盾構(gòu)機(jī)檔案

說(shuō)到盾構(gòu)機(jī)，不少人都比較陌生。它究竟是一種什么樣的機(jī)械設(shè)備？又是如何助力完成隧道工程的呢？

盾構(gòu)機(jī)的誕生

盾構(gòu)機(jī)的誕生要從200多年前說(shuō)起。18世紀(jì)末，英國(guó)計(jì)劃在倫敦地下修建一條橫貫泰晤士河的隧道。在當(dāng)時(shí)，想完成這樣的大工程可以說(shuō)是天方夜譚。果不其然，工程開(kāi)工不久就因?yàn)榉N種困難被迫中斷。工程中斷后，依然有人在想辦法解決建設(shè)難題，如法國(guó)工程師布魯諾爾。一次偶然的機(jī)會(huì)，布魯諾爾發(fā)現(xiàn)了一種名叫船蛆的軟體動(dòng)物，它們可以利用頭部在木板中掘進(jìn)，并分泌一種液體涂在孔壁上形成保護(hù)殼，以防止木板受潮后膨脹。船蛆的行為給了布魯諾爾靈感——發(fā)明一種可以掘進(jìn)的設(shè)備修建隧道。在這個(gè)想法的驅(qū)動(dòng)下，布魯諾爾于19世紀(jì)20年代發(fā)明了世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。隨后，根據(jù)使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，布魯諾爾對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，并最終建成了泰晤士河隧道。

盾構(gòu)機(jī)家族發(fā)展史

布魯諾爾發(fā)明的盾構(gòu)機(jī)是一種木質(zhì)的、內(nèi)部裝有金屬支撐的手掘式盾構(gòu)機(jī)，整個(gè)設(shè)備被分成36個(gè)小單元，每個(gè)單元可容納1名礦工開(kāi)展挖掘作業(yè)。當(dāng)?shù)V工挖出一定數(shù)量的渣土后，設(shè)備就會(huì)向前移動(dòng)一些，挖出的隧道則會(huì)用磚塊加固。手掘式盾構(gòu)機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著盾構(gòu)機(jī)家族正式登上了歷史舞臺(tái)。在此后的200多年里，盾構(gòu)機(jī)家族在一次次實(shí)戰(zhàn)中逐漸向智能化方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)家族經(jīng)歷了三個(gè)里程碑時(shí)刻。

機(jī)械代替人工

在世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)誕生50多年后，英國(guó)人申請(qǐng)了第一個(gè)機(jī)械化盾構(gòu)機(jī)專(zhuān)利，將機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)和氣壓式盾構(gòu)機(jī)帶入盾構(gòu)機(jī)家族。從此，機(jī)械挖掘代替了人工挖掘。

閉胸式盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)

閉胸式盾構(gòu)機(jī)的主要代表是泥水式盾構(gòu)機(jī)和土壓式盾構(gòu)機(jī)。這兩種盾構(gòu)機(jī)可分別通過(guò)調(diào)節(jié)出泥艙的泥水壓力和土壓力來(lái)穩(wěn)定開(kāi)挖面，以便更好地完成挖掘作業(yè)。

智能化盾構(gòu)機(jī)登場(chǎng)

近幾十年，隨著科技高速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)也朝著智能化方向大步前進(jìn)，各種大直徑、大推力、大扭矩、高智能化的盾構(gòu)機(jī)先后登上歷史舞臺(tái)。智能化盾構(gòu)機(jī)讓隧道建設(shè)變得更容易了。

盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造

盾構(gòu)機(jī)素有“鋼鐵蚯蚓”之稱(chēng)，長(zhǎng)長(zhǎng)的身體由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。

切削系統(tǒng)

切削系統(tǒng)位于盾構(gòu)機(jī)最前端，整體看上去有點(diǎn)像一個(gè)大型電動(dòng)剃須刀，只不過(guò)它刮的不是胡子而是泥土。有時(shí)候?yàn)榱烁镁蜻M(jìn)，切削系統(tǒng)會(huì)提前向土體噴射一些專(zhuān)用泡沫劑。

推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)位于切削系統(tǒng)的后方，由盾構(gòu)千斤頂和液壓設(shè)備組成。盾構(gòu)機(jī)的切削系統(tǒng)之所以能不斷向前切削土體，離不開(kāi)推進(jìn)系統(tǒng)的大力支持。

