第一节 盾构机在上海的发展
一、系统的全面的盾构试验、自主研发的第一台盾构机从上海开始
上海地铁工程的隧道掘进中，我国第一台具有自主知识产权的国产地铁盾构机“先行号”钻土打洞，力大无穷。截至目前，“先行号”盾构已经推进855环、1000多米，打破了“洋盾构”在国内地下施工界一统天下的局面。
盾构施工法由法国工程师布伦诺尔父子发明。它用一个活动的罩架支撑在隧道工作面及其背后的泥土上，工人向前挖空几尺，就用千斤顶把罩架向前推，顶住新的工作面，盾构后面露出的一段隧道用砖砌面支撑，人们得以像鼹鼠一样在地面下不断掘进。1918年，世界上第一台盾构机在英国诞生，盾构施工实现了自动化。
长期以来，我国的地铁掘进工程，盾构设备绝大多数依靠进口。在上海、北京、广州、南京、天津等地的地铁隧道建设中，90％以上的盾构都是从德国和日本公司购买的。“进口产品好是好，但价格、交货期等等都由他们说了算，核心技术更是不会对我们透露半点。”上海隧道机械厂厂长张闵庆说，今后10年，我国地铁盾构市场份额可达10亿美元，这么大一个市场全控制在外国人手里，让人心里很不是滋味。
为提高我国隧道掘进机技术水平，尽早形成产业、占领市场，科技部“十五”863计划机器人主题把研制开发用于城市地铁隧道的直径6.3米土压盾构机列为重点课题。上海隧道工程股份有限公司、广州重型机械厂、中铁隧道集团公司集成各自在设计、制造、施工方面的优势，联合浙江大学、同济大学、煤炭科学 研究 院等单位成立了产、学、研结合的课题组。
经过两年不懈努力和技术攻关，历经引进与合作、消化与吸收、独立研发等几个阶段，我国第一台具有多项专利权的地铁盾构掘进机“先行号”在上海隧道工程股份有限公司问世，并应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程，每分钟推进速度达60毫米，创造了日掘进16米、月掘进400米的良好成绩，各项施工性能和主要技术指标均达到引进土压盾构的先进水平。中铁隧道集团公司牵头负责完成的盾构掘进机刀盘、刀具及液压驱动系统运用于同一隧道工程，平均掘进324米，单月最高掘进470.6米，达到了国际先进水平，实现了盾构机刀盘和液压驱动系统的国产化研制。
2005年11月11日，上海隧道工程股份有限公司与浙江宏润建设集团股份公司签订了两台“先行号”的购销合同，国产盾构正式进入销售市场，价格仅为进口盾构的2/3。“先行号”以国际领先的技术含量和较高的性价比吸引了市场关注，不仅国内多个大城市的地铁施工单位表达了购买意向，连新加坡地铁工程也对它青睐有加。上海隧道工程股份有限公司技术中心主任付德明认为，国产土压盾构的关键技术指标已经达到国际先进水平，为我国掘进机制造业打下了坚实的基础，提升了企业与国家的核心技术竞争力。
二、上海盾构机现状 分析
2006年，上海隧道工程股份有限公司与第一市政有限公司签订一台国产地铁盾构购销合同。这样一台拥有33项专利、多项独到技术的国产地铁盾构实现销售，标志国产盾构产业化有了新突破，上海盾构产业发展进入了实质性阶段。
盾构制造，尤其是地铁盾构制造，能衡量出一个国家地下施工装备制造水平高低。我国盾构产业发展相对较慢，自上世纪90年代，我国大规模建设城市地铁所需盾构基本依靠进口。截至2004年，全国引进的地铁盾构已达百台，耗用外汇量达到300多亿元。据国家有关部委预测，从目前到2020年间，我国将完成6000公里的各类地下隧道的建设，盾构机的总需求量将超过300余台，盾构国产化的研制已成当务之急。
拥有数十年大型越江公路、地铁隧道施工经验的上海隧道股份有限公司先行一步。2002年，该公司获得国家863计划关于开发国产化盾构掘进机的系列项目，于2004年成功研制出我国第一台具有自主知识产权的地铁盾构“先行号”，并顺利投入到上海轨道一号线西延伸段的建设。经过一年多的测试和监测，“先行号”完全满足设计要求，部分核心技术甚至达到世界一流的先进水平。
凭着过硬的技术和服务能力，国产盾构冲破进口盾构的市场垄断和技术垄断。2005年11月11日，隧道股份与宏润集团签署了购销两台国产地铁盾构的合同。据悉，国内多家建筑企业都对这款国产盾构抱有浓厚的兴趣，表达了购买意向。隧道股份有关负责人介绍，目前国产盾构年产量可达10台。今年他们将加快国产盾构产业化步伐，着手 研究 关键制造技术，使盾构产品系列化。
