圖| 2017年8月下線的國產最大直徑硬巖掘進機“彩雲號“
盾構機發明的最初：讓哥倫布討厭的船蛆，卻為我帶來了靈感
18世紀末，英國人計劃在倫敦地下修建一個橫貫泰晤士河的隧道。然而，在當時的施工技術條件下，修建如此規模的河底隧道簡直比登天還難！
1798年，泰晤士河隧道工程進入操作階段。但由於多種難以克服的困難而使工程被迫中斷。法國工程師布魯諾爾是一個有心人，因此一直惦記著泰晤士河隧道工程問題。
木材中的船蛆（見水印）
一個偶然的機會，布魯諾爾發現了一種船蛆的鑽洞行為很有意思。那麼，什麼是船蛆呢？原來，船蛆為一種軟體動物，因其穴居木製船舶而危害船舶，因此被稱為船蛆，又被稱為鑿船貝。
▲科學家在菲律賓發現的巨型活船蛆
船蛆在世界各地的海洋中都有分佈，對海洋中的船舶等木質設備都具有嚴重的破壞性。1503年6月，哥倫布第四次航海到南美洲的牙買加。肆虐的船蛆毀掉了哥倫布船隊的一半船隻，航海隊員不得不停靠在牙買加的一個小島上。
由於水手們與當地居民發生了衝突，因此當地居民不給船隊提供淡水和食物了。就是這種讓哥倫布頭痛的船蛆，卻為布魯諾爾帶來了靈感。
▲隧道盾構法發明者——布魯諾爾
布魯諾爾仔細地觀察了船蛆在船通體中的鑽洞行為，並發現它還會從體內分泌一種液體塗在孔壁上形成保護殼，以抵抗木板潮溼後發生的膨脹……
布魯諾爾從這個現象中獲得了靈感，連呼——“我有辦法了！” 自然，布魯諾爾還是要感謝這個船蛆的。於是，布魯諾爾提出了盾構掘進隧道的原理，並取得了英國的專利。這就是所謂的開放型手掘盾構的原型。
▲布魯諾爾在英國取得的盾構專利
二十五年鑄一“盾”，影響後世二百年
作為一個訓練有素的工程師，布魯諾爾對自已的盾構施工法信心滿滿。隨後，布魯諾爾被任命為該隧道工程的工程師。
布魯諾爾發明的盾構機首次應用於隧道施工
泰晤士河隧道作為世界上第一條水底隧道，剛開始還是順利的。然而，在修建過程中卻遇到很大的困難，曾發生過河水進入隧道，以及沼氣進入隧道被照明燈點燃，從而造成了人員傷亡等事故。但布魯諾爾並沒有灰心喪氣，他一面總結失敗的教訓，一面對盾構機進行改進。
泰晤士河水底隧道
漫長的7年改進，數年的精心施工，終於於1843年建成泰晤士河水底隧道。
泰晤士河隧道長約合396米，高約合23米。如今，泰晤士河隧道已成為倫敦地鐵系統的一部分，每天有數以千計的倫敦人匆忙地穿過這條絢麗的隧道。同時，泰晤士河隧道還成為了一個舉世矚目的公共景點。
在實戰中成長，從手掘走向智能
郵票上的盾構機
布魯諾爾發明的盾構機是手掘式盾構機，為盾構機的初級形態。我們通常把布魯諾爾發明的盾構機稱為第一代盾構機。
世界上第一個機械化盾構機（英國專利，1876年）
機械化盾構機的研發是盾構機演化史上的一個重要的里程碑。第一個機械化盾構的專利是英國的布倫敦等人於1876年申請的，其進步的標誌是採用了壓縮空氣，從而用機械開挖代替了人工開挖。通常把機械式和氣壓式盾構機稱為第二代盾構機。
現代盾構機
第三代盾構機以閉胸式盾構機為代表，主要包括泥水式盾構機和土壓式盾構機。泥水平衡式盾構機是通過調節出泥艙的泥水壓力穩定開挖面，棄土以泥水方式排出的盾構機。土壓平衡式盾構機是通過調節出泥艙的土壓力穩定開挖面，棄土可以從出泥艙排出的盾構機。
盾構機的發展歷史（網絡圖）
第四代盾構機以大直徑、大推力、大扭矩以及高智能化合多樣化為主要特色，正在隧道建設中發揮著重要作用。研製具有深度感知、智慧決策、自動執行功能的盾構機及其控制系統，是未來盾構機的發展方向。
走近“鋼鐵蚯蚓”，揭“打洞吞土”祕密
盾構機素有“鋼鐵蚯蚓”之稱，是目前隧道施工的主要裝備之一。盾構機一般可分為盾構殼體、推進系統、拼裝系統、出土系統等四個部分。
其中的盾構殼體是指盾構機外部的圓柱體殼體，作為支護可以防止地層的坍塌。盾構機的前部主機有點像一個巨大的電動刮鬚刀，只不過它刮的是泥土而不是鬍子。為了讓原本堅硬密實的土壤變得蓬鬆一些，可以在切削土體前先向土體噴上一些專門製作的泡沫劑。
盾構機在工作的時候，是利用其迴旋刀具進行開挖的。盾構機前端的刀盤每轉一圈，就會切削下不少泥土呢！這樣一來，盾構機就能整體前進一段距離，並把挖出的渣土“吐”出去。
盾構機在城市隧道建設中建功立業（網絡圖）
原來，在盾構機的刀盤後方有一個收集渣土的土倉，用來盛裝盾構機切削下來的泥土。在土倉的後面裝有螺旋輸送機和傳輸皮帶，可以不斷地把土倉中的泥土運送到盾構機後部的拖車中去。
▼模擬盾構機的工作狀態
盾構機工作過程示意圖
