中国盾构，走向世界的“名片”
2022-05-30苏更林
苏更林
从“凿船贝”到“钢铁蚯蚓”
追溯盾构机的身世，那还得从18世纪末泰晤士河隧道工程的建设说起。
如今，泰晤士河隧道作为伦敦地铁系统的一部分，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觑，因为这是人类历史上第一条采用盾构技术挖掘的隧道，是一个具有里程碑意义的科技事件。
在200多年以前，挖掘土石工程还处于“锹挖肩挑、打钎放炮”的时代。想要在伦敦地下修建跨河隧道简直比登天还难！1798年，工程刚开工就被迫中断了，原因就是遇到许多难以克服的困难。
法国工程师布鲁内尔对泰晤士河隧道工程十分上心，然而在这些困难面前也不得不退却下来。看来，工程的突破离不开装备的创新。一个偶然的机会，布鲁内尔发现一种叫作“凿船贝”的船蛆的钻洞行为非常有趣。这是一种在木制船舶上穴居并危害船舶的软体动物，对木制船舶有极大的破坏性。布鲁内尔纳闷，在严酷的海水环境中，“凿船贝”能够生活得有滋有味，它是如何打洞的呢？
以木材为食的“凿船贝”，用一个阀门状的器官进食，身上还有两个虹吸管可进行吸水和排水。它还能从体内分泌一种液体，涂在孔壁上会形成一个保护壳，可以抵抗木板吸湿后发生的膨胀。
“凿船贝”出于适应环境的进化，启发了布鲁内尔，他据此提出了一个基于“盾构掘进”的隧道施工方案。其实，这就是开放型手掘盾构的概念原型。
1818年，布鲁内尔完善了盾构结构的机械系统，设计采用了全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳。一个巨大的铁壳可以用螺旋千斤顶向前推进，这个铁壳可以支撑土（岩）体防止发生塌方……鉴于布鲁内尔在盾构机领域的发明，他被任命为泰晤士河隧道工程的工程师。
1823年，布鲁内尔拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划，并制成了世界上第一台盾构机。布鲁内尔发明的盾构机，简直就像一个“钢铁蚯蚓”，挖土打洞效率高多了。
据悉，该盾构机可分成36个单元，每个单元内有一名矿工把他面前的黏土挖开。当许多名矿工挖去同一数量的黏土时，构架就可以向前移动了，挖空的地方需要及时铺上砖块。
1843年，泰晤士河水底隧道历经曲折终于建成了。泰晤士河隧道长约396米，高约23米，这是一个举世瞩目的公共景点，每天都有成千上万的人流从这里穿过。为表彰布鲁内尔对泰晤士河隧道做出的伟大贡献，英国维多利亚女王授予其爵士头衔。
20年逆袭，中国的“铸盾之路”
中国盾构机的研发起步于1953年，辽宁阜新煤矿首次采用手掘式盾構机修建疏水巷道。
与英国相比，我们的起步晚了100余年。如何弥合这百余年的差距，是中国“铸盾之路”不能回避的一个问题。
被誉为“工程机械之王”的盾构机，可广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电以及军事防护工程等隧道工程。我们搞隧道工程离不开盾构机，然而因为不具备研发、制造能力，只得依赖进口。
20年前，我国重大工程施工所需的盾构机一直依赖进口。依赖进口就意味着要受制于人。在国外垄断面前，我们没有议价权，也得不到好的技术服务。在2006年之前，我国进口了130多台盾构机，大约花费资金上百亿元。
没有核心技术就得受制于人，这是国人发奋逆袭的驱动力。2002年，国产盾构机研制被列入国家高技术研究发展“863计划”，从而开启了我国非凡的“铸盾之旅”。
2004年，我国首台国产地铁盾构掘进机“先行号”成功下线。这是中国为实现从0到1的跨越而迈出的坚实一步。
