解析國產盾構機機械性能，生產狀況，展望未來機械設備、機械化隧道建設存在問題和發展趨勢。

隧道掘進機（Tunnel Boring Machine），是一種隧道掘進的專用工程機械。歐美將全斷面隧道掘進機統稱為TBM；日本則一般統稱為盾構機，細分可稱為硬巖隧道掘進機和軟土地層隧道掘進機；我國一般習慣將硬巖隧道掘進機（硬巖TBM）簡稱為TBM，將軟地層掘進機稱為盾構機（shield machine）。本文盾構機含TBM。

現代盾構掘進機集光、機、電、液、感測、信息技術於一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，亦被稱作地鐵施工的「利器」。目前，盾構機已廣泛用於地鐵、鐵路、公路、市政管網、過江隧道、水電等隧道工程。

截至2017年末，中國內地（不含港澳臺地區）共計34個城市開通城市軌道交通並投入運營，共56個城市開工建設城市軌道交通，開通城軌交通線路165條，運營線路長度達到5033公里。其中，地鐵3884公里，佔比77.2%；其他制式城軌交通運營線路長度約1149公里，佔比22.8%。2017年新增運營線路32條，同比增長24.1%；新增運營線路長度880公里,同比增長21.2%。2016年當年線路增長首次超過500公里，達到535公里，僅一年後年線路增長突破800公里，又邁上一個新的臺階，增長速度前所未有。全年累計完成客運量185億人次，同比增長14.9%。擁有2條及以上運營線路的城市已增至26個，佔已開通城軌交通城市的76.5%。2017年中國內地城軌交通完成建設投資4762億元，在建線路長度6246公里，在建項目可研批複投資額累計38756億元。截至2017年末，共有62個城市的城軌交通線網規劃獲批（含地方政府批複的18個城市），規劃線路總長7321公里。國內地下線，使用盾構機是當前的主流。

盾構機除了能夠在軌道交通中廣泛使用外，在大城市通水、通電等領域也將被逐步應用。當前，中國正處於城鎮化快速發展時期，但地下管廊的建設相對滯後。發展城市地下管廊，不僅可以有效解決城市交通擁堵問題，還極大方便了電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修，是提升城市品質的重要舉措。國務院自 2015 年開始部署城市地下綜合管廊建設試點工作。到 2018 年，全國有 69 個城市在建的地下綜合管廊將達到1000 km，總投資約 880 億元。據粗略統計，未來地下綜合管廊投資規模將超過1萬億元。2016新建地下綜合管廊公里1791公里，2017地下綜合管廊在建里程6575公里。盾構機，則是實現地下管廊建設的必備工具。

根據盾構機的設計壽命（通常在1萬小時左右），假設每9公里（雙線）需要兩臺盾構機，盾構機需求量巨大。

2002年前，盾構設計技術一直被國外壟斷，產品長期依賴進口，價格居高不下，制約了我國盾構的應用，延緩了城市地鐵的快速發展。

目前，國內企業在競爭中發展得比較快，市場份額也在不斷增加，使得近年來我國的盾構機市場發生了根本改變，已經打破了國外盾構機佔據主導地位的局面。2017 年有超過45家企業已進入或正準備進入盾構機行業，其中如中鐵裝備、中國鐵建重工集團、遼寧三三等企業都可單獨承接盾構機施工項目，擁有開發、設計、製造、服務一體化的專業施工能力。從企業結構進行分析，當前盾構機行業的企業主要有三類：第一類是國內的裝備製造企業，此類企業技術水平和製造基礎比較好，在自身原有的裝備製造基礎上通過技術開發進入盾構機領域的企業；第二類是由外資控股的中外合資企業或外國獨資企業，如德國海瑞克、日本三菱等；第三類是具有施工總包能力的企業轉型升級後新組建的裝備製造公司，這類企業原本就是有盾構機需求的企業，掌握著盾構機的市場，因此目前此類企業發展得最好，擁有較大優勢，對國內市場的佔領比較迅速。而合資企業和外國獨資企業由外方掌握核心技術，在技術上有優勢，但由於缺乏市場，所以一般採用外國控股，由國內合作方負責市場和製造的形式與中國的地方政府合作。經過多年的消化吸收，國內盾構機企業不斷發展壯大，外資企業的市場份額在不斷縮小。

