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盾构机挖掘地铁隧道示意图 |
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盾构机前部构造示意图 |
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岩石盾构机推压刀盘的液压千斤顶 |
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日本制造的“贝莎”盾构机刀盘 |
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日本制造的“贝莎”盾构机尾部 |
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盾构机最初发明人马克·伊萨姆巴尔德·布鲁内尔（油画） |
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建于1825年的伦敦泰晤士隧道使用了盾构机 |
撰文/供图 刘植荣 过日子不能总宅在家里，也要出行，或上下班通勤，或公务出差、观光旅游，出行就又离不开地铁、铁路和高速公路，当你乘地铁、坐火车、上高速时，你可曾想过：穿行其中的那些隧道是怎么挖掘的？ 早期挖掘隧道是人工加爆破 过去，隧道的挖掘方式都是人工开凿加爆破，对土层和碎石地质而言，用人工开凿，在掌子面用镐头、铁锹等工具挖掘；对岩石地质而言，镐头、铁锹就挖不动了，必须借助炸药，在掌子面用炸药把岩石炸碎，然后再把碎石运出隧道。 “掌子面”是土木施工术语，这里指的是隧道施工时不断向前推进的挖掘工作面。 就地铁隧道而言，过去大都采用“明挖填埋法”工艺，即是先把街道破坏，大揭盖挖出一条沟渠，然后在沟渠里浇筑隧道壁，隧道建好后再用土方掩埋夯实，重新把街道修好。中国大陆早期地铁隧道用“明挖填埋法”挖掘，后来才采用“盾构机挖掘法”。广州首条地铁线(一号线)建设就采用盾构机挖掘隧道。 近百年来，盾构机逐渐在隧道挖掘工程中流行起来，目前，较长的隧道挖掘基本上都用盾构机。 英国1825年便用盾构机挖掘隧道 “盾构机”是在中国的称呼，国际上一般叫“隧道钻机”（TBM），土木工程行话叫“鼹鼠”，因为它就像鼹鼠那样在地下挖洞。 1825年，英国挖掘泰晤士隧道时就用盾构机，这台盾构机是由法裔英国工程师马克·伊萨姆巴尔德·布鲁内尔爵士发明的，他还申请了盾构机专利。泰晤士隧道长396米，从伦敦泰晤士河底穿过。 1845年，法国到意大利的国际铁路开建，这条铁路横贯阿尔卑斯山脉，需要在海拔1123米的高度挖掘弗雷瑞斯隧道，这条隧道长14公里，是当时是世界上最长的隧道，隧道从海拔2932米的弗雷瑞斯峰下贯通，也就是说，隧道上面的岩石最大厚度是1809米。 为修建这条隧道，亨利·约瑟夫·茂斯发明了“开山机”，于1846年在意大利都灵附近的一个兵工厂制造。“开山机”的样子像一个火车头，前面有100多个震动钻头，用这些钻头把掌子面上的岩石捣碎。“开山机”已经具备了现代盾构机的一些功能。 1853年，美国人埃比尼泽·塔尔博特申请了盾构机专利，专利名就是“Tunnel Boring Machine”（隧道钻机）。 1870年，英国人约翰·D·布鲁顿研发制造了带刀盘的盾构机，和现在广泛使用的盾构机已十分接近。 1875年，法国国民议会通过法案修建英吉利海峡隧道，选定用英国盾构机挖掘。1882年6月至1883年3月，盾构机在英国一侧挖掘了1882米；修建苏伊士运河的法国承包商亚历山大·拉瓦勒在法国一侧用盾构机挖掘了1669米。实践证明，用盾构机挖掘隧道效率非常高。但由于法国后来担心英国利用英吉利海峡隧道进攻法国，该工程在1883年终止了。 盾构机在英吉利海峡隧道上的成功鼓舞了众多土木工程师。1883年，英国用盾构机挖掘了别根海特至利物浦的墨西河河底隧道，直径2.1米，长2公里。 进入20世纪，人们不断对盾构机进行改进。现在，各式各样的盾构机每天在世界各地的隧道工程中不停地运转。 盾构机是怎样挖掘隧道的？ 从盾构机的国际通用名称“隧道钻机”更容易理解它的工作原理：它就是一个大钻机，在地下或山体上钻出一个洞来。 盾构机可称得上是土木工程中最大的施工机械，大的直径有十七八米，长度有一百几十米。盾构机最前面是一个巨大的刀盘，刀盘上有刀头阵列，掘进时靠刀盘转动切削掌子面上的土石，渣土从刀盘空隙流入渣土仓，由螺旋机把渣土传送到皮带输送机上，再转到另一条更长的皮带输送机运到隧道外的渣土处理场，也有的是用轨道渣土车运到隧道外。 