我是科學家：“千萬豪車”掘進地下城，“基建狂魔”如何打造“鋼鐵穿山甲”？
【文/中國科學技術館副研究員 趙洋，來源/科普中國“我是科學家”】
01.走在盾構機的“肚子”裏
我們是從一條在建地鐵隧道的入口走近這台由“中鐵裝備”製造的盾構機的。也可以説是“走進”，因為經過漫長的1.5千米的悶熱路程，我們不知不覺已經進入了盾構機的內部。
隧道橫截面為圓形，人行通道很窄。
隧道的橫截面為圓形，這台盾構機橫截面就是這個形狀。在這裏，人只能走在管壁兩側用鐵架搭起的步道上，很窄，迎面來人時雙方都得側着身子才行。隧道中間是一條鐵軌，不時有一人多高的渣土機開過，將前方發出的渣土運出去。在這裏，人是圍繞機器運轉的。
隧道壁上不時出現這樣的紅色角鋼，這是測量用的基準點。
堆在地面的“管片”
我們跨過“管片鋪裝機”頂部，我差點把手機掉在這裏。
後來我才知道，我冒着手機失落的風險爬過的這個架子叫做“管片鋪裝機”，它的作用是把“管片”貼到剛打好的隧道四壁，起支撐加固作用。管片是用鋼筋水泥澆築而成的，厚且堅固。
最重的管片有八噸重，靠上面的提鈕很容易拉斷。
最重的管片有八噸重，靠上面的提鈕很容易拉斷。所以大型盾構機的管片機是用真空吸盤將管片吸起來，這樣提拉力均勻分散了，管片也不會損壞。
液壓千斤頂，是盾構機的驅動裝置。
盾構機的刀盤後部有一圈液壓千斤頂，它們頂着已經鋪好的管片的端面，把自己往前“推”。
泡沫混合液相當於“唾液”，便於刀盤咀嚼和攪拌岩石。
盾構機相當於一條放大的若干倍的“蚯蚓”，前面的刀盤“吃”土，傳送帶將土從後部排出，而且不斷分泌“粘液”（泡沫），軟化土壤降低掘進難度。它通過的地方就形成了一條中空的隧道，隧道的內徑就等於它的外徑。
盾構機控制室
在盾構機前進方向的左手邊，有一個控制室。它與任何複雜交通工具的控制室沒什麼區別：按鈕、屏幕、通話器。不同的是，大多數交通工具的控制室可以看到外面，而這裏只能用屏幕反映前方的景象。彷彿在潛艇中。
盾構機啓動了，各種參數如圖
為了讓我們對盾構機的工作情況有個直觀的瞭解，工程師特意啓動了盾構機。儘管是電力驅動（如果用內燃機驅動，隧道內很快就沒有氧氣了），但噪音依然很大，這是刀盤刮擦巖壁土層的聲音、這是各種液壓機構、泵工作的聲音。大家的説話聲也不由得提高了。工程師讓我們自己在管壁上找一個參考點盯住，注意看盾構機是否緩緩前行。但站在這每分鐘僅推進幾釐米的龐然大物身上，看出它的移動談何容易？我們很快都放棄了。
管片之間的接觸面，橡膠起密封作用，出廠才一個月。
渣土傳送帶
走過控制室，視野中央出現了一條從前方延伸出來的傳送帶，它的起始點位於刀盤下部，末端位於盾構機尾部。它負責把刀盤切削下來的岩石、泥土運到渣土車上。
挖出的土樣要留存歸檔
手機掉到這裏還能找到嗎？
前往盾構機刀盤的最後旅程要跨越兩個相距一米的弧形鋼樑。上面沾滿了冷凝水，很滑。站在上面，只能弓着腰，頭不時會碰到天花板，雙手也沒有抓握的地方。我問工作人員，衣服口袋沒有拉鍊，手機掉下去還能找着嗎？工作人員低頭看看下面縱橫的管路和底部的泥水，對我説，應該能找到，不過只能找到手機的“遺體”。
返程的路依舊漫長酷熱
參觀完盾構機、體驗了盾構機工作時的偉力，我們從原路返回，仍是1.5千米的悶熱路程。顯然，這段地鐵隧道多長，工作人員每天就要往返多長。他們的辛苦可想而知。