“先行号”盾构的研发，已经拥有了为不同地域、不同地质量身定做的核心技术。隧道股份还组成了“产学研”为一体的紧密型战略联盟，并建成了世界规模最大、我国第一、拥有自主知识产权的大型多功能盾构试验平台。
第二节 北京地区盾构机的应用情况
一、北京地区盾构技术的 研究 与发展
针对北京地区特殊地质条件研制成功的首台加泥式土压平衡盾构机—“京盾一号”于2000年在石景山试运转成功，从而填补了我国适用于含水砂卵石地层盾构机的空白。
盾构法施工是一种机械化和自动化程度较高的隧道掘进施工方法，从20世纪60年代开始，西方发达国家大量将这种技术应用于城市地铁和大型城市排水隧道施工。我国近年来也开始在城市隧道施工中采用此项技术，以替代原来落后的开槽明挖或浅埋暗挖等劳动密集型施工方法，但由于盾构机大多是国外厂商生产，不仅进口费用高，又不能适应我国一些特殊的地质条件。由北京市市政总公司和上海市隧道工程轨道交通设计 研究 院共同研制的“京盾一号”，不仅能够适应北京地区含水砂卵石地层，而且能在工艺上通过专用添加剂改进施工作业面土壤的塑流性，能适应各种恶劣地质条件，为华北地区其它类似地质条件的城市应用此项技术提供了适销对路的设备。此外，由于设备的国产化率比较高，其采购成本也比采用进口机械减少30—40％。
二、北京地区的工程地质与水文地质特点
1、水文地质特点
北京市地处永定河洪冲积扇的中上部，第四系松散土层及砂卵石层遍布全区，其地质沉积层的"相变"十分明显，如西部单一的砂卵石层向东很快渐变成粘性土和粉细砂互层的多层状态。在北京市采用盾构法进行隧道施工时，将碰到以下几类极具北京地质特征的地层：
1）粘性土及粉土层(粉质粘土、粘质粉土)。
2）砂性土层(粉细砂、中细砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。
3）砂卵石地层(一般粒径3～5mm，西部5～15mm，最大层厚超过40m以上)。
4）粘质粉土、砂质粉土、中细砂互层，中砂、粉质粘土、砂卵石互层。
北京市的地下水一般指上层滞水、潜水和浅层地下水，另有一类景观、河期渗漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。
2、工程地质特点
1)粘性土及粉土层
盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。
2)砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。
另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。
3)砂卵石地层
北京地区的砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25％～40％之间．盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真 研究 ，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。
4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层
对于此类地层，盾构机施工比较容易．有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。
5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层
对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。
三、关于在北京盾构施工的机型选折
选择盾构机时,必须综合考虑下列因素:1)满足设计要求;2)安全可靠;3)造价低;4)工期短;5)对环境影响小。盾构机机型正确与否是盾构隧道工程施工成败的关键。
盾构选型必须严守以下几项原则:1)选用与工程地质匹配的盾构机型,确保施工绝对安全。2)可以辅以合理的辅助工法。3)盾构的性能应能满足工程推进的施工长度和线形的要求。4)选定的盾构机的掘进能力可与后续设备、始发基地等施工设备匹配。5)选择对周围环境影响小的机型。
以上原则中以能绝对保证掘削面稳定、确保施工安全的机型为最重要。为了选择合适的盾构机型,除应对土质条件、地下水条件进行勘查外,还应对占地环境作充分的勘察。下面针对北京地区的具体地层进行盾构机选型 分析 。