有点常识的读者应该明白，刀盘后面如果没有推力，是无法切削掌子面上的土石的。那么，怎么给刀盘推力呢？ 这个推力来自盾构机自带的液压千斤顶。如果在坚硬的岩石上挖掘隧道，盾构机上两个巨大的液压千斤顶斜着向后顶在开挖后的隧道两侧的岩石壁上，向前猛力推刀盘切削掌子面。 如果在松软地质层挖掘隧道，上述方法就不能用了，因为液压千斤顶顶到松软的隧道壁上就陷进去了，无法提供推力。这时，就要用另一种方法，让数个小型液压千斤顶同时顶在后面安装好的衬砌管片上，向前水平为刀盘提供推力，这也是目前地铁隧道常用的盾构方法。 衬砌管片就是我们在隧道里肉眼看到的隧道表层的钢筋混凝土预制件。这些管片是在地面钢筋混凝土预制场制作的。管片被运进隧道口后就不再需要人工干预，从输送到安装完全自动化。 衬砌管片的宽度要与液压千斤顶每次向前推进的距离相匹配，也就是说，液压千斤顶每次向前推进多少厘米，管片的宽度就是多少厘米。当液压千斤顶推到尽头时，刀盘停止旋转切削掌子面，此时盾构机的护盾区间进行绕隧道一圈的管片拼装。盾构机上的管片拼装机像人手一样灵巧，可移动，可旋转，可伸缩，把管片稳稳妥妥地拼装到位，精度达到毫米级。 当要拼装一片管片时，负责顶这个管片的几个液压千斤顶会收缩，留出一定的空间拼装管片。管片拼装到位后，液压千斤顶再伸出来轻轻顶住它，以此类推，直到这一圈的所有管片拼装到位。此时，所有液压千斤顶开始均匀加压，一起顶着新拼装的一圈管片，靠反作用力向前推刀盘继续切削掌子面，向前掘进。 盾构机在施工时，刀盘切削掌子面与拼装管片交替进行，盾构机整体在液压千斤顶的推动下向前一步一步移动，直至把隧道挖通。如果地质松软，每天可掘进几十米；如果遇到坚硬的岩石，每天只能掘进几十厘米。 衬砌管片与隧道壁之间的空隙要用灰浆填充，以此来加固管片，保持整体内衬层的稳定性，并防止水向隧道渗漏。 上面讲的这一系列复杂的工序都是盾构机自动完成的。盾构机内有个中央控制室，盾构机各关键部位均有传感器，将采集的数据传到中央控制室，操作员通过显示器上显示的各种数据，便知道盾构机的工作情况，并在必要时进行干预。 刀盘上的刀头要经常保养更换。刀头上也有传感器，当刀头温度升高到一定数值时，就会向中央控制室发送报警信号。 盾构机在隧道里如何转弯？ 读到这里，可能有读者会问，盾构机在隧道里能转弯吗？ 当然能。城市地铁隧道大都在街道下面挖掘，隧道沿街道走向设计，要不断转弯，并根据地下情况“上蹿下跳”。公路和铁路隧道，也要根据地貌、地质和水文情况选线，这也要求盾构机能360度转向。 盾构机转弯靠用衬砌管片改变刀盘切削方向来实现。在需要转弯的地方，每一圈衬砌管片的宽度是不同的。如果向左转弯，右侧管片的宽度依照转弯半径就设计得比左侧管片宽些，这样，右侧的液压千斤顶就把刀盘顶得向左倾斜，实现左转弯。如果右转弯，左侧管片的宽度依照转弯半径就设计得比右侧管片宽些，这样，左侧的液压千斤顶就把刀盘顶得向右倾斜，实现右转弯。“上蹿下跳”的转向原理同上。 目前世界上最大的盾构机直径17.5米 2006年9月15日，加拿大用于引水灌溉的尼亚加拉隧道开钻，该隧道长10.2公里，从加拿大安大略省尼亚加拉瀑布市地下140米深处穿过，用的盾构机是美国罗宾斯公司制造的“大贝基”，直径14.4米，刀盘由15台电动机驱动，功率470万瓦特（6375匹马力），当时是世界上最大的盾构机。之所以要在如此深的地下挖掘隧道，是为了防止盾构施工给地面建筑带来影响。 2011年，意大利佛罗伦萨附近5030米长的斯帕沃隧道开钻，用的岩石盾构机是德国海瑞克公司生产的“玛蒂娜”，盾构直径15.62米，长130米，重4500吨，挖掘横断面192平方米，总功率18兆瓦特，推力4万吨。德国海瑞克公司还设计了直径19.25米的盾构机，但至今尚未建成。 日本日立造船株式会社2012年制造的盾构机“贝莎”，直径17.5米，长110米，重7000吨，刀盘有260个刀头，该盾构机由美国华盛顿州交通局订购，用于99号公路阿拉斯加高架桥替换隧道挖掘（该隧道上下两层行车道），这是迄今世界上最大的盾构机。 盾构机挖掘隧道的优缺点 用盾构机挖掘隧道有诸多优点。它不受地面因素影响，可以全天候施工；它也不破坏地面建筑、文物和自然环境，属于生态环保施工；由于挖掘、出渣土、衬砌管片全部实现自动化，节省了大量劳动力，降低了事故风险。 用盾构机挖掘隧道的主要缺点是初期投入成本太大，多数盾构机都是根据隧道设计图纸定做，施工准备周期长，维护成本高昂，挖掘短隧道经济效益较低，一般而言，隧道长度超过1公里才具有经济效益。 最后提及的是，盾构机并非只能挖掘圆形隧道，也可设计成挖掘任意横断面隧道，如矩形隧道、椭圆隧道等。人们也用盾构机挖掘输水管道和排污、排水管道，甚至挖掘电力管道等。
