掘进，一路向前

2024-12-14北极星

中学生百科·悦青春 2024年12期

一条虫给予的灵感

19世纪初，工程师布鲁诺尔想在泰晤士河下建一条隧道。一个偶然的机会，他发现了船蠕虫，又叫船蛆。这是一种蛤类，头上有锯齿状利齿的壳，能够轻易啃开木头得以钻进去。为避免木头受潮后膨胀挤压其生活空间，甚至压扁那柔软的身躯，它分泌了一种黏稠物质，硬化后形成一个“圆柱体”屏障，可防止挖出的生存通道坍塌。柔软的船蛆就像蜗牛背上了保护壳一样。布鲁诺尔受其启发，提出盾构掘进隧道原理，设计出手掘式盾构机的雏形。

盾构机是密封式的金属圆柱体，全名为盾构隧道掘进机，是一种用于隧道施工的机械设备，它内含刀盘系统、拼装机、输送系统、液压系统和导向系统等数个独立单元，流水线作业，被冠为“工程机械之王”，江湖上又称它为“地下航母”。

目前，盾构机有三种型号。刀盘直径小于8米的盾构机称为“小型盾构机”；刀盘直径大于等于8米而小于14米的盾构机称为“大直径盾构机”；刀盘直径大于等于14米的盾构机称为“超大直径盾构机”。

中国“破壁者”的逆袭

从19世纪初世界上第一台盾构机问世，到20世纪90年代，近两百年间，中国连小型盾构机都无法制造。当时基建工程建设所需的大直径、超大直径盾构机几乎完全依赖国外进口。

没有机器，没有技术，没有专门人才，中国只能花天价“求”着出口国供应盾构机。那些购置回来的盾构机老是出问题，工程项目也因此常常被耽搁。每次盾构机坏了只能请外国维修人员来修，且在外国维修人员维修期间严禁中国人靠近检修地点，更不能了解维修过程。同时还须支付高额的维修费用。

没有自己的核心技术，盾构机技术在那个时候卡住了我们的脖子。曾用算盘“拨”出原子弹、核潜艇等国之重器，突破西方科技封锁的倔强“愚公”们怎么可能会屈服？他们默默许下一个愿望：再苦、再难都要把这项“卡脖子”的盾构机核心技术啃下来。

2002年，中国将盾构机研究列入国家高技术研究发展计划，即“863”专项计划，这条自主研发之路一走就是十多年，从无到有，从进口到出口，从基础版到“世界首创”。

2008年，第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机“中铁一号”成功应用。自此，我们一寸又一寸地挣断人为加之于身的技术枷锁。

2011年，中国首台超大直径泥水气压平衡复合式盾构机“天和号”及“天和一号”成功研发。大型和超大型盾构机完全依赖国外进口的窘境被撕开一个大口子，完全自主研发的曙光即将到来。

2013年，中国研制出世界最大的矩形盾构机，国产异形盾构机开始走向海外。

2015年，首台拥有完全自主知识产权的国产铁路大直径盾构机问世。短短三年后，中国完全自主研发的超大直径盾构机成功下线，出口海外，广受欢迎。全球首创马蹄形断面盾构机也研制成功，自主创新不再是口号。

2022年，首台会“爬陡坡”的硬岩隧道掘进机“永宁号”面世，是对2015年研制出的硬岩掘进机的更新换代，性能更优秀，应用领域更广泛。

物美价廉、能转弯、能爬坡、人工智能化的“创新”盾构机一一问世，且占据全球市场70%的份额。国产盾构机的设计制造和技术也已步入世界先进领域，个别机型还是独占鳌头般的存在。

这一路走来，中国的盾构机技术从无到有，从弱到强，实现了跨越式的发展，完成了从技术输入国到技术输出国的转变，是中国科技实力崛起的最好证明。

巨无霸工作的名场面

盾构机是一种动辄数百米长、几层楼高、上千吨重的巨无霸设备，这么大的设备是如何挖掘隧道的呢？我们一起来了解一下它的工作过程吧。

隧道工程开始前，工程师先勘测好地质情况，规划好线路，并在起挖点建好基坑。为防止基坑坍塌，需要用灌注桩支护，即“打桩”。打桩就是在基坑面上钻出深孔，然后将混凝土灌进去。待混凝土自然凝固后，就变成了盾构机钻入地底世界的始挖井和地面“遮风挡雨”的落脚点。在工程师的指挥下，盾构机心无旁骛地向前冲，它能挖出一条条宽敞又坚固的通道。

为了方便运输，工人会将十几米高、几百吨重的巨无霸盾构机的圆形刀盘和外壳及其他构件拆开，小零件坐大卡车出发，盾体外壳钢板、刀盘等大零件坐邮轮。盾构机零部件通过起重机抓取，穿过工作井，到达地下施工现场后，再分块组装拼接起来，形成数个独立的工作单元。

当盾构机张开“血盆大口”，马力十足地开始工作时，圆柱体外壳用以作隧道挖掘时的强有力的临时支撑结构，有力抵挡地下水压和周围土层的压力。刀盘口上镶嵌着高速旋转的滚轮，往前转动推进的过程中能够“咬”断硬岩石，“嚼”成碎石块。刀盘边缘有一圈像牙齿一样的锋利刀头帮助切削大石头，让钻头工作得更轻松些。整个头部机身背后的液压千斤顶还能给予钻头千万吨的反推力，推动盾构机向前掘进，直至隧道到达预期深度。

刀盘上的钢牙有很多种，就像门牙切割食物，犬齿撕裂，磨牙研磨，分门别类地发挥着不同的作用。盾构机常配备的有先行刀、仿形刀、切削刀、滚刃和撕裂刀等。此外，盾构机还时不时往岩石层里吐上几口“泡沫剂”，帮助疏松岩层，使得刀盘上的上百颗“牙齿”损耗小一些。毕竟换一颗“牙齿”可太难了，费时又费钱。

随着刀盘的转动，盾构机将大部分掉落缝隙的岩土吞进大大的肚子里，通过悬挂在隧道拱顶上的匀速移动的“流水线”传送带传输，最后运送到渣土仓。小部分则被盾构机团起挤压到隧道内壁。掘进阶段的全过程中，为了凝实隧道面环段和岩石之间的缝隙，固定岩土层，平衡两侧压力，盾构机会吐出快速固化砂浆和膨润土填充。

盾构机每前进1.5米就会自动拼装预制的混凝土管片，这些管片直接组成了隧道内壁，管片与管片间的拼接处还必须喷上灰浆填充，这样可以保证隧道后期的水密性。整个管片拼接过程非常先进，由盾构机自动完成。可以说有了盾构机这种机械怪兽，一台大型机械从隧道穿过去，一条隧道就成型了。

作为国之重器，盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术为一体，涉及地质、土木、机械、液压等多门学科技术，有两万多个零部件，是衡量一个国家地下施工装备制造水平的重要标志。从本世纪初，我国开始盾构机的自主研发，制造出拥有完全知识产权的产品。现在中国盾构机家族系列越来越丰富，不仅有圆形盾构机，还有马蹄形盾构机、U形盾构机、上下组合式矩形盾构机、左右组合式矩形盾构机，直径从1米以下到15米，尺寸齐全。如今，中国的盾构机技术发展取得了举世瞩目的成就，中国已成为全球盾构机技术的领先者，从曾经受制于欧美国家，到如今成功逆袭。

这逆袭再次展现了愚公移山的精神，征服了世界。