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“千万豪车”掘进地下城,“基建狂魔”如何打造“钢铁穿山甲”?

2019-06-08 15:00 赵洋

引言:我弯着腰问工作人员,衣服口袋没有拉链,万一手机掉下去还能找着吗?工作人员低头看看下面纵横的管路和底部的泥水,对我说,应该能找到,不过找到的就是手机的“遗体”了。


我们跨过“管片铺装机”顶部,我差点把手机掉在这里。


01

走在盾构机的肚子里


我们是从一条在建地铁隧道的入口走近这台由“中铁装备”制造的盾构机的。也可以说是“走进”,因为经过漫长的1.5千米的闷热路程,我们不知不觉已经进入了盾构机的内部。


隧道横截面为圆形,人行通道很窄。


隧道的横截面为圆形,这台盾构机横截面就是这个形状。在这里,人只能走在管壁两侧用铁架搭起的步道上,很窄,迎面来人时双方都得侧着身子才行。隧道中间是一条铁轨,不时有一人多高的渣土机开过,将前方发出的渣土运出去。在这里,人是围绕机器运转的。


隧道壁上不时出现这样的红色角钢,这是测量用的基准点。


堆在地面的“管片”。


我们跨过“管片铺装机”顶部,我差点把手机掉在这里。


后来我才知道,我冒着手机失落的风险爬过的这个架子叫做“管片铺装机”,它的作用是把“管片”贴到刚打好的隧道四壁,起支撑加固作用。管片是用钢筋水泥浇筑而成的,厚且坚固。


最重的管片有八吨重,靠上面的提钮很容易拉断。


最重的管片有八吨重,靠上面的提钮很容易拉断。所以大型盾构机的管片机是用真空吸盘将管片吸起来,这样提拉力均匀分散了,管片也不会损坏。


液压千斤顶,是盾构机的驱动装置。


盾构机的刀盘后部有一圈液压千斤顶,它们顶着已经铺好的管片的端面,把自己往前“推”。


泡沫混合液相当于“唾液”,便于刀盘咀嚼和搅拌岩石。


盾构机相当于一条放大的若干倍的“蚯蚓”,前面的刀盘“吃”土,传送带将土从后部排出,而且不断分泌“粘液”(泡沫),软化土壤降低掘进难度。它通过的地方就形成了一条中空的隧道,隧道的内径就等于它的外径。


盾构机控制室。


在盾构机前进方向的左手边,有一个控制室。它与任何复杂交通工具的控制室没什么区别:按钮、屏幕、通话器。不同的是,大多数交通工具的控制室可以看到外面,而这里只能用屏幕反映前方的景象。仿佛在潜艇中。


盾构机启动了,各种参数如图。


为了让我们对盾构机的工作情况有个直观的了解,工程师特意启动了盾构机。尽管是电力驱动(如果用内燃机驱动,隧道内很快就没有氧气了),但噪音依然很大,这是刀盘刮擦岩壁土层的声音、这是各种液压机构、泵工作的声音。大家的说话声也不由得提高了。工程师让我们自己在管壁上找一个参考点盯住,注意看盾构机是否缓缓前行。但站在这每分钟仅推进几厘米的庞然大物身上,看出它的移动谈何容易?我们很快都放弃了。


管片之间的接触面,橡胶起密封作用,出厂才一个月。


渣土传送带。


走过控制室,视野中央出现了一条从前方延伸出来的传送带,它的起始点位于刀盘下部,末端位于盾构机尾部。它负责把刀盘切削下来的岩石、泥土运到渣土车上。


挖出的土样要留存归档。


手机掉到这里还能找到吗?


