1、我國盾構(gòu)隧道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷史
       盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。
       我國的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)制造和應(yīng)用始于1963年，上海隧道工程公司結(jié)合上海軟土地層對盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、預(yù)制鋼混凝土襯砌、隧道掘進(jìn)施工參數(shù)、隧道接縫防水進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究。研制了1臺直徑4.2m的手掘式盾構(gòu)進(jìn)行淺埋和深埋隧道掘進(jìn)試驗，隧道掘進(jìn)長度68m。
       1965年，由上海隧道工程設(shè)計院設(shè)計、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)了2條地鐵區(qū)間隧道，掘進(jìn)總長度1200m。
       1966年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程設(shè)計院設(shè)計、江南造船廠制造的我國第一臺直徑10.2m超大型網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工，輔以氣壓穩(wěn)定開挖面，在黃浦江底順利掘進(jìn)隧道，掘進(jìn)總長度1322m。
       70年代，采用1臺直徑3.6m和2臺直徑4.3m的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)，在上海金山石化總廠建設(shè)1條污水排放隧道和2條引水隧道，掘進(jìn)了3926m海底隧道，并首創(chuàng)了垂直頂升法建筑取排水口的新技術(shù)。
       1980年，上海市進(jìn)行了地鐵1號線試驗段施工，研制了一臺直徑6.41m的刀盤式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，后改為網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，在淤泥質(zhì)粘土地層中掘進(jìn)隧道1230m。
       1985年，上海延安東路越江隧道工程1476m圓形主隧道采用上海隧道股份設(shè)計、江南造船廠制造的直徑11.3m網(wǎng)格型水力機(jī)械出土盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。
       1987年上海隧道股份研制成功了我國第一臺φ4.35m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，用于市南站過江電纜隧道工程，穿越黃浦江底粉砂層，掘進(jìn)長度583m，技術(shù)成果達(dá)到80年代國際先進(jìn)水平，并獲得1990年國家科技進(jìn)步一等獎。
       1990年，上海地鐵1號線工程全線開工，18km區(qū)間隧道采用7臺由法國fcb公司、上海隧道股份、上海隧道工程設(shè)計院、滬東造船廠聯(lián)合制造的φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。每臺盾構(gòu)月掘進(jìn)200m以上，地表沉降控制達(dá)+1～-3cm。1996年，上海地鐵2號線再次使用原7臺土壓盾構(gòu)，并又從法國fmt公司引進(jìn)2臺土壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)24km區(qū)間隧道。上海地鐵2號線的10號盾構(gòu)為上海隧道公司自行設(shè)計制造。
       90年代，上海隧道工程股份有限公司自行設(shè)計制造了6臺φ3.8～6.34m土壓平衡盾構(gòu)，用于地鐵隧道、取排水隧道、電纜隧道等，掘進(jìn)總長度約10km。在90年代中，直徑1.5～3.0m的頂管工程也采用了小刀盤和大刀盤的土壓平衡頂管機(jī)，在上海地區(qū)使用了10余臺，掘進(jìn)管道約20km。1998年，上海黃浦江觀光隧道工程購買國外二手φ7.65m鉸接式土壓平衡盾構(gòu)，經(jīng)修復(fù)后掘進(jìn)機(jī)性能良好，順利掘進(jìn)隧道644m。
       1996年，上海延安東路隧道南線工程1300m圓形主隧道采用從日本引進(jìn)的φ11.22m泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工。
