)更大的尺寸極限。中國(guó)幅員遼闊，大江大河縱橫，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市交通、軌道交通、鐵路、綜合管廊跨江越海的需求急劇增多，與此同時(shí)，城市里越來越難以找出適合建設(shè)橋梁的空間。鐵路方面，隨著行車速度越來越高，為減少占地，單洞雙線大斷面隧道成為發(fā)展方向；公路方面，隨著公路等級(jí)越來越高，車流量越來越大，必然導(dǎo)致公路車道增多而隧道斷面越來越大。在此形勢(shì)下，跨江越海的大直徑盾構(gòu)隧道工程越來越多。目前世界上最大的盾構(gòu)設(shè)備為德國(guó)海瑞克生產(chǎn)的直徑17.6 m的泥水平衡盾構(gòu)，用于香港屯門—赤蠟角海底公路隧道工程。

隧道埋深方面，要求盾構(gòu)能適應(yīng)越來越大的埋深。由于上軟下硬地層施工難度大，隧道線路最忌選在交界面處，應(yīng)盡可能使盾構(gòu)掘進(jìn)斷面位于全土層或全巖層中；其次覆土厚度太淺，往往影響地面交通，因此隧道選線具有埋深越來越大的發(fā)展趨勢(shì)。

穿江越海隧道越來越多，要求盾構(gòu)密封性能挑戰(zhàn)更高的水壓極限；長(zhǎng)距離隧道越來越多，要求盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)；施工工期要求越來越緊，要求盾構(gòu)掘進(jìn)速度越來越快。

2)性能優(yōu)越化。盾構(gòu)適應(yīng)性方面，要求盾構(gòu)具有更高的地層適應(yīng)性，在復(fù)雜地層中，盾構(gòu)穿越地層既有巖石，又有軟土和砂礫層，地層變化頻繁，要求盾構(gòu)設(shè)計(jì)特別是刀盤刀具必須能夠適應(yīng)各種不同地層。技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的長(zhǎng)壽命盾構(gòu)是保證工期的關(guān)鍵因素之一，也是盾構(gòu)工程成功的關(guān)鍵因素，因此，要求盾構(gòu)有更長(zhǎng)的使用壽命。隨著盾構(gòu)施工水平的提高，勞動(dòng)強(qiáng)度越來越低，操作人員的素質(zhì)越來越高，要求盾構(gòu)具有更復(fù)雜的功能、更簡(jiǎn)單的操作和更人性化的設(shè)計(jì)；隨著隧道施工越來越注重安全和環(huán)保，則要求盾構(gòu)具有更安全、更綠色環(huán)保的性能。

3)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造模塊化、控制智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化。中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的愿景是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，模塊化制造、智能化掘進(jìn)、遠(yuǎn)程化管理，即輸入地質(zhì)參數(shù)和隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能設(shè)計(jì)出適應(yīng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的盾構(gòu)；盾構(gòu)的施工則實(shí)現(xiàn)無人化智能掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在辦公室遠(yuǎn)程控制盾構(gòu)操作，在辦公室直接從計(jì)算機(jī)屏幕上獲取遠(yuǎn)程施工的盾構(gòu)施工圖像和參數(shù)，并發(fā)出指令進(jìn)行盾構(gòu)的控制和操作；技術(shù)人員只需在辦公室就能管理好分布在全世界所有的在用盾構(gòu)。

4 結(jié)語

中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)起步較晚，但經(jīng)過60多年的不懈努力，中國(guó)盾構(gòu)已初步形成了一套較為完整的技術(shù)體系。中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)在經(jīng)歷黎明期、技術(shù)創(chuàng)新期、跨越發(fā)展期的過程中，孕育了一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的盾構(gòu)研發(fā)企業(yè)，同時(shí)涌現(xiàn)出了大量的先進(jìn)技術(shù)。

1)中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的黎明期，在上海、北京等率先開發(fā)地下空間的城市，開始了中國(guó)盾構(gòu)的探索，先后研制了手掘式盾構(gòu)、網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)、插刀式盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)以及矩形頂管機(jī)等設(shè)備，為中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新期，以國(guó)家“863”計(jì)劃為引導(dǎo)，先后研制了“先行號(hào)”軟土土壓平衡盾構(gòu)、“中鐵1號(hào)”復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)、“進(jìn)越號(hào)”大直徑泥水平衡盾構(gòu)等一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)，標(biāo)志著中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的穩(wěn)步提升。中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的跨越發(fā)展期，伴隨著盾構(gòu)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，涌現(xiàn)出了一批中國(guó)盾構(gòu)領(lǐng)軍企業(yè)，如中鐵工程裝備集團(tuán)、鐵建重工集團(tuán)、北方重工集團(tuán)、上隧機(jī)械、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司和遼寧三三工業(yè)有限公司等。

2)中國(guó)盾構(gòu)發(fā)展過程中，形成了一大批先進(jìn)技術(shù)。在異型盾構(gòu)技術(shù)方面，中國(guó)自主研制了處于世界領(lǐng)先水平的類矩形盾構(gòu)和馬蹄形盾構(gòu)，分別為地鐵隧道和鐵路隧道的建設(shè)開啟了新模式；在新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，開發(fā)了永磁同步驅(qū)動(dòng)和電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為提高驅(qū)動(dòng)效率和驅(qū)動(dòng)性能提供了新的解決途徑；在刀盤刀具修復(fù)技術(shù)方面，實(shí)踐了帶壓動(dòng)火、常壓換刀以及機(jī)器人輔助作業(yè)技術(shù)，為盾構(gòu)技術(shù)突破高壓瓶頸提供了新方法；在快速出碴技術(shù)方面，提出了大粒徑卵石高效破碎和碴料垂直運(yùn)輸技術(shù)，為提高盾構(gòu)的掘進(jìn)速度創(chuàng)造了條件。

3)通過中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)最近進(jìn)展的分析，可以預(yù)見中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)將朝著挑戰(zhàn)極限、性能優(yōu)越化、設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造模塊化、控制智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。一方面，要求盾構(gòu)在直徑、適應(yīng)埋深、密封壓力、連續(xù)掘進(jìn)距離、掘進(jìn)速度等方面挑戰(zhàn)極限；另一方面，要求盾構(gòu)具有更高的地質(zhì)適應(yīng)性、更長(zhǎng)的使用壽命、更復(fù)雜的功能、更簡(jiǎn)單的操作、更人性化的設(shè)計(jì)并且更加安全、環(huán)保。

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Innovation and Development Trends of ShieldManufacturing Technology in China

CHEN Kui, YANG Yandong

(StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

A comprehensive technology system of shield has been formed in China after development of 60 years. The development stages of shield technology in China, early stage, innovation stage and rapid development stage, are reviewed. Many shield design and manufacturing companies and their advantages and achievements during rapid development stage of shield technology in China are introduced emphatically. The new innovations of shield technology in China are presented in terms of non-circular shield technology, new type of driving technology, cutterhead and cutter repairing technology and rapid mucking technology. Finally, the development directions, i.e. breaking through, performance improvement, digitized design, modular manufacturing, intellectualized control and networked management, are proposed.

shield technology; non-circular shield; new driving; cutterhead repairing; mucking

2017-01-05;

2017-02-24

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB046906)； 中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2016G004-A)

陳饋(1963—)，男，湖南新化人，1985年畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院，工程機(jī)械專業(yè)，天津大學(xué)在讀博士，碩士生導(dǎo)師，教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)建造師，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，現(xiàn)從事盾構(gòu)技術(shù)研究工作。E-mail： 13721674346@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.003

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0276-09