盾构机:隧道掘进的“铁蚯蚓”。

你不能总呆在家里，但是你要旅行，或者上下班，或者出差，观光，旅行离不开地铁，铁路，公路。当你乘坐地铁、火车和高速公路时，你有没有想过:那些隧道是如何穿过它们的？

1.早期的隧道开挖是人工加爆破。

过去，隧道开挖的方式是人工开挖和爆破。对于土层和砾石地质，采用人工开挖，用镐、铲等工具开挖掌子面。就岩石地质而言，镐和铲是挖不动的，需要用炸药在掌子面爆破岩石，然后将碎石运出隧道。

“面”是一个土木施工术语，指隧道施工过程中不断推进的开挖面。

就地铁隧道而言，过去多采用“明挖填埋法”技术，即先破坏街道，揭开盖子挖一条沟，然后在沟内浇筑隧道壁。隧道建好后，用土方掩埋压实，街道又修好了。中国大陆早期采用“明挖填埋法”开挖地铁隧道，后来采用“盾构机开挖法”。广州首条地铁线(1号线)施工中采用盾构机开挖隧道。

近百年来，盾构机在隧道开挖中逐渐普及。目前长隧道开挖基本采用盾构机。

2.1825年，英国用盾构机挖隧道。

“盾构机”在中国是一个名称，国际上一般称为“隧道掘进机”(TBM)，土木工程行话叫“鼹鼠”，因为它像鼹鼠一样在地下挖洞。

1825年，英国在挖掘泰晤士河隧道时使用了盾构机。这台盾构机是由法国出生的英国工程师Mark issam Bald brunell爵士发明的，他还为盾构机申请了专利。泰晤士隧道长396米，穿过伦敦的泰晤士河。

1845年，法国至意大利的国际铁路开通。这条铁路穿越阿尔卑斯山，弗莱斯隧道需要在海拔1123米处开挖。这条隧道长14公里，是当时世界上最长的隧道。隧道贯穿海拔2932米的弗雷兹峰，也就是说，隧道上方的岩石最大。

为了修建这条隧道，亨利·约瑟夫·毛斯发明了“开山刀”，于1846年在意大利都灵附近的一个兵工厂制造。“开山刀”看起来像火车头，前面有100多个振动钻头，用来粉碎脸上的岩石。“开山机”已经具备了现代盾构机的一些功能。

1853年，美国人埃比尼泽·塔尔博特(ebenezer Talbot)申请了一项盾构机专利，专利名称为“隧道掘进机”。

1870年，英国人约翰·D·布鲁顿(john D bruton)研制出了一种带刀盘的盾构机，与现在广泛使用的盾构机非常接近。

1875年，法国国民议会通过了修建英吉利海峡隧道的法案，选择了英国盾构机进行开挖。6月1882至3月1883，盾构机在英方开挖1882米；修建苏伊士运河的法国承包商亚历山大·拉瓦勒(Alexander Lavalle)用盾构机在法国一侧挖了1.669米。实践证明，用盾构机掘进效率很高。但该项目在1883终止，原因是法国后来担心英国会利用英吉利海峡隧道进攻法国。

盾构机在英吉利海峡隧道的成功激励了许多土木工程师。1883年，英国用盾构机在默西河下开凿了比根黑特至利物浦的隧道，直径2.1米，长2公里。

20世纪，人们不断改进盾构机。如今，各种各样的盾构机每天都在世界各地的隧道工程中不断运转。

3.盾构机是怎么挖隧道的？

从其国际通用名称“隧道钻机”更容易理解盾构机的工作原理:它是一种在地面或山体上钻孔的大型钻机。

盾构机可以算是土木工程中最大的施工机械了，大直径178米，长100多米。盾构机的正面是一个巨大的刀盘，刀盘阵列。掘进时，刀盘旋转切割隧道掌子面的土石方，渣土从刀盘的缝隙流入渣土仓，由螺旋机输送到皮带机，再由另一条较长的皮带机输送到隧道外的渣土处理场，或由轨道渣土车输送。

稍微有点常识的读者都应该明白，如果没有刀盘背后的推力，是不可能把脸上的土石方削下来的。那么，如何给刀盘推力呢？

这个推力来自盾构机的液压千斤顶。如果在坚硬的岩石上开挖隧道，盾构机上的两个巨大的液压千斤顶向后靠在开挖隧道两侧的岩壁上，推动刀盘向前切割隧道面。

如果隧道挖在松软的地质层中，就不能使用上述方法，因为液压千斤顶会沉入松软的隧道壁中，无法提供推力。这时就需要用另一种方法，让几个小型液压千斤顶同时顶着安装在后面的衬砌管片，为刀盘提供水平向前的推力，这也是目前地铁隧道中常见的一种盾构法。

