从 “跟跑” 到 “领跑”！中国盾构机全球称王！这三大黑科技碾压欧美

世界最大直径高铁盾构机的里程碑

在现代工程建设领域，盾构机无疑是当之无愧的 “明星” 设备，它的每一次突破都吸引着全球的目光。就在 3 月 17 日，一则振奋人心的消息传来：沪渝蓉高铁崇太长江隧道的掘进工作取得了重大进展，世界最大直径高铁盾构机 “领航号” 成功掘进突破 5000 米！这一里程碑式的成就，不仅是中国基建实力的有力彰显，也为全球盾构技术的发展添上了浓墨重彩的一笔。

崇太长江隧道，作为沪渝蓉高铁全线控制性的 “咽喉” 工程，其战略地位举足轻重。这条隧道连接着上海市崇明区和江苏省太仓市，全长 14.25 公里，其中盾构段长 13.2 公里。它设计时速高达 350 公里，深入长江水下 89 米，堪称世界隧道工程史上的一大壮举。而承担这一艰巨掘进任务的，正是 “领航号” 盾构机。

“领航号” 盾构机刀盘直径达 15.4 米，总长约 148 米，总重约 4000 吨，相当于 2600 辆小汽车的重量，如此庞大的身躯却蕴含着强大的能量。它搭载了智能感知、智能掘进、智能安装等一系列先进技术，实现了 “有人值守、无人操作” 的智能化施工，宛如一位不知疲倦且智慧超群的地下 “掘进勇士” 。自 2024 年 4 月 29 日始发以来，“领航号” 在中铁隧道局团队的精心操控下，围绕超大直径、超长距离、独头掘进的施工特点，不断突破施工难题，平均月进度达到 600 米，创造了单月掘进 718 米的纪录，向着最终目标稳步迈进。

盾构机：地下工程的核心装备

盾构机，全称为盾构隧道掘进机，是地下工程建设的关键装备。其基本工作原理是借助圆柱形钢组件挖掘土壤，组件外壳护盾能支撑土层、抵御地下水。作业时，液压马达驱动刀盘切削土体，推进油缸推动盾构机前进，螺旋输送机和皮带输送机负责排土。掘进中，控制排土量和速度很关键，需保证进出渣土量平衡。掘进一环后，管片拼装机拼装衬砌管片。盾构机按开挖面封闭情况、开挖方式及平衡土压水压原理分为多种类型，在地铁、铁路、公路、水利等工程建设中地位重要，革新了传统隧道施工模式，提升施工效率、降低风险，是科技进步成果和推动社会发展的重要力量。

全球盾构机的技术演进与创新

（一）技术发展历程

盾构机的发展历程，犹如一部波澜壮阔的科技史诗，见证了人类工程技术的不断飞跃。1818 年，英国工程师布鲁内尔从船蛆钻洞的自然现象中获得灵感，提出了盾构工法，并取得专利，敞开式手掘盾构机的原型就此诞生 ，这一开创性的发明，犹如一颗种子，播下了盾构技术的希望。1834 年到 1841 年，布鲁内尔设计的方形铸铁框盾构机首次成功贯通了横断泰晤士的隧道，迈出了盾构机应用的重要一步 。1869 年，格瑞海德工程师采用新开发的圆形盾构机，成功完成第二条横贯泰晤士河的隧道工程，圆形盾构机的应用，为盾构技术的发展奠定了更坚实的基础 。1887 年，格瑞海德在南伦敦铁路隧道施工中使用盾构和气压组合工法获得成功，这一创新举措，为现代盾构工法的形成奠定了基石 。

从 19 世纪末到 20 世纪中叶，盾构机与盾构工法如同星星之火，传入美国、法国、德国、日本、苏联以及中国等国家，并在不同的土壤和地质条件下得到了不同程度的发展 。各国的工程师们根据本国的实际情况，对盾构机进行了不断的改进和创新，使其能够适应更复杂的地质条件和施工需求 。