隨著盾構機製造技術水平的不斷提高，以及施工領域的應用越來越多，盾構機行業的競爭也越來激烈，國內外的盾構機企業都在不斷加大資本投入，通過對基礎設施規劃建設情況、盾構機的生產市場、技術現狀與隧道建設發展進行深入分析研究，瞭解當前國產盾構機製造水平，需求和市場環境變化趨勢。

1、 中國盾構機發展歷程

1.1 從黎明期到技術創新期

2009年之前，我國大約有85％的盾構掘進機依賴進口。其中，佔據歐洲大半市場份額的德國海瑞克，以產量1670臺居世界首位的三菱重工，以及擁有多個品牌的德國維爾特的表現最為搶眼。其中海瑞克就佔據國內盾構機市場的70％以上。

我國1953年開始採用盾構進行隧道修建，晚於國外128年。

手掘式盾構

2000年前，國內盾構多為主要部件進口，國內工廠拼裝組合，無自己的核心技術。

2002年開始，中國致力於「造中國最好的盾構」，國家科技部將盾構技術研究列入「863」計劃。

2004年，依託於「十五」期間國家「863」計劃項目，上海隧道研製出國內首臺全自主設計、 具有知識保產權的土壓平衡盾構機「先行號」樣機。該機在切削刀盤驅動系統、推進系統、拼裝機系統、同步注漿控制系統、盾尾密封系統、自動控制系統等關鍵技術進行了技術創新，實現中國盾構從有到優的歷史突破。

2006年底，「先行2號」盾構在滬製造安裝完成並正式下線，首次實現了國內地鐵盾構的批量生產。

先行號

2008年4月，依託「863」計劃，由中鐵隧道集團隧道設備製造公司牽頭，浙江大學、華中科技大學等參與研製的首臺國產複合盾構「中國中鐵1號」下線，該機國產率 65%，填補了我國在複合盾構製作領域的空白。從此，國內盾構市場徹底打破了進口盾構對國內市場的壟斷，開啟了國產盾構的自主研發、製造的新篇章。

中國中鐵1號

2009年9月，一臺直徑為11.22m的具有自主知識產權的大直徑泥水盾構「進越號」成功貫穿上海打浦路隧道複線工程，標誌著我國進入了具備大直徑泥水盾構自主設計、製造和施工技術的盾構大國行列。

進躍號

2002年開始，在盾構技術領域重點開展如下研究：

盾構技術領域863計劃重要課題

1.2「異彩紛呈」的跨越發展期

「上天有神舟，下海有蛟龍，入地有盾構」。從2009年至今，隨著我國基礎設施建設開展，給予了盾構製造企業技術足夠的實踐案例及數據支持，盾構的新理念、新技術、新工藝不斷湧現。盾構行業經過多年的合縱連橫，鐵建重工、中鐵裝備、中交天和、三三工業等已成為中國盾構企業中的佼佼者。

鐵建重工

十年積累，中國鐵建重工集團有限公司（簡稱「鐵建重工」）從最初的高速道岔生產基地發展到掘進機、特種裝備、軌道設備、磁浮裝備四大產業板塊，彎道超車，厚積薄發，一躍成為世界一流的集高端地下裝備和軌道設備研究、設計、製造、服務於一體的自主品牌。擁有盾構TBM的先進生產設備200多臺套，盾構TBM年產能力達120臺套。

中鐵裝備

中鐵工程裝備集團有限公司（簡稱「中鐵裝備」）的發展歷程是中國盾構崛起的縮影。2013年11月成功收購德國維爾特公司岩石隧道掘進機業務，成為國際知名的隧道裝備綜合服務商。該公司具備年產盾構、TBM等150臺的產業化能力，擁有13大盾構製造基地。

中交天和

中交天和機械設備製造有限公司（簡稱「中交天和」）系中國交通建設股份有限公司成員公司。中交天和具備年產盾構60臺（套）的生產能力，截止2016年5月，中交天和共製造、維修盾構105臺（套）。

三三工業

2014年遼寧三三工業有限公司（簡稱「三三工業」）全資收購世界500強、國際工程機械第一品牌美國卡特彼勒公司的子公司——卡特彼勒加拿大隧道設備有限公司，成為全球隧道掘進機製造業領軍企業之一。具備年產100臺（套）盾構TBM的能力。