       1998年，上海隧道股份成功研制國內(nèi)第1臺φ2.2m泥水加壓平衡頂管機(jī)，用于上海污水治理二期過江倒虹管工程，頂進(jìn)1220m。
       1999年5月，上海隧道股份研制成功國內(nèi)第1臺3.8m×3.8m矩形組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)，在浦東陸家嘴地鐵車站掘進(jìn)120m，建成2條過街人行地道。
       2000年2月，廣州地鐵2號線海珠廣場至江南新村區(qū)間隧道采用上海隧道股份改制的2臺φ6.14m復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)，在珠江底風(fēng)化巖地層中掘進(jìn)。
       2、網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用

       1965年6月，上海地鐵60工程區(qū)間隧道采用由隧道工程設(shè)計院設(shè)計、江南造船廠制造的2臺φ5.8m網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)施工，總推力為3.724×104kn。隧道覆土約12m，掘進(jìn)長度2×600m。盾構(gòu)推進(jìn)穿越的建筑物和地下管線均未受影響。1967年7月，地鐵試驗工程完成，這是我國首次采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工地鐵隧道。
       1967年3月，上海打浦路越江公路隧道采用φ10.2m網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)，掘進(jìn)總長1324m。盾構(gòu)總推力達(dá)7.84×104kn。盾構(gòu)穿越地面以下深度為17～30m的淤泥質(zhì)粘土層和粉砂層，在岸邊段采用降水全出土、氣壓全出土和局部擠壓方法施工，在江中段采用全氣壓局部擠壓出土法施工。
       1970年以來，上海又用網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)在長江邊和海邊建成了6條φ3.6～4.3m的排水及引水隧道。北京、江蘇、浙江、福建等省市也用盾構(gòu)法建造了各種不同用途的小直徑隧道。
       1983年，上海建設(shè)第2條黃浦江越江公路隧道一延安東路隧道。1476m圓形主隧道采用盾構(gòu)掘進(jìn)施工，其中500m穿越黃浦江底，500m穿越市中心區(qū)建筑密集群。為提高掘進(jìn)速度和確保隧道沿線的構(gòu)筑物安全，上海隧道公司自行設(shè)計研制了φ11.3m網(wǎng)格型水力出土盾構(gòu)，這是在網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新穎掘進(jìn)機(jī)。網(wǎng)格上布有30扇可開啟和關(guān)閉的液壓閘門，具有調(diào)控開挖面進(jìn)土部位、面積和進(jìn)土量的作用，可輔助盾構(gòu)糾偏和控制地面沉降。網(wǎng)格上還布設(shè)了20只鋼弦式土壓計，可隨時監(jiān)測開挖面部位土壓值的變化，首次在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中實現(xiàn)信息化施工。開挖面高壓水沖切土體，并采用大型泥漿泵接力輸送泥漿，自動計量裝置控制出土量，實現(xiàn)掘進(jìn)、出土運(yùn)輸自動化。襯砌拼裝機(jī)的回旋裝置首次采用了帶制動器的大扭矩液壓馬達(dá)，起重量達(dá)5t，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。盾尾密封裝置吸收國外新技術(shù)，采用三道鋼絲刷，并注入自行研制的盾尾油脂，確保了盾尾密封。盾構(gòu)推力由尾部周圍 48只油壓千斤頂提供1.08×105kn推力，采用φ11.3m網(wǎng)格型水力出土盾構(gòu)，順利穿越江中段淺覆土層和浦西500m建筑密集區(qū)，保護(hù)了沿線的主要建筑物和地下管線。該盾構(gòu)技術(shù)成果被評為國家科技進(jìn)步二等獎和上海市科技進(jìn)步一等獎。
       3、土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用