随着科技发展，盾构机技术取得突破。从 20 世纪中叶至今，人们研发出适用于多种复杂地层的盾构机，研发重点是提高安全性、提升工程质量、缩短工期和降低成本。工程师优化盾构机设计与性能，使其在城市隧道施工技术装备中占据稳固地位，成为通用隧道施工技术装备。如今，隧道科技工作者正朝着更先进、全机械化、计算机控制、智能化及适用于特殊情况的盾构机方向探索创新。

（二）关键技术创新

在盾构机技术的创新浪潮中，智能感知、智能掘进、智能安装等关键技术的涌现，犹如璀璨的星辰，照亮了盾构机发展的道路。

智能感知技术是当下盾构机智能化研究的热点，其中超前地质探测技术备受关注 。在隧道施工中，前方地层的地质情况复杂多变，如果存在断层、破碎带、岩溶含水体等不良地质体，在施工扰动下极有可能诱发突水突泥、塌方等地质灾害，给隧道施工带来严重的生命财产损失 。当前，用于不良地质超前预报的方法主要有激发极化等电法类探测方法、地震波类探测方法、超前钻探法 。以激发极化搭载装置为例，它主要包括刀盘电极、护盾电极、边墙电极等部件 。在刀盘上安装 10 - 16 个测量电极，护盾上安装两圈供电电极，每圈各 4 个，然后沿着边墙布置多圈可移动的供电电极以实现不同测距的测深式观测 。进行探测时，盾构机刀盘后退 10 - 20cm，收起撑靴，最大限度减少干扰，刀盘和护盾上安装的电极自动伸出并接触掌子面，主机发送电流并接收信号，探测结束后电极自动回收至刀盘或护盾中，实现了激发极化数据的自动化采集工作 。

刀盘刀具检测也是智能感知技术的重要方向 。TBM 在掘进过程中，滚刀刀圈会随着掘进不断磨损，还可能出现弦磨、卷刃等现象，据统计滚刀消耗能够占到 TBM 施工总成本的 30% 左右，更换滚刀所消耗的时间能占到施工总时长的 20% - 40% 。因此，及时识别刀具的工作状态和磨损情况对于减少掘进时间、降低施工成本至关重要 。基于对工况和现有 TBM 结构的考虑，选用无损间接测量的传感器成为现在 TBM 刀具磨损检测的主流方式，常选用灵敏度高、有效距离长的自感式电感传感器来测量刀具磨损情况 。自感式电感传感器利用线圈自感或互感的改变来实现测量功能，把被测量的变化转换成自感的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出 。传感器一般安装在刀盘的外侧，紧邻刀具位置，通过检测磁场变化来获取刀具的磨损状态 。刀具转速检测则一般选用高灵敏度的模拟量霍尔传感器，安装在耐磨无磁性传感器保护罩内部，正对刀毂上的永久性磁铁，传感器采集数据经数据传输模块传回上位机，经过软件分析后即可实现对刀具转速的实时监测 。刀盘震动监测通常使用振动传感器（加速度传感器）进行监测，传感器安装在刀盘、主梁、鞍架位置，通过对震动数据的分析，操作人员可以及时调整掘进参数，避免高冲击震动对刀盘、刀具的损坏 。

智能掘进技术则致力于将采集到的数据转化为操作参数，实现盾构掘进的决策优化 。通过开发盾构机智能掘进控制系统，集成岩土信息感知与评价、盾构掘进参数优化、智能纠偏、安全预警等多功能于一体，与现有盾构上位机控制系统相结合，为盾构掘进提供了更科学、高效的控制策略 。针对现有盾构人工经验依赖性较强的问题，利用机器学习或专家系统等方法，与不同地区盾构的大数据库相结合，让盾构机从历史掘进数据中 “自主学习” 有经验的盾构主司机操作规则，实现盾构智能控制 。常用的智能控制策略有破岩最小比能控制，以节能为目标，追求刀盘最小能量消耗换取最大破岩量；多目标综合优化及驾驶行为，从历史数据挖掘角度出发，分析主司机操作行为，通过机器学习建立智能控制决策模型；多模态控制（MC）智能控制，根据控制系统在不同时间和状态下的要求，采用自适应控制策略和模式，兼顾多种性能指标 。