中船重裝

「盾構新星」中船重型裝備有限公司是中國船舶工業集團公司的直屬企業。2012年，傳承中船集團50年來盾構製造的經驗和積累，於廣州南沙成立了研發製造地下空間工程裝備的中船重型裝備有限公司。有著軍工背景的中船重裝經歷短短4年的發展，已成為盾構製造領域廣東省國產品牌第一，具備年產50臺套的能力。

目前，我國遼寧、江蘇、山東、河南、湖南、廣東等省區在盾構機製造上發展強勁，主要得益於其自身工業基地的技術優勢和資源優勢。多地政府投入資金、政策打造高端裝備製造園區，助推了中國全斷面掘進機產業井噴式的高速發展和走向海外。下圖是部分全斷面隧道掘進機企業分佈圖：

全斷面隧道掘進企業分佈圖

超大直徑盾構發展迅猛

截止到2017年末，據不完全統計，世界上直徑超過14m以上的盾構機數量約42臺，其中19臺在中國。2017年多個超大盾構項目「異彩紛呈」。

2017年8月，上海北橫通道II標工程直徑15.56m的超大直徑泥水平衡盾構「縱橫號」完成了首段急曲線施工，北橫通道主線盾構法隧道長達6.4km，隧道線路中最小轉彎半徑僅500m。

2017年10月26日，由中國中鐵裝備集團生產的直徑15.03m的超大直徑泥水平衡盾構機「中鐵306」下線，這是迄今為止我國自主設計製造最大直徑的泥水平衡盾構機。該盾構機將應用於國內最大直徑海灣盾構隧道，首座地處8度地震烈度區的盾構隧道——汕頭市海灣隧道。

2017年11月13日，珠海橫琴新區馬騮洲交通隧道西線採用直徑14.93m的泥水氣壓平衡盾構機「任翱號」克服複合地層全線貫通。

2017年，備受矚目的深圳春風隧道工程盾構採購項目已完成招標、選型工作，將採用一臺直徑15.76m的氣墊式泥水平衡盾構機，並配置了常壓換刀刀盤，常壓換刀刀具全覆蓋。預計將於2018年6月始發掘進。

2、國內盾構機行業的現狀

目前，國外生產盾構機的企業主要有德國的海瑞克公司（HerrenknechtAG）、美國的羅賓斯公司（Robbins），加拿大的羅福特公司（Lovat），以及日本的小松製作所、三菱重工、川崎重工等。國內主要盾構機生產企業有中鐵裝備、中國鐵建重工集團、遼寧三三、北方重工、中交天和機械、中船重工等，經過多年引進消化吸收國外的盾構施工技術，國內盾構機生產企業已形成集研發設計、技術服務、加工製造、組裝調試、施工反饋、修造翻新、營銷租賃於一體的盾構機產業鏈，那些生產能力強、設備品種全、工藝水平先進的盾構機製造商，在土壓平衡系列、硬巖（TBM）系列盾構機的研發與製造領域打破了國外企業的長期壟斷局面，逐步實現了我國盾構機產業向自主化、國產化、智能化的高端行業發展。

隨著國內地鐵和城市地下管廊等地下建設項目的不斷增多，國內對盾構機的需求越來越多，市場規模隨之不斷擴大，國內很多重型機械製造企業也開始轉向盾構機的研發和生產，如中國一重2017年與遼寧三三合作製造兩臺地鐵用土壓平衡盾構機已投放市場。

隨著盾構機應用領域不斷擴大，為適應不同工程項目，盾構機的種類也越來越多。目前生產的斷面盾構機有多種形式，例如圓形、雙圓形、矩形，此外還有馬蹄形等異形截面的盾構機，以滿足不同領域工程的需求。例如在江海中進行施工時使用大口徑圓形盾構機比較適合；而在城市中，由於樓房密集、為了施工時不影響地面上居民的正常生活，進行作業時一般選用小口徑的盾構設備；在地鐵施工時，為了進一步增加空間利用率，提高整體施工效率，矩形斷面盾構設備也逐漸得以應用。

矩形盾構和異形盾構

目前，在我國已經形成世界上規模最大、發展最快的軌道交通建設市場，同時也是盾構機需求最大的市場。

2010年至2017年，軌道建設工程量以每年約17%的速度不斷增長。據不完全統計，我國2012年生產的盾構機有152臺； 2013 年生產的盾構機有164臺；2014 年生產盾構機有176臺；2015 年生產的盾構機有 208臺；2016年國內銷售各種型號的盾構機達到388臺（詳細數據見下圖）；2017年的銷量在440臺左右，和2016年相比漲幅在15%左右。