       70年代以來，英國和日本分別開發(fā)了具有刀盤切削的密閉式的可平衡開挖面水土壓力的兩種新穎掘進(jìn)機(jī)一泥水加壓平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，使盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)發(fā)生了一次新的飛躍。1975年，日本隧道業(yè)興起了泥水加壓盾構(gòu)熱，1978年起，土壓盾構(gòu)也得到廣泛的應(yīng)用。
       1987年，上海隧道工程公司成立土壓盾構(gòu)攻關(guān)小組，在消化吸收國外土壓平衡盾構(gòu)機(jī)理和設(shè)計制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了國內(nèi)首臺φ4.3m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。
       φ4.35m土壓平衡盾構(gòu)全部采用國產(chǎn)部件，由上海船廠制造，用于市南站過江電纜隧道。隧道總長度534m，在黃浦江底掘進(jìn)，隧道埋深21～30m，穿越土層主要為砂質(zhì)粉土。隧道掘進(jìn)順利解決了高水壓情況下的密封和砂性土的加泥塑流技術(shù)難題，施工性能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到80年代國際先進(jìn)水平，技術(shù)成果獲90年國家科技進(jìn)步一等獎。
       在掌握了國際先進(jìn)的土壓盾構(gòu)技術(shù)以后的10余年間，隧道公司又陸續(xù)設(shè)計制造了10余臺φ3.8～6.34m土壓平衡盾構(gòu)，用于取排水隧道和地鐵隧道。1993年，制造了1臺φ6.34m土壓盾構(gòu)，用于南京市夾江排水隧道工程，穿越粉砂地層，掘進(jìn)長度1294m。
       1990年，國務(wù)院批準(zhǔn)上海地鐵1號線開工建設(shè)，圓形隧道選用7臺φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)。第 1臺φ6.34m土壓盾構(gòu)于1991年6月始發(fā)推進(jìn)，7臺盾構(gòu)掘進(jìn)總長度17.374km，1993年2月全線貫通，掘進(jìn)施工期僅20個月，每臺盾構(gòu)的月掘進(jìn)長度達(dá)200～250m。掘進(jìn)施工穿越市區(qū)建筑群、道路、地下管線等，地面沉降控制在+1cm～-3cm。。
       1995年上海地鐵2號線24km區(qū)間隧道開始掘進(jìn)施工，地鐵1號線工程所用的7臺φ6.34m土壓盾構(gòu)經(jīng)維修以后，繼續(xù)用于2號線區(qū)間隧道掘進(jìn)，同時又從法國fmt公司和上海的聯(lián)合體購置2臺土壓盾構(gòu)，加上上海隧道股份制造的1臺土壓盾構(gòu)，共計10臺土壓盾構(gòu)用于隧道施工，并從日本三菱重工引進(jìn)4臺φ6.14m土壓平衡盾構(gòu)。
       2000年開工興建的地鐵明珠線二期區(qū)間隧道仍使用這10臺φ6.34m土壓平衡盾構(gòu)施工。
       2000年，廣州地鐵2號線工程海珠廣場至江南新村3423m區(qū)間隧道選用2臺φ6.14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工。地鐵隧道要從珠江底穿越，埋深16～28m，掘進(jìn)地層主要為全風(fēng)化巖。
       2000年，北京地鐵5號線工程進(jìn)行區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)試驗工程，引進(jìn)1臺土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。南京地鐵1號線區(qū)間隧道也選用3臺土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。
       4、泥水加壓平衡盾構(gòu)的引進(jìn)和開發(fā)應(yīng)用
       泥水加壓平衡盾構(gòu)是70年代英國最早開發(fā)和應(yīng)用的，1975年起在日本得到廣泛的應(yīng)用。1994年，日本東京灣道路隧道工程采用了8臺世界最大直徑14.14m泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)18.8km海底隧道，這是世界最先進(jìn)、自動化程度最高的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。
       1994年，上海延安東路隧道南線1300m圓形主隧道施工引進(jìn)日本三菱重工制造的φ11.22m泥水加壓平衡盾構(gòu)。
