中國(guó)盾構(gòu)，走向世界的“名片”

蘇更林

從“鑿船貝”到“鋼鐵蚯蚓”

追溯盾構(gòu)機(jī)的身世，那還得從18世紀(jì)末泰晤士河隧道工程的建設(shè)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?yàn)檫@是人類歷史上第一條采用盾構(gòu)技術(shù)挖掘的隧道，是一個(gè)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(shí)代。想要在倫敦地下修建跨河隧道簡(jiǎn)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(guó)工程師布魯內(nèi)爾對(duì)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。看來，工程的突破離不開裝備的創(chuàng)新。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，布魯內(nèi)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(dòng)物，對(duì)木制船舶有極大的破壞性。布魯內(nèi)爾納悶，在嚴(yán)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(gè)閥門狀的器官進(jìn)食，身上還有兩個(gè)虹吸管可進(jìn)行吸水和排水。它還能從體內(nèi)分泌一種液體，涂在孔壁上會(huì)形成一個(gè)保護(hù)殼，可以抵抗木板吸濕后發(fā)生的膨脹。

“鑿船貝”出于適應(yīng)環(huán)境的進(jìn)化，啟發(fā)了布魯內(nèi)爾，他據(jù)此提出了一個(gè)基于“盾構(gòu)掘進(jìn)”的隧道施工方案。其實(shí)，這就是開放型手掘盾構(gòu)的概念原型。

1818年，布魯內(nèi)爾完善了盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用了全斷面螺旋式開挖的封閉式盾殼。一個(gè)巨大的鐵殼可以用螺旋千斤頂向前推進(jìn)，這個(gè)鐵殼可以支撐土（巖）體防止發(fā)生塌方……鑒于布魯內(nèi)爾在盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)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(nèi)爾擬定了倫敦泰晤士河兩岸的另一條道路隧道的計(jì)劃，并制成了世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。布魯內(nèi)爾發(fā)明的盾構(gòu)機(jī)，簡(jiǎn)直就像一個(gè)“鋼鐵蚯蚓”，挖土打洞效率高多了。

據(jù)悉，該盾構(gòu)機(jī)可分成36個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)有一名礦工把他面前的黏土挖開。當(dāng)許多名礦工挖去同一數(shù)量的黏土?xí)r，構(gòu)架就可以向前移動(dòng)了，挖空的地方需要及時(shí)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(zhǎng)約396米，高約23米，這是一個(gè)舉世矚目的公共景點(diǎn)，每天都有成千上萬(wàn)的人流從這里穿過。為表彰布魯內(nèi)爾對(duì)泰晤士河隧道做出的偉大貢獻(xiàn)，英國(guó)維多利亞女王授予其爵士頭銜。

20年逆襲，中國(guó)的“鑄盾之路”

中國(guó)盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)起步于1953年，遼寧阜新煤礦首次采用手掘式盾構(gòu)機(jī)修建疏水巷道。

與英國(guó)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(guó)“鑄盾之路”不能回避的一個(gè)問題。

被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”的盾構(gòu)機(jī)，可廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電以及軍事防護(hù)工程等隧道工程。我們搞隧道工程離不開盾構(gòu)機(jī)，然而因?yàn)椴痪邆溲邪l(fā)、制造能力，只得依賴進(jìn)口。

20年前，我國(guó)重大工程施工所需的盾構(gòu)機(jī)一直依賴進(jìn)口。依賴進(jìn)口就意味著要受制于人。在國(guó)外壟斷面前，我們沒有議價(jià)權(quán)，也得不到好的技術(shù)服務(wù)。在2006年之前，我國(guó)進(jìn)口了130多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，大約花費(fèi)資金上百億元。

沒有核心技術(shù)就得受制于人，這是國(guó)人發(fā)奮逆襲的驅(qū)動(dòng)力。2002年，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)研制被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展“863計(jì)劃”，從而開啟了我國(guó)非凡的“鑄盾之旅”。

2004年，我國(guó)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)“先行號(hào)”成功下線。這是中國(guó)為實(shí)現(xiàn)從0到1的跨越而邁出的堅(jiān)實(shí)一步。

2008年4月25日，我國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)在河南新鄉(xiāng)下線，并成功應(yīng)用于天津地鐵建設(shè)，從此拉開了中國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的序幕。

超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的核心技術(shù)，一直被少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷。我國(guó)科學(xué)家通過技術(shù)攻關(guān)突破了多項(xiàng)核心技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)研制的空白。