盾構機的動力來源為電力，功率在幾千千瓦到一萬多千瓦不等，需要專線進行供電。盾構機的推進系統由盾構千斤頂和液壓設備組成。盾構千斤頂需要克服盾構機重以及周圍土體產生的正面和側壁的摩阻力。
至於拼裝系統，則是由工人操作拼裝機拼出一環厚厚的鋼筋混凝土盾殼(管片)，從而支撐起掘出的隧洞不發生坍塌。千斤頂支撐在已拼裝好的環形隧道襯砌上，每拼裝一環管片就向前推進一個襯砌環間寬度。
現代盾構機的“大腦”——控制系統
在漆黑的地下工作，“鋼鐵蚯蚓”如何確保前進的方向呢？原來，現代盾構機都安裝有高精度的測量和導航系統，因此能夠動態顯示當前位置相對於隧道設計軸線的位置偏差，從而確保盾構機沿著正確的方向掘進。
從無到有的突破，全面搶佔“制高點”
中國盾構機開發和應用起步於1953年，東北阜新煤礦首次用手掘式盾構修建疏水巷道，從而揭開了中國盾構機從無到有的歷史。
我國第一臺具有自主知識產權的複合式盾構機（2008年）
2008年4月25日，我國第一臺具有自主知識產權的複合式盾構機在河南新鄉下線，併成功應用於天津地鐵建設，從此拉開了中國盾構機產業化發展的序幕。
短短65年的時間，我國盾構機不僅實現了從無到有的突破，而且在引進推廣的同時堅持自主創新，從而掌握了各種不同規格和類型的盾構機的生產技術。如今，盾構機已成為我國地鐵等隧道工程建設的常規裝備，在許多領域都發揮了重要作用。
超大直徑泥水平衡盾構機的核心技術，一直被少數幾個發達國家所壟斷。為了改變這種受制於人的局面，我國科學家通過技術攻關突破了多項核心技術，從而填補了我國超大直徑泥水平衡盾構機研製的空白。
2017年10月26日，直徑達15.03米的泥水平衡盾構機在中鐵工程裝備盾構總裝車間正式下線。這是迄今為止我國自主設計製造的最大直徑的泥水平衡盾構機。標誌著中國盾構機的設計製造水平正在向高端化邁進，並正在全面搶佔世界掘進機技術的制高點。
我國出口孟加拉國的超大直徑盾構機
2018年3月13日，由我國自主研發的超大直徑盾構機成功下線，並將出口孟加拉國用於卡納普里河底隧道工程建設。這臺直徑12.12米的超大直徑盾構機的出口，將終結歐美國家對海外市場的壟斷。
▲工作人員遙控盾構機管片拼裝
▲實時監控盾構機掘進參數
▼盾構機的細節美圖
後記：
TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘進機，別名：全斷面隧道掘進機。籠統的來說，盾構機與TBM都是一樣的，都是隧道全斷面掘進。但在造詞之初，它們是不一樣的，嚴格來說，它們之間存在以下不同點：
- 適用的工程不一樣，TBM適用於硬巖掘進的隧道掘進機，盾構機指的是適於在軟巖、土中的隧道掘進機；
- 兩者的掘進，平衡，支護系統都不一樣；
- TBM比盾構技術更先進，更復雜；
- 工作的環境也不一樣，TBM是硬巖掘進機，一般用在山嶺隧道或大型引水工程，盾構是軟土類掘進機，主要是城市地鐵，及小型管道；
但是以上說法有些言不符實，因為現在隨著技術的不斷進步，許多硬巖TBM也採用盾構技術，而TBM本來就是隧道掘進機的意思。這就是學術的發展造成了現實中稱法的混亂。
由此，學術界又提出了採用“硬巖TBM”和“軟巖TBM”兩種稱呼來規範的辦法。硬巖TBM適用於山嶺隧道硬巖掘進，代替傳統的鑽爆法，在相同的條件下，其掘進速度約為常規鑽爆法的4～10倍，最佳日進尺可達150m；具有快速、優質、安全、經濟、有利於環境保護和勞動力保護等優點。特別是高效快速可使工程提前完工，提前創造價值，對我國的現代化建設有很重要的意義。
軟巖TBM適用於軟弱性圍巖施工的隧道掘進機，是目前城市地鐵建設中速度快、質量好、安全性能高的先進技術。採用盾構機施工的區間隧道，可以做到對土體弱擾動，不影響地面建築物和交通，減少地上、地下的大量拆遷。
參考文獻
【1】CCTV-10科教頻道-創新一線.《中國盾構機》，央視網， 2018-02-12。
【2】環球時報.《中國製造超大直徑盾構機將出口海外，終結歐美壟斷》，環球網，2018-03-15。
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【4】崔金泰 著，杜曉西 繪圖.《中國驕傲 橋樑和隧道》（M），北京師範大學出版社， 2013年版。
【5】山西晚報，李晶.《登上“龍城一號”盾構機 體驗太原地鐵隧道施工“洞中天地”》，新華網，2017-05-04。
來源：百度百科，金屬加工，機械cax360