       泥水盾構(gòu)設(shè)有掘進(jìn)管理、泥水輸送、泥水分離和同步注漿系統(tǒng)。掘進(jìn)管理和姿態(tài)自動計測系統(tǒng)能及時反映盾構(gòu)開挖面水壓、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤頂頂力和行程、刀盤扭矩、盾構(gòu)姿態(tài)、注漿量和壓力等參數(shù)，便于準(zhǔn)確設(shè)定和調(diào)整各類參數(shù)。泥水輸送系統(tǒng)和泥水處理系統(tǒng)。
       延安東路南線隧道工程施工的φ11.22m泥水加壓盾構(gòu)具有自動化程度高、盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍地層影響小的優(yōu)點。盾構(gòu)穿越廠房、防汛墻、地下人行道、高層建筑十分安全，沉降量小于2cm。掘進(jìn)速度一般為6m/d，最高達(dá)12m/d。
       廣州地鐵1號線工程于1996年引進(jìn)2臺φ6.14m泥水加壓平衡盾構(gòu)，掘進(jìn)5852m。掘進(jìn)地層為粉細(xì)砂、中砂、粗砂、粉質(zhì)粘土和風(fēng)化巖。
       上海隧道股份在消化吸收φ11.22m泥水平衡盾構(gòu)基礎(chǔ)上，基本掌握了泥水加壓盾構(gòu)的設(shè)計計算方法，并于1997年自行設(shè)計制造了1臺φ2.2m泥水加壓平衡頂管機(jī)，用于上海合流二期過江倒虹管隧道工程，在高水壓的砂性地層中順利掘進(jìn)1220m，其技術(shù)成果達(dá)到國際先進(jìn)，被評為1999年上海市科技進(jìn)步二等獎。
       5、異形盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的研究和應(yīng)用
       常用的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)為圓形，主要是圓形結(jié)構(gòu)受力合理，圓形掘進(jìn)機(jī)施工摩阻力小，即使機(jī)頭旋轉(zhuǎn)也影響小。但是圓形隧道往往斷面空間利用率低，尤其在人行地道和車行隧道工程中，矩形、橢圓形、馬蹄形、雙圓形和多圓形斷面更為合理。日本在80年代開發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在90年代開發(fā)應(yīng)用了任意截面盾構(gòu)和多圓盾構(gòu)，并完成了多條人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構(gòu)技術(shù)日益成熟，異形斷面隧道工程日益增多。
       上海隧道股份于1995年開始研究矩形隧道技術(shù)，1996年研制1臺2.5m×2.5m可變網(wǎng)格矩形頂管掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)矩形隧道60m，解決了推進(jìn)軸線控制、糾偏技術(shù)、沉降控制、隧道結(jié)構(gòu)等技術(shù)難題。1999年5月，上海地鐵2號線陸家嘴車站過街人行地道采用1臺3.8m×3.8m組合刀盤矩形頂管掘進(jìn)機(jī)施工，掘進(jìn)距離124m。 
       近年來，上海隧道股份研究所開展了對雙圓隧道和多圓隧道掘進(jìn)工程的可行性研究，進(jìn)行了雙圓隧道結(jié)構(gòu)的模擬試驗，為我國異形隧道的發(fā)展做了技術(shù)儲備工作。
       6、我國目前盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)水平
       我國從90年代以來，已成功地研制了直徑3.8～6.34m的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)10余臺，用于地鐵隧道、引排水隧道、電纜隧道工程，技術(shù)水平已接近國際先進(jìn)，在隧道導(dǎo)向技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)方面的研究也達(dá)到了國際先進(jìn)。但由于我國液壓泵和閥件的加工制造水平與國外相比尚存在一定差距，在一些盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中適量采用了國外的零部件。在直徑1.2～3m的頂管掘進(jìn)機(jī)方面，我國已經(jīng)先后研制了先進(jìn)的反鏟頂管機(jī)、土壓平衡頂管機(jī)和泥水加壓頂管機(jī)，國內(nèi)已完全有能力制造國產(chǎn)機(jī)械，替代進(jìn)口設(shè)備。最近，上海已研制了國內(nèi)第一臺3.8m×3.8m組合刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)，完成了2條62m長的地下人行通道，使我國在異形盾構(gòu)的開發(fā)研究方面擠入世界先進(jìn)行列。在微型隧道掘進(jìn)機(jī)方面，我國也已研制了直徑600～800mm的中心螺桿出土頂管機(jī)、夯管頂管機(jī)和水平定向鉆機(jī)等設(shè)備。
