地下“蛟龙”

上海最繁华的商业地段之一――徐家汇，街上人头攒动、车辆如流水一般。有着100多年历史的天主教堂和徐汇中学矗立在繁华闹市中。就在它们的下面，盾构机像一条地下蛟龙，在挖掘一条3220米K的地铁隧道。此时，最让人疑惑的是这个庞然大物在地下“埋头”作业，它的前进会不会引起地面的沉降，盾构机究竟是如何工作的?

盾构机是用于地下隧道掘进的一种施工装备，盾构机最前端的刀盘是一个庞大的金属圆盘，上面安装了很多刀具，工作时刀盘像旋转的电风扇，随着旋转，前面的泥土不断地被切削下来，在后面机体内千斤顶的作用下，盾构机像“钻地龙”一样向前推进，同时将切削下来的土“吃”进土舱，由传送带运送给尾部的运输车……地铁隧道一次成形。(图1)

一部直径11.22米的盾构机，有四层楼高，重量近400吨，相当于40多头大象体重的总合，宽度和坦克差不多，加上辅助设备，长度超越足球场。这么复杂的装备，制造完用卡车送往工地，光是组装也要几个月的时间。组装一旦完成，盾构机就要开始前进了。(图2)

上海隧道股份有限公司科技开发部经理林家祥说，盾构机后面有自动控制系统，盾构机驾驶员在地下可以操作、在地上也可以操作。

盾构机的刀盘此时在地面下十多米的地方旋转，随着旋转，土石从里面运出来，盾构机边挖掘，边“装修”，“装修”材料起到支护作用，在盾构机向前推进的同时，隧道也就形成了。现代盾构机集光、机、电、传感、信息技术于一体，是具有测量导向、纠偏等功能的大型机器人。而在40多年前，上海隧道工程股份有限公司的前身――上海城建局隧道工程公司制造的中国第一台盾构机，还需要工人爬到刀盘前面去操作、处理。

上海隧道工程股份有限公司机械制造分公司总经理张闵庆说，当年我们建设延安路隧道时，由于缺乏现代技术条件，还有过血的教训。

为了争一口气，上海隧道人历时8年，用自己研发的盾构机，在如同豆腐般的上层里完成了中国第一条越江隧道――上海打浦路越江隧道工程。当时同产盾构机与世界水平不相上下，由于历史原因，此后国产盾构研发工作停止了。

张闵庆说，在一段时期里不再修建隧道了，没有工程就没有实践，技术也提高不了，这段时期，国外盾构机的研制飞速发展，尤其是日本。

20世纪80年代，随着我国经济发展，工程越来越多，国产盾构机的研发工作重新提上日程。而此时，国内地下工程的工地上到处响着“洋金刚钻”的轰鸣声，上海隧道股份公司作为盾构设计者和工程施工方，心里很不是滋味。

原国务院重大技术装备办公室副主任董必青说，到2009年，全国已有城市轨道约940公里，到2020年，地铁轨道计划要达到6100公里，这么大的工程需要盾构机。盾构机不仅用于城市地铁、水利工程、水电站、西气东输等工程上也都需要隧道掘进机。

20世纪60年代至90年代，盾构机基本靠进口，共进口了138台，其中德同57台，日本69台，美国12台。

直径6米多的地铁隧道用盾构机，现在要3000万元一台，直径11米多的1.3亿元一台，直径15米多的3亿多元一台，很多配套设备的费用还没计算在内，所以我们必须要搞自己的盾构机。

张闵庆说，其实，20世纪时，我们的盾构机就造出来了，谁来用?我们公司愿意用，但工程的业主是否愿意用?

虽然国内盾构机研制工作起步较早，并取得了一定成果，但是如今国内市场被洋盾构垄断，垄断的原因除了用户不相信国产装备外，制造现代盾构机的核心技术的缺失是最主要原因。上海隧道人眼看那么多设备的大额订单被国外制造商拿走，心急如焚。

国外盾构机的核心技术是保密的，没有人会把核心技术拱手相送，这是市场法则。上海隧道人下决心一定要研制出具有世界先进水平的盾构机，但是如何做到自己的盾构机既安全又可靠是摆在他们面前的一个难题。

早期的盾构机是开放式结构，工人要爬到刀盘的地方作业，盾构机没有保持封闭性，因此，在隧道挖掘过程中，很容易出现漏水和塌方。随着技术进步，如今工人不用到刀盘处作业了，甚至可以遥控完成挖掘工作。但是，如何保证在挖掘过程中不发生塌方，仍然是一个重要的课题。

盾构机在地下施工，搞不好，地面的道路会沉降，建筑物会倾斜，甚至倒塌。

盾构机要一边挖掘，一边支护挖好的洞穴，好像在“毛胚”的洞穴里“贴瓷砖”。但与“瓷砖”不同的是，这些被称作“管片”的混凝土预制件所起的作用不只是衬砌隧道，还要支护土体，防止土体塌陷。管片只有不断地运进来做好隧道的支护，盾构机才能继续前进。(图3)

在盾构机前进的过程中，地下土层千变万化，有泥沙、卵石，有硬岩等，还有各种不可逾越的障碍物，如果预先没有准备好，盾构机很可能被挡住去路，不能按设计‘路线前进，工程有可能以失败告终。因此在正式施工前，工程技术人员要对土层进行勘测，掌握盾构机前进路线土层的分布情况。(图4)

面对复杂的地层，盾构机将如何应对呢?

林经理说，盾构机刀具一周转下来，开挖面断面的土几乎90％以上是通过盾构机刀具的行走轨迹切削下来的。根据地下土质的情况，要选择不同的刀具进行切削。土的结构很不稳定，假如盾构机控制不当行走速度过快，刀具布置得又不合理，就会产生对土体的扰动，造成土体塌陷沉降。

如果盾构机没按指定路线行进，几乎没有补救的办法，因为盾构机只能前进，不能后退。假如勉强前进，隧道中可能会出现急转弯，而高速行驶的列车，需要又宽又直的隧道，急转弯会带来许多麻烦。因此隧道盾构的设计一定要保证盾构机不出现任何线路和沉降的问题，否则一切前功尽弃。

40多年来，上海隧道人传承当年用国产盾构机修建打浦路隧道的精神，刻苦攻关，掌握了丰富的隧道修建理论，提升了盾构机设计制造能力，工程施工和盾构研制都有了很大的发展。2002年，上海隧道工程股份有限公司获得了国家863计划的支持，公司突破国外技术封锁，终于在2004年研制出中国首台具有完全自主知识产权的地铁盾构掘进机，命名为地铁“先行号”。(图5)

在郑州地铁一号线建设中，工程单位选用了6台国产盾构机，安全高效、保质保量地完成了隧道的掘进任务。

这几年，上海的大部分工程，尤其是新建的几条隧道都是使用自己的盾构机。工程单位使用直径11.22米的盾构机，连续奋战6个月，打通了一条上海黄浦江过江隧道。说明我们的盾构机质量是可靠的。

现在，上海隧道股份公司制造的盾构机已经出口到新加坡，运用到新加坡的地铁建设中。这是一件了不起的事，盾构机毕竟是高精尖的大型设备，外国人能够买中国的盾构机，说明我们的技术已达到国际领先水平。

目前国内最大的多功能掘进机模拟试验平台已在上海隧道投入使用，上海隧道的企业技术中心和盾构工程中心已成熟运作，国产盾构产业化基地的建设也初具规模。随着中国地铁工程和其他地下工程的大规模铺开，具有丰富隧道施工能力和盾构机生产制造能力的上海隧道工程股份有限公司，必将在未来中国隧道工程建设中大有作为。