02.隧道掘進的進化史
雖然目前的盾構機操作還免不了人力，但比起之前的隧道掘進已不知輕鬆多少了。
工業革命之前的隧道挖掘就不提了。單説炸藥發明後，隧道掘進來到了“鑽爆法”時代。顧名思義，“鑽爆法”就是先用鋼釺或鑽頭在隧道盡頭的岩石上打孔，再把炸藥、雷管、導火索塞入巖孔中。人員撤離到安全位置後，引爆。待硝煙散盡，人員進入，清理炸出的碎石，進行隧道的支護加固，繼續“鑽爆”……
用這種方法打隧道，速度慢不説，危險性還很大，常常有啞火的情況發生，派誰去排爆？
在盾構機生產車間，我們可以從外部更清晰的看到昨天“只緣身在此山中”的盾構機的全貌與構造
20世紀80年代，“鑽爆法”逐漸被鑿巖台車、襯砌模板台車等組成的大型機械化配套作業取代。
進入90年代，可實現“工廠化作業”的全斷面掘進機橫空出世 ，這就是我們熟知的盾構機。
盾構機模型
盾構機的前身要從1798年英國泰晤士河隧道工程講起，當時因工程困難，施工被迫暫停。來自法國的工程師布魯諾爾從生物學現象中獲得靈感，提出了盾構掘進隧道的原理。
他發現鑿船貝這種蟲子在木船板中的鑽孔行為可資借鑑。而且它還會分泌一種液體塗在孔壁上，形成保護殼，以抵抗木板潮濕後的膨脹。布魯諾爾據此設計的“開放型手掘盾構機”獲得英國專利。1823年他制定了另一條泰晤士河底隧道方案，並製成世界上第一台盾構機。機體是金屬圓柱體，裏面有複雜的機械設備，用千斤頂推動金屬筒向前水平推進，並用金屬框架撐住，防止隧洞塌方，同時在金屬框架後進行襯砌結構施工。可以説，目前盾構機具有的要素它基本都已具備。
“初代盾構機”示意圖。圖片來源：tunnelling.cn
這種人力手動式盾構機使用了幾十年，直到1876年第二代盾構機出現了，它採用壓縮空氣驅動，用機械力代替了人力開挖。
2008年我國首台具有自主知識產權的複合式盾構機在河南新鄉下線，併成功應用在天津地鐵建設中。我國盾構機產業化進程由此發端。
二百年來，盾構機的發展經歷了五個發展階段：1.機械化，2.自動化，3.數字化，4.智能化，5.無人化。到了未來的“無人化”階段，將採用人工智能控制掘進設備，可實現無人、無燈、無氧環境的隧道掘進。操作人員可以舒服地呆在隧道外，一般情況下不必干預盾構機工作。
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，我國已經研製出來的的盾構機“開挖倉檢查機器人”具備檢測開挖倉狀態、清洗檢查刀具的功能；“開挖倉換刀機器人”動作靈活，可以替換人類進倉換刀。
各式刀頭
再智能的盾構機也離不開先進的刀具。合金鋼製作的刀頭並不像我們想象的那麼鋒利，看起來還有些鈍，圓頭圓腦的。工程師説，盾構機並不是靠切削，而是靠向前的推力和刀具旋轉的擠壓力把岩石擠壓破碎。
盾構機就像一列火車，設備都集成在內部
03.形形色色的盾構機
談到大型的地下工程，您的腦海裏可能會出現一系列科幻電影：《生化危機》中，保護傘公司的巨型地下實驗室，可能會想到《古墓麗影》中，地下百轉千回的隧道……甚至在外太空也有挖掘機鑽探機的影子。比如在《天地大沖撞》中，布魯斯威利斯飾演的鑽井工人到小天體上去鑽孔爆破以消除其對地球的威脅。