前往盾构机刀盘的最后旅程要跨越两个相距一米的弧形钢梁。上面沾满了冷凝水,很滑。站在上面,只能弓着腰,头不时会碰到天花板,双手也没有抓握的地方。我问工作人员,衣服口袋没有拉链,手机掉下去还能找着吗?工作人员低头看看下面纵横的管路和底部的泥水,对我说,应该能找到,不过只能找到手机的“遗体”。


返程的路依旧漫长酷热。


参观完盾构机、体验了盾构机工作时的伟力,我们从原路返回,仍是1.5千米的闷热路程。显然,这段地铁隧道多长,工作人员每天就要往返多长。他们的辛苦可想而知。


02

隧道掘进的进化史


虽然目前的盾构机操作还免不了人力,但比起之前的隧道掘进已不知轻松多少了。


工业革命之前的隧道挖掘就不提了。单说炸药发明后,隧道掘进来到了“钻爆法”时代。顾名思义,“钻爆法”就是先用钢钎或钻头在隧道尽头的岩石上打孔,再把炸药、雷管、导火索塞入岩孔中。人员撤离到安全位置后,引爆。待硝烟散尽,人员进入,清理炸出的碎石,进行隧道的支护加固,继续“钻爆”……


用这种方法打隧道,速度慢不说,危险性还很大,常常有哑火的情况发生,派谁去排爆?


在盾构机生产车间,我们可以从外部更清晰的看到昨天“只缘身在此山中”的盾构机的全貌与构造。


20世纪80年代,“钻爆法”逐渐被凿岩台车、衬砌模板台车等组成的大型机械化配套作业取代。


进入90年代,可实现“工厂化作业”的全断面掘进机横空出世 ,这就是我们熟知的盾构机。


盾构机模型。


盾构机的前身要从1798年英国泰晤士河隧道工程讲起,当时因工程困难,施工被迫暂停。来自法国的工程师布鲁诺尔从生物学现象中获得灵感,提出了盾构掘进隧道的原理。他发现凿船贝这种虫子在木船板中的钻孔行为可资借鉴。而且它还会分泌一种液体涂在孔壁上,形成保护壳,以抵抗木板潮湿后的膨胀。布鲁诺尔据此设计的“开放型手掘盾构机”获得英国专利。1823年他制定了另一条泰晤士河底隧道方案,并制成世界上第一台盾构机。机体是金属圆柱体,里面有复杂的机械设备,用千斤顶推动金属筒向前水平推进,并用金属框架撑住,防止隧洞塌方,同时在金属框架后进行衬砌结构施工。可以说,目前盾构机具有的要素它基本都已具备。


“初代盾构机”示意图。图片来源:tunnelling.cn


这种人力手动式盾构机使用了几十年,直到1876年第二代盾构机出现了,它采用压缩空气驱动,用机械力代替了人力开挖。


2008年我国首台具有自主知识产权的复合式盾构机在河南新乡下线,并成功应用在天津地铁建设中。我国盾构机产业化进程由此发端。


二百年来,盾构机的发展经历了五个发展阶段:1.机械化,2.自动化,3.数字化,4.智能化,5.无人化。到了未来的“无人化”阶段,将采用人工智能控制掘进设备,可实现无人、无灯、无氧环境的隧道掘进。操作人员可以舒服地呆在隧道外,一般情况下不必干预盾构机工作。


人工智能的最终目的是把工作拆分成许多步骤,模拟出人的功能。例如,我国已经研制出来的的盾构机“开挖仓检查机器人”具备检测开挖仓状态、清洗检查刀具的功能;“开挖仓换刀机器人”动作灵活,可以替换人类进仓换刀。


各式刀头。


再智能的盾构机也离不开先进的刀具。合金钢制作的刀头并不像我们想象的那么锋利,看起来还有些钝,圆头圆脑的。工程师说,盾构机并不是靠切削,而是靠向前的推力和刀具旋转的挤压力把岩石挤压破碎。