2008年4月25日，我国第一台具有自主知识产权的复合式盾构机在河南新乡下线，并成功应用于天津地铁建设，从此拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。
超大直径泥水平衡盾构机的核心技术，一直被少数几个发达国家垄断。我国科学家通过技术攻关突破了多项核心技术，填补了我国超大直径泥水平衡盾构机研制的空白。
2017年10月26日，直径达15.03米的泥水平衡盾构机在中铁工程装备盾构总装车间正式下线，标志着中国盾构机研发正在全面抢占世界掘进机技术的制高点。
2018年3月13日，由我国自主研发的超大直径盾构机成功下线，并出口孟加拉国用于卡纳普里河底隧道工程建设。这台直径12.12米的超大直径盾构机的出口，终结了欧美国家对海外市场的垄断。中国盾构机仅用了不到20年的时间就完成了从跟跑到领跑的“蜕变”！
“钢铁长龙”如何穿地打洞
从电视画面上看上去，盾构机细长的身躯就像一条“钢铁长龙”。不过，盾构机身躯的“细”是相对于“长”而言的，并不是真正的“细”。
比如，服务于武汉轨道交通12号线越江隧道的“江城卓越号”盾构机，刀盘直径12.55米算“细”吗？只不过与121米长的身躯相比又显得“细”了。那么，盾构机是如何穿地打洞的呢？
坚牙利齿，所向披靡
盾构机作为一种开挖地下隧道的复杂机械系统，其首要任务是开挖切削土体。在工程实践中，往往会遇到各种不同的地质构造，如砂层、软岩或硬岩等，因此，没有“坚牙利齿”很难胜任工作。
盾构机的刀盘就是它的“坚牙利齿”。奇怪的是，盾构机的“坚牙利齿”长在头顶上，并且可以不停地旋转。正是这种回旋的刀具使其成为了盾构机的“开路先锋”。乍一看，盾构机的头部像一个巨大的“电动刮须刀”，只不过它刮的不是胡子而是泥土。这个超级“电动刮须刀”每转动一圈就会有不少泥土被切削下来，因此盾构机就会向前推进一段距离。
有了“坚牙利齿”还不够，配套措施也需要跟得上。比如，为了应对复杂的地质构造，除了高规格配置“坚牙利齿”外，还需要在切削前喷撒专门的泡沫制剂以及加浆系统，这有点像我们口腔中的“唾液”，有助于刀盘掘进作业。
在济南地铁2号线施工中，宝长区间近半是极硬岩，并且夹杂着大量孤石，地质条件极为复杂。要啃下这个“硬骨头”，就需要使用不同寻常的刀盘了。据悉，“高配”刀盘重量高达八九十吨，比普通刀盘要重10吨左右。即便如此，盾构掘进也是非常困难的。盾构机每转一圈只能磨下指甲盖大小的石块，平均每掘进1米就要消耗1.5把刀具。
专线供电，液压推进
对于盾构机这样一个大块头机械装备，一举一动都离不开能源的支撑。现代盾构机的动力一般来源于电力，但要把电力转化为盾构机前行的动力需依靠推进系统来完成。这里所说的“推进系统”是由盾构千斤顶和液压装备组成的。它们承担了整个盾构机前行动力的传递，使得盾构机能够按照设定的路线进行工作。盾构机之所以采用液压系统来完成动力的传递，是因为盾构机具有大功率、变负载以及动力远距离传递和控制等方面的特点。
盾构机的功率一般在几千千瓦到1万多千瓦不等，需要专线进行供电才能满足工作要求。一般来说，盾构机基本上是不间断作业的，在推进系统的推动下只能前进不能后退。如果中途停电，不但会影响施工进度，而且会带来安全隐患。
掘进排土，有条不紊
盾构机掘进打洞是需要排土的，不然怎么能造隧道呢？那么，这些土都到哪儿去了？
原来，在盾构机的头部配置有一个泥浆储罐（土仓），主要是用于储存掘进过程中产生的泥浆。不过，这只是一个临时的储罐，当液位达到一定高度时就得把泥浆排出去，否则会影响盾构机的掘进进程。