2012-2016年全斷面隧道掘進機銷售臺數統計表

目前參與國內地鐵建設的前兩大央企(中鐵建、中鐵)，盾構機保有量超過500臺；盾構機再製造需求量同步增大，其中核心技術主軸承再製造，洛陽新強聯、LYC洛軸等企業技術靠攏頂尖製造業水平，補上了盾構機再製造的短板；中國隧道網預計、盾構機市場進入爆發期，盾構機再製造市場將在2018年需求陡增。

2016年全斷面隧道掘進機各主要企業銷售數量

戳以下鏈接查看2016銷售詳細數據

ccmatm.org/tjxx/2016tjx

從2016年生產銷售的盾構機的類型來看，複合式土壓平衡盾構機佔大多數，一方面說明國內的地質情況複雜多變，除了軟弱地層之外，大多數是盾構機是在複合地層中掘進，另一方面在相當一部分軟弱地層中，有很多情況下是土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機均可以適應的，若非對掘進有特別要求，選用土壓平衡盾構機可以提高工效，降低施工成本。值得注意的是，TBM的市場額份額有所提高，TBM不光在山嶺隧道施工，也進入了城市地鐵行業。

2016年生產銷售的各類型全斷面隧道掘進機佔比圖

3、盾構機技術現狀及發展趨勢分析

盾構機根據工作原理的不同可分為以下類別：

適用於不同地層類型的全斷面掘進機分類（圖片來源於羅賓斯,海瑞克等）

3.1 盾構機關鍵部位結構

盾構機的刀盤驅動系統是完成挖掘功能的重要組成部分。通常地鐵、公路隧道盾構的刀盤直徑大、重量大、扭矩非常大,並且由於地層條件變化、埋深的變化和掘進參數的變化使得盾構刀盤的負載扭矩會出現很大的波動,因此,大慣性、大功率和變負載是這類盾構刀盤驅動的主要特點。

刀盤驅動系統主要由驅動電機（液壓、變速電機）、減速器、大小齒輪、三滾子軸向徑向主軸承及密封組成，電機通過減速器帶動大小齒輪，通過主軸承帶動刀盤旋轉。

刀盤及驅動系統（Cutterhead Driving System）

主軸承被稱為盾構機的「心臟」，承擔著盾構機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統的關鍵部件。2016年前，主軸承全部依賴進口，每年僅主軸承進口費用就要10億元。

2007年，洛軸開始承擔國家863計劃先進位造技術領域「全斷面掘進機關鍵技術」——土壓平衡盾構主軸承研製工作，在盾構主軸承設計分析技術、大模數齒圈單齒背冷感應淬火技術、表面淬火硬化層深度無損檢測、精密加工工藝等方面取得重大技術突破。在此基礎上，中鐵隧道局牽頭，聯合洛軸，又於2015年組建了「大直徑複合盾構主軸承研製」科研團隊，開展6—9米盾構主軸承研製。2016年9月，聯合研製的盾構主軸承通過出廠驗收。

大直徑盾構機大齒圈（連接主軸承）

中鐵裝備從2008年開始試製第一臺盾構機樣機，對於零部件的選型成了需要謹慎考慮的問題，尤其是諸如液壓系統的關鍵零部件，必須能夠承受盾構機地下施工時高頻、震動、污染等不利工況的考驗，這直接關係著盾構機樣機試製的成敗。出於這一考慮，中鐵裝備選用了以產品耐高壓、結構緊湊等特點著稱的德國哈威，並一直保持合作至今。

液壓和雙速電機驅動刀盤系統

變速電機驅動刀盤系統

主減速器通常採用三級行星齒輪傳動系統，該傳動系統是盾構機刀盤驅動系統的核心部件。在掘進施工中，岩土條件複雜，刀盤驅動系統處於變載荷工況，主減速器中三級行星齒輪傳動系統的動力學特性對主驅動系統的可靠性和整機運行的穩定性都有很大影響，是盾構機設備的重要零部件。

2013年前，國內盾構機主驅動減速機依託於國外採購，無自主產品，在減速器齒輪軸承複合技術、冷卻系統等方面無技術依託，2013年由蚌埠市行星工程機械有限公司自主研發了首臺國產盾構主驅動減速機，打破國外技術壟斷。