在智能安装方面，关键工序自动执行机器人成为实现盾构自主掘进、管片自动吊运与安装及刀具自动更换等关键工序的重要手段 。其研究路径涉及机器人运动学与动力学、路径规划、视觉伺服、机器学习、专家系统、自适应控制、碰撞检测、同步定位与建图（SLAM）和拓扑结构优化等关键技术 。以管片自动拼装机器人为例，通过运用机器人运动学与动力学、路径规划、碰撞检测、SLAM、拓扑结构优化等技术，研究装 — 运 — 卸 — 移闭环搬运方法和实施路径，实现管片的安全定位与存放，形成管片自动拼装机构设计与分析方法 。

这些关键技术的创新，极大地提升了盾构机的施工效率和安全性。在施工效率方面，智能掘进技术能够根据地质条件和施工数据实时优化掘进参数，避免了因参数不合理导致的掘进停滞和效率低下，使盾构机的掘进速度和稳定性得到显著提高 。智能安装技术实现了管片的自动吊运与安装，减少了人工操作环节，大大缩短了安装时间，提高了施工进度 。在安全性方面，智能感知技术能够提前探测到前方地层的不良地质情况，为施工人员提供预警，使其能够提前采取措施，避免地质灾害的发生 。智能控制技术则通过实时监测和调整盾构机的运行状态，有效降低了设备故障和施工事故的风险 。

盾构机在重大工程中的应用案例

（一）崇太长江隧道

崇太长江隧道作为一项世界级的超级工程，其施工难度堪称 “地狱级别” 。“领航号” 盾构机在这场与自然的较量中，面临着诸多前所未有的挑战 。

超大直径带来的是巨大的施工难度。直径 15.4 米的刀盘，在掘进过程中要承受来自周围地层的巨大压力和摩擦力，对刀盘的强度和耐磨性提出了极高的要求 。为了解决这一难题，“领航号” 采用了高强度的合金材料制作刀盘，并配备了先进的刀具磨损监测系统，能够实时监测刀具的磨损情况，及时进行更换和维护，确保刀盘始终保持最佳的工作状态 。

超长距离掘进也是一大挑战。“领航号” 需要从上海市崇明区崇太长江隧道 3 号井始发，由北向南独头掘进 11325.5 米，这对盾构机的可靠性和耐久性提出了严峻考验 。为了确保盾构机能够顺利完成超长距离掘进任务，研发团队对盾构机的关键部件进行了优化设计，采用了先进的密封技术和润滑系统，有效降低了部件的磨损和故障率 。同时，还配备了完善的通风和排水系统，为盾构机的长时间稳定运行提供了保障 。

独头掘进意味着盾构机在掘进过程中无法借助外界的力量进行辅助，所有的施工操作都要依靠自身的设备和技术 。这就要求 “领航号” 具备高度的智能化和自动化水平 。“领航号” 搭载的智能感知、智能掘进、智能安装等技术，使其能够实现 “有人值守、无人操作” 的智能化施工 。智能感知系统能够实时获取前方地层的地质信息，为智能掘进系统提供决策依据；智能掘进系统根据地质信息和施工参数，自动调整掘进速度、推力等参数，确保掘进过程的安全和高效；智能安装系统则能够实现管片的自动吊运和安装，大大提高了施工效率和质量 。

“领航号” 盾构机的成功应用，对崇太长江隧道工程的顺利推进具有至关重要的意义 。它不仅提高了施工效率，缩短了施工周期，还确保了施工质量和安全 。崇太长江隧道建成后，将成为沪渝蓉高铁的关键通道，对于优化沿长江地区铁路网布局、服务长江经济带协同发展、推动长三角高质量一体化发展具有不可估量的战略价值 。

（二）香港元朗南场平项目

在香港元朗南场平项目中，“紫荆号” UTBM 盾构机的出现，为解决传统明挖法施工的难题提供了创新的解决方案 。

该项目建设区域内地质主要为砂质粉质黏土，周边地下水充沛，局部地段含淤泥较多，传统明挖法施工风险系数高，容易引发坍塌、涌水等事故 。而且施工围挡占地大，会对周边的交通和居民生活造成严重影响 。

