盾构机的基本工作原理就是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。

　　盾构机问世至今已有近180年的历史。其始于英国，发展于日本、德国。那么，盾构机是怎样被发明的呢？关于盾构机还有哪些鲜为人知的故事呢？

　　可恶的船蛆，却为盾构机的发明带来了灵感

　　让我们把目光投向遥远的18世纪，那时英国人计划在伦敦地下修建一个横贯泰晤士河的隧道，然而，在当时的施工技术条件下，修建如此规模的河底隧道简直比登天还难。工程开始不久，就因为施工问题而停工。法国工程师布鲁诺尔是一个有心人，一直惦记着泰晤士河隧道工程问题。
　　一个偶然的机会，布鲁诺尔发现了一种船蛆的钻洞行为很有意思，那么，什么是船蛆呢？原来，船蛆为一种软体动物，因其穴居木制船蛆而危害船舶，因此被称为船蛆，又被称为凿船贝。

布鲁诺尔设计制造的盾构机

　　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推进，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。其构架分成了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，挖空的地方被铺上了砖块。

　　布鲁诺尔的盾构施工法一开始进行得并不顺利，在施工过程中出现了多次波折。1835年，布鲁诺尔经过改良的盾构施工法重新投入使用，经过数年的精心施工，终于建成泰晤士河水底隧道。

布鲁诺尔发明的盾构机首次应用于隧道施工

　　布鲁诺尔发明的盾构机是人类历史上隧道施工的一大技术突破，其技术原理为现代盾构机设计奠定了基础。那么，盾构机又经过哪些进化过程才演变成今天的钢铁巨兽呢？

　　盾构机的成长史：从手掘到智能

　　布鲁诺尔发明的盾构机是手掘式盾构机，为盾构机的初级形态。尽管该发明的意义非凡，但仍没有摆脱手掘的束缚。我们通常把布鲁诺尔发明的盾构机称为第一代盾构机。

　　机械化盾构机的研发是盾构机演化史上的一个重要的里程碑。第一个机械化盾构机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。

世界上第一台机械化盾构机

　　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。

现代盾构机

　　第四代盾构机以大直径、大推力、大扭矩以及高智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。

　　揭开盾构机内部的秘密

　　盾构机为什么能在地层内部打洞呢？这和它的内部构造密不可分。盾构机内部一般可分为盾构壳体、推动系统、拼装系统、出土系统等四个部分。

　　其中壳体部分是指盾构机外部的圆柱状壳体，作为支护可以防止地层的坍塌。盾构机的前部主机有点像一个巨大的电动刮须刀，只不过它刮的是泥土而不是胡子。为了让原本坚硬密实的土壤变得蓬松些，可以在切削土体中向土体喷一些专门制作的泡沫剂。

　　盾构机的刀盘上安装有先行刀、重型刮刀和边缘产刀等各种类型的刀具多达几百把，盾构机在工作的时候，是利用其回旋刀具进行开挖的。当刀具磨损到一定程度的时候，工作人员可以进行更换。

　　刀盘的旋转由电动马达驱动，功率在几千千瓦到一万千瓦不等，需要专线进行供电。盾构机的推动系统由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构机千斤顶需要克服盾构机重以及周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力。

　　盾构机前端的刀盘每转一周，就会切削下来不少泥土。这样一来，盾构机就能整体前进一段距离，并把挖出的渣土“吐”出去。盾构机的内部装备有专门的出土系统。在盾构机的刀盘后方有一个收集渣土的土仓，用来盛装盾构机切削下来的泥土。在土仓的后面装有螺旋输送机和传输皮带，可以不断地把土仓中的泥土运送到盾构机后部的拖车中去。

　　当刀盘向前推进一段距离后，管片在盾构机壳内进行拼装，拼装时管片由输送机供给，由工人操作拼装机拼出一环厚厚的钢筋混凝土盾壳（管片），从而支撑起掘的隧洞不发生坍塌。千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上，每拼装一环管片，就向前推进一个衬砌环间宽度。

盾构机在液压千斤顶的推动下前行，旋转的刀盘挖掘地层，并通过螺旋输送机运出，每前进一段距离，便拼装一环新的管片，这一工作流程是持续循环进行的，掘进、拼环、再掘进、再拼环，隧道在不断的循环中向前延伸。

　　盾构机工作过程示意图

　　在漆黑的地下工作，盾构机如何确保前进的方向呢？原来，现代盾构机都装有高精度的测量和导航系统，因此能够动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，从而确保盾构机沿着正确的方向前进。

　　现代大型盾构机技术附加值高，制造工艺复杂，以前国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。2015年11月14日由中国铁建重工集团和中铁十六局集团合作研发的，中国国产首台铁路大直径盾构机在长沙下线，拥有完全自主知识产权，打破了国外近一个世纪的技术垄断，加速了中国快速城市化大铁路网建设的步伐。

　　随着国家基础建设的深入，对高端施工装备提出了更为多样化的需求，盾构产品向小微化、巨型化和异形化发展。我国先后研发出了最大直径泥水平衡盾构机、最大断面矩形盾构机、“马蹄形”刀盘盾构机等多种产品，并出口到新加坡、黎巴嫩等国，其良好的适应性和优质高效的掘进表现受到肯定。（摘自《长江日报》）