随意在地下挖几十公里隧道的大型设备是盾构机，它是一种隧道掘进的专用工程机械，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，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。

盾构发明于19世纪初期，首先应用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。1818年，法国的布鲁诺尔从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得专利。下图为布鲁诺尔注册专利的盾构。

布鲁诺尔在英国取得的盾构专利（网络图）

1818年，布鲁诺尔完善了盾构结构的机械系统，设计采用了全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳。布鲁诺尔的盾构机为一种金属圆柱体，内有复杂的机械和辅助设备。由千斤顶推动金属筒框向前水平前进，并有金属筒框支撑土（岩）体防止塌方，同时还在金属筒框后进行衬砌结构的施工。

布鲁诺尔发明的盾构机首次应用于隧道施工（网络图）

1823年，布鲁诺尔拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划，并制成了世界上第一台盾构机。他发明的矩形盾构机首次应用于伦敦泰晤士河隧道施工。该矩形盾构断面高6.8米，宽11.4米。然而，在修建过程中却遇到很大的困难，曾发生过河水进入隧道，以及沼气进入隧道被照明灯点燃，从而造成了人员伤亡等事故。

1835年，经过多年改良的盾构施工法再次投入使用，又是数年的精心施工，终于在1843年建成泰晤士河水底隧道。布鲁诺尔发明的盾构机，其构架分成36个小单元，每个单元内有一名矿工把他面前的粘土挖开。当许多名矿工挖去同一数量的粘土时，构架就可以向前移动了，挖空的地方被铺上砖块。

世界上第一个机械化盾构机（英国专利，1876年）

机械化盾构机研发是盾构机演化史上一个重要的里程碑。第一个机械化盾构的专利是英国的布伦敦等人于1876年申请的，其进步的标志是采用了压缩空气，从而用机械开挖代替了人工开挖。通常把机械式和气压式盾构机称为第二代盾构机。

第三代盾构机以闭胸式盾构机为代表，主要包括泥水式盾构机和土压式盾构机。泥水平衡式盾构机是通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排出的盾构机。土压平衡式盾构机是通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面，弃土可以从出泥舱排出的盾构机。

第四代盾构机以大直径、大推力、大扭矩以及高智能化和多样化为主要特色，正在隧道建设中发挥着重要作用。研制具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的盾构机及其控制系统，是未来盾构机的发展方向。

现代盾构机的基本工作原理

它是将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。

▲盾构机结构图

对于盾构机来说，掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统直接影响到盾构机的施工效果，盾构刀具对盾构机的造价有着很大的影响，直接影响盾构机总造价的4%以上。

盾构机刀具根据工作方式和位置、形状等方式分类，常见的分类方式是采用工作原理分类，主要为切削刀和滚刀两种，其中切削刀又分为齿刀、刮刀、先行刀等多种，根据不同的盾构设计以及土层情况，客户需要选配不同的刀具进行投入工作。例如，地质为硬岩时，一般配合采用滚刀，地质为软质岩石时，一般采用齿刀，处于两者中间的可以选择切刀进行工作。

盾构机的工作原理视频

2008年4月25日，我国第一台具有自主知识产权的复合式盾构机在河南新乡下线，并成功应用于天津地铁建设，从此拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。

短短65年的时间，我国盾构机不仅实现了从无到有的突破，而且在引进推广的同时坚持自主创新，从而掌握了各种不同规格和类型盾构机的生产技术。如今，盾构机已成为我国地铁等隧道工程建设的常规装备，在许多领域都发挥了重要作用。

2018年3月13日，由我国自主研发的超大直径盾构机成功下线，并将出口孟加拉国用于卡纳普里河底隧道工程建设。这台直径12.12米的超大直径盾构机的出口，将终结欧美国家对海外市场的垄断。

转自公众号：三维设计师

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