減速器（Planetary Gear Reducer）

相比整機製造，零部件的生產能力更考驗一個國家的工業生產水平。中國盾構機領域現有的成績說明我們已經順利結束了從無到有的過程，而在「從有到優」的過程中，核心零部件的國產化率不高是中國盾構機行業面臨的更大的難題。

3.2 發達國家盾構機械製造水平

當前，世界上的盾構產業主要有兩大技術流派，一是歐美流派，特點是設備耐用，但成本相對較高，在複合地層時有很強的優勢，以海瑞克（德國）、羅賓斯 （美國）、羅瓦特（加拿大）、法馬通（法國）為典型代表；二是日本流派，特點是以滿足設計壽命為前提，成本相對較低，但遇到複合地層時挖掘動力不足，在軟土軟巖地層優勢明顯，而且控制技術先進，以日立造船、石川島、川崎、三菱、小松為典型代表。

國產盾構機掘進斷面多為單圓，國外在地下空間開發利用的研究下，已出現雙圓、三圓、複合斷面等異型斷面盾構機。後期城市地下空間開發，特別是市政綜合管囊，城市地下排水系統的打造，需要盾構機的多樣化出現。

盾構機施工技術的科技技術發展程度越來越高，融合了計算機、新材料、自動化、信息收集傳輸等集成。國外已將機器人技術應用於盾構施工，盾構機正朝著全自動化、智能化、無人值守的方向發展。

為適應隧道及地下工程建設的發展需要，盾構機的掘進斷面具有了向超大和微小兩個方向發展的趨勢。現國外大直徑盾構已成主流趨勢，德國海瑞克公司引領了全球超大直徑盾構的發展方向，目前最大斷面盾構已發展至17.6m； 日本大成建設公司已開發出了使用於立體交叉工程的小型盾構，該盾構直徑僅200mm。

下面是隧道掘進機生產巨頭德國海瑞克部分機械類型

詳細參數不再展開，請戳以下鏈接觀看視頻herrenknecht.com/en/pro

3.3 國產盾構機的技術差距

我國在盾構機研製方面，通過多年的引進、消化吸收及在此基礎上不斷研發、創新，已經積累了很多經驗，如自主研發出擠壓式盾構機、氣壓式盾構機及泥水平衡盾構機；在土壓平衡盾構機、泥水加壓盾構機方面重點引進、消化與研究。目前，中鐵裝備、中國鐵建、北方重工等國內企業都已開展了盾構設備研發與自主設計，並且不斷取得創新和突破。如將應用於汕頭海灣隧道項目的15.03m國內最大直徑泥水平衡盾構機，由中鐵裝備自主設計製造，取得多項核心技術，集合了超高承壓能力系統集成設計，伸縮擺動式主驅動技術、雙氣路壓力控制技術，智能化程度高，填補了國內超大直徑泥水平衡盾構機的空白，打破了超大直徑盾構機由國外品牌壟斷的局面。

儘管如此，與國外相比，我國盾構機製造技術仍存在一定差距，與國外相比，在刀具，刀盤、驅動、軸承密封、盾尾密封、液壓系統及自動化控制一些技術細節等方面存在著較大的差距。下面從關鍵原配件的生產製造、系統集成技術，以及地質適應性設計等方面展開。

  • 關鍵原配件生產製造技術方面

大軸承、減速器、大排量液壓泵為盾構機中三大核心部件，目前主要依賴於進口；

盾構機主軸承製造我國才處於起步階段，2012年才具備自主研發的盾構機主軸承，在軸承加工精度，耐磨、耐衝擊和密封性方面比國外還有較大差距。

國內盾構機大排量變數泵在材料、工藝、產品性能和可靠性等方面與國外產品存在一定差距，目前盾構機多採用德國進口的施維英泵。

土壓探測與感測裝置是控制盾構姿態，控制地表沉降的關鍵部件，也基本依賴進口；在刀盤、刀具設計技術等方面，我國由於對刀具磨損的過程缺乏認識，對岩土中刀盤、刀具的適應性設計上沒有積累足夠的經驗，缺少系統理論的支持，在刀具的使用壽命、可靠性等方面缺少經驗。總之，我國在關鍵盾構機零部件的生產製造方面與國外仍有一定差距。

  • 總體設計與系統集成技術方面

近年來生產的盾構機主要是通過合作製造或收購企業等模式來研製的，大部分是在國外盾構機的基礎上進行的，很多關鍵的系統集成都是在國外公司協助下完成的，整體設計和系統集成技術還沒有完全掌握。如國內的矩形、三圓形、馬蹄形、特種異形等盾構機方面仍處於起步階段，技術和經驗還需要不斷積累，部分國產盾構機存在性能不穩等現象。