盾构机就像一列火车,设备都集成在内部。


03

形形色色的盾构机


谈到大型的地下工程,您的脑海里可能会出现一系列科幻电影:《生化危机》中,保护伞公司的巨型地下实验室,可能会想到《古墓丽影》中,地下百转千回的隧道……甚至在外太空也有挖掘机钻探机的影子。比如在《天地大冲撞》中,布鲁斯威利斯饰演的钻井工人到小天体上去钻孔爆破以消除其对地球的威胁。


在专业人士看来,电影中千奇百怪的隧道与地下工程,可以用现有的多个圆形刀盘组合来实现。通过巧妙排布大大小小的圆形刀盘,可以组成马蹄形,方形,三角形等异形断面,实现不同地下工程的需要。


煤矿大断面快速掘锚成套设备。


目前可以水平打,斜向上,斜向下打。以后还可以垂直向下打。各种应用场景,只有想不到、没有做不到。


全断面竖井掘进机,不但可掘进类似科幻电影《流浪地球》中的地下城的电梯,甚至还可以掘进一些特殊的国防工程。中国企业的优势在于对中国地质情况的全面了解。中国地质情况之丰富复杂,相当于欧洲全境的总和。


你见过这么大的电锯吗?切石头得跟切豆腐一样吧?


超级工程需要超级装备,可以设想在未来的超级工程,比如川藏铁路(隧道长度占比50%以上),或者是海峡隧道中,必将需要专门定制的超级装备。


现在我国已经能自行生产土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、岩石隧道掘进机、多模式掘进机、顶管机、竖井/斜井掘进机、异型断面掘进机、软岩多功能掘进机等类型的掘进机。这些掘进机能够涵盖软土、硬岩等多类型复杂工况,单模式、双模式等多种掘进模式,能够开挖圆形、异形等多类型截面形状,直线、曲线、斜井、竖井多种隧道形式。


 图片来源:@国资小新


外国人说中国人是“基建狂魔”,而生产盾构机的中国企业堪称是“狂魔中的魔头”。


这些“魔头”善于驾驭重型机械:在1998年长江抗洪抢险中,炸船堵决口的工程人员是他们;在2008年汶川地震抢险中,驾驶大型工程机械进入震区抢救生命的也是他们。


位于湖南长沙的中国铁建重工集团,号称全世界占地面积最大,产品种类最全,市场占有率最高的掘进机研发制造企业。而且他们是国内唯一一家未引进国外相关技术,全靠自主研发掘进机的企业。


我见过的最大的铣床。


在车间里,我们看到出厂的掘进机刀盘。从挂在车间墙上的照片可以看出,出口的盾构机在交付验收时,上面绘制着使用国国旗的图案。谁能想到,当年还要靠进口设备的中国,短短十几年,就可以向发达国家出口自主知识产权的盾构机和配套服务了。


未来要打造地下工程施工的智能装备体系,要开发成套设备,使用不同工序实现与盾构机同样的工作效果。到那时,装备不但要适应工法,装备还能改变工法。所谓工法,是指施工方法。这样便达到了施工方法与施工装备的深度融合,实现隧道及地下工程的智能建造。


全智能三臂凿岩台车,仿佛随时要变形。


以铁建重工研发的“全智能三臂凿岩台车”为例。对于100平方米的断面隧道钻孔,传统人工需要10~20人同时作业,钻三米深的孔需要10~15分钟,且作业环境恶劣,危险程度高。而这种凿岩台车仅需二人操作,钻三米的孔只需要1分钟,而且采用密闭式驾驶室避免了粉尘和噪音对人体的损害。


三臂凿岩台车驾驶室内部。


我们依次到驾驶室体验了一把。操纵杆与游戏手柄别无二致,上面也有许多按钮。操纵杆很轻,但并不妨碍用它指挥巨大的机械臂。


某科幻作家操纵凿岩台车,乐得合不拢嘴。


04

挖到天上去


当我们形容一个人很“能”时,往往会说“你咋不上天呢?”这个永恒的追问对于盾构机同样有效。


既然现在盾构机发展得这么厉害,咋不上天呢?