2017年10月26日，直徑達(dá)15.03米的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在中鐵工程裝備盾構(gòu)總裝車間正式下線，標(biāo)志著中國(guó)盾構(gòu)機(jī)研發(fā)正在全面搶占世界掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的制高點(diǎn)。

2018年3月13日，由我國(guó)自主研發(fā)的超大直徑盾構(gòu)機(jī)成功下線，并出口孟加拉國(guó)用于卡納普里河底隧道工程建設(shè)。這臺(tái)直徑12.12米的超大直徑盾構(gòu)機(jī)的出口，終結(jié)了歐美國(guó)家對(duì)海外市場(chǎng)的壟斷。中國(guó)盾構(gòu)機(jī)僅用了不到20年的時(shí)間就完成了從跟跑到領(lǐng)跑的“蛻變”！

“鋼鐵長(zhǎng)龍”如何穿地打洞

從電視畫面上看上去，盾構(gòu)機(jī)細(xì)長(zhǎng)的身軀就像一條“鋼鐵長(zhǎng)龍”。不過，盾構(gòu)機(jī)身軀的“細(xì)”是相對(duì)于“長(zhǎng)”而言的，并不是真正的“細(xì)”。

比如，服務(wù)于武漢軌道交通12號(hào)線越江隧道的“江城卓越號(hào)”盾構(gòu)機(jī)，刀盤直徑12.55米算“細(xì)”嗎？只不過與121米長(zhǎng)的身軀相比又顯得“細(xì)”了。那么，盾構(gòu)機(jī)是如何穿地打洞的呢？

堅(jiān)牙利齒，所向披靡

盾構(gòu)機(jī)作為一種開挖地下隧道的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，其首要任務(wù)是開挖切削土體。在工程實(shí)踐中，往往會(huì)遇到各種不同的地質(zhì)構(gòu)造，如砂層、軟巖或硬巖等，因此，沒有“堅(jiān)牙利齒”很難勝任工作。

盾構(gòu)機(jī)的刀盤就是它的“堅(jiān)牙利齒”。奇怪的是，盾構(gòu)機(jī)的“堅(jiān)牙利齒”長(zhǎng)在頭頂上，并且可以不停地旋轉(zhuǎn)。正是這種回旋的刀具使其成為了盾構(gòu)機(jī)的“開路先鋒”。乍一看，盾構(gòu)機(jī)的頭部像一個(gè)巨大的“電動(dòng)刮須刀”，只不過它刮的不是胡子而是泥土。這個(gè)超級(jí)“電動(dòng)刮須刀”每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈就會(huì)有不少泥土被切削下來，因此盾構(gòu)機(jī)就會(huì)向前推進(jìn)一段距離。

有了“堅(jiān)牙利齒”還不夠，配套措施也需要跟得上。比如，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，除了高規(guī)格配置“堅(jiān)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(diǎn)像我們口腔中的“唾液”，有助于刀盤掘進(jìn)作業(yè)。

在濟(jì)南地鐵2號(hào)線施工中，寶長(zhǎng)區(qū)間近半是極硬巖，并且夾雜著大量孤石，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。要啃下這個(gè)“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(dá)八九十噸，比普通刀盤要重10噸左右。即便如此，盾構(gòu)掘進(jìn)也是非常困難的。盾構(gòu)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈只能磨下指甲蓋大小的石塊，平均每掘進(jìn)1米就要消耗1.5把刀具。

專線供電，液壓推進(jìn)

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)這樣一個(gè)大塊頭機(jī)械裝備，一舉一動(dòng)都離不開能源的支撐。現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)力一般來源于電力，但要把電力轉(zhuǎn)化為盾構(gòu)機(jī)前行的動(dòng)力需依靠推進(jìn)系統(tǒng)來完成。這里所說的“推進(jìn)系統(tǒng)”是由盾構(gòu)千斤頂和液壓裝備組成的。它們承擔(dān)了整個(gè)盾構(gòu)機(jī)前行動(dòng)力的傳遞，使得盾構(gòu)機(jī)能夠按照設(shè)定的路線進(jìn)行工作。盾構(gòu)機(jī)之所以采用液壓系統(tǒng)來完成動(dòng)力的傳遞，是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)具有大功率、變負(fù)載以及動(dòng)力遠(yuǎn)距離傳遞和控制等方面的特點(diǎn)。

盾構(gòu)機(jī)的功率一般在幾千千瓦到1萬(wàn)多千瓦不等，需要專線進(jìn)行供電才能滿足工作要求。一般來說，盾構(gòu)機(jī)基本上是不間斷作業(yè)的，在推進(jìn)系統(tǒng)的推動(dòng)下只能前進(jìn)不能后退。如果中途停電，不但會(huì)影響施工進(jìn)度，而且會(huì)帶來安全隱患。