而國外盾構已向可折曲的盾體和多體盾構等形式發展，如日本的3心圓MF盾構，可一次成型車站和行車區間；母子盾構，可實現單線隧道外徑變化；莖盾構，可實現隧道掘進過程中分岔盾構脫離，併線交叉施工；球體盾構，球體藏於大盾構中，其主要作用是用於盾構轉向，而小盾構則藏於球體內，掘進方向可以任意角度變化。

  • 地質適應性設計方面

國外盾構機製造企業經過長期的實踐，已經積累起盾構機模擬試驗方法和系統的經驗數據，形成了一套適合本國地質條件的盾構機設計理論體系。而我國由於幅員遼闊，地質複雜，各個地區的地質條件有很大差別，需要積累大量的數據。而由於我國盾構機技術起步較晚，工程實踐機會較少，無法積累足夠的經驗數據，在施工過程中經常遇到象刀具嚴重磨損，或者因河卵石過大而無法順利排除等現象。因此完全適合我國國情和地質條件的適應性設計理論還需不斷發展和完善。

  • 系統模擬和模型試驗方面

系統模擬和模型試驗是優化盾構機結構與性能的重要手段，國內中鐵裝備、中國鐵建少數等公司已經建立起工業樣機的模型試驗臺，但其他大多數企業仍然依賴國外的圖紙和技術，在研製盾構機時缺乏必要的系統模擬和模型試驗等手段的支持，在關鍵技術與核心部件設計上缺乏自主研發能力。而國外企業都非常重視系統模擬和模型試驗等方面的工作，對盾構機整體優化設計的效率比較高。

  • 控制技術方面

國外盾構施工中的液壓推進與導向技術已經比較成熟，通常在開挖面與盾構周邊必要的位置佈置有各種監控點，採集盾構運行狀態、土壓和地層擾動等多種信號，這些信號和地表沉降信號一起輸送給信號處理計算機，計算機分析這些信號數據後，發送液壓系統控制信號，實現對盾構推進和導向的自動控制，基本可以實現無人化的精確操作。目前，國內在利用激光、陀螺並用的盾構自動方向控制系統、模糊控制論用於盾構姿態控制等相關技術方面的開發研究取得了一定的成果。但是，國內盾構所用土壓探測與感測裝置基本依賴進口，根據地表變形和運動軌跡進行適時反饋控制技術尚不完善。

另外，與國際先進水平相比，我國的土壓盾構在某些技術上還存在差距，複合盾構和TBM製造的差距更大，在土壓盾構的系列化設計，地層穩定與地面沉降控制技術，防水與同步注槳技術等方面也需要進一步加大投入，提高研發、應用的理論與技術水平。

3.4 盾構機技術發展趨勢

盾構技術目前已成為構築地下鐵、電信、電力、上下水道等城市隧道的主要施工方法，隨著微電子技術、液壓技術和電液控制技術、遙控技術、激光技術、衛星制導技術和數字攝像技術的發展，其發展趨勢可歸納為兩點。

  • 機型研發基本方向

適用於大深度化、高地下水壓、大口徑化、長距離化的盾構機；能夠實現施工機械化、省力化、自動化和施工高速化的特種工法盾構機；斷面異圓化以及應用隧道截面更為合理、空間利用率高的異形斷面盾構機；能夠適用於多種地質條件和土層結構的複合式盾構機；斷面尺寸繼續向超大型和微小型兩個方向發展。

  • 盾構機的機器人化

盾構機將不斷採用類似機器人的技術，如控制、遙控、感測器、導向、測量、探測、通訊技術等，盾構機的機器人化發展趨勢不可阻擋，具體表現在：

第一自動控制技術的應用

電液比例控制技術將被廣泛應用於盾構機的液壓傳動系統，實現壓力、流量、位移、速度、加速度等系統輸出量的連續、精確控制。變頻調速控制技術，能量回饋技術，全局功率自適應控制技術等先進的節能技術將應用於盾構機的動力系統，改善動力系統的能量特性，實現高效節能，負載敏感控制技術，壓力適應控制技術，恆功率控制技術等將廣泛地應用於盾構機的頂進、刀具糾偏和物料搬運等液壓傳動系統，實現泵與負載間的功率匹配，減少壓力與流量損失。變頻技術、可變程式控制制技術、智能控制軟體，現場匯流排技術等現代控制技術將用於實現原動機、液壓泵和馬達等的各種調節方式，合理分配動力，自動保護最佳最佳狀態。