出土系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)切削下來(lái)的渣土該如何處理呢？當(dāng)然是從隧道中運(yùn)出去，渣土搬運(yùn)工作由出土系統(tǒng)完成。在盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)后方有一個(gè)收集渣土的土倉(cāng)，切削下來(lái)的渣土首先會(huì)被儲(chǔ)存在這里，然后經(jīng)由螺旋輸送機(jī)、傳輸皮帶和拖車(chē)運(yùn)走。

拼裝系統(tǒng)

在切削系統(tǒng)掘進(jìn)一段距離后，拼裝系統(tǒng)會(huì)將一塊塊鋼筋混凝土管片安裝在洞壁上，拼成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)為隧道提供支撐。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常由儀表、傳感器、電氣控制柜等構(gòu)成，可控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力、行進(jìn)速度、行進(jìn)姿態(tài)等，確保盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)。

除此之外，盾構(gòu)機(jī)中還有用來(lái)排除空氣粉塵的除塵系統(tǒng)、往隧道內(nèi)輸送新鮮空氣的通風(fēng)系統(tǒng)等。

我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的“發(fā)家史”

隨著盾構(gòu)機(jī)功能不斷完善，它在工程建設(shè)中扮演的角色越來(lái)越重要，如今已成為很多地下建設(shè)項(xiàng)目不可或缺的掘進(jìn)利器。在這個(gè)背景下，我國(guó)的盾構(gòu)機(jī)也經(jīng)歷了從依賴(lài)進(jìn)口到全球占有率達(dá)70%的轉(zhuǎn)變。

筑夢(mèng)之隊(duì)的誕生

過(guò)去，盾構(gòu)機(jī)在國(guó)內(nèi)還很罕見(jiàn)，大型工程建設(shè)中用到的盾構(gòu)機(jī)都是進(jìn)口的。盡管這些進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)極大地縮短了工期，減少了安全問(wèn)題，但光鮮業(yè)績(jī)的背后是高昂的費(fèi)用。除了身價(jià)高，這些進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)的售后服務(wù)費(fèi)也非常高，外國(guó)工程師的售后服務(wù)費(fèi)每天高達(dá)上萬(wàn)元。沒(méi)有核心技術(shù)，只能受制于人。為了擺脫高昂的設(shè)備費(fèi)和服務(wù)費(fèi)，中國(guó)中鐵在2002年組建了一支18人的筑夢(mèng)之隊(duì)，開(kāi)始研發(fā)盾構(gòu)機(jī)。同年，科技部將盾構(gòu)機(jī)的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)列入“863計(jì)劃”。

打破國(guó)外壟斷

在進(jìn)行了周密準(zhǔn)備并制訂了一系列計(jì)劃后，建造國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)被提上了日程。2002年，在上海地鐵2號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路建設(shè)中，上海市政府決定采用自主研制的國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)。

有了用武之地，接下來(lái)就是努力制造這個(gè)大家伙了。一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的零部件超過(guò)2萬(wàn)個(gè)，單是控制系統(tǒng)就有2000多個(gè)控制點(diǎn)。為了盡快掌握盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)常深入現(xiàn)場(chǎng)，一根根管子排查，一個(gè)個(gè)元器件核對(duì)，比較參數(shù)、核實(shí)數(shù)據(jù)、查閱資料。2004年10月，我國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)——先行號(hào)樣機(jī)，在上海地鐵2號(hào)線(xiàn)工程中正式亮相。先行號(hào)樣機(jī)打破了此前國(guó)外盾構(gòu)機(jī)壟斷我國(guó)地鐵施工的局面。

我國(guó)盾構(gòu)機(jī)家族的優(yōu)秀代表

在先行號(hào)樣機(jī)誕生后，我國(guó)乘勢(shì)而上，不斷發(fā)力，研制出了許多優(yōu)秀盾構(gòu)機(jī)。下面，給大家介紹幾位優(yōu)秀代表。

京華號(hào)：國(guó)產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)

2023年8月，北京東六環(huán)改造工程雙線(xiàn)貫通。該工程全長(zhǎng)約16千米，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)度超過(guò)7千米，盾構(gòu)隧道直徑達(dá)15.4米，最大埋深為59米，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)盾構(gòu)高速公路隧道。完成這段隧道建設(shè)的就是當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)——京華號(hào)。