掘進(jìn)排土，有條不紊

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(gòu)機(jī)的頭部配置有一個(gè)泥漿儲(chǔ)罐（土倉(cāng)），主要是用于儲(chǔ)存掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的泥漿。不過，這只是一個(gè)臨時(shí)的儲(chǔ)罐，當(dāng)液位達(dá)到一定高度時(shí)就得把泥漿排出去，否則會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)進(jìn)程。

為此，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部裝備有專門的渣土皮帶輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)與泥漿儲(chǔ)罐相連，主要由輸送帶、洞內(nèi)水平皮帶機(jī)、垂直夾帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、滾筒拉緊等裝置組成，可以不斷地把泥漿儲(chǔ)罐中的泥土直接傳輸?shù)降孛嬖脸兀滩捎米詣?dòng)化控制。

封固隧道，一次成型

盾構(gòu)機(jī)的緩慢掘進(jìn)，排出的是渣土，留下的是隧道。不過，其身后的隧道會(huì)不會(huì)隨著盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)自帶雙護(hù)盾，集開挖、支護(hù)、出渣于一體，并能實(shí)現(xiàn)隧道的一次成型。原來，盾構(gòu)機(jī)擁有一個(gè)拼裝系統(tǒng)，是專門用來封固隧道的。

由工人操作拼裝機(jī)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(shí)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(qiáng)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(jìn)一個(gè)襯砌環(huán)間寬度。這樣沿著盾構(gòu)機(jī)前行的軌跡，相繼進(jìn)行環(huán)形隧道管片的安裝加固，最終一個(gè)完好的隧道就誕生了。

智能控制，精益求精

有人會(huì)問，盾構(gòu)機(jī)在地下幾十米進(jìn)行隧道施工，靠什么來辨別方向？這是一個(gè)很好的問題。

隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的成熟，盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。有了激光導(dǎo)航系統(tǒng)，就等于為盾構(gòu)機(jī)裝上了“火眼金睛”。有了這個(gè)“火眼金睛”，盾構(gòu)機(jī)不僅不會(huì)“迷路”，而且控制精度也達(dá)到了毫米級(jí)。

激光導(dǎo)航系統(tǒng)是如何實(shí)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(jī)頭內(nèi)的“激光眼”則為激光接收標(biāo)靶（黑色盒子）。在控制室的顯示屏上，能夠動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前位置相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的位置偏差，從而確保盾構(gòu)機(jī)沿著正確的方向掘進(jìn)。

那么，盾構(gòu)機(jī)在地下能拐彎嗎？盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)是按照既定的設(shè)計(jì)路線來施工的，因此該拐彎的地方還是要拐彎。高精度的測(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)可以為盾構(gòu)掘進(jìn)提供準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和導(dǎo)向信息，以此確保盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行掘進(jìn)。

盾構(gòu)機(jī)是沒有方向盤的，一旦需要拐彎，可以按照預(yù)先計(jì)算好的盾構(gòu)機(jī)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(zhǎng)和收縮來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的方向。由于盾構(gòu)機(jī)體形長(zhǎng)、重量大，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要多次調(diào)控，因此每次轉(zhuǎn)彎都需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。

盾構(gòu)傳奇，說不盡的中國(guó)故事

有著“機(jī)械制造皇冠上的明珠”之稱的盾構(gòu)機(jī)，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(shè)與日俱增，因此盾構(gòu)機(jī)具有巨大的市場(chǎng)需求空間。

隧道越江，油氣“咽喉”

今年有望貫通的“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一長(zhǎng)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(lǐng)域單向盾構(gòu)掘進(jìn)距離最長(zhǎng)的油氣管道穿江盾構(gòu)工程。

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

中俄東線天然氣管道工程分北、中、南三段建設(shè)，開建于2015年6月，如今北段和中段已經(jīng)供氣。現(xiàn)在，南段的隧道越江工程也是捷報(bào)頻傳。據(jù)悉，“暢通號(hào)”盾構(gòu)機(jī)是為此次隧道越江工程“量身定制”的專用工程機(jī)械。該盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)146米，直徑7.95米，重達(dá)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(jìn)7500米。獨(dú)頭掘進(jìn)10226米本身就是一個(gè)傳奇，而隧道越江7500米則摘取了“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一長(zhǎng)隧”的桂冠。