“千萬豪車”掘進地下城，“基建狂魔”如何打造“鋼鐵穿山甲”？

|· 本文來自“我是科學家”·|

引言：我彎著腰問工作人員，衣服口袋沒有拉鏈，萬一手機掉下去還能找著嗎？工作人員低頭看看下面縱橫的管路和底部的泥水，對我說，應該能找到，不過找到的就是手機的“遺體”了。

我們跨過“管片鋪裝機”頂部，我差點把手機掉在這里。

01—走在盾構(gòu)機的“肚子”里

我們是從一條在建地鐵隧道的入口走近這臺由“中鐵裝備”制造的盾構(gòu)機的。也可以說是“走進”，因為經(jīng)過漫長的1.5千米的悶熱路程，我們不知不覺已經(jīng)進入了盾構(gòu)機的內(nèi)部。

隧道橫截面為圓形，人行通道很窄。

隧道的橫截面為圓形，這臺盾構(gòu)機橫截面就是這個形狀。在這里，人只能走在管壁兩側(cè)用鐵架搭起的步道上，很窄，迎面來人時雙方都得側(cè)著身子才行。隧道中間是一條鐵軌，不時有一人多高的渣土機開過，將前方發(fā)出的渣土運出去。在這里，人是圍繞機器運轉(zhuǎn)的。

隧道壁上不時出現(xiàn)這樣的紅色角鋼，這是測量用的基準點。

堆在地面的“管片”

我們跨過“管片鋪裝機”頂部，我差點把手機掉在這里。

后來我才知道，我冒著手機失落的風險爬過的這個架子叫做“管片鋪裝機”，它的作用是把“管片”貼到剛打好的隧道四壁，起支撐加固作用。管片是用鋼筋水泥澆筑而成的，厚且堅固。

最重的管片有八噸重，靠上面的提鈕很容易拉斷。

最重的管片有八噸重，靠上面的提鈕很容易拉斷。所以大型盾構(gòu)機的管片機是用真空吸盤將管片吸起來，這樣提拉力均勻分散了，管片也不會損壞。

液壓千斤頂，是盾構(gòu)機的驅(qū)動裝置。

盾構(gòu)機的刀盤后部有一圈液壓千斤頂，它們頂著已經(jīng)鋪好的管片的端面，把自己往前“推”。

泡沫混合液相當于“唾液”，便于刀盤咀嚼和攪拌巖石。

盾構(gòu)機相當于一條放大的若干倍的“蚯蚓”，前面的刀盤“吃”土，傳送帶將土從后部排出，而且不斷分泌“粘液”（泡沫），軟化土壤降低掘進難度。它通過的地方就形成了一條中空的隧道，隧道的內(nèi)徑就等于它的外徑。

盾構(gòu)機控制室

在盾構(gòu)機前進方向的左手邊，有一個控制室。它與任何復雜交通工具的控制室沒什么區(qū)別：按鈕、屏幕、通話器。不同的是，大多數(shù)交通工具的控制室可以看到外面，而這里只能用屏幕反映前方的景象。仿佛在潛艇中。

盾構(gòu)機啟動了，各種參數(shù)如圖。

為了讓我們對盾構(gòu)機的工作情況有個直觀的了解，工程師特意啟動了盾構(gòu)機。盡管是電力驅(qū)動（如果用內(nèi)燃機驅(qū)動，隧道內(nèi)很快就沒有氧氣了），但噪音依然很大，這是刀盤刮擦巖壁土層的聲音、這是各種液壓機構(gòu)、泵工作的聲音。大家的說話聲也不由得提高了。工程師讓我們自己在管壁上找一個參考點盯住，注意看盾構(gòu)機是否緩緩前行。但站在這每分鐘僅推進幾厘米的龐然大物身上，看出它的移動談何容易？我們很快都放棄了。

管片之間的接觸面，橡膠起密封作用，出廠才一個月。

渣土傳送帶。

走過控制室，視野中央出現(xiàn)了一條從前方延伸出來的傳送帶，它的起始點位于刀盤下部，末端位于盾構(gòu)機尾部。它負責把刀盤切削下來的巖石、泥土運到渣土車上。

挖出的土樣要留存歸檔。

手機掉到這里還能找到嗎？

前往盾構(gòu)機刀盤的最后旅程要跨越兩個相距一米的弧形鋼梁。上面沾滿了冷凝水，很滑。站在上面，只能弓著腰，頭不時會碰到天花板，雙手也沒有抓握的地方。我問工作人員，衣服口袋沒有拉鏈，手機掉下去還能找著嗎？工作人員低頭看看下面縱橫的管路和底部的泥水，對我說，應該能找到，不過只能找到手機的“遺體”。

