一條蟲給予的靈感

19世紀初，工程師布魯諾爾想在泰晤士河下建一條隧道。一個偶然的機會，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，硬化后形成一個“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殼一樣。布魯諾爾受其啟發(fā)，提出盾構掘進隧道原理，設計出手掘式盾構機的雛形。

盾構機是密封式的金屬圓柱體，全名為盾構隧道掘進機，是一種用于隧道施工的機械設備，它內含刀盤系統(tǒng)、拼裝機、輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和導向系統(tǒng)等數個獨立單元，流水線作業(yè)，被冠為“工程機械之王”，江湖上又稱它為“地下航母”。

目前，盾構機有三種型號。刀盤直徑小于8米的盾構機稱為“小型盾構機”；刀盤直徑大于等于8米而小于14米的盾構機稱為“大直徑盾構機”；刀盤直徑大于等于14米的盾構機稱為“超大直徑盾構機”。

中國“破壁者”的逆襲

從19世紀初世界上第一臺盾構機問世，到20世紀90年代，近兩百年間，中國連小型盾構機都無法制造。當時基建工程建設所需的大直徑、超大直徑盾構機幾乎完全依賴國外進口。

沒有機器，沒有技術，沒有專門人才，中國只能花天價“求”著出口國供應盾構機。那些購置回來的盾構機老是出問題，工程項目也因此常常被耽擱。每次盾構機壞了只能請外國維修人員來修，且在外國維修人員維修期間嚴禁中國人靠近檢修地點，更不能了解維修過程。同時還須支付高額的維修費用。

沒有自己的核心技術，盾構機技術在那個時候卡住了我們的脖子。曾用算盤“撥”出原子彈、核潛艇等國之重器，突破西方科技封鎖的倔強“愚公”們怎么可能會屈服？他們默默許下一個愿望：再苦、再難都要把這項“卡脖子”的盾構機核心技術啃下來。

2002年，中國將盾構機研究列入國家高技術研究發(fā)展計劃，即“863”專項計劃，這條自主研發(fā)之路一走就是十多年，從無到有，從進口到出口，從基礎版到“世界首創(chuàng)”。

2008年，第一臺具有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構機“中鐵一號”成功應用。自此，我們一寸又一寸地掙斷人為加之于身的技術枷鎖。

2011年，中國首臺超大直徑泥水氣壓平衡復合式盾構機“天和號”及“天和一號”成功研發(fā)。大型和超大型盾構機完全依賴國外進口的窘境被撕開一個大口子，完全自主研發(fā)的曙光即將到來。

2013年，中國研制出世界最大的矩形盾構機，國產異形盾構機開始走向海外。

2015年，首臺擁有完全自主知識產權的國產鐵路大直徑盾構機問世。短短三年后，中國完全自主研發(fā)的超大直徑盾構機成功下線，出口海外，廣受歡迎。全球首創(chuàng)馬蹄形斷面盾構機也研制成功，自主創(chuàng)新不再是口號。

2022年，首臺會“爬陡坡”的硬巖隧道掘進機“永寧號”面世，是對2015年研制出的硬巖掘進機的更新?lián)Q代，性能更優(yōu)秀，應用領域更廣泛。

物美價廉、能轉彎、能爬坡、人工智能化的“創(chuàng)新”盾構機一一問世，且占據全球市場70%的份額。國產盾構機的設計制造和技術也已步入世界先進領域，個別機型還是獨占鰲頭般的存在。

這一路走來，中國的盾構機技術從無到有，從弱到強，實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，完成了從技術輸入國到技術輸出國的轉變，是中國科技實力崛起的最好證明。

