中國盾構，走向世界的“名片”

蘇更林

從“鑿船貝”到“鋼鐵蚯蚓”

追溯盾構機的身世，那還得從18世紀末泰晤士河隧道工程的建設說起。

如今，泰晤士河隧道作為倫敦地鐵系統(tǒng)的一部分，看上去也算不上什么亮眼的工程。然而，它在隧道工程史上的地位可不容小覷，因為這是人類歷史上第一條采用盾構技術挖掘的隧道，是一個具有里程碑意義的科技事件。

在200多年以前，挖掘土石工程還處于“鍬挖肩挑、打釬放炮”的時代。想要在倫敦地下修建跨河隧道簡直比登天還難！1798年，工程剛開工就被迫中斷了，原因就是遇到許多難以克服的困難。

法國工程師布魯內爾對泰晤士河隧道工程十分上心，然而在這些困難面前也不得不退卻下來?？磥恚こ痰耐黄齐x不開裝備的創(chuàng)新。一個偶然的機會，布魯內爾發(fā)現(xiàn)一種叫作“鑿船貝”的船蛆的鉆洞行為非常有趣。這是一種在木制船舶上穴居并危害船舶的軟體動物，對木制船舶有極大的破壞性。布魯內爾納悶，在嚴酷的海水環(huán)境中，“鑿船貝”能夠生活得有滋有味，它是如何打洞的呢？

以木材為食的“鑿船貝”，用一個閥門狀的器官進食，身上還有兩個虹吸管可進行吸水和排水。它還能從體內分泌一種液體，涂在孔壁上會形成一個保護殼，可以抵抗木板吸濕后發(fā)生的膨脹。

“鑿船貝”出于適應環(huán)境的進化，啟發(fā)了布魯內爾，他據(jù)此提出了一個基于“盾構掘進”的隧道施工方案。其實，這就是開放型手掘盾構的概念原型。

1818年，布魯內爾完善了盾構結構的機械系統(tǒng)，設計采用了全斷面螺旋式開挖的封閉式盾殼。一個巨大的鐵殼可以用螺旋千斤頂向前推進，這個鐵殼可以支撐土（巖）體防止發(fā)生塌方……鑒于布魯內爾在盾構機領域的發(fā)明，他被任命為泰晤士河隧道工程的工程師。

1823年，布魯內爾擬定了倫敦泰晤士河兩岸的另一條道路隧道的計劃，并制成了世界上第一臺盾構機。布魯內爾發(fā)明的盾構機，簡直就像一個“鋼鐵蚯蚓”，挖土打洞效率高多了。

據(jù)悉，該盾構機可分成36個單元，每個單元內有一名礦工把他面前的黏土挖開。當許多名礦工挖去同一數(shù)量的黏土時，構架就可以向前移動了，挖空的地方需要及時鋪上磚塊。

1843年，泰晤士河水底隧道歷經(jīng)曲折終于建成了。泰晤士河隧道長約396米，高約23米，這是一個舉世矚目的公共景點，每天都有成千上萬的人流從這里穿過。為表彰布魯內爾對泰晤士河隧道做出的偉大貢獻，英國維多利亞女王授予其爵士頭銜。

20年逆襲，中國的“鑄盾之路”

中國盾構機的研發(fā)起步于1953年，遼寧阜新煤礦首次采用手掘式盾構機修建疏水巷道。

與英國相比，我們的起步晚了100余年。如何彌合這百余年的差距，是中國“鑄盾之路”不能回避的一個問題。

被譽為“工程機械之王”的盾構機，可廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電以及軍事防護工程等隧道工程。我們搞隧道工程離不開盾構機，然而因為不具備研發(fā)、制造能力，只得依賴進口。

20年前，我國重大工程施工所需的盾構機一直依賴進口。依賴進口就意味著要受制于人。在國外壟斷面前，我們沒有議價權，也得不到好的技術服務。在2006年之前，我國進口了130多臺盾構機，大約花費資金上百億元。

沒有核心技術就得受制于人，這是國人發(fā)奮逆襲的驅動力。2002年，國產(chǎn)盾構機研制被列入國家高技術研究發(fā)展“863計劃”，從而開啟了我國非凡的“鑄盾之旅”。

2004年，我國首臺國產(chǎn)地鐵盾構掘進機“先行號”成功下線。這是中國為實現(xiàn)從0到1的跨越而邁出的堅實一步。

2008年4月25日，我國第一臺具有自主知識產(chǎn)權的復合式盾構機在河南新鄉(xiāng)下線，并成功應用于天津地鐵建設，從此拉開了中國盾構機產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的序幕。