1、第四纪洪冲积粘土地层
因粘土的N值较大,含水率低、掘削面能够自立。此外,因抗剪力大,变形小,故无需挡土隔板。可选以下的机型:
1)全敞式盾构机。在掘削面可以长时间自立的情况下,宜采用手式盾构、半机械式盾构、机械式盾构工法,通常辅以压气工法。
2)封闭式盾构机。一般全线掘削面都是洪积粘土的情况非常少,很多情况是夹层中有含水砂层,这时应选用封闭式盾构机。
2、砂质土地层
就砂质土而言,一般情况下泥水盾构和土压盾构均可选用。
1)泥水盾构。由于北京作为我国的首都及国际化的大都市,地面交通非常繁忙,施工场地很有限,故在繁华市区一般不易选用泥水盾构。因为泥水配制系统和泥水处理系统使地表占地面积大增,影响交通和市容。在北京郊区场地开阔,地面交通不太繁忙的情况下可考虑选用泥水盾构。另外当砂层稳定性差,隧道直径过大(在11m以上)时应优先考虑泥水盾构。2)土压盾构。由于北京地区砂层稳定性较好,加上交通量大对市容要求较高,并考虑到费用问题,一般情况下土压盾构是合理的选择。
3、砂砾及巨砾层
因这种地层的渗水系数大,故必须选择封闭式盾构。掘削这种地层与前面介绍过的几种地层不同,因其砾石粒径大,若不预先采取粉碎措施直接通过排土设备排出,易发生排土系统堵塞和磨耗过大两个新问题。
四、北京盾构机市场需求潜力
近年来,北京地铁建设异军突起。由于大部分地铁线路都要求在2008年奥运会举行前通车,使得北京地铁的施工方法由以前的明挖法、浅埋暗挖法向盾构法转变。盾构工法属暗挖法,其主要优点有:对环境影响小、地表占地面积少,施工进度快、安全性高,适用地层范围宽等。根据工程需求(隧道尺寸、长度、覆盖土厚度、地层状况、环境条件需求等)选定盾构机类型(具体构造、稳定掘削面的方式、施工方式等等)的工作,简称盾构选型。地铁隧道施工前要根据本地区地层的具体特点选择相应的盾构类型,使之在施工中能绝对保证掘削面稳定,确保施工进度与施工安全。由此可见，北京盾构机市场的需求潜力非常大。
第三节 广州盾构机的发展状况
一、广州发展盾构机制造业的必要性
2000年，广州的地铁建设如火如荼，时任广州市委书记的黄华华、时任广州市长的林树森和时任广州市副市长的张广宁(分管工业)一致认为，广州已在地铁1号线的建设过程中积累了一定的盾构机的使用和维修经验，如果德国海瑞克公司能和广重集团合作并在广州设厂，可以大大地节约盾构机的购买成本。当时广州发展盾构机制造业的要求是非常迫切的。
为此，黄华华和张广宁亲赴德国，向海瑞克公司董事会主席海瑞克先生说明了中国———尤其是广东巨大的市场前景。海瑞克先生当即产生了浓厚兴趣，不久，广重派出学习团前往德国学习；广重集团最终与海瑞克公司成功合作。
二、广州发展盾构机制造业的条件与优势
作为区域性中心城市的广州，目前已形成了门类较齐全、具有一定规模和自主创新能力的装备制造体系，在全省优势显著在全国也有一定的比较优势：重点产业群崛起，优势产品多，中高档轿车、汽车发动机、船舶、压缩机、电梯、盾构机等产品在全国名列前茅；拥有一些国内少有的、达到国际水平的先进设备；研发能力提升，全市机械装备工业企业拥有研发机械76个，其中国家级企业技术中心2个（全省机械装备工业领域仅此2个）省级技术中心和研发中心5个，研发人员5300多人，为机械装备工业发展提供了有力的技术支持。
但与国际先进水平相比，广州机械装备工业发展仍有较大差距，装备相当大部分属于发达国家上世纪80年代以前的水平。
为跨越式提升装备工业的水平，广州提出，在已有基础上将重点发展汽车及零部件制造，电子信息装备，船舶制造、楼宇成套设备、输变电装备、重型机械装备、包装机械装备和数控机械设备8大门类的装备工业；到2010年将实现装备制造业工业总产值（不变价）达到4500亿元以上，年均增长速度在20%以上，占全市工业总产值40%的目标。
广州目前正锣紧鼓地制订高起点的产业发展和区域布局 规划 ，旨在通过5—8年的努力，实现“一个基地、两个中心、三个一批”，即：建成全国技术领先、生产规模大、产业优势显著、市场影响力强的机械装备工业制造基地；具有较强研发能力的机械装备工业研发中心和辐躲射全国的机械装备维修服务中心；锻造一批具有较强国际竞争力的大型企业集团，培育一批市场占有率领先的名牌产品，形成一批产业发展技术支撑力强的国家级、省级研发机构。
根据广州城市东进、西联、北优、南拓的发展战略，广州装备制造业重点发展区域为东部的广州经济技术开发区、黄埔区和增城新塘，南部的南沙经济技术开发区，北部的花都区。
