盾构机的发明,竟缘于可恶的船蛆

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-04-11

高度复杂的盾构机,不愧是人类隧道建设的“开路先锋”!

随着我国隧道工程建设步伐的加快,“盾构机”的名字开始走进公众层面。近期,我国研发的超大直径盾构机,不仅走在了世界前列,而且还出口到了海外市场……

那么,盾构机是怎样被发明出来的呢?关于盾构机还有哪些鲜为人知的故事呢?

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盾构机(网络图)

让哥伦布讨厌的船蛆,却为我带来了灵感

18世纪末,英国人计划在伦敦地下修建一个横贯泰晤士河的隧道。然而,在当时的施工技术条件下,修建如此规模的河底隧道简直比登天还难!

1798年,泰晤士河隧道工程进入操作阶段。但由于多种难以克服的困难而使工程被迫中断。法国工程师布鲁诺尔是一个有心人,因此一直惦记着泰晤士河隧道工程问题。

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木材中的船蛆(见水印)

一个偶然的机会,布鲁诺尔发现了一种船蛆的钻洞行为很有意思。那么,什么是船蛆呢?原来,船蛆为一种软体动物,因其穴居木制船舶而危害船舶,因此被称为船蛆,又被称为凿船贝。

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科学家在菲律宾发现的巨型活船蛆(图片见水印)

这条巨型船蛆生活在一个硬壳内,以木材为食,用一个阀门状的器官(V)进食,并且有两个虹吸管(S)吸水和排水。

船蛆在世界各地的海洋中都有分布,对海洋中的船舶等木质设备都具有严重的破坏性。1503年6月,哥伦布第四次航海到南美洲的牙买加。肆虐的船蛆毁掉了哥伦布船队的一半船只,航海队员不得不停靠在牙买加的一个小岛上。

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布鲁诺尔(网络图)

由于水手们与当地居民发生了冲突,因此当地居民不给船队提供淡水和食物了。就是这种让哥伦布头痛的船蛆,却为布鲁诺尔带来了灵感。

布鲁诺尔仔细地观察了船蛆在船通体中的钻洞行为,并发现它还会从体内分泌一种液体涂在孔壁上形成保护壳,以抵抗木板潮湿后发生的膨胀……

布鲁诺尔从这个现象中获得了灵感,连呼——“我有办法了!” 自然,布鲁诺尔还是要感谢这个船蛆的。于是,布鲁诺尔提出了盾构掘进隧道的原理,并取得了英国的专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。

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布鲁诺尔在英国取得的盾构专利(网络图)

1818年,布鲁诺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。布鲁诺尔的盾构机为一种金属圆柱体,内有复杂的机械和辅助设备。由千斤顶推动金属筒框向前水平前进,并有金属筒框支撑土(岩)体防止塌方,同时还在金属筒框后进行衬砌结构的施工。

二十五年铸一“盾”,影响后世二百年

作为一个训练有素的工程师,布鲁诺尔对自已的盾构施工法信心满满。随后,布鲁诺尔被任命为该隧道工程的工程师。1823年,布鲁诺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。

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布鲁诺尔发明的盾构机首次应用于隧道施工(网络图)

1825年,他发明的矩形盾构机首次应用于伦敦泰晤士河隧道施工。该矩形盾构断面高6.8米,宽11.4米。泰晤士河隧道作为世界上第一条水底隧道,刚开始还是顺利的。

然而,在修建过程中却遇到很大的困难,曾发生过河水进入隧道,以及沼气进入隧道被照明灯点燃,从而造成了人员伤亡等事故。但布鲁诺尔并没有灰心丧气,他一面总结失败的教训,一面对盾构机进行改进。

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泰晤士河水底隧道(网络图)

漫长的7年改进,矩形盾构机早已是今非昔比了。1835年,经过改良的盾构施工法再次投入使用,又是数年的精心施工,终于于1843年建成泰晤士河水底隧道。

布鲁诺尔发明的盾构机,其构架分成36个小单元,每个单元内有一名矿工把他面前的粘土挖开。当许多名矿工挖去同一数量的粘土时,构架就可以向前移动了,挖空的地方被铺上砖块。

布鲁诺尔发明的盾构机是人类历史上隧道施工的一大技术突破,其技术原理为现代盾构机设计奠定了基础。需要说明的是,在发明过程中,布鲁诺尔的儿子也是有贡献的。 

泰晤士河隧道是世界上第一条采用盾构技术挖掘的隧道,因此是隧道工程史上一个具有重大意义的里程碑。为表彰布鲁诺尔对泰晤士河隧道的伟大贡献,英国维多利亚女王授予其爵士爵位。

泰晤士河隧道长约合396米,高约合23米。如今,泰晤士河隧道已成为伦敦地铁系统的一部分,每天有数以千计的伦敦人匆忙地穿过这条绚丽的隧道。同时,泰晤士河隧道还成为了一个举世瞩目的公共景点。

在实战中成长,从手掘走向智能

盾构机的全称为盾构隧道掘进机(Tunnel Boring Machine),有时候也可以简称为盾构。盾构机作为一种隧道掘进的专用工程机械,可广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

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邮票上的盾构机(网络图)

