盤點中國園林發展歷程盤點世界盾構機的”超進化“歷程－IT工程師數位筆記本

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隨著多模式盾構在隧道掘進中的使用日益頻繁；隨著東西方對盾構機的革新各具特色；隨著日前法國布依格推出的配備于盾構機上的機械設備吸引眼球——可以看出，盾構機正在隧道掘進中占據越來越重要的地位。近年來，隧道工程中越來越多地采用盾構機掘進，以代替原本的傳統掘進方法。隨著盾構機的不斷革新，這一設備正在成為解決各類隧道施工難題的“全能選手”。針對不同的施工情況，各類盾構也在進行不同的“進化”——

多模式盾構一臺可以自由變換模式的盾構并非全新概念，但是現有的新技術有助于減少盾構模式變換的時間，并且同時優化盾構機的施工效率。其中，馬來西亞吉隆坡的KV地鐵線隧道可謂是較為典型的例子：隧道的大部分位于喀斯特石灰巖層內，該地層含有眾多溶洞、裂紋和裂隙以，容易造成滲水與坍塌，帶來極大的施工風險。

復雜的地層環境

因此，技術人員吸取了以往SMART隧道工程的教訓，研制了全球第一臺可變密度的雙模式盾構機。

馬來西亞吉隆坡KV地鐵線隧道所使用的盾構機

該盾構既能按照土壓平衡模式、也能以泥水模式推進，采用的膨潤土也可以按照地層的不同情況來調整密度，成功解決了在馬來西亞的喀斯特石灰巖這一極其復雜的地層中掘進的難題。

放眼歐洲，土耳其一座水電工程中也同樣使用了多模式盾構。該工程的硬巖地層中夾雜軟土，因此，施工方使用了羅賓斯XRE雙模式盾構，該盾構可以從硬巖掘進模式轉換為土壓平衡模式，盾構具有的雙護盾大刀盤可以選擇單向或雙向旋轉，單向用于硬巖掘進，雙向則用于土壓平衡；盾構的驅動裝置也允許在硬巖條件下內采用高速和低扭矩掘進，而在土壓平衡模式時則采用高扭矩和低速。

XRE雙模式盾構

此外，羅賓斯XSE型雙模式盾構（從泥水模式轉換到土壓平衡模式）當前也正在裝配，這臺盾構將送到阿塞拜疆的巴庫地鐵工地上進行隧道掘進。

XSE雙模式盾構

然而，對于大多數的雙模式/多模式盾構來說，問題在于模式的轉換需要多長時間，而這取決于盾構的大小和刀具的構形；一臺直徑10m的盾構進行模式轉換一般需要3到7天，可是，如果一臺盾構在工程中每次都要花一個星期進行模式變換，它真的可以稱作“雙模式盾構”嗎？

超大直徑盾構10年前，使用一臺直徑13m以上的盾構機是個瘋狂的想法，而現在，直徑超過13m的盾構已稀松平常。目前，全球最大直徑的盾構是海瑞克S-880 泥水加氣壓平衡盾構，其直徑達17.6m，于2015年11 月在香港屯門隧道完成了首次掘進任務。

海瑞克S-880 泥水加氣壓平衡盾構

同時，幾乎一樣大，卻因已超過2年的停機而更為“出名”的直徑17.45m土壓平衡盾構Bertha號，目前剛剛結束了其搶修，重新踏上了掘進的征程，完成了隧道第160環。

搶修井內的“Bertha”

海瑞克曾計劃為俄羅斯圣彼得堡1km長奧羅夫斯基隧道供應一臺19.25m泥水加氣壓平衡盾構，但最終因為財政問題而取消。隧道的直徑是否越大越好，大直徑隧道與盾構機所帶來的巨大成本增長是否值得，也已成為飽受爭議的問題。

應對超高水壓越來越大規模的隧道通常也會帶來巨大的挑戰，例如隧道深度加大會使得地下水壓增大。高水壓下的典型工程要數伊斯但布爾的亞歐隧道，位于博斯普魯斯海峽之下，13.7m直徑的海瑞克泥水加氣壓平衡盾構在2015年8月取得了貫通，克服了高達11bar的水壓。

亞歐隧道使用的盾構機
盾構采用了“常壓換刀”技術，這個技術1995年曾經在德國易北河隧道工程中使用，即從大刀盤的中空輪輻內調換刀具，可以極大地縮短換刀時間。然而，最高水壓的記錄由海瑞克7.18m直徑用于在密德湖3號隧道的盾構機所保持，最大水壓力達14bar。

美國密德湖3號隧道中使用的盾構機

隧道路線穿過堅硬和疏松的巖石地層，并通過地下水壓達14bar的區域。利用可變換模式的盾構機，盾構機得以應對工作面上不斷變化的地質條件。

在未來，紐約的Rondout-West支線隧道工程可能還會打破這一紀錄，羅賓斯最近為其生產的一臺盾構預即將開始挖掘，最高可以承受高壓達30bar的水壓，并且根據需求在盾構機上增加人行閘，表現令人期待。

盾構配套設備
隨著盾構本身的不斷改變，盾構的配套設備也在隨著技術的革新而不斷更新。今年，布依格在屯門隧道中使用的盾構機上配備的諸多機械設備令人耳目一新：Mobydic系統安裝于盾構機刀盤上，使用高靈敏傳感器來記錄盾構刀盤各項參數：如盾構機每個刀具所承受的力，刀盤旋轉速度以及刀盤溫度等；通過無線設備進行實時數據傳輸，最終連接至計算機分析系統，不僅可以記錄掘進數據，分析刀盤磨損情況，并且可通過數據計算反映出掘進中遭遇的阻礙（如木樁，孤石），并且能分析出混合地層的實際環境，繪制出前方地層情況模擬圖，制定相應的施工計劃，最終反饋給盾構機。

機械蛇型臂結構與人類手臂類似，驅動它們強健“肌肉”的其實是安裝在其背部和連接“肌肉”及“關節”的“肌腱”上，鋼索作為“肌腱”，用來控制機械臂的驅動器均位于機械臂的基部。機械臂末端可以選裝各種設備，如攝像機、照明設備、切割設備或高壓水槍等，可以清理刀盤，消除堵塞。

Telemach機器人Telemach是一個全新設備，是一臺專門用于更換刀具的機器人，可以在盾構開挖倉內部將已經磨損的刀頭拆卸，施工人員更換新的刀頭后，再由其安裝到盾構機上。
自從盾構機發明以來，就一直在進行不斷的革新與發展，時至今日，盾構法已經成為隧道掘進中無法替代的重要方法。相信隨著技術的不斷進步，更多先進的技術會得到應用，我們今后還將會看到更多令人驚喜的新型盾構，讓我們拭目以待！