对于普通机械及专用设备制造业：广州将以南沙开发为契机，在南部形成集约化机械制造产业群，重点发展数控机床、输送机械、港口机械、盾构机、重型机械、包装机械、环保机械、医疗器械、化工专用设备和塑料机械等。
三、广州盾构机制造业发展与需求潜力
2006年广州海瑞克隧道机械有限公司南沙新工厂在南沙开发区黄阁工业园开业。该厂将为广州的地铁、公路隧道、水利工程以及地下管网的建设提供设备和技术支持。广州广重企业集团有限公司总经理司徒健权认为，广重与德国海瑞克的合作实现了双赢，广州有望成为东南亚盾构机生产中心。
目前，国内仅有3家企业具备生产盾构机的能力，预计在未来的几年时间里，国内各大城市的地铁修建和扩建将成为建设热点，作为技术水平处于领先地位的广州海瑞克，必定能从中获得很好的发展；另外，广州辐射东南亚的区位优势亦可以帮助广州海瑞克在东南亚市场占得举足轻重的地位。因此，广州有可能成为中国乃至整个东南亚的盾构机生产中心。
根据 规划 ，广州市力争到2010年实现工业年产值4600亿元，使机械装备工业产值占工业总产值35%左右。
第四节 深圳盾构机发展状况
一、深圳轨道交通中长期的 规划 状况
根据《深圳轨道交通近期建设 规划 方案》，本次轨道近期交通 规划 的重点是在一、二期工程基础上，提出轨道近期（2011年～2020年）建设方案，共8条轨道线路，分别为4号线北延段、6、7、8、9、10、11、12号线，总长约245.4公里，投资总额将达到1074亿元。目前深圳轨道一期工程已于2004年12月28日建成通车，二期工程线路（1、2、3、4、5号线）已部分开工建设。其中2、3号线延长段及5号线已结束公示，正在调整中。轨道二期工程计划将于2011年6月全部建成通车。
根据《深圳远期轨道交通线网方案》，深圳有望再建设16条城市轨道线路以及4条城际线。其中，至2030年，深圳市轨道交通将由16条线路组成，总长585.3公里，设站357座。此外，根据该方案，依照所承担的功能及线路技术标准的不同，深圳市轨道交通网远期将由珠三角城际线、城市组团快线、城市干线、城市局域线四个层次组成。
二、深圳地铁盾构施工现状
目前，深圳在建的项目中，各类型的盾构机共有23台，其中随着深圳地铁建设的提速，正常保有量应在40台左右。
在使用的所有盾构机的中，以德国海瑞克盾构机技术为主。
三、深圳地区工程地质及水文地质特点
1、工程地质
规划 中的各条地铁线路，工程地质条件各不相同，但主要可以归纳为以下几类。第四系填土、冲洪积粘土、粉质粘土、砂土，坡积粘性土，残积层，下伏风化角岩。地质构造较简单，属稳定区。地震震源位于场地外围，对场地的影响最大烈度为Ⅶ度，场地稳定性较好，场地外动力地质作用弱，地面基本处于稳定状态。
素填土：褐红、黄褐、红褐、褐灰、灰白色，主要成分为粘性土，混较多砂砾，局部夹碎石，可塑～硬塑，具中～高压缩性。
由角岩风化残积形成残积层（Qel），定名为粘土、粉质粘土。
粘土：以褐黄、黄褐色为主，软塑~可塑，土质较均匀。属中～高压缩性土层。
粉质粘土：以褐黄、黄褐色为主，软塑~可塑，土质较均匀。
砾（砂）质粘土：褐黄、褐红、灰黄夹灰白等色，由下伏粗粒花岗岩风化残积而成，多为硬塑状，光滑无摇振反应，强度中等，韧性高。
全风化岩：褐黄色、灰色，岩体呈土状，偶夹强风化块，浸水易软化崩解，具中等压缩性。
强风化岩：黄褐色、灰褐色，由石英、长石及其它粘性矿物组成，原岩结构可辨，岩体破碎，裂隙发育，具中～低压缩性。
中等风化岩：青灰色，岩体呈碎块、短柱状，裂隙发育，锤击可碎，变晶结构，块状构造。坚硬程度属较硬岩，岩体完整程度属较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。
微风化岩：青灰色，岩质坚硬，岩体呈柱状，裂隙一般不发育，局部较破碎，锤击声脆，变晶结构，块状构造。
2、水文地质
除部分地铁线路沿填海区走向外，主要含水层是残积层和风化岩，结构松散，自稳性差，施工中易发生坍塌、涌水等现象。地下水的浸泡会使岩土抗剪强度降低，变形加大，易造成隧道变形、失稳、坍塌。
在施工过程中，随着地下水向洞身的涌出，土中细颗粒也随水流失，造成土层结构更加松散，渗透性加强，地下水和细颗粒土流失加剧，角岩残积土和全风化岩的透水性也相应加强。隧道开挖后，改变原有地下水渗流场，场地附近的地下水会通过残积土和全风化岩以越流的形式向隧道内渗透。