为此，在盾构机内部装备有专门的渣土皮带输送系统。该系统与泥浆储罐相连，主要由输送带、洞内水平皮带机、垂直夹带机、转载机、滚筒拉紧等装置组成，可以不断地把泥浆储罐中的泥土直接传输到地面渣土池，全程采用自动化控制。
封固隧道，一次成型
盾构机的缓慢掘进，排出的是渣土，留下的是隧道。不过，其身后的隧道会不会随着盾构机的离去而发生坍塌呢？如果不采取加固措施的话，发生坍塌似乎是不可避免的。
现代盾构机自带双护盾，集开挖、支护、出渣于一体，并能实现隧道的一次成型。原来，盾构机拥有一个拼装系统，是专门用来封固隧道的。
由工人操作拼装机为挖掘好的隧道壁安装管片来加固隧道，由一片接一片的管片紧贴隧道壁整齐排列，从而支撑起掘出的隧道，使其不发生坍塌。这里所说的管片，实际上是一种月牙形的巨型钢筋混凝土盾壳。
据悉，管片之间都是由高强度螺栓连接的，因此可以使隧道—次成型。填空注浆也是封固隧道必备的工序，主要是用掺有速凝剂的水泥砂浆来填充管环与周围的空隙，以保证隧道的受力均匀和位置稳定。
千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上，每拼装一环管片就向前推进一个衬砌环间宽度。这样沿着盾构机前行的轨迹，相继进行环形隧道管片的安装加固，最终一个完好的隧道就诞生了。
智能控制，精益求精
有人会问，盾构机在地下几十米进行隧道施工，靠什么来辨别方向？这是一个很好的问题。
随着激光、计算机以及自动控制等技术的成熟，盾构机激光导航系统应运而生。有了激光导航系统，就等于为盾构机装上了“火眼金睛”。有了这个“火眼金睛”，盾构机不仅不会“迷路”，而且控制精度也达到了毫米级。
激光导航系统是如何实现的呢？原来，在工作井后面的墙壁上安装有激光束发射装置，而安装在机头内的“激光眼”则为激光接收标靶（黑色盒子）。在控制室的显示屏上，能够动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，从而确保盾构机沿着正确的方向掘进。
那么，盾构机在地下能拐弯吗？盾构机的掘进是按照既定的设计路线来施工的，因此该拐弯的地方还是要拐弯。高精度的测量和导航系统可以为盾构掘进提供准确的状态监测和导向信息，以此确保盾构机沿着设计轴线进行掘进。
盾构机是没有方向盘的，一旦需要拐弯，可以按照预先计算好的盾构机中轴线与激光之间偏离的角度，通过精密控制千斤顶的伸长和收缩来调整盾构机的方向。由于盾构机体形长、重量大，转弯时需要多次调控，因此每次转弯都需要很长时间才能完成。
盾构传奇，说不尽的中国故事
有着“机械制造皇冠上的明珠”之称的盾构机，一向是建造地铁、铁路、公路、隧道等的神器。就世界而言，未来城市管廊建设与日俱增，因此盾构机具有巨大的市场需求空间。
隧道越江，油气“咽喉”
今年有望貫通的“万里长江第一长隧”，是中俄东线天然气管道工程南段工程的“咽喉”，是目前世界油气领域单向盾构掘进距离最长的油气管道穿江盾构工程。
据悉，中俄东线天然气管道是中国口径最大（1422毫米）、压力最高（12兆帕）的长距离天然气输送管道，是中国油气四大战略通道之一。该通道在中国境内北起黑龙江黑河，南至上海白鹤，全长5111千米，途经黑龙江、吉林、内蒙古、辽宁、河北、天津、山东、江苏、上海9个省（市、区）。
中俄东线天然气管道工程分北、中、南三段建设，开建于2015年6月，如今北段和中段已经供气。现在，南段的隧道越江工程也是捷报频传。据悉，“畅通号”盾构机是为此次隧道越江工程“量身定制”的专用工程机械。该盾构机长146米，直径7.95米，重达1252吨。
此次穿江之旅，从北岸始发井到南岸接收井全程10226米，其中江底掘进7500米。独头掘进10226米本身就是一个传奇，而隧道越江7500米则摘取了“万里长江第一长隧”的桂冠。