“紫荆号” UTBM 盾构机创新性地将盾构与架管机进行融合，实现了综合管廊运输、开挖、支护、掘进、架设、侧缝填充一体化高效施工 。它采用一体化施工模式，大大提升了施工的机械化程度与安全性能 。与传统明挖法相比，“紫荆号” 具有施工速度快、施工范围小、盾构出渣少、噪声振动小等显著优势 。在施工过程中，“紫荆号” 能够在相对封闭的空间内进行作业，减少了对周边环境的影响，有效缓解了市政工程施工对香港土地资源的挤占，在保证施工顺利的同时，不影响香港市民出行 。

在技术革新上，“紫荆号” 在 “盾架” 一体化施工技术、抗滑移支撑技术、皮带机连续出渣同步回填技术、富水软弱基础换填技术等方面实现了重要突破 。这些技术创新，为香港基础设施建设提供了更加安全、高效、经济、环保的施工解决方案，也为香港未来城市基建提供了可复用的绿色施工范例 。

“紫荆号” UTBM 盾构机的应用，对香港城市发展尤其是北部都会区的建设具有重要的推动作用 。它为香港拓展城市空间、提升基础设施水平注入了强大动力，助力香港在城市发展的道路上迈出更加坚实的步伐 。

（三）深江高铁深莞隧道东段

深江高铁深莞隧道东段施工转入盾构掘进阶段，标志着深江高铁建设迈出了关键的一步 。3 - 1# 工作井作为全线控制性工程之一，其施工难点重重 。

3 - 1# 工作井全长 123.5 米，基坑最宽达 34.34 米，最大开挖深度 32.82 米，采用双层结构设计 。它不仅是中铁四局深江铁路 5 标联络线（12.4 米盾构）及本项目 8.8 米盾构左线的始发井，更是全线施工精度与安全性的核心环节 。工程采用 1 米至 1.2 米厚地下连续墙围护，是目前国内少有的超深、超大断面城市隧道工程 。

该工作井毗邻繁忙城市主干道，日均车流量超 10 万辆，周边高层建筑密集，有效作业空间不足常规工程的三分之一，场地受限问题严重 。基坑边缘距深圳航空冷却塔仅 1.5 米，紧邻航空基地及密集居民区，地下管线密布（含雨污水、燃气、电力等 5 类管线），迁改协调难度空前，安全风险极高 。而且还要穿越中风化砂岩层，单日最大石方破除量达 500 立方米，需在繁华城区实现机械破除土石方与振动、噪音控制，地质复杂性高 。

面对这些复杂的施工条件，盾构机在其中发挥了关键作用 。盾构机的使用，有效避免了明挖法施工对周边环境的影响，减少了施工对交通和居民生活的干扰 。同时，盾构机能够在相对稳定的地下环境中进行掘进，保证了施工的精度和安全性 。它的高效掘进能力，也为深江高铁的如期建成通车奠定了坚实基础 。

深江高铁作为国家 “八纵八横” 高速铁路网沿海通道的重要组成部分，建成后将实现深圳前海与江门新会 40 分钟通达，较现有普速铁路压缩 75% 出行时间 。它将进一步强化珠三角核心区与粤西地区的经济联动，推动珠三角区域经济一体化协同发展，助力打造 “轨道上的大湾区”，为粤港澳大湾区实现 “1 小时生活圈” 提供强力支撑 。而深莞隧道东段的盾构掘进工作，无疑是这一伟大工程中的重要一环 。

盾构机发展的影响与展望

（一）对基础设施建设的推动

盾构机的广泛应用，犹如为全球基础设施建设注入了一剂强大的 “催化剂”，极大地推动了其发展的步伐 。

在铁路建设领域，盾构机使得穿越复杂地形和地质条件的隧道建设变得更加高效和安全 。它能够在不影响地面交通和环境的情况下，快速挖掘出高质量的隧道，为铁路线路的畅通提供了坚实保障 。像崇太长江隧道这样的超级工程，“领航号” 盾构机的成功掘进，让沪渝蓉高铁的建设得以顺利推进，未来将进一步完善我国的铁路网布局，加强地区之间的经济联系和交流 。