布鲁诺尔发明的盾构机是手掘式盾构机,为盾构机的初级形态。尽管该发明的意义非凡,但仍没有摆脱手掘的束缚。我们通常把布鲁诺尔发明的盾构机称为第一代盾构机。

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世界上第一个机械化盾构机(英国专利,1876年)

机械化盾构机的研发是盾构机演化史上的一个重要的里程碑。第一个机械化盾构的专利是英国的布伦敦等人于1876年申请的,其进步的标志是采用了压缩空气,从而用机械开挖代替了人工开挖。通常把机械式和气压式盾构机称为第二代盾构机。

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现代盾构机(网络图)

第三代盾构机以闭胸式盾构机为代表,主要包括泥水式盾构机和土压式盾构机。泥水平衡式盾构机是通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面,弃土以泥水方式排出的盾构机。土压平衡式盾构机是通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面,弃土可以从出泥舱排出的盾构机。

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盾构机的发展历史(网络图)

第四代盾构机以大直径、大推力、大扭矩以及高智能化合多样化为主要特色,正在隧道建设中发挥着重要作用。研制具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的盾构机及其控制系统,是未来盾构机的发展方向。

走近“钢铁蚯蚓”,揭“打洞吞土”秘密

盾构机素有“钢铁蚯蚓”之称,是目前隧道施工的主要装备之一。盾构机一般可分为盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四个部分。

其中的盾构壳体是指盾构机外部的圆柱体壳体,作为支护可以防止地层的坍塌。盾构机的前部主机有点像一个巨大的电动刮须刀,只不过它刮的是泥土而不是胡子。为了让原本坚硬密实的土壤变得蓬松一些,可以在切削土体前先向土体喷上一些专门制作的泡沫剂。

盾构机在工作的时候,是利用其回旋刀具进行开挖的。盾构机前端的刀盘每转一圈,就会切削下不少泥土呢!这样一来,盾构机就能整体前进一段距离,并把挖出的渣土“吐”出去。

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盾构机在城市隧道建设中建功立业(网络图)

原来,盾构机内部装备有专门的出土系统。原来,在盾构机的刀盘后方有一个收集渣土的土仓,用来盛装盾构机切削下来的泥土。在土仓的后面装有螺旋输送机和传输皮带,可以不断地把土仓中的泥土运送到盾构机后部的拖车中去。

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盾构机工作过程示意图(网络图)

盾构机的动力来源为电力,功率在几千千瓦到一万多千瓦不等,需要专线进行供电。盾构机的推进系统由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构千斤顶需要克服盾构机重以及周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力。

至于拼装系统,则是由工人操作拼装机拼出一环厚厚的钢筋混凝土盾壳(管片),从而支撑起掘出的隧洞不发生坍塌。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。

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现代盾构机的“大脑”——控制系统(见水印)

在漆黑的地下工作,“钢铁蚯蚓”如何确保前进的方向呢?原来,现代盾构机都安装有高精度的测量和导航系统,因此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。

从无到有的突破,全面抢占“制高点”

中国盾构机开发和应用起步于1953年,东北阜新煤矿首次用手掘式盾构修建疏水巷道,从而揭开了中国盾构机从无到有的历史。

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我国第一台具有自主知识产权的复合式盾构机(2008年)

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。

短短65年的时间,我国盾构机不仅实现了从无到有的突破,而且在引进推广的同时坚持自主创新,从而掌握了各种不同规格和类型的盾构机的生产技术。如今,盾构机已成为我国地铁等隧道工程建设的常规装备,在许多领域都发挥了重要作用。

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所垄断。为了改变这种受制于人的局面,我国科学家通过技术攻关突破了多项核心技术,从而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。这是迄今为止我国自主设计制造的最大直径的泥水平衡盾构机。标志着中国盾构机的设计制造水平正在向高端化迈进,并正在全面抢占世界掘进机技术的制高点。

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我国出口孟加拉国的超大直径盾构机(网络图)

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,并将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,将终结欧美国家对海外市场的垄断。

人物小传:

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隧道盾构法发明者——布鲁诺尔

布鲁诺尔(Marc Isambard Brunel)(1769~1849),著名法裔英籍工程师。1793年流亡美国,1798年侨居英国。在美国期间,布鲁诺尔先后成为工程师和建筑师。布鲁诺尔侨居英国后,曾经获得盾构专利权,这种盾构被命名为布鲁诺尔盾构 (Brunel Shield)。布鲁诺尔作为盾构隧道的发明人,为英国的铁路建设做出了杰出贡献。

泰晤士河隧道是世界上第一条采用盾构技术挖掘的隧道,因此是隧道工程史上一个具有重大意义的里程碑。1843年,泰晤士河隧道建成。英国维多利亚女王授予布鲁诺尔爵士爵位,以表彰他对工程学的伟大贡献。

参考文献

【1】CCTV-10科教频道-创新一线.《中国盾构机》,央视网, 2018-02-12。

【2】环球时报.《中国制造超大直径盾构机将出口海外,终结欧美垄断》,环球网,2018-03-15。

【3】周文波.《盾构法隧道施工技术及应用》(M),中国建筑工业出版社,2004年版。

【4】崔金泰 著,杜晓西 绘图.《中国骄傲 桥梁和隧道》(M),北京师范大学出版社, 2013年版。

【5】山西晚报,李晶.《登上“龙城一号”盾构机 体验太原地铁隧道施工“洞中天地”》,新华网,2017-05-04。

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