超大直徑泥水平衡盾構機的核心技術，一直被少數(shù)幾個發(fā)達國家壟斷。我國科學家通過技術攻關突破了多項核心技術，填補了我國超大直徑泥水平衡盾構機研制的空白。

2017年10月26日，直徑達15.03米的泥水平衡盾構機在中鐵工程裝備盾構總裝車間正式下線，標志著中國盾構機研發(fā)正在全面搶占世界掘進機技術的制高點。

2018年3月13日，由我國自主研發(fā)的超大直徑盾構機成功下線，并出口孟加拉國用于卡納普里河底隧道工程建設。這臺直徑12.12米的超大直徑盾構機的出口，終結了歐美國家對海外市場的壟斷。中國盾構機僅用了不到20年的時間就完成了從跟跑到領跑的“蛻變”！

“鋼鐵長龍”如何穿地打洞

從電視畫面上看上去，盾構機細長的身軀就像一條“鋼鐵長龍”。不過，盾構機身軀的“細”是相對于“長”而言的，并不是真正的“細”。

比如，服務于武漢軌道交通12號線越江隧道的“江城卓越號”盾構機，刀盤直徑12.55米算“細”嗎？只不過與121米長的身軀相比又顯得“細”了。那么，盾構機是如何穿地打洞的呢？

堅牙利齒，所向披靡

盾構機作為一種開挖地下隧道的復雜機械系統(tǒng)，其首要任務是開挖切削土體。在工程實踐中，往往會遇到各種不同的地質構造，如砂層、軟巖或硬巖等，因此，沒有“堅牙利齒”很難勝任工作。

盾構機的刀盤就是它的“堅牙利齒”。奇怪的是，盾構機的“堅牙利齒”長在頭頂上，并且可以不停地旋轉。正是這種回旋的刀具使其成為了盾構機的“開路先鋒”。乍一看，盾構機的頭部像一個巨大的“電動刮須刀”，只不過它刮的不是胡子而是泥土。這個超級“電動刮須刀”每轉動一圈就會有不少泥土被切削下來，因此盾構機就會向前推進一段距離。

有了“堅牙利齒”還不夠，配套措施也需要跟得上。比如，為了應對復雜的地質構造，除了高規(guī)格配置“堅牙利齒”外，還需要在切削前噴撒專門的泡沫制劑以及加漿系統(tǒng)，這有點像我們口腔中的“唾液”，有助于刀盤掘進作業(yè)。

在濟南地鐵2號線施工中，寶長區(qū)間近半是極硬巖，并且夾雜著大量孤石，地質條件極為復雜。要啃下這個“硬骨頭”，就需要使用不同尋常的刀盤了。據(jù)悉，“高配”刀盤重量高達八九十噸，比普通刀盤要重10噸左右。即便如此，盾構掘進也是非常困難的。盾構機每轉一圈只能磨下指甲蓋大小的石塊，平均每掘進1米就要消耗1.5把刀具。

專線供電，液壓推進

對于盾構機這樣一個大塊頭機械裝備，一舉一動都離不開能源的支撐?，F(xiàn)代盾構機的動力一般來源于電力，但要把電力轉化為盾構機前行的動力需依靠推進系統(tǒng)來完成。這里所說的“推進系統(tǒng)”是由盾構千斤頂和液壓裝備組成的。它們承擔了整個盾構機前行動力的傳遞，使得盾構機能夠按照設定的路線進行工作。盾構機之所以采用液壓系統(tǒng)來完成動力的傳遞，是因為盾構機具有大功率、變負載以及動力遠距離傳遞和控制等方面的特點。

盾構機的功率一般在幾千千瓦到1萬多千瓦不等，需要專線進行供電才能滿足工作要求。一般來說，盾構機基本上是不間斷作業(yè)的，在推進系統(tǒng)的推動下只能前進不能后退。如果中途停電，不但會影響施工進度，而且會帶來安全隱患。

掘進排土，有條不紊

盾構機掘進打洞是需要排土的，不然怎么能造隧道呢？那么，這些土都到哪兒去了？

原來，在盾構機的頭部配置有一個泥漿儲罐（土倉），主要是用于儲存掘進過程中產(chǎn)生的泥漿。不過，這只是一個臨時的儲罐，當液位達到一定高度時就得把泥漿排出去，否則會影響盾構機的掘進進程。

為此，在盾構機內部裝備有專門的渣土皮帶輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)與泥漿儲罐相連，主要由輸送帶、洞內水平皮帶機、垂直夾帶機、轉載機、滾筒拉緊等裝置組成，可以不斷地把泥漿儲罐中的泥土直接傳輸?shù)降孛嬖脸?，全程采用自動化控制?/p>