       上海隧道工程股份有限公司機(jī)械廠是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)專業(yè)制造廠。1995～1999年，該廠制造各類盾構(gòu)32臺（其中制造46m地鐵盾構(gòu)5臺，修復(fù)9臺，制造φ3～5m盾構(gòu)6臺，制造φ1.5～φ3m盾構(gòu)10臺，制造矩形盾構(gòu)2臺）。土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計制造技術(shù)水平已接近國際先進(jìn)水平，國產(chǎn)化率達(dá)70％，掌握了泥水加壓盾構(gòu)的設(shè)計制造技術(shù)，并制造了1臺直徑2.64m的泥水加壓盾構(gòu)。在 tbm掘進(jìn)機(jī)方面，已具備設(shè)計制造能力，并為國外廠商制造安裝了2臺φ4.88mtbm掘進(jìn)機(jī)。1999年為廣州地鐵2號線改制了2臺φ6.lm的復(fù)合型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。上海隧道股份研究所具有設(shè)計開發(fā)國外各種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的能力，并有20余項盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的成果獲國家、建設(shè)部、上海市科技進(jìn)步獎。
       7、我國隧道掘進(jìn)機(jī)展望
       面對21世紀(jì)我國城市地下空間開發(fā)利用的廣闊市場，在2000～2009年10年間，我國將有20余座城市建設(shè)地鐵，至少將建250km。而采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工將是必然的選擇，正在建設(shè)中的深圳地鐵和南京地鐵采用盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間隧道；廣州地鐵2號線、上海地鐵3號線、北京地鐵5號線均采用盾構(gòu)法施工。φ6m的地鐵盾構(gòu)的需求量約達(dá)40余臺，鐵路隧道將有部分采用tbm掘進(jìn)機(jī)，在今后10年內(nèi)φ8.6m的tbm掘進(jìn)機(jī)需求量約為6臺。水電隧道將有相當(dāng)一部分采用tbm掘進(jìn)機(jī)，φ4m的tbm掘進(jìn)機(jī)的需求量約20臺。其它城市管道的建設(shè)，φ1.5～5m的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)需求量約為100臺。因此，盾構(gòu)國產(chǎn)化替代進(jìn)口是我們的目標(biāo)和主要任務(wù)，以每臺φ6m的地鐵盾構(gòu)500萬美元計算，40臺盾構(gòu)若全部進(jìn)口將花外匯2億美元。鐵路隧道φ8.5m的tbm掘進(jìn)機(jī)每臺3000萬美元，進(jìn)口約需1.8億美元。水電隧道φ4.5m的tbm掘進(jìn)機(jī)每臺1000萬美元，20臺約需2億美元。2000～2009年盾構(gòu)需求預(yù)測見下表。
       2000～2009年國內(nèi)各類盾構(gòu)的需求量預(yù)測表
盾構(gòu)機(jī)型 直徑（m） 臺數(shù) 單價（萬美元／臺）引進(jìn)費(fèi)用（億美元） 備注
土壓平衡盾構(gòu)
泥水加壓盾構(gòu) 6 70 500 3.5 掘進(jìn)地鐵500km
3～5 100 200～400 3 掘進(jìn)市政隧道600km
復(fù)合型盾構(gòu) 6 15 600 0.9 掘進(jìn)地鐵120km
tbm掘進(jìn)機(jī) 4～5 20 1000 2 掘進(jìn)水電隧道200km
8～9 6 3000 1.8 掘進(jìn)鐵路隧道60km
總計 181 11.2 
       由上表預(yù)測，今后10年我國隧道掘進(jìn)機(jī)的市場可達(dá)10億美元，若有60％采用國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)，至少可節(jié)省外匯6億美元，并可振興我國的掘進(jìn)機(jī)制造業(yè)。