第二狀態檢測及故障診斷技術的應用

為提高盾構機狀態參數的實時檢測、控制和分析能力，實現故障的精確預報和設備的自動調整與維護，新型感測材料，感測器、信號分析技術，故障辨識與診斷技術將被進一步研究及應用，使盾構機的設計能力得到最大發揮，針對盾構機故障發生率較高的液壓系統，引入小波理論，神經網路等先進的信號分析技術，研製具有時變性、隱蔽性、流固多項介質等特點的液壓設備故障診斷系統，高性能電機轉換器、電子控制器、微處理控制器、內藏式感測器等高新技術產品的開發與應用，將進一步增強盾構機動力與傳動系統的自動控制、自動檢測、故障預測和主動維護的能力，提高盾構機的機電液一體化及智能化水平。

第三先進測控與導向技術的應用

採用激光雷達導向技術、gps測量系統、 gis攝影測量技術以及隧道硐室位移測量技術等，以探明掘進方向的偏離，及時進行糾偏。引入模糊理論、人工智慧輸入法等自動化方向控制系統，用於深埋、長距離的盾構施工，以實現盾構機掘進方向的精確控制。採用管片拼裝的無線遙控技術、全自動化拼裝系統、曲線頂管自動遙控測量系統、盾構施工的智能化輔助決策系統等，將進一步擴大盾構機的適應性和應用範圍。

此外，隨著製造與施工技術的發展，今後的盾構機將需要適應於各種複雜地層的施工，尋求耐磨、耐熱、耐腐蝕、高硬度的刀具材料，完善當前已問世盾構機的技術細節，不斷推出新概念，新材料、新結構的盾構機也是未來發展中的重要問題。

隨著盾構機在地鐵、電力、電信、地下管廊、海底隧道、岩石隧道等更多領域得到應用，對盾構機技術的要求也越來越高，盾構機不僅要適應長距離、大直徑和大深度的施工要求，還要在高壓條件下完成施工，更要具備克服複雜施工條件的能力，而且要實現施工的自動化和智能化，提高掘進速度和掘進效率，提高施工安全性，以及提高空間利用率，確保得到斷面更為合理，空間利用率更高的異形斷面。因此，能夠適應多種地質條件和土層結構的複合式盾構機和斷面尺寸多樣化的超大型和微小型盾構機是未來的發展趨勢；同時，盾構機的機器人化，即採用類似機器人控制技術也是其未來的發展方向。總之，未來國內盾構技術將向適應各種複雜地層，超大、微小型及複雜斷面，以及長距離、高速掘進施工，一機多用方向發展，所以新結構、新形式、新概念的盾構機將會不斷推出。

4、盾構施工技術的發展方向

我國幅員遼闊．工程地質水文條件複雜，盾構施工技術在各種複雜地層中的使用技術需要提高並達到成熟。比如：盾構穿越硬巖．斷層．溶洞、卵石地層．盾構穿越砂層、淤泥層、煤層等，應制定相應的工法和標準。

盾構在特殊環境中的使用技術需要系統總結和提高．如．盾構下穿鐵路．河流，建築物．大坡度、小半徑條件下的施工。現有的土壓平衡盾構、泥水盾構技術，有些技術細節還需改進和完善。如艙內注入泥水．泥土成分和配比．注入壓力、出泥出渣速度等參數的優化選取．泥漿的處理和再利用等。近年來由於市政給排水、沿海交通的發展需求，盾構技術正向著大斷面化．工程的大深度化、高地下水壓、長距離化．施工自動化、高速化發展，施工技術也越來越多樣化。

盾構施工安全和災害防治是應該得到盾構隧道參建單位單位和政府管理部門重視的重要方面．每年我國都有各種原因造成的人員傷害和財產損失的案例．甚至出現隧道報廢和河堤塌陷的嚴重事故。如何在高速發展的條件下．減少事故和災害帶來損失。是盾構技術發展的一個重要方向。