京華號(hào)刀盤(pán)直徑為16.07米，長(zhǎng)約150米，總重量達(dá)4300噸，是國(guó)產(chǎn)首臺(tái)16米級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)，性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。自2021年5月投入使用以來(lái)，京華號(hào)先后攻克盾構(gòu)淺覆土始發(fā)、盾構(gòu)機(jī)高風(fēng)險(xiǎn)吊裝、長(zhǎng)距離穿越高致密砂層等11項(xiàng)技術(shù)難題，順利穿越京哈鐵路、北京城市副中心綜合交通樞紐等50余處風(fēng)險(xiǎn)源，歷經(jīng)700多個(gè)日夜，出色地完成了掘進(jìn)任務(wù)。

除了工作能力突出，京華號(hào)還有不少其他亮點(diǎn)。

保證清潔

盾構(gòu)機(jī)在地下挖土?xí)r是什么樣子的？相信很多人腦海里出現(xiàn)的都是塵土飛揚(yáng)的場(chǎng)景，但京華號(hào)的工作環(huán)境很干凈，這得益于它的泥水循環(huán)系統(tǒng)。京華號(hào)在挖土?xí)r，經(jīng)過(guò)加壓的泥水會(huì)從盾構(gòu)機(jī)刀頭處噴出，沖洗被切削下來(lái)的渣土，減少灰塵。隨后，渣土?xí)贿\(yùn)送至附近的泥漿處理廠，經(jīng)過(guò)預(yù)篩、脫水篩、離心分離等工序處理。最后，分離出的殘?jiān)鼤?huì)被運(yùn)送至渣土廠，用于栽樹(shù)、路基施工等，泥水則會(huì)進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)參與新的沖洗工作。

低碳環(huán)保

像京華號(hào)這樣的“大塊頭”，耗電量是非常驚人的。為了更高效地利用能源，工作人員為京華號(hào)配備了智能化能源消耗監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備可對(duì)盾構(gòu)機(jī)上的開(kāi)關(guān)站、變壓器、配電箱等進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)掌握能源使用情況，并通過(guò)智能分析降低能源消耗。

振興號(hào)：穿越長(zhǎng)江的盾構(gòu)機(jī)

振興號(hào)刀盤(pán)直徑約15米，總長(zhǎng)135米，總重量達(dá)4000噸，是我國(guó)首臺(tái)采用自主技術(shù)和多個(gè)國(guó)產(chǎn)核心部件的超大直徑盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)配備了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)、綠色環(huán)保管路延長(zhǎng)裝置，可提供高效、智能、環(huán)保的挖掘服務(wù)。

工作人員給能力出眾的振興號(hào)分配了一項(xiàng)難度系數(shù)很高的任務(wù)——挖掘南京市和燕路過(guò)江通道。南京市和燕路過(guò)江通道分為左右兩條盾構(gòu)隧道，振興號(hào)負(fù)責(zé)挖掘全長(zhǎng)近3000米的右線(xiàn)盾構(gòu)隧道。該段隧道具有高、薄、險(xiǎn)的特點(diǎn)。其中“高”是指隧道所承受的水壓高，達(dá)到了0.79兆帕；“薄”是指隧道下穿新生河，最小覆土厚度僅為5.97米，在江中最低點(diǎn)的覆土厚度僅為10.25米；“險(xiǎn)”是指地質(zhì)狀況極為復(fù)雜，隧道不僅要穿越土巖復(fù)合地層，還要經(jīng)過(guò)5條斷裂帶。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，南京過(guò)江隧道技術(shù)專(zhuān)家組一致認(rèn)為，挖掘和燕路過(guò)江通道是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)在建穿越長(zhǎng)江的大直徑隧道中最復(fù)雜、最困難的。盡管困難重重，振興號(hào)依舊憑借高超本領(lǐng)完成了任務(wù)。不僅如此，振興號(hào)還創(chuàng)下了隧道和設(shè)計(jì)圖線(xiàn)路偏差不到1厘米以及14萬(wàn)平方米隧道滴水不漏的輝煌戰(zhàn)績(jī)。

媽灣號(hào)：破巖穿海的盾構(gòu)機(jī)