随着地下水的流失，土体失水固结，引起地面沉降，危及路面、既有建筑物和管线管道的安全。
四、关于在深圳地区盾构施工的机型选择
经过对国际国内盾构施工技术的调查 分析 ,针对深圳市地铁隧道盾构法施工，认为盾构机选型时应遵循以下几项基本原则：
(1)盾构机技术水平先进可靠,并适当超前,符合我国国情。
(2)所选盾构机应满足深圳市地铁 规划 各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要,特别是要满足 规划 在2016年前必须完成的隧道工程施工的需要。
(3)能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要,即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。
(4)盾构机能够适应深圳市地下构筑物众多的特点,必要时可实现隧道盾构机内清除或撤换障碍物的施工。
(5)盾构机在设计方面应考虑深圳市地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。
各地层盾构机选型分述如下：
(a)粘性土及粉土层：盾构机在此地层中施工时,一般较容易控制,但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞,因而盾构机选型时应注意在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。
(b)砾（砂）质粘土层：盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大,渗透性好,在盾构机推进挤压下水分很快排出,土体强度提高,故不仅盾构机推进摩擦阻力大,而且开挖面土压力也较大,常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外,盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体,特别是在无水砂性土层中施工,有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要,操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有,深圳地区砂性土中石英含量较大,刀具磨损较严重,并拌有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时,应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率,以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。
(c)全风化岩层及上软下硬的互层：由于此类地层一般较为稳定，需要加强的是刀盘系统中的配刀型式，加强地质调查，有计划的进行刀片更换。
五、未来深圳盾构机施工市场 发展 分析
在未来（2011年～2020年）深圳的地铁建设中， 规划 地铁线总长为245.4km,其中地下部分约占总长的90％左右，而适合盾构开挖的地质段占全部地下开挖部分的80％以上，按此计算， 规划 地铁适宜盾构施工的线路总长约为176km。
根据盾构施工企业有过的施工组织经验，单台盾构机单线施工能力约为1km/年。由此我们知道，深圳地铁施工的盾构保证量为：176×2÷10＝36台。
随着国家宏观经济政策的调整，势必会加快深圳基础建设领域内的投资，因此我们预计，深圳地铁建设的盾构机保有量应在40台左右。
随着地铁施工盾构机的使用普及，盾构施工越来越形成了一个大的产业链，从盾构机的生产领域到售后服务，越来越地保证了盾构机的使用寿命，减少了摊销费用，随着管片生产的集中基地化和标准化程度的进一步提高，盾构机施工企业的投资效益会有进一步的提高。
目前盾构机的投资摊销基本上按10km的产值进行，折合10000元人民币/m，盾构机施工中的直接成本约为15000元左右，施工毛利可以达到5000元/m。
六、深圳地区投资盾构机施工风险
投资盾构机施工的主要风险来自于盾构机自身的施工过程，合理的组织和科学化的管理是避免风险的主要方式。
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