5、盾構機市場需求與發展前景

國內市場

據統計，約有75%的運營線路為地鐵，預計至2022年，地鐵總長度將達到 8033.3公里，從2017年起新增4919.6 公里。地鐵隧道一般為雙車道，需要雙向開挖，根據盾構機的設計壽命，假設每 9 公里需要兩臺盾構機，則共需要盾構機1093臺。（價格：德國進口的盾構機大概需要人民幣5000萬元，日本進口的盾構機大概需要人民幣3000萬元以上，國產的盾構機價格一般在2500-5000萬左右。）

未來20年是中國盾構機行業的大發展時期，目前國產盾構機已在地鐵市場嶄露頭角，它的應用方向還包括過江隧道、過海隧道、城市地下管廊等的構建。解決城市內澇的排水管道，統一設計、相互兼容的電力、熱力、通信管道，都可以用小型盾構機掘出共同管溝來布設。目前國內已在北京、上海、南京、成都等多座大城市進行城市管廊的試點建設任務。這種作業方式是城市地下管線的未來發展方向。

海外市場

作為「一帶一路」戰略實施的關鍵，鐵路、公路、港口、機場等基礎建設無疑是互聯互通的重要基礎之一。按照亞洲開發銀行測算，2020年以前亞洲地區每年基礎設施投資需求將高達7300 億美元，預計整個基建投資超過8 萬億美元，未來在構建全方位、多層級、複合型的互聯互通網路中，將掀起新一輪區域投資的高潮。據相關資料統計，目前各地方「一帶一路」擬建、在建基礎設施規模已經達到1.04萬億元，跨國投資規模約524億美元。在這些項目的分佈上，主要以「鐵、公、機」為主，佔到全部投資總額的68.8%，其中，鐵路投資近5000億元，公路投資1235億元，機場建設投資1167億元。此外港口水利投資金額也比較大，超過1700億元。

2020年前，全球城軌交通在建線路約8000 km，其中中國大陸佔75%、境外佔25%。對此，如果能夠緊跟國家「一帶一路」的總體戰略佈局，再加上國產盾構機產品的高性價比，我國生產的盾構機走出國門的機會將越來越多，出口到的國家和地區數量也將不斷增加，除了出口新加坡、伊朗、馬來西亞、印度等以外，還開始象歐洲、非洲、澳洲、南美洲等地區出口。以中鐵裝備為例，僅在2017年就已經出口盾構機超過30臺。

6、思考

國產盾構已經獲得一定的成功，累積了豐富的經驗，獲得了國內市場的認可。當前，按照中國國情，發展特有的中國模式，即走設計、製造和施工高度一體化道路，走施工產業化方向。歐美是源於設計公司，日本是源於重工業製造工廠，中國走出適合自己，不同歐美、日本模式的道路，主要是在施工的同時，結合反饋、製造，並且總結，提升自我的過程，從產業價值鏈條末端向前發，以施工為核心的一邊發展，一邊總結學習提升的中國特有發展模式。

國產盾構設備核心零部件還有很長路要走。就核心零部件而言，中國面臨的最大問題並不是技術的難度，因為再尖端的技術其實都只是一張圖紙，突破一項或者某項有難度的技術並不是難以克服的困難，真正困難的是中國怎麼解決好製造水平和製造理念的問題。轉變製造水平和製造理念並非朝夕之功，解決這一問題需要更多企業的參與、更多的時間和資金投入。核心技術是花錢買不來的，突破核心零部件技術是中國企業走向高質量發展的必由之路。

我國各地複雜不一的地質情況既給了盾構施工企業攻堅啃難的機遇，也同時促進了盾構設備技術發展。許多企業也在這方面進行了有益的探索和試驗，並獲得了一批新技術、新工藝成果。如雙模式盾構機、滾刀工作狀態無線檢測和傳輸、冷凍式刀盤、主驅動高承壓系統、伸縮擺動式主驅動，使得國內盾構施工異彩紛呈。未來的盾構掘進機在不同的地質條件下會最大限度的避開地質風險，中國盾構機發展的終極目標是「掘進機器人」。

預計近幾年內，盾構機市場需求至少在1500臺。面對巨大的產業蛋糕，我國盾構機企業應當抓住戰略機遇，發展前景廣闊。未來「一帶一路」需求巨大，中國企業應走向國際市場，培育大規模出擊國際市場的能力是所有盾構機製造企業的全球性機遇。同時，在商業模式上，國產品牌進一步加強盾構機金融、租賃、技術輔導、售後服務等方面的創新。

參考資料：

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herrenknecht.com/en/pro


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