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02.隧道掘進(jìn)的進(jìn)化史

雖然目前的盾構(gòu)機(jī)操作還免不了人力，但比起之前的隧道掘進(jìn)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(shuō)炸藥發(fā)明后，隧道掘進(jìn)來(lái)到了“鉆爆法”時(shí)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(dǎo)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(jìn)入，清理炸出的碎石，進(jìn)行隧道的支護(hù)加固，繼續(xù)“鉆爆”……

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

在盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)車(chē)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(jī)的全貌與構(gòu)造

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

進(jìn)入90年代，可實(shí)現(xiàn)“工廠化作業(yè)”的全斷面掘進(jìn)機(jī)橫空出世 ，這就是我們熟知的盾構(gòu)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)模型

盾構(gòu)機(jī)的前身要從1798年英國(guó)泰晤士河隧道工程講起，當(dāng)時(shí)因工程困難，施工被迫暫停。來(lái)自法國(guó)的工程師布魯諾爾從生物學(xué)現(xiàn)象中獲得靈感，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)隧道的原理。

他發(fā)現(xiàn)鑿船貝這種蟲(chóng)子在木船板中的鉆孔行為可資借鑒。而且它還會(huì)分泌一種液體涂在孔壁上，形成保護(hù)殼，以抵抗木板潮濕后的膨脹。布魯諾爾據(jù)此設(shè)計(jì)的“開(kāi)放型手掘盾構(gòu)機(jī)”獲得英國(guó)專(zhuān)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(tái)盾構(gòu)機(jī)。機(jī)體是金屬圓柱體，里面有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，用千斤頂推動(dòng)金屬筒向前水平推進(jìn)，并用金屬框架撐住，防止隧洞塌方，同時(shí)在金屬框架后進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)施工?？梢哉f(shuō)，目前盾構(gòu)機(jī)具有的要素它基本都已具備。

“初代盾構(gòu)機(jī)”示意圖。圖片來(lái)源：tunnelling.cn

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

2008年我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)在河南新鄉(xiāng)下線，并成功應(yīng)用在天津地鐵建設(shè)中。我國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程由此發(fā)端。

二百年來(lái)，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段：1.機(jī)械化，2.自動(dòng)化，3.數(shù)字化，4.智能化，5.無(wú)人化。到了未來(lái)的“無(wú)人化”階段，將采用人工智能控制掘進(jìn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人、無(wú)燈、無(wú)氧環(huán)境的隧道掘進(jìn)。操作人員可以舒服地呆在隧道外，一般情況下不必干預(yù)盾構(gòu)機(jī)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(guó)已經(jīng)研制出來(lái)的的盾構(gòu)機(jī)“開(kāi)挖倉(cāng)檢查機(jī)器人”具備檢測(cè)開(kāi)挖倉(cāng)狀態(tài)、清洗檢查刀具的功能；“開(kāi)挖倉(cāng)換刀機(jī)器人”動(dòng)作靈活，可以替換人類(lèi)進(jìn)倉(cāng)換刀。

各式刀頭

再智能的盾構(gòu)機(jī)也離不開(kāi)先進(jìn)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(lái)還有些鈍，圓頭圓腦的。工程師說(shuō)，盾構(gòu)機(jī)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(jī)就像一列火車(chē)，設(shè)備都集成在內(nèi)部