返程的路依舊漫長酷熱

參觀完盾構(gòu)機、體驗了盾構(gòu)機工作時的偉力，我們從原路返回，仍是1.5千米的悶熱路程。顯然，這段地鐵隧道多長，工作人員每天就要往返多長。他們的辛苦可想而知。

02—隧道掘進的進化史

雖然目前的盾構(gòu)機操作還免不了人力，但比起之前的隧道掘進已不知輕松多少了。

工業(yè)革命之前的隧道挖掘就不提了。單說炸藥發(fā)明后，隧道掘進來到了“鉆爆法”時代。顧名思義，“鉆爆法”就是先用鋼釬或鉆頭在隧道盡頭的巖石上打孔，再把炸藥、雷管、導火索塞入巖孔中。人員撤離到安全位置后，引爆。待硝煙散盡，人員進入，清理炸出的碎石，進行隧道的支護加固，繼續(xù)“鉆爆”……

用這種方法打隧道，速度慢不說，危險性還很大，常常有啞火的情況發(fā)生，派誰去排爆？

在盾構(gòu)機生產(chǎn)車間，我們可以從外部更清晰的看到昨天“只緣身在此山中”的盾構(gòu)機的全貌與構(gòu)造。

20世紀80年代，“鉆爆法”逐漸被鑿巖臺車、襯砌模板臺車等組成的大型機械化配套作業(yè)取代。

進入90年代，可實現(xiàn)“工廠化作業(yè)”的全斷面掘進機橫空出世 ，這就是我們熟知的盾構(gòu)機。

盾構(gòu)機模型。

盾構(gòu)機的前身要從1798年英國泰晤士河隧道工程講起，當時因工程困難，施工被迫暫停。來自法國的工程師布魯諾爾從生物學現(xiàn)象中獲得靈感，提出了盾構(gòu)掘進隧道的原理。他發(fā)現(xiàn)鑿船貝這種蟲子在木船板中的鉆孔行為可資借鑒。而且它還會分泌一種液體涂在孔壁上，形成保護殼，以抵抗木板潮濕后的膨脹。布魯諾爾據(jù)此設計的“開放型手掘盾構(gòu)機”獲得英國專利。1823年他制定了另一條泰晤士河底隧道方案，并制成世界上第一臺盾構(gòu)機。機體是金屬圓柱體，里面有復雜的機械設備，用千斤頂推動金屬筒向前水平推進，并用金屬框架撐住，防止隧洞塌方，同時在金屬框架后進行襯砌結(jié)構(gòu)施工?？梢哉f，目前盾構(gòu)機具有的要素它基本都已具備。

“初代盾構(gòu)機”示意圖。圖片來源：tunnelling.cn

這種人力手動式盾構(gòu)機使用了幾十年，直到1876年第二代盾構(gòu)機出現(xiàn)了，它采用壓縮空氣驅(qū)動，用機械力代替了人力開挖。

2008年我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復合式盾構(gòu)機在河南新鄉(xiāng)下線，并成功應用在天津地鐵建設中。我國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)化進程由此發(fā)端。

二百年來，盾構(gòu)機的發(fā)展經(jīng)歷了五個發(fā)展階段：1.機械化，2.自動化，3.數(shù)字化，4.智能化，5.無人化。到了未來的“無人化”階段，將采用人工智能控制掘進設備，可實現(xiàn)無人、無燈、無氧環(huán)境的隧道掘進。操作人員可以舒服地呆在隧道外，一般情況下不必干預盾構(gòu)機工作。

人工智能的最終目的是把工作拆分成許多步驟，模擬出人的功能。例如，我國已經(jīng)研制出來的的盾構(gòu)機“開挖倉檢查機器人”具備檢測開挖倉狀態(tài)、清洗檢查刀具的功能；“開挖倉換刀機器人”動作靈活，可以替換人類進倉換刀。

各式刀頭。

再智能的盾構(gòu)機也離不開先進的刀具。合金鋼制作的刀頭并不像我們想象的那么鋒利，看起來還有些鈍，圓頭圓腦的。工程師說，盾構(gòu)機并不是靠切削，而是靠向前的推力和刀具旋轉(zhuǎn)的擠壓力把巖石擠壓破碎。

盾構(gòu)機就像一列火車，設備都集成在內(nèi)部。

03—形形色色的盾構(gòu)機

談到大型的地下工程，您的腦海里可能會出現(xiàn)一系列科幻電影：《生化危機》中，保護傘公司的巨型地下實驗室，可能會想到《古墓麗影》中，地下百轉(zhuǎn)千回的隧道……甚至在外太空也有挖掘機鉆探機的影子。比如在《天地大沖撞》中，布魯斯威利斯飾演的鉆井工人到小天體上去鉆孔爆破以消除其對地球的威脅。

