【工业之美】这个具有200年历史的庞然大物正在帮助马斯克挖掘地下隧道

世界上型号最大、挖掘速度最大的土压平衡盾构机Bertha(贝莎)直径达17.5米,长110米,总重量为7000吨,速度达3.6米每小时。其刀盘由260个不同种类合金盾构刀片组成。

“不要再等待戈多了,”特斯拉兼X SPACE CEO埃隆·马斯克表示,“戈多”正在挖挖挖。

这位标新立异的CEO除了新能源汽车和火箭项目外,又将目光转向了挖掘地下隧道。这家名叫Boring Company的钻孔公司,旗下的第一台盾构机“戈多”目前正在洛杉矶地下挖掘隧道。待隧道贯通后,洛杉矶国际机场与周边多个地区将连城一线,洛杉矶糟糕的交通状况也将得到缓解。

按照马斯克的计划,这家钻孔公司将通过隧道改变城市交通。未来,私家车、地铁,甚至正在研究的超级高铁和未来式雪橇都将被放入隧道。

和其他隧道一样,马斯克建造的洛杉矶隧道费用高昂。其地铁紫线延长2.6英里,耗资将超过24亿美元,工期近10年。“一亿美元一英里,”马斯克说。

隧道在城市交通中的作用日益重要,盾构机——作为隧道掘进的主要施工机械,也成为部分高端制造企业研究的重点。

现代的盾构机不仅具有开挖切削土体、输送土碴的功能,还能拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。只要盾构机开过,隧道就基本成型了。在某种意义上说,“国之重器”盾构机代表着一个国家制造业和工程施工的尖端技术。

目前的盾构机主要分为泥水式盾构机和土压平衡式盾构机两类。

泥水平衡盾构机适用于地下水压大,土体渗透系数大的地质状况,广泛用于过江过海等公路铁路隧道的施工。来源:北方重工
土压平衡盾构机,主要适用于地下水少,渗透系数较小的粘性地层、砂性地层和砂砾地层。来源:北方重工

与多数机械设备不同,盾构机不能批量生产而只能量身定做。制造商需要根据地质情况,有针对性地设计和制造相应的盾构机或在盾构机上加装相应装置。

盾构机已有近200年的历史。早在19世纪初,法国工程师布鲁诺尔(M.I.Brunel)在观察船蛆在船的木头中钻洞时发现,,船蛆从体内排出一种粘液用以加固洞穴,他得到启发并由此提出了盾构雏形。1825年,工程师们在英国伦敦泰晤士河底用一个矩形盾构建造了世界上第一条水底隧道(宽11.4米、高6.8米)。

这个最原始的盾构机由12块垂直并排的大铁板组成,盾构机每块垂直铁板超过7英吨重,整个盾构机重约80英吨,同时两块铁板划分成水平3列为上层和中层提供立足点,由此构成36个工作空间。

但是与现代盾构机通过马达推进,通过机械辅助运送渣土、铺贴隧道墙面不同,当时的盾构机几乎是纯人力的。

在盾构机的36个工作空间内,每一个空间靠着钻挖方向的泥土有一块可移动的门板,一名工人将门板移开后将前面一定量的泥土挖走再将门板用工具固定,当盾构机前方的泥土已经被挖走,工人就转动螺丝令盾构机往更深处推移,盾构机上的工人一面挖走泥土,另一批工人就不停在背后敷设砖墙。钻挖的进度非常缓慢,隧道每周推进约3-4米。

随后日本和德国的制造商通过技术改进,创造出了使用寿命更长、适用各种地质条件的盾构机。

目前,世界上型号最大,挖掘速度最大的土压平衡盾构掘进机是由日本日立造船公司在2012年建造的Bertha(贝莎)。该盾构机直径17.5米,长110米,总重量为7000吨,速度达3.6米每小时。刀盘由由260个不同种类合金盾构刀片组成。

将如此庞大的设备放入地下是一项充满挑战的工程。施工方需要找一个地方挖一处深井,将拆解后的盾构机部件分步骤放入深井,再到深井里组装。

盾构机主机组装时需要两台吊机同时作业,沿盾构井依次下放前体、中体、刀盘、管片安装机、盾尾。然后安装螺旋输送机、设备桥链接延长管线电缆。经过调试,盾构机就可以破除洞圈围护结构,盾构贯入主体,就可以开始掘进工作。

盾构机安装过程

盾构机在工作过程中通过刀盘旋转,切削泥土,破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓,通过螺旋输送机运到皮带输送机上,再由轨道内的渣车运送到其他地方。

盾构机主机横截面图。来源:Inside

刀盘上刀具的更换对于工程人员来说同样富有挑战性,作业人员需要爬入刀盘内部,使用吊链拆卸重达272kg的刀具,每把刀具的拆卸、检查、更换与重新安装都需要20个小时左右。

盾构机从三十余年前开始在中国流行,此前,盾构机技术主要由外国少数几家制造企业垄断,由于中国盾构机市场需求逐渐扩大,定制盾构机价格昂贵,中国企业在十几年前开始自主研发制造盾构机。

2015年,有中国铁建集团和中铁十六局集团合作研发的、中国首台具有完全自主知识产权的铁路大直径盾构机在长沙下线,填补了国内铁路大直径盾构机自主品牌的空白。

该盾构机开挖直径8.8米,适用于多种复杂地层,将服务于地质情况极为复杂的广珠城际轨道交通线。

中国首台具有完全自主知识产权的铁路大直径盾构机的刀盘。来源:中铁十六局集团

今年7月,由中国铁建重工集团、中铁十六局联合研发的盾构机正式装车运往俄罗斯,并服务于莫斯科地铁建设,这也是中国高端地铁隧道施工装备首次出口欧洲。

超级中国之盾构机

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