媽灣跨海通道位于廣東省深圳市南山區(qū)，分為地面道路和地下隧道兩部分，其中地下隧道全長(zhǎng)6280米，媽灣號(hào)施工段長(zhǎng)2063米。媽灣跨海通道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)在挖掘過(guò)程中存在4項(xiàng)挑戰(zhàn)：一是設(shè)備穿越高強(qiáng)度巖層距離長(zhǎng)，對(duì)刀盤(pán)破巖能力要求高，同時(shí)滾刀磨損快；二是施工段中存在軟硬不均巖層，容易造成盾構(gòu)機(jī)整體姿態(tài)上抬，進(jìn)而偏離預(yù)設(shè)線(xiàn)路；三是海底隧道位于水下40多米深處，水壓大，施工風(fēng)險(xiǎn)高；四是隧道斷面大，對(duì)設(shè)備性能和施工技術(shù)要求高。

為順利完成挖掘任務(wù)，媽灣號(hào)采用了多項(xiàng)高科技。比如通過(guò)新型滾刀安裝技術(shù)改善滾刀受力情況，進(jìn)而提高滾刀使用壽命；通過(guò)配備高精度保壓系統(tǒng)、大流量泥漿循環(huán)系統(tǒng)等解決刀盤(pán)結(jié)泥問(wèn)題；通過(guò)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握開(kāi)挖地層的圖像信息，提升盾構(gòu)機(jī)的感知能力等。借助這些高科技，媽灣號(hào)最終圓滿(mǎn)完成了隧道挖掘任務(wù)。

深江1號(hào)、深江2號(hào)：參與最深海底隧道建造的盾構(gòu)機(jī)

珠江口隧道連接?xùn)|莞市與廣州市南沙區(qū)，是深江鐵路全線(xiàn)重點(diǎn)控制工程。該隧道海域段長(zhǎng)約11千米（盾構(gòu)段總長(zhǎng)6520米），最大埋深為115米，施工時(shí)設(shè)備所承受的最大水壓超過(guò)1兆帕，是我國(guó)當(dāng)時(shí)最深、水壓最大的海底隧道。為了完成這段隧道的建設(shè)工作，工作人員派出了深江1號(hào)、深江 2號(hào)兩員大將。

深江1號(hào)總重近4000噸，總長(zhǎng)130米，刀盤(pán)上噴涂了醒獅元素，威風(fēng)凜凜，極具嶺南特色。在珠江口隧道建設(shè)過(guò)程中，深江1號(hào)從東莞虎門(mén)出發(fā)，負(fù)責(zé)3590米的隧道挖掘工作。為圓滿(mǎn)完成挖掘工作，深江1號(hào)配備了可伸縮主驅(qū)動(dòng)、高效重載物料運(yùn)輸、盾尾間隙測(cè)量等一系列智能化系統(tǒng)。

在深江1號(hào)如火如荼工作的同時(shí)，它的好兄弟深江2號(hào)也在默默努力。深江2號(hào)總重近4000噸，總長(zhǎng)133米，噴涂蛟龍?jiān)?，表示深?號(hào)會(huì)如地下蛟龍般乘風(fēng)破浪、無(wú)往不利。深江2號(hào)從廣州市南沙區(qū)萬(wàn)頃沙出發(fā)，負(fù)責(zé)剩下的2930米隧道挖掘工作。為順利完成挖掘任務(wù)，深江2號(hào)配備了小刀間距常壓復(fù)合刀盤(pán)、氣墊直排掘進(jìn)系統(tǒng)等創(chuàng)新科技。

除了全副武裝的深江1號(hào)和深江2號(hào)，工程建設(shè)方還引進(jìn)了模具清理涂油機(jī)器人、智能收面機(jī)器人、無(wú)人駕駛運(yùn)輸車(chē)等10余種智能設(shè)備。珠江口隧道預(yù)計(jì)2025年建成通車(chē)。屆時(shí)，深圳前海自貿(mào)片區(qū)與廣州南沙自貿(mào)片區(qū)將實(shí)現(xiàn)半小時(shí)高鐵互聯(lián)互通，給沿線(xiàn)城市市民帶來(lái)極大便利。

海宏號(hào)：穿越1000多個(gè)溶洞的盾構(gòu)機(jī)