 图片来源:@国资小新


我们知道,在未来的深空探测和太空资源获取过程中,如何在天然天体(如太阳系内卫星和小天体)上进行挖掘?航天任务要求有效载荷轻量化,能远程遥操作或自动运作就不要载人。目前无人、无氧的智能化隧道掘进设备已经在开始预研了。但是否有考虑面向远期的深空探测研发天基隧道掘进设备呢?我把这一系列问题抛给了盾构机专家。


对于这个问题,专家并没有正面回答,而是采取了迂回的路径,他首先对未来10-15年的中长期隧道掘进技术发展趋势进行了介绍。


他说,这些中长期趋势都是找目前40岁左右的专家论证的,这样可确保在其职业生涯内实现这些技术。


中长期的技术趋势可以用三个字来概括,就是“”、“”、“”。


所谓“长”,就是很长的隧道可以一次打通。目前硬岩掘进机的寿命可以支持连续掘进25千米。超过25千米的隧道,比如50千米的隧道,就得采用两侧同时施工的方法来贯通。


盾构机的连续掘进寿命大概是10千米,那么在10-15年之后技术发展目标是海峡隧道可以一次打通。比如琼州海峡等,这在技术上是可行的。


另一个关键词是“大”,要多建大直径的隧道。以目前的城市中的立交桥或跨江大桥为例:研究表明,建成这类桥梁之后,桥两侧、特别是引桥周边的商业环境会变差。而地铁口、过江隧道口附近的商业环境会变好。单从提升城市商业环境的角度讲,修隧道比修桥要好


为提升运力,目前的公路隧道从原来的两个两车道,发展到现在的两个三车道,在将来将达到两个四车道甚至更多。这样打一个大直径公路隧道就可以解决城市桥梁中引桥太多、断头路等交通问题。


“深”是第三个关键词。这个很好理解,隧道向深处挖掘,对地面的影响会小一些。目前国内的地铁隧道深度基本在30米以内,下一步将开发深度在50~100米内的城市地下空间,拓展城市居民的活动区域。


“中铁装备”使用小型盾构机挖掘的地下停车场。


我们在郑州就参观了“中铁装备”用自研的组合式矩形盾构机挖掘的企业园区内地下停车场,供自己的员工停车用。看起来它与普通的停车场别无二致。


最后这位专家终于正面回答了我的问题,即太空中的“轻量化”。他说,隧道挖掘技术一般要强调技术平衡,这样隧道建成后的状态是稳定的。在掘进机的结构设计中,会注意轻量化的问题,但是设备要讲究平衡。在天然天体上挖掘隧道,在技术上不是障碍,主要看需求的拉动,可能太空掘进机的能量来源是个问题。目前在地球上建铁路,工程施工阶段要使用大量的电力,光电费就要上百亿元,在未来的太空挖掘时代,可能要用到小型核电站来供能,考虑到目前小型核电站已经可以装配到船舶上,所以这应该也不是什么难题。


铁建重工研发的磁浮智能巡检车。


一万年太久,只争朝夕。这些研发、生产盾构机的央企,既具有市场意识,也极具创新意识。他们会根据市场的需求,灵活研发相关的技术,以符合市场需要。比如说新疆棉花丰收,企业就根据自己的技术优势为棉农研发自动采棉机。比如不适合建设地铁的城市,可能会考虑到地面轨道交通如磁悬浮等,所以他们会成立专门的研究机构研究磁悬浮的配套设备。他们制造的相关设备目前已经在长沙磁悬浮线,即中国首条自主知识产权的商业低速悬浮线上使用。


国产盾构机企业虽然还未“上天”,但入地(老本行)、下海(海底隧道)甚至贴地飞行(磁悬浮)……都已经做到了。照这个趋势发展下去,“你咋不上天呢”——也许很快就会实现了。


 图片来源:@国资小新


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