衬砌管片就是我们在隧道内肉眼可见的隧道表面的钢筋混凝土预制构件。这些管片在地面钢筋混凝土预制场制作。管片运入隧道口后，无需人工干预，运输至安装完全自动化。

衬砌管片的宽度应与液压千斤顶每次推进的距离相匹配，也就是说，管片的宽度与液压千斤顶每次推进的厘米数相同。当液压千斤顶被推到末端时，刀盘停止旋转以切割隧道面，并且在盾构机的盾构区段中在隧道周围组装管片。盾构机上的管片拼装机像人手一样灵巧，可移动、可旋转、可伸缩，能够稳定、安全地将管片拼装到位，精度达到毫米级。

拼装管片时，负责顶升管片的几个液压千斤顶会收缩，留出一定的空间用于拼装管片。管片组装到位后，液压千斤顶会伸出并轻轻托住，以此类推，直到该圈的所有管片都组装到位。此时，所有液压千斤顶开始均匀加压，与新组装的管片一起，在反作用力的推动下，刀盘继续切割工作面，向前移动。

盾构机施工过程中，刀盘交替切割隧道面和拼装管片，整个盾构机在液压千斤顶的推动下一步一步向前移动，直至隧道挖通。如果地质松软，每天可以挖掘几十米；如果遇到坚硬的岩石，每天只能挖几十厘米。

衬砌管片与隧道壁之间的间隙应填满砂浆，以加固管片，保持整个衬砌的稳定性，防止水渗入隧道。

上述一系列复杂的过程都是由盾构机自动完成的。盾构机内有中央控制室，盾构机所有关键部位都有传感器，传感器将采集到的数据传输到中央控制室。操作人员可以通过显示器上显示的各种数据了解盾构机的工作情况，并在必要时进行干预。

刀盘上的刀盘要经常维护和更换。刀盘上还有一个传感器。当刀盘温度上升到一定值时，会向中央控制室发出报警信号。

4.盾构机如何在隧道内转弯？

看到这里，可能有读者会问，盾构机在隧道里可以转弯吗？

你当然可以。城市地铁隧道大多开挖在街道下，隧道设计成沿街，不断转弯，根据地下情况“上蹿下跳”。公路、铁路隧道也要根据地形、地质、水文来选择，这也要求盾构机360度转弯。

盾构机的转向是通过用衬砌管片改变刀盘的切削方向来实现的。在需要转弯的地方，每圈衬砌段的宽度是不同的。如果向左转，根据转弯半径，右段的宽度被设计为比左段的宽度宽。这样，右边的液压千斤顶就会将刀盘向左倾斜，实现左转。如果右转，则根据转弯半径将左段宽度设计为比右段宽，这样左边的液压千斤顶会将刀盘向右倾斜，实现右转。“上蹿下跳”的转向原理同上。

5.目前世界上最大的盾构机直径为17.5m。

2006年9月15日，加拿大尼亚加拉引水灌溉隧道贯通。隧道长10.2公里，穿过加拿大安大略省尼亚加拉瀑布地下140米深处。使用的盾构机是美国罗宾斯公司生产的“大贝基”，直径14.4米，刀盘65438。之所以要在这么深的地下挖隧道，是为了防止盾构施工影响地面建筑。

2011年，意大利佛罗伦萨附近5030米长的斯帕沃隧道钻通。使用的岩石盾构机是德国Herrick公司生产的Martina，盾构直径15.62m，长度130m，重量4500t。开挖断面为192m2。赫里克还设计了直径为19.25m的盾构机，但至今没有建成。

日本日立造船公司2012年制造的盾构机伯莎，直径17.5米，长110米，重7000吨。刀头有260个刀头。该盾构机由美国华盛顿州交通局订购，用于99号公路阿拉斯加高架桥置换隧道(隧道上下车道)的开挖。

6.盾构掘进的利与弊。

用盾构机掘进有很多优点。不受地面因素影响，可全天施工；也不破坏地面建筑、文物和自然环境，属于生态环保建设；因为开挖、出碴、衬砌管片全部自动化，节省了大量人工，降低了事故风险。

用盾构机掘进的主要缺点是初期投资成本太高。大多数盾构机是根据隧道设计图纸定制的，施工准备周期长，维护成本高，开挖短隧道经济效益低。一般来说，隧道长度大于1 km，有经济效益。

最后，盾构机不仅可以开挖圆形隧道，还可以设计成开挖任意截面的隧道，如矩形隧道、椭圆形隧道等。人们还用盾构机挖输水管道、排污排水管道，甚至电力管道。