2018-11-23

                                如果我要挖一条隧道，能跑火车那么大，它就该上场了！

据统计截止2018年10月我国高铁总里程已经超过2万公里，另外已经有20多个城市拥有地铁“中国速度”嫣然成为了高效、便捷的代名词。众所周知，铁路以及地铁都需要足够大的隧道容纳车的运行，并且由于安全问题，一般都不能离地面太近。那么你是否想过隧道是怎么挖出来的？靠人力挖效率不高，靠爆破危险系数大，于是有了这样一种机器，它在先前挖掘的过程中还会固定周边的结构以防止坍塌，这就是如今普遍用于地铁、水电、铁路、市政、公路等隧道工程中的盾构隧道掘进机，简称盾构机。目前，我国有数百台盾构机在投入使用，过去大约85%都依赖进口，2015年随着我国国产首台铁路大直径盾构机下线，打破了国外近一个世纪的技术垄断，为我国城市化建设和铁路网络建设添上一笔浓墨重彩。

盾构机从发明至今已有将近两百年的历史，最开始出现于英国，发展于日本、德国。从上世纪90年代起，随着交通、水电工程方面对于大型掘进机需求的增加，盾构机也不停的在演化发展。通过在一些恶劣地质环境下对盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起和塌陷范围以及刀具的使用寿命等方面的探索和研究使盾构机技术慢慢趋近成熟。据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂集中在日本和欧美，其中以日本为代表的有三菱重工。1989年三菱提供了2台土压盾构用于英法海峡隧道建设；1992年应法国政府需求，为法国里昂高速公路制造了直径为10.96m的土压盾构；1993年制造了现今最大的双圆盾构；1994年制造了3台当时最大的泥水盾构用于日本东京湾隧道的建设。此外，还有川崎重工、日立造船公司等。欧美主要以德国为代表，据统计欧洲市场中有超过70%使用的为德国制造，其中最具代表性的如海瑞克公司、维尔特公司，值得一提的是海瑞克在其将近30年的隧道施工行业中，在中国参与并完成了香港、北京、天津、广州、深圳、南京、重庆等多个城市的地下隧道及越江隧道工程。各个厂家还可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及需求单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要。

国产首台铁路大直径盾构机（8.8米） 图片源自新浪  

盾构机通常由刀盘、前盾、中盾、尾盾、螺旋机、拼装机、车架、连接桥、通风系统、排土系统、电气系统等组成。

盾构机主要组成部件  图片源自百度图片

盾构机的工作原理就是依靠一个圆柱体型的钢组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未固定衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，既承受周围土层的压力，有时还要承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业都是在护盾的掩护下进行。

盾构机内部效果图  图片源自360图片

通俗的讲我们之所以叫它盾构机是因为从正面看过去它就像是一面巨大的盾牌一样，最前端配有切削刀盘，在先前挖掘的时候把泥沙石头吃进“嘴”里，通过“肚子”里的各种“消化器官”，把这些高浓度泥水里的泥沙分离，沙子排出去，剩下的泥浆则输送回开挖面提供压力，以提供整个开挖面的压力，不至于坍塌。如此挖掘、排土、推进，往复循环，隧道就完成了。

盾构机工作原理图     图片源自百度

世界上最大的两台盾构机是由德国海瑞克制造，分别用于俄罗斯奥尔洛夫隧道和香港屯门-赤腊角海底隧道的建设，两台直径分别达到19.35米和17.6米的盾构机，不过前者因为资金问题已经停工。现役世界第二大盾构机，直径17.45米，2012年由日本日立造船公司为美国打造，正在为西雅图隧道工程使用的土压平衡盾构机。我国自主研发的超大直径盾构机由中交天和机械设备制造有限公司制造，这台直径达12.12米的超大直径泥水气压平衡盾构机，将首次出口外国，用于中国在海外最大的盾构公路隧道项目——孟加拉国卡纳普里河底隧道工程，这也创造了南亚地区投入使用的最大直径盾构机记录。

中交天和直径12.12米泥水气压平衡盾构机  图片源自新浪网

现在随着应用领域逐渐增大，技术不断进步，许多硬岩TBM也采用盾构技术，TBM（Tunnel Boring Machine）本身就有隧道掘进机的意思，为了避免叫法上的混乱，学术界提出了采用“硬岩TBM”和“软岩TBM”两种称呼来区分开这两种设备。可以预见的是随着该设备的技术开发与应用，在我国地下隧道工程、水电工程领域将具有十分广阔的前景。

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