掘進(jìn)，一路向前

一條蟲給予的靈感

19世紀(jì)初，工程師布魯諾爾想在泰晤士河下建一條隧道。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，他發(fā)現(xiàn)了船蠕蟲，又叫船蛆。這是一種蛤類，頭上有鋸齒狀利齒的殼，能夠輕易啃開木頭得以鉆進(jìn)去。為避免木頭受潮后膨脹擠壓其生活空間，甚至壓扁那柔軟的身軀，它分泌了一種黏稠物質(zhì)，硬化后形成一個(gè)“圓柱體”屏障，可防止挖出的生存通道坍塌。柔軟的船蛆就像蝸牛背上了保護(hù)殼一樣。布魯諾爾受其啟發(fā)，提出盾構(gòu)掘進(jìn)隧道原理，設(shè)計(jì)出手掘式盾構(gòu)機(jī)的雛形。

盾構(gòu)機(jī)是密封式的金屬圓柱體，全名為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，是一種用于隧道施工的機(jī)械設(shè)備，它內(nèi)含刀盤系統(tǒng)、拼裝機(jī)、輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)等數(shù)個(gè)獨(dú)立單元，流水線作業(yè)，被冠為“工程機(jī)械之王”，江湖上又稱它為“地下航母”。

目前，盾構(gòu)機(jī)有三種型號(hào)。刀盤直徑小于8米的盾構(gòu)機(jī)稱為“小型盾構(gòu)機(jī)”；刀盤直徑大于等于8米而小于14米的盾構(gòu)機(jī)稱為“大直徑盾構(gòu)機(jī)”；刀盤直徑大于等于14米的盾構(gòu)機(jī)稱為“超大直徑盾構(gòu)機(jī)”。

中國(guó)“破壁者”的逆襲

從19世紀(jì)初世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)問世，到20世紀(jì)90年代，近兩百年間，中國(guó)連小型盾構(gòu)機(jī)都無法制造。當(dāng)時(shí)基建工程建設(shè)所需的大直徑、超大直徑盾構(gòu)機(jī)幾乎完全依賴國(guó)外進(jìn)口。

沒有機(jī)器，沒有技術(shù)，沒有專門人才，中國(guó)只能花天價(jià)“求”著出口國(guó)供應(yīng)盾構(gòu)機(jī)。那些購(gòu)置回來的盾構(gòu)機(jī)老是出問題，工程項(xiàng)目也因此常常被耽擱。每次盾構(gòu)機(jī)壞了只能請(qǐng)外國(guó)維修人員來修，且在外國(guó)維修人員維修期間嚴(yán)禁中國(guó)人靠近檢修地點(diǎn)，更不能了解維修過程。同時(shí)還須支付高額的維修費(fèi)用。

沒有自己的核心技術(shù)，盾構(gòu)機(jī)技術(shù)在那個(gè)時(shí)候卡住了我們的脖子。曾用算盤“撥”出原子彈、核潛艇等國(guó)之重器，突破西方科技封鎖的倔強(qiáng)“愚公”們?cè)趺纯赡軙?huì)屈服？他們默默許下一個(gè)愿望：再苦、再難都要把這項(xiàng)“卡脖子”的盾構(gòu)機(jī)核心技術(shù)啃下來。

2002年，中國(guó)將盾構(gòu)機(jī)研究列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃，即“863”專項(xiàng)計(jì)劃，這條自主研發(fā)之路一走就是十多年，從無到有，從進(jìn)口到出口，從基礎(chǔ)版到“世界首創(chuàng)”。

2008年，第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)“中鐵一號(hào)”成功應(yīng)用。自此，我們一寸又一寸地掙斷人為加之于身的技術(shù)枷鎖。

2011年，中國(guó)首臺(tái)超大直徑泥水氣壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)“天和號(hào)”及“天和一號(hào)”成功研發(fā)。大型和超大型盾構(gòu)機(jī)完全依賴國(guó)外進(jìn)口的窘境被撕開一個(gè)大口子，完全自主研發(fā)的曙光即將到來。