巨無霸工作的名場面

盾構機是一種動輒數百米長、幾層樓高、上千噸重的巨無霸設備，這么大的設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，工程師先勘測好地質情況，規(guī)劃好線路，并在起挖點建好基坑。為防止基坑坍塌，需要用灌注樁支護，即“打樁”。打樁就是在基坑面上鉆出深孔，然后將混凝土灌進去。待混凝土自然凝固后，就變成了盾構機鉆入地底世界的始挖井和地面“遮風擋雨”的落腳點。在工程師的指揮下，盾構機心無旁騖地向前沖，它能挖出一條條寬敞又堅固的通道。

為了方便運輸，工人會將十幾米高、幾百噸重的巨無霸盾構機的圓形刀盤和外殼及其他構件拆開，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。盾構機零部件通過起重機抓取，穿過工作井，到達地下施工現(xiàn)場后，再分塊組裝拼接起來，形成數個獨立的工作單元。

當盾構機張開“血盆大口”，馬力十足地開始工作時，圓柱體外殼用以作隧道挖掘時的強有力的臨時支撐結構，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的滾輪，往前轉動推進的過程中能夠“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。整個頭部機身背后的液壓千斤頂還能給予鉆頭千萬噸的反推力，推動盾構機向前掘進，直至隧道到達預期深度。

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。盾構機常配備的有先行刀、仿形刀、切削刀、滾刃和撕裂刀等。此外，盾構機還時不時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，費時又費錢。

隨著刀盤的轉動，盾構機將大部分掉落縫隙的巖土吞進大大的肚子里，通過懸掛在隧道拱頂上的勻速移動的“流水線”傳送帶傳輸，最后運送到渣土倉。小部分則被盾構機團起擠壓到隧道內壁。掘進階段的全過程中，為了凝實隧道面環(huán)段和巖石之間的縫隙，固定巖土層，平衡兩側壓力，盾構機會吐出快速固化砂漿和膨潤土填充。

盾構機每前進1.5米就會自動拼裝預制的混凝土管片，這些管片直接組成了隧道內壁，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。整個管片拼接過程非常先進，由盾構機自動完成?？梢哉f有了盾構機這種機械怪獸，一臺大型機械從隧道穿過去，一條隧道就成型了。

作為國之重器，盾構機集光、機、電、液、傳感、信息技術為一體，涉及地質、土木、機械、液壓等多門學科技術，有兩萬多個零部件，是衡量一個國家地下施工裝備制造水平的重要標志。從本世紀初，我國開始盾構機的自主研發(fā)，制造出擁有完全知識產權的產品?，F(xiàn)在中國盾構機家族系列越來越豐富，不僅有圓形盾構機，還有馬蹄形盾構機、U形盾構機、上下組合式矩形盾構機、左右組合式矩形盾構機，直徑從1米以下到15米，尺寸齊全。如今，中國的盾構機技術發(fā)展取得了舉世矚目的成就，中國已成為全球盾構機技術的領先者，從曾經受制于歐美國家，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|盾構機的應用與未來設想

盾構機的應用

盾構機主要應用于城市地鐵、管網、鐵路等工程建設，也應用于水務、礦山、電站的建設。陸地豎井掘進，港珠澳大橋等海底隧道的挖掘都需要盾構機?！褒堅刺枴钡V用硬巖盾構機大幅提升礦山掘進效率?！白限碧枴庇矌r盾構機實現(xiàn)超小轉彎在抽蓄工程中的應用，完成了衢江抽水蓄能電站排水洞及排水廊道掘進任務。

盾構機未來發(fā)展的設想

無人化、智能化應用。隨著全智能化管片拼裝系統(tǒng)、智慧化遠程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)等一一突破，相信不久的將來必會徹底實現(xiàn)無人值守，智能自主掘進、自主拼裝，將人從危險施工場所和控制設備中解放出來。

機型多樣化和整體小型化。為了滿足不同地層和斷面的需求，目前整體結構的盾構機將會參考臺式電腦、手提電腦、掌上計算機的發(fā)展方向，使其巨型結構部分化、輕量化，降低生產成本和損耗成本，方便運輸和組裝等。