2023年3月，東北首條海下地鐵線(xiàn)路——大連地鐵5號(hào)線(xiàn)正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。這條海下地鐵線(xiàn)路能順利竣工，海宏號(hào)功不可沒(méi)。海宏號(hào)刀盤(pán)直徑為12.26米，整機(jī)長(zhǎng)度約158米，總重約2840噸，在大連地鐵5號(hào)線(xiàn)建設(shè)過(guò)程中承擔(dān)了全長(zhǎng)2800多米的海底隧道建設(shè)工作。海宏號(hào)盾構(gòu)機(jī)在挖掘過(guò)程中同樣遇到了不少考驗(yàn)，比如溶洞。大連地鐵5號(hào)線(xiàn)的海底隧道要穿越一個(gè)海底巖溶區(qū)，那里有上千個(gè)溶洞，已勘測(cè)的最大溶洞高度達(dá)30米。盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)這里不僅可能栽下去，還有可能引發(fā)隧道坍塌或涌水。為了順利完成挖掘工作，工作人員先利用振動(dòng)裝置和測(cè)量器摸清海底溶洞情況，然后用混凝土等材料注滿(mǎn)溶洞，為海宏號(hào)鋪平道路。海宏號(hào)還配備了地震波超前物探系統(tǒng)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方未處理的溶洞。

除了溶洞，海宏號(hào)還遇到了隧道水壓高、硬巖地層掘進(jìn)距離長(zhǎng)等困難。在工作人員和高科技設(shè)備的幫助下，它最終戰(zhàn)勝了這些困難，圓滿(mǎn)完成了隧道挖掘任務(wù)。

英雄號(hào)：超大直徑高鐵隧道盾構(gòu)機(jī)

2023年11月5日，在天祥大道隧道始發(fā)井口，英雄號(hào)盾構(gòu)機(jī)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，正式開(kāi)啟了天祥大道隧道建設(shè)之旅。天祥大道隧道位于江西省南昌市高新區(qū)，隧道全長(zhǎng)約6.4千米，為單洞雙線(xiàn)高速鐵路隧道。為減少工程對(duì)沿線(xiàn)影響，其中4.4千米隧道需利用盾構(gòu)機(jī)挖掘，承擔(dān)這一任務(wù)的就是英雄號(hào)。面對(duì)隧道存在的開(kāi)挖斷面大、區(qū)間長(zhǎng)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)多等難點(diǎn)，工作人員對(duì)英雄號(hào)進(jìn)行了一系列針對(duì)性設(shè)計(jì)。比如，在刀盤(pán)上安裝液壓磨損檢測(cè)裝置，及時(shí)檢測(cè)刀盤(pán)狀態(tài)；采用人工智能算法，賦予盾構(gòu)機(jī)無(wú)人駕駛、自動(dòng)糾偏等功能；通過(guò)大數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)測(cè)預(yù)警等技術(shù)，提升盾構(gòu)機(jī)施工質(zhì)量等。

走向世界的中國(guó)盾構(gòu)機(jī)

隨著國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)功能不斷完善，成績(jī)?cè)絹?lái)越亮眼，它們的身影也逐漸出現(xiàn)在了國(guó)外工程項(xiàng)目中。

首出國(guó)門(mén)的中鐵50號(hào)盾構(gòu)機(jī)

2012年，馬來(lái)西亞為建設(shè)捷運(yùn)線(xiàn)項(xiàng)目，計(jì)劃采購(gòu)10臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。我國(guó)中鐵裝備在得知這一消息后，想借此機(jī)會(huì)讓國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)走出國(guó)門(mén)。俗話(huà)說(shuō)：“萬(wàn)事開(kāi)頭難?！毕蝰R來(lái)西亞推銷(xiāo)盾構(gòu)機(jī)也是如此。因?yàn)槲覈?guó)盾構(gòu)機(jī)沒(méi)有海外應(yīng)用實(shí)例，無(wú)論怎么介紹，對(duì)方都無(wú)動(dòng)于衷。中鐵裝備沒(méi)有放棄，他們邀請(qǐng)對(duì)方到我國(guó)實(shí)地參觀。在了解了我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的輝煌戰(zhàn)績(jī)后，對(duì)方最終買(mǎi)下2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。2012年，中鐵50號(hào)在馬來(lái)西亞捷運(yùn)線(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)工地亮相。通過(guò)針對(duì)性設(shè)計(jì)，中鐵50號(hào)出色完成了任務(wù)，還創(chuàng)造了當(dāng)?shù)囟軜?gòu)施工紀(jì)錄。

不斷壯大的海外市場(chǎng)

之后，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)又相繼出口到新加坡、意大利等多個(gè)國(guó)家。就像中國(guó)工程院院士、2018年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者錢(qián)七虎所說(shuō)，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)百花盛開(kāi)的春天已經(jīng)來(lái)臨，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)大國(guó)的地位已經(jīng)確立，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)國(guó)的地位正在確立。