1.2 盾构的发展历史及研究状况

1.2.1 盾构发展历史

1818年，英国工程师布伦诺尔（Marc Isambard Brunel）设计出一种挖掘机，在泰晤士河底下挖掘隧道。他曾观察一种名叫凿船虫的软体动物，发现这种虫子利用圆管形硬壳支撑孔洞四周的泥土，不断向前钻进。于是他受到启发，制造了一个箱形铁壳，利用液压缸在松软的土壤中向前推进，挖掘工人则在铁壳内一面挖掘，一面在隧道内壁衬砖，这便是人类的第一台盾构，如图1.2所示。

布伦诺尔对自己的盾构法非常自信，并于1823年拟定了在伦敦泰晤士河下面挖掘一条隧道的计划，随后这个计划由当时的国会确认，工程于1825年开工。隧道长458m，隧道横断面为11.4m×6.8m。但由于掘进过程中遇到巨大的水压和地层下沉作用，工程被迫中止。后来经过7年的盾构改进和7年的精心施工，隧道终于在1841年贯通。

在当时的盾构施工中，多次由于巨大的水压迫使施工停止。因此，1830年由劳德考克让施（Lord Cochrance）发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。

1874年James Henry Greathead在伦敦地铁南线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中注浆的施工方法，采用流体支撑开挖面，把挖出的弃土以泥水流的方式排出。

19世纪末到20世纪中叶，盾构法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得到不同程度的发展。美国于1892年最先开发了封闭式盾构，同年法国巴黎使用混凝土管片建造了下水道工程。1896年Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。1913年德国建造了断面为马蹄形的易北河隧道。1917年日本开始在国铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，后因地质条件差而停止使用。1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆法和冻结法。1939年日本正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本成功研制第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式直径3.1m盾构。1974年日本独创性地研制出土压平衡盾构，同时德国Wayss和Freytag也研制出颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡式盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。表1-3详细列出了盾构的发展历史。

1.2.2 国外盾构研究状况

纵观国外盾构发展历史，现代盾构的改进都是围绕3个要素：①地层稳定和地面沉降控制；②机械化、自动化掘进和掘进速度；③衬砌和隧道质量。这三个要素是进行盾构改进和施工方法革命的关键。

目前国外盾构发展趋势可以归纳为以下几个特点：

1）大直径、长距离化。英法两国共同建造的英吉利海峡隧道，长48km，采用ϕ8.8m的土压平衡盾构，于1993年竣工。日本东京湾隧道，长15.1km，采用ϕ14.14m泥水盾构，于1996年竣工。丹麦斯多贝尔特海峡隧道，长7.9km，采用ϕ8.5m土压平衡盾构，于1996年竣工。德国易北河第四隧道，采用ϕ14.2m复合盾构，于2003年竣工。荷兰格雷恩哈特隧道，采用ϕ14.87m泥水式盾构，于2004年竣工。第二条英吉利海峡隧道，采用ϕ15m土压平衡盾构，于2003年动工，于2008年竣工。表1-4是世界各国超大断面盾构隧道分布状况，从表中可以看出国外已经开发出大直径大推力大力矩盾构。表1-4中，中国上海长江隧道是采用两台德国海瑞克公司制造、上海隧道工程股份有限公司组装的ϕ15.43m泥水盾构进行施工建造，这是当时世界上最大直径的泥水盾构。

2）盾构多样化。从隧道断面形状上可以分为：圆形、半圆形（半盾构）、矩形、马蹄形、椭圆形、多圆搭接形（双圆搭接、三圆搭接，图1.3）等多种异圆断面盾构。其中圆形是抵抗土压、水压较理想的断面形式，在使用盾构进行隧道施工建设中采用的数量最多；半圆形盾构用作隧道开挖中拱部的临时支撑；矩形和马蹄形盾构的形状虽更接近隧道限界，但前进阻力在四周分布不均，操作不便，所以用得不多。从功能上讲，国外已经出现了球体盾构（图1.4）、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；从盾构的掘削方式上看，出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往传统的旋转掘削方式。

3）施工自动化程度高。施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构掘进中的方向、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。

4）盾构的科技含量越来越高。液压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。

5）泥水盾构、土压平衡盾构是当前盾构的主流产品，但有些技术细节有待改进和提高，许多已问世的新方法、新工艺尚待完善。

1.2.3 国内盾构研究状况

20世纪50年代，东北阜新煤矿用ϕ2.6m的手掘式盾构及小型混凝土预制块修建疏水巷道，这是我国首条用盾构施工的隧道。1957年，北京市下水道工程采用ϕ2.0m和ϕ2.6m的盾构进行施工。

20世纪60年代，盾构技术在我国逐渐得到了发展与应用。1963年，上海隧道工程股份有限公司（简称上海隧道股份）结合上海软土地层对盾构、预制钢筋混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的实验研究，研制了一台ϕ4.2m的手掘式盾构，进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。1965年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的两台ϕ5.8m的网格挤压式盾构，掘进了两条地铁区间隧道，掘进总长度1.2km。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设计院设计、江南造船厂制造的我国第一台ϕ10.2m网格挤压式盾构施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1332m。

20世纪70年代，上海金山石化总厂采用一台ϕ3.6m和两台ϕ4.3m的网格挤压式盾构建设一条污水排放隧道和两条引水隧道，掘进了3926m海底隧道，并首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。

20世纪80年代，盾构技术在我国取得了较大的发展。1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了一台ϕ6.41m的刀盘式盾构，后改为网格挤压式盾构，在淤泥质黏土地层中掘进隧道1230m。1984年，上海延安东路越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的ϕ11.3m网格式水力机械出土盾构。1987年，上海隧道股份成功研制了我国第一台ϕ4.35m加泥式土压平衡盾构，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m，技术成果达到20世纪80年代国际先进水平，并获得1990年国家科技进步一等奖。

20世纪90年代以来，盾构技术在我国得到了大力发展。90年代初，上海隧道股份自行设计制造了六台ϕ3.8m～6.34m土压平衡盾构，用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道工程等施工建设，掘进总长度约10km。2000年2月，广州地铁2号线珠海广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的两台ϕ6.14m复合土压平衡盾构，在珠江底风化岩地层中掘进。

虽然目前我国无论是在盾构设计和制造，还是在盾构施工方面，都取得了举世瞩目的成绩，但我国盾构方面的关键技术与国际先进水平还存在很大的差距，主要表现在：

1）在压力平衡技术方面，国际上已有针对不同地质的土压平衡、泥水平衡、气压平衡和复合平衡等技术，而国内目前仅掌握单一土层的土压平衡技术。

2）在整体结构设计方面，国际上已研制出可曲折盾体和组合刀盘等新结构，解决了异形断面和复线隧道的一次性掘进问题，而国内仅掌握单体结构掘进设备的设计技术。

3）在测控技术方面，发达国家已掌握地下环境中的精确光学和惯性测量技术，土压和地层扰动的实时监测技术，以及基于测量反馈的液压驱动和导向纠偏技术，而国内掘进设备仍以人工操作为主，自动化程度较低。因此，目前盾构设备的核心技术主要由德国、日本和美国的少数跨国公司所垄断，我国仅掌握单一软土土压平衡盾构的设计制造技术，绝大多数盾构设备还要依赖进口。因此，针对盾构设计和制造中的关键技术开展理论研究，探讨盾构设计方法具有重要的实际应用价值。