在專業(yè)人士看來，電影中千奇百怪的隧道與地下工程，可以用現(xiàn)有的多個圓形刀盤組合來實現(xiàn)。通過巧妙排布大大小小的圓形刀盤，可以組成馬蹄形，方形，三角形等異形斷面，實現(xiàn)不同地下工程的需要。

煤礦大斷面快速掘錨成套設備。

目前可以水平打，斜向上，斜向下打。以后還可以垂直向下打。各種應用場景，只有想不到、沒有做不到。

全斷面豎井掘進機，不但可掘進類似科幻電影《流浪地球》中的地下城的電梯，甚至還可以掘進一些特殊的國防工程。中國企業(yè)的優(yōu)勢在于對中國地質(zhì)情況的全面了解。中國地質(zhì)情況之豐富復雜，相當于歐洲全境的總和。

你見過這么大的電鋸嗎？切石頭得跟切豆腐一樣吧？

超級工程需要超級裝備，可以設想在未來的超級工程，比如川藏鐵路（隧道長度占比50%以上），或者是海峽隧道中，必將需要專門定制的超級裝備。

現(xiàn)在我國已經(jīng)能自行生產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)機、泥水平衡盾構(gòu)機、巖石隧道掘進機、多模式掘進機、頂管機、豎井/斜井掘進機、異型斷面掘進機、軟巖多功能掘進機等類型的掘進機。這些掘進機能夠涵蓋軟土、硬巖等多類型復雜工況，單模式、雙模式等多種掘進模式，能夠開挖圓形、異形等多類型截面形狀，直線、曲線、斜井、豎井多種隧道形式。

圖片來源：@國資小新

外國人說中國人是“基建狂魔”，而生產(chǎn)盾構(gòu)機的中國企業(yè)堪稱是“狂魔中的魔頭”。

這些“魔頭”善于駕馭重型機械：在1998年長江抗洪搶險中，炸船堵決口的工程人員是他們；在2008年汶川地震搶險中，駕駛大型工程機械進入震區(qū)搶救生命的也是他們。

位于湖南長沙的中國鐵建重工集團，號稱全世界占地面積最大，產(chǎn)品種類最全，市場占有率最高的掘進機研發(fā)制造企業(yè)。而且他們是國內(nèi)唯一一家未引進國外相關(guān)技術(shù)，全靠自主研發(fā)掘進機的企業(yè)。

我見過的最大的銑床。

在車間里，我們看到出廠的掘進機刀盤。從掛在車間墻上的照片可以看出，出口的盾構(gòu)機在交付驗收時，上面繪制著使用國國旗的圖案。誰能想到，當年還要靠進口設備的中國，短短十幾年，就可以向發(fā)達國家出口自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機和配套服務了。

未來要打造地下工程施工的智能裝備體系，要開發(fā)成套設備，使用不同工序?qū)崿F(xiàn)與盾構(gòu)機同樣的工作效果。到那時，裝備不但要適應工法，裝備還能改變工法。所謂工法，是指施工方法。這樣便達到了施工方法與施工裝備的深度融合，實現(xiàn)隧道及地下工程的智能建造。

全智能三臂鑿巖臺車，仿佛隨時要變形。

以鐵建重工研發(fā)的“全智能三臂鑿巖臺車”為例。對于100平方米的斷面隧道鉆孔，傳統(tǒng)人工需要10~20人同時作業(yè)，鉆三米深的孔需要10~15分鐘，且作業(yè)環(huán)境惡劣，危險程度高。而這種鑿巖臺車僅需二人操作，鉆三米的孔只需要1分鐘，而且采用密閉式駕駛室避免了粉塵和噪音對人體的損害。

三臂鑿巖臺車駕駛室內(nèi)部。

我們依次到駕駛室體驗了一把。操縱桿與游戲手柄別無二致，上面也有許多按鈕。操縱桿很輕，但并不妨礙用它指揮巨大的機械臂。

某科幻作家操縱鑿巖臺車，樂得合不攏嘴。

04—挖到天上去

當我們形容一個人很“能”時，往往會說“你咋不上天呢？”這個永恒的追問對于盾構(gòu)機同樣有效。

既然現(xiàn)在盾構(gòu)機發(fā)展得這么厲害，咋不上天呢？

圖片來源：@國資小新

我們知道，在未來的深空探測和太空資源獲取過程中，如何在天然天體(如太陽系內(nèi)衛(wèi)星和小天體)上進行挖掘？航天任務要求有效載荷輕量化，能遠程遙操作或自動運作就不要載人。目前無人、無氧的智能化隧道掘進設備已經(jīng)在開始預研了。但是否有考慮面向遠期的深空探測研發(fā)天基隧道掘進設備呢？我把這一系列問題拋給了盾構(gòu)機專家。