2013年，中國(guó)研制出世界最大的矩形盾構(gòu)機(jī)，國(guó)產(chǎn)異形盾構(gòu)機(jī)開始走向海外。

2015年，首臺(tái)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)鐵路大直徑盾構(gòu)機(jī)問世。短短三年后，中國(guó)完全自主研發(fā)的超大直徑盾構(gòu)機(jī)成功下線，出口海外，廣受歡迎。全球首創(chuàng)馬蹄形斷面盾構(gòu)機(jī)也研制成功，自主創(chuàng)新不再是口號(hào)。

2022年，首臺(tái)會(huì)“爬陡坡”的硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)“永寧號(hào)”面世，是對(duì)2015年研制出的硬巖掘進(jìn)機(jī)的更新?lián)Q代，性能更優(yōu)秀，應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

物美價(jià)廉、能轉(zhuǎn)彎、能爬坡、人工智能化的“創(chuàng)新”盾構(gòu)機(jī)一一問世，且占據(jù)全球市場(chǎng)70%的份額。國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造和技術(shù)也已步入世界先進(jìn)領(lǐng)域，個(gè)別機(jī)型還是獨(dú)占鰲頭般的存在。

這一路走來，中國(guó)的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)從無到有，從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，完成了從技術(shù)輸入國(guó)到技術(shù)輸出國(guó)的轉(zhuǎn)變，是中國(guó)科技實(shí)力崛起的最好證明。

巨無霸工作的名場(chǎng)面

盾構(gòu)機(jī)是一種動(dòng)輒數(shù)百米長(zhǎng)、幾層樓高、上千噸重的巨無霸設(shè)備，這么大的設(shè)備是如何挖掘隧道的呢？我們一起來了解一下它的工作過程吧。

隧道工程開始前，工程師先勘測(cè)好地質(zhì)情況，規(guī)劃好線路，并在起挖點(diǎn)建好基坑。為防止基坑坍塌，需要用灌注樁支護(hù)，即“打樁”。打樁就是在基坑面上鉆出深孔，然后將混凝土灌進(jìn)去。待混凝土自然凝固后，就變成了盾構(gòu)機(jī)鉆入地底世界的始挖井和地面“遮風(fēng)擋雨”的落腳點(diǎn)。在工程師的指揮下，盾構(gòu)機(jī)心無旁騖地向前沖，它能挖出一條條寬敞又堅(jiān)固的通道。

為了方便運(yùn)輸，工人會(huì)將十幾米高、幾百噸重的巨無霸盾構(gòu)機(jī)的圓形刀盤和外殼及其他構(gòu)件拆開，小零件坐大卡車出發(fā)，盾體外殼鋼板、刀盤等大零件坐郵輪。盾構(gòu)機(jī)零部件通過起重機(jī)抓取，穿過工作井，到達(dá)地下施工現(xiàn)場(chǎng)后，再分塊組裝拼接起來，形成數(shù)個(gè)獨(dú)立的工作單元。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)張開“血盆大口”，馬力十足地開始工作時(shí)，圓柱體外殼用以作隧道挖掘時(shí)的強(qiáng)有力的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，有力抵擋地下水壓和周圍土層的壓力。刀盤口上鑲嵌著高速旋轉(zhuǎn)的滾輪，往前轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)的過程中能夠“咬”斷硬巖石，“嚼”成碎石塊。刀盤邊緣有一圈像牙齒一樣的鋒利刀頭幫助切削大石頭，讓鉆頭工作得更輕松些。整個(gè)頭部機(jī)身背后的液壓千斤頂還能給予鉆頭千萬噸的反推力，推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，直至隧道到達(dá)預(yù)期深度。

刀盤上的鋼牙有很多種，就像門牙切割食物，犬齒撕裂，磨牙研磨，分門別類地發(fā)揮著不同的作用。盾構(gòu)機(jī)常配備的有先行刀、仿形刀、切削刀、滾刃和撕裂刀等。此外，盾構(gòu)機(jī)還時(shí)不時(shí)往巖石層里吐上幾口“泡沫劑”，幫助疏松巖層，使得刀盤上的上百顆“牙齒”損耗小一些。畢竟換一顆“牙齒”可太難了，費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。

隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，盾構(gòu)機(jī)將大部分掉落縫隙的巖土吞進(jìn)大大的肚子里，通過懸掛在隧道拱頂上的勻速移動(dòng)的“流水線”傳送帶傳輸，最后運(yùn)送到渣土倉。小部分則被盾構(gòu)機(jī)團(tuán)起擠壓到隧道內(nèi)壁。掘進(jìn)階段的全過程中，為了凝實(shí)隧道面環(huán)段和巖石之間的縫隙，固定巖土層，平衡兩側(cè)壓力，盾構(gòu)機(jī)會(huì)吐出快速固化砂漿和膨潤(rùn)土填充。

盾構(gòu)機(jī)每前進(jìn)1.5米就會(huì)自動(dòng)拼裝預(yù)制的混凝土管片，這些管片直接組成了隧道內(nèi)壁，管片與管片間的拼接處還必須噴上灰漿填充，這樣可以保證隧道后期的水密性。整個(gè)管片拼接過程非常先進(jìn)，由盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)完成?？梢哉f有了盾構(gòu)機(jī)這種機(jī)械怪獸，一臺(tái)大型機(jī)械從隧道穿過去，一條隧道就成型了。

作為國(guó)之重器，盾構(gòu)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)為一體，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、液壓等多門學(xué)科技術(shù)，有兩萬多個(gè)零部件，是衡量一個(gè)國(guó)家地下施工裝備制造水平的重要標(biāo)志。從本世紀(jì)初，我國(guó)開始盾構(gòu)機(jī)的自主研發(fā)，制造出擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品?，F(xiàn)在中國(guó)盾構(gòu)機(jī)家族系列越來越豐富，不僅有圓形盾構(gòu)機(jī)，還有馬蹄形盾構(gòu)機(jī)、U形盾構(gòu)機(jī)、上下組合式矩形盾構(gòu)機(jī)、左右組合式矩形盾構(gòu)機(jī)，直徑從1米以下到15米，尺寸齊全。如今，中國(guó)的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，中國(guó)已成為全球盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的領(lǐng)先者，從曾經(jīng)受制于歐美國(guó)家，到如今成功逆襲。

這逆襲再次展現(xiàn)了愚公移山的精神，征服了世界。

榮光|盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用與未來設(shè)想

盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用

盾構(gòu)機(jī)主要應(yīng)用于城市地鐵、管網(wǎng)、鐵路等工程建設(shè)，也應(yīng)用于水務(wù)、礦山、電站的建設(shè)。陸地豎井掘進(jìn)，港珠澳大橋等海底隧道的挖掘都需要盾構(gòu)機(jī)。“龍?jiān)刺?hào)”礦用硬巖盾構(gòu)機(jī)大幅提升礦山掘進(jìn)效率?！白限碧?hào)”硬巖盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)超小轉(zhuǎn)彎在抽蓄工程中的應(yīng)用，完成了衢江抽水蓄能電站排水洞及排水廊道掘進(jìn)任務(wù)。

盾構(gòu)機(jī)未來發(fā)展的設(shè)想

無人化、智能化應(yīng)用。隨著全智能化管片拼裝系統(tǒng)、智慧化遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)等一一突破，相信不久的將來必會(huì)徹底實(shí)現(xiàn)無人值守，智能自主掘進(jìn)、自主拼裝，將人從危險(xiǎn)施工場(chǎng)所和控制設(shè)備中解放出來。

機(jī)型多樣化和整體小型化。為了滿足不同地層和斷面的需求，目前整體結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)機(jī)將會(huì)參考臺(tái)式電腦、手提電腦、掌上計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向，使其巨型結(jié)構(gòu)部分化、輕量化，降低生產(chǎn)成本和損耗成本，方便運(yùn)輸和組裝等。