封固隧道，一次成型

盾構機的緩慢掘進，排出的是渣土，留下的是隧道。不過，其身后的隧道會不會隨著盾構機的離去而發(fā)生坍塌呢？如果不采取加固措施的話，發(fā)生坍塌似乎是不可避免的。

現(xiàn)代盾構機自帶雙護盾，集開挖、支護、出渣于一體，并能實現(xiàn)隧道的一次成型。原來，盾構機擁有一個拼裝系統(tǒng)，是專門用來封固隧道的。

由工人操作拼裝機為挖掘好的隧道壁安裝管片來加固隧道，由一片接一片的管片緊貼隧道壁整齊排列，從而支撐起掘出的隧道，使其不發(fā)生坍塌。這里所說的管片，實際上是一種月牙形的巨型鋼筋混凝土盾殼。

據(jù)悉，管片之間都是由高強度螺栓連接的，因此可以使隧道—次成型。填空注漿也是封固隧道必備的工序，主要是用摻有速凝劑的水泥砂漿來填充管環(huán)與周圍的空隙，以保證隧道的受力均勻和位置穩(wěn)定。

千斤頂支撐在已拼裝好的環(huán)形隧道襯砌上，每拼裝一環(huán)管片就向前推進一個襯砌環(huán)間寬度。這樣沿著盾構機前行的軌跡，相繼進行環(huán)形隧道管片的安裝加固，最終一個完好的隧道就誕生了。

智能控制，精益求精

有人會問，盾構機在地下幾十米進行隧道施工，靠什么來辨別方向？這是一個很好的問題。

隨著激光、計算機以及自動控制等技術的成熟，盾構機激光導航系統(tǒng)應運而生。有了激光導航系統(tǒng)，就等于為盾構機裝上了“火眼金睛”。有了這個“火眼金睛”，盾構機不僅不會“迷路”，而且控制精度也達到了毫米級。

激光導航系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的呢？原來，在工作井后面的墻壁上安裝有激光束發(fā)射裝置，而安裝在機頭內的“激光眼”則為激光接收標靶（黑色盒子）。在控制室的顯示屏上，能夠動態(tài)顯示當前位置相對于隧道設計軸線的位置偏差，從而確保盾構機沿著正確的方向掘進。

那么，盾構機在地下能拐彎嗎？盾構機的掘進是按照既定的設計路線來施工的，因此該拐彎的地方還是要拐彎。高精度的測量和導航系統(tǒng)可以為盾構掘進提供準確的狀態(tài)監(jiān)測和導向信息，以此確保盾構機沿著設計軸線進行掘進。

盾構機是沒有方向盤的，一旦需要拐彎，可以按照預先計算好的盾構機中軸線與激光之間偏離的角度，通過精密控制千斤頂?shù)纳扉L和收縮來調整盾構機的方向。由于盾構機體形長、重量大，轉彎時需要多次調控，因此每次轉彎都需要很長時間才能完成。

盾構傳奇，說不盡的中國故事

有著“機械制造皇冠上的明珠”之稱的盾構機，一向是建造地鐵、鐵路、公路、隧道等的神器。就世界而言，未來城市管廊建設與日俱增，因此盾構機具有巨大的市場需求空間。

隧道越江，油氣“咽喉”

今年有望貫通的“萬里長江第一長隧”，是中俄東線天然氣管道工程南段工程的“咽喉”，是目前世界油氣領域單向盾構掘進距離最長的油氣管道穿江盾構工程。

據(jù)悉，中俄東線天然氣管道是中國口徑最大（1422毫米）、壓力最高（12兆帕）的長距離天然氣輸送管道，是中國油氣四大戰(zhàn)略通道之一。該通道在中國境內北起黑龍江黑河，南至上海白鶴，全長5111千米，途經(jīng)黑龍江、吉林、內蒙古、遼寧、河北、天津、山東、江蘇、上海9個省（市、區(qū)）。

中俄東線天然氣管道工程分北、中、南三段建設，開建于2015年6月，如今北段和中段已經(jīng)供氣?，F(xiàn)在，南段的隧道越江工程也是捷報頻傳。據(jù)悉，“暢通號”盾構機是為此次隧道越江工程“量身定制”的專用工程機械。該盾構機長146米，直徑7.95米，重達1252噸。

此次穿江之旅，從北岸始發(fā)井到南岸接收井全程10226米，其中江底掘進7500米。獨頭掘進10226米本身就是一個傳奇，而隧道越江7500米則摘取了“萬里長江第一長隧”的桂冠。