浅析盾构机在地铁建设中的应用
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内容摘要：盾构机问世至今已有近200年的历史，现广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。作为地铁工程一线的建设者，笔者与盾构机接触较多，本文将从盾构机的发展历史、工作原理等方面对盾构机这一地铁建设施工利器进行介绍，并附带举例介绍当前盾构机在当前火热进行中的长沙地铁建设工程中的应用。
关键字：盾构机；地铁建设；长沙地铁工程
盾构机，是盾构隧道掘进机的简称。是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
一、盾构机的发展历史及研发现状
盾构机问世至今已有近200年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。
据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。
二、盾构机的工作原理及类型介绍
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）等。
泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆（通常为膨润土悬浮液）来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料（同时添加泡沫等对土壤进行改良）作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成土仓，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，土仓内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量（旋转速度）进行调节。
根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。
三、盾构机在长沙地铁工程建设中的应用介绍
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
目前国内过江的盾构基本都采用泥水平衡盾构，而中国铁建重工集团针对长沙地铁工程建设中湘江地理环境复杂的地质特点，专门研制了穿越湘江的土压平衡盾构机，也即广见于各新闻媒体报道中的“湘江一号”地铁盾构机。
“湘江一号”摒弃了通常使用的价格昂贵的泥水平衡盾构而采用土压平衡盾构过江，并对盾构磨损保护、渣良系统、螺旋输送机、密封系统、注浆系统、有毒有害气体监测装置等关键部位进行了研究，提出了针对性的设计和加强方案，可以有效化解穿越湘江面临的高埋深、易结泥饼、易透水、坍塌、高水压及江底沼气等作业风险，保证工程安全实施。既经济又环保，为在地质条件复杂、施工条件有限的情况下实施盾构过江工程提供了新的借鉴。
“湘江一号”第一盾构机头的刀盘跟其他盾构机不同，滚刀比一般的要多些，切刀也布置得很合理；第二是螺旋输送机配置不同，特制盾构机的螺旋输送机采用双闸门，若发现喷涌现象可及时控制；第三是特制盾构机驱动率用945千瓦，9个驱动动力更强；第四配备水管卷筒，有利于管路延伸；第五盾构机内安装了“环保厕所”，体现人性化特点。
“湘江一号”盾构机2012底到达地铁2号线橘子洲站，2013年3月底穿过湘江到达地铁2号线湘江大道站，2013年5月底到达五一广场站。施工进度之快，令世人瞩目。
随着2013年4月下旬“星城三号”盾构机从北辰三角洲站始发，1号线第9台盾构机开始向南掘进。从长沙市轨道交通集团有限公司了解到，1号线一期工程2标项目全面进入盾构区间掘进施工阶段，盾构机将沿黄兴北路下方掘进，完成北辰三角洲站至五一广场站之间的区间施工。长沙地铁1号线2标项目的盾构施工任务包括4个区间，即北辰三角洲站至开福寺站、开福寺站至湘雅路站、湘雅路站至营盘路站、营盘路站至五一广场站。据中铁十七局长沙地铁1号线项目部负责人介绍，4个区间的盾构单线总长度约3.4公里，盾构机基本是沿黄兴北路及其北延线的下方掘进。预计盾构机将于7月中旬到达银盆岭大桥北侧，9月初到达开福寺站接收井。据了解，1号线全线计划投入14台盾构机进行区间施工。
在长沙的地铁建设项目中，铁建重工的产品覆盖了90%以上的工程，最多的时候，同时有十多台盾构机在工作。由于涉及到过江（湘江）、过铁（京广铁路），复杂的地表、地下情况，对盾构机的稳定性能要求极高，不能引发过多的沉降和任何安全事故。
四、结束语
盾构机从事的是掘进工作，只能前进不能后退，加之相对庞大的机身，其地下工作环境十分狭窄，一旦盾构机因质量问题在洞内趴窝，很多维修工作将无法进行，可能拖累整体工程进度。长沙复杂的地形状况，对机器最前端的刀盘等部分核心部件是十分严峻的考验。所幸，在两年多的时间里，这些盾构机都通过了各种考验，圆满完成使命。待地铁工程建设接近尾声，盾构机出洞后，维修人员将会对其进行全面的“体检”。经过性能评定、整修以及翻新后，它们将被运往北京、南昌等地，服务当地的地铁建设。
参考资料：
[1] 庄欠伟.盾构机推进系统分析.液压与气动.2004
[2] 王晖.盾构机在施工中存在的问题及其对策分析.苏州科技学院学报.2012
[3] 乐贵平.浅谈长沙地铁隧道施工用盾构机选型.现代隧道技术.2012