在城市轨道交通方面，盾构机更是发挥着不可替代的作用 。随着城市化进程的加速，城市人口不断增长，交通拥堵问题日益严重 。地铁作为一种高效、便捷的城市轨道交通方式，越来越受到人们的青睐 。而盾构机能够在城市地下快速、精准地挖掘隧道，为地铁线路的建设提供了关键技术支持 。它不仅大大缩短了地铁建设的周期，还减少了对城市居民生活和交通的影响，提高了城市的运行效率和生活质量 。

在水利工程中，盾构机也展现出了强大的实力 。例如，在输水隧道的建设中，盾构机能够穿越各种复杂的地层，保证输水线路的安全和稳定 。它还可以用于海底隧道、跨海大桥等大型水利工程的建设，为水资源的合理调配和利用提供了有力保障 。

盾构机的使用，在缩短工程周期方面效果显著 。传统的隧道施工方法，如矿山法等，施工速度较慢，且容易受到地质条件和天气等因素的影响 。而盾构机采用机械化施工，能够实现连续掘进，大大提高了施工效率 。以崇太长江隧道为例，“领航号” 盾构机平均月进度达到 600 米，创造了单月掘进 718 米的纪录，相比传统施工方法，大大缩短了隧道的建设周期 。

在提高工程质量方面，盾构机也有着突出的表现 。它通过精确的控制和自动化的施工流程，能够保证隧道的尺寸精度和施工质量 。盾构机在掘进过程中，能够实时监测和调整施工参数，确保隧道的轴线偏差控制在极小的范围内 。同时，盾构机采用的管片拼装技术，能够使隧道衬砌更加牢固，提高了隧道的防水、防火和抗震性能 。

（二）未来发展趋势预测

盾构机在智能化、环保化、适应复杂地质条件等方面将展现出更加令人瞩目的发展方向 。

在智能化方面，盾构机将继续朝着更加智能、自主的方向发展 。未来的盾构机可能会配备更加先进的人工智能系统，能够根据地质条件和施工数据实时调整掘进参数，实现完全自动化的施工 。智能感知技术将更加精准，能够提前探测到前方地层的细微变化，为施工提供更加准确的预警 。智能安装技术也将进一步升级，实现管片的快速、精准安装，提高施工效率和质量 。智能化的盾构机还将实现远程监控和操作，施工人员可以在远离施工现场的地方对盾构机进行实时监控和控制，提高了施工的安全性和便利性 。

环保化也是盾构机未来发展的重要方向 。随着人们环保意识的不断提高，对盾构机在施工过程中的环保要求也越来越高 。未来的盾构机可能会采用更加环保的动力系统，如电力驱动或混合动力驱动，减少对环境的污染 。在施工过程中，盾构机将更加注重节能减排，采用先进的节能技术和设备，降低能源消耗 。同时，盾构机还将加强对施工废弃物的处理和回收利用，实现资源的循环利用 。

为了适应更加复杂的地质条件，未来的盾构机将不断创新和改进 。研发人员将针对不同的地质条件，开发出更加专业化、个性化的盾构机 。例如，针对坚硬岩石地层，开发出具有更强破岩能力的盾构机；针对软土地层，开发出更加稳定、可靠的盾构机 。盾构机还将不断提高自身的适应性和灵活性，能够在不同的地质条件下快速切换施工模式，确保施工的顺利进行 。

这些发展趋势将对未来的基础设施建设产生深远的影响 。智能化的盾构机将进一步提高施工效率和质量，降低施工成本，为基础设施建设提供更加高效、可靠的技术支持 。环保化的盾构机将减少对环境的影响，实现基础设施建设与环境保护的协调发展 。适应复杂地质条件的盾构机将拓展基础设施建设的范围，使更多原本难以实现的工程成为可能 。

盾构机作为现代工程建设的重要装备，其发展历程见证了人类工程技术的不断进步 。从最初的简单盾构机到如今的智能化、多功能盾构机，每一次技术的突破都为基础设施建设带来了新的机遇和挑战 。相信在未来，随着技术的不断创新和发展，中国的盾构机将在全球基础设施建设中发挥更加重要的作用，为人类创造更加美好的生活 。