對于這個問題，專家并沒有正面回答，而是采取了迂回的路徑，他首先對未來10-15年的中長期隧道掘進技術(shù)發(fā)展趨勢進行了介紹。

他說，這些中長期趨勢都是找目前40歲左右的專家論證的，這樣可確保在其職業(yè)生涯內(nèi)實現(xiàn)這些技術(shù)。

中長期的技術(shù)趨勢可以用三個字來概括，就是“長”、“大”、“深”。

所謂“長”，就是很長的隧道可以一次打通。目前硬巖掘進機的壽命可以支持連續(xù)掘進25千米。超過25千米的隧道，比如50千米的隧道，就得采用兩側(cè)同時施工的方法來貫通。

盾構(gòu)機的連續(xù)掘進壽命大概是10千米，那么在10-15年之后技術(shù)發(fā)展目標是海峽隧道可以一次打通。比如瓊州海峽等，這在技術(shù)上是可行的。

另一個關(guān)鍵詞是“大”，要多建大直徑的隧道。以目前的城市中的立交橋或跨江大橋為例：研究表明，建成這類橋梁之后，橋兩側(cè)、特別是引橋周邊的商業(yè)環(huán)境會變差。而地鐵口、過江隧道口附近的商業(yè)環(huán)境會變好。單從提升城市商業(yè)環(huán)境的角度講，修隧道比修橋要好。

為提升運力，目前的公路隧道從原來的兩個兩車道，發(fā)展到現(xiàn)在的兩個三車道，在將來將達到兩個四車道甚至更多。這樣打一個大直徑公路隧道就可以解決城市橋梁中引橋太多、斷頭路等交通問題。

“深”是第三個關(guān)鍵詞。這個很好理解，隧道向深處挖掘，對地面的影響會小一些。目前國內(nèi)的地鐵隧道深度基本在30米以內(nèi)，下一步將開發(fā)深度在50~100米內(nèi)的城市地下空間，拓展城市居民的活動區(qū)域。

“中鐵裝備”使用小型盾構(gòu)機挖掘的地下停車場。

我們在鄭州就參觀了“中鐵裝備”用自研的組合式矩形盾構(gòu)機挖掘的企業(yè)園區(qū)內(nèi)陸下停車場，供自己的員工停車用?？雌饋硭c普通的停車場別無二致。

最后這位專家終于正面回答了我的問題，即太空中的“輕量化”。他說，隧道挖掘技術(shù)一般要強調(diào)技術(shù)平衡，這樣隧道建成后的狀態(tài)是穩(wěn)定的。在掘進機的結(jié)構(gòu)設計中，會注意輕量化的問題，但是設備要講究平衡。在天然天體上挖掘隧道，在技術(shù)上不是障礙，主要看需求的拉動，可能太空掘進機的能量來源是個問題。目前在地球上建鐵路，工程施工階段要使用大量的電力，光電費就要上百億元，在未來的太空挖掘時代，可能要用到小型核電站來供能，考慮到目前小型核電站已經(jīng)可以裝配到船舶上，所以這應該也不是什么難題。

鐵建重工研發(fā)的磁浮智能巡檢車。

一萬年太久，只爭朝夕。這些研發(fā)、生產(chǎn)盾構(gòu)機的央企，既具有市場意識，也極具創(chuàng)新意識。他們會根據(jù)市場的需求，靈活研發(fā)相關(guān)的技術(shù)，以符合市場需要。比如說新疆棉花豐收，企業(yè)就根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢為棉農(nóng)研發(fā)自動采棉機。比如不適合建設地鐵的城市，可能會考慮到地面軌道交通如磁懸浮等，所以他們會成立專門的研究機構(gòu)研究磁懸浮的配套設備。他們制造的相關(guān)設備目前已經(jīng)在長沙磁懸浮線，即中國首條自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)低速懸浮線上使用。

國產(chǎn)盾構(gòu)機企業(yè)雖然還未“上天”，但入地（老本行）、下海（海底隧道）甚至貼地飛行（磁懸浮）……都已經(jīng)做到了。照這個趨勢發(fā)展下去，“你咋不上天呢”——也許很快就會實現(xiàn)了。

圖片來源：@國資小新

作者名片