在專業人士看來，電影中千奇百怪的隧道與地下工程，可以用現有的多個圓形刀盤組合來實現。通過巧妙排布大大小小的圓形刀盤，可以組成馬蹄形、方形、三角形等異形斷面，實現不同地下工程的需要。
煤礦大斷面快速掘錨成套設備
目前可以水平打，斜向上，斜向下打。以後還可以垂直向下打。各種應用場景，只有想不到、沒有做不到。
全斷面豎井掘進機，不但可掘進類似科幻電影《流浪地球》中的地下城的電梯，甚至還可以掘進一些特殊的國防工程。中國企業的優勢在於對中國地質情況的全面瞭解。中國地質情況之豐富複雜，相當於歐洲全境的總和。
你見過這麼大的電鋸嗎？切石頭得跟切豆腐一樣吧？
超級工程需要超級裝備，可以設想在未來的超級工程，比如川藏鐵路（隧道長度佔比50%以上），或者是海峽隧道中，必將需要專門定製的超級裝備。
現在我國已經能自行生產土壓平衡盾構機、泥水平衡盾構機、岩石隧道掘進機、多模式掘進機、頂管機、豎井/斜井掘進機、異型斷面掘進機、軟巖多功能掘進機等類型的掘進機。這些掘進機能夠涵蓋軟土、硬巖等多類型複雜工況，單模式、雙模式等多種掘進模式，能夠開挖圓形、異形等多類型截面形狀，直線、曲線、斜井、豎井多種隧道形式。
圖片來源：@國資小新
外國人説中國人是“基建狂魔”，而生產盾構機的中國企業堪稱是“狂魔中的魔頭”。
這些“魔頭”善於駕馭重型機械：在1998年長江抗洪搶險中，炸船堵決口的工程人員是他們；在2008年汶川地震搶險中，駕駛大型工程機械進入震區搶救生命的也是他們。
位於湖南長沙的中國鐵建重工集團，號稱全世界佔地面積最大，產品種類最全，市場佔有率最高的掘進機研發製造企業。而且他們是國內唯一一家未引進國外相關技術，全靠自主研發掘進機的企業。
我見過的最大的銑牀
在車間裏，我們看到出廠的掘進機刀盤。從掛在車間牆上的照片可以看出，出口的盾構機在交付驗收時，上面繪製着使用國國旗的圖案。誰能想到，當年還要靠進口設備的中國，短短十幾年，就可以向發達國家出口自主知識產權的盾構機和配套服務了。
未來要打造地下工程施工的智能裝備體系，要開發成套設備，使用不同工序實現與盾構機同樣的工作效果。到那時，裝備不但要適應工法，裝備還能改變工法。所謂工法，是指施工方法。這樣便達到了施工方法與施工裝備的深度融合，實現隧道及地下工程的智能建造。
全智能三臂鑿巖台車，彷彿隨時要變形
以鐵建重工研發的“全智能三臂鑿巖台車”為例。對於100平方米的斷面隧道鑽孔，傳統人工需要10~20人同時作業，鑽三米深的孔需要10~15分鐘，且作業環境惡劣，危險程度高。而這種鑿巖台車僅需二人操作，鑽三米的孔只需要1分鐘，而且採用密閉式駕駛室避免了粉塵和噪音對人體的損害。
三臂鑿巖台車駕駛室內部
我們依次到駕駛室體驗了一把。操縱桿與遊戲手柄別無二致，上面也有許多按鈕。操縱桿很輕，但並不妨礙用它指揮巨大的機械臂。
某科幻作家操縱鑿巖台車，樂得合不攏嘴
04.挖到天上去
當我們形容一個人很“能”時，往往會説“你咋不上天呢？”這個永恆的追問對於盾構機同樣有效。
既然現在盾構機發展得這麼厲害，咋不上天呢？
圖片來源：@國資小新
我們知道，在未來的深空探測和太空資源獲取過程中，如何在天然天體(如太陽系內衞星和小天體)上進行挖掘？航天任務要求有效載荷輕量化，能遠程遙操作或自動運作就不要載人。目前無人、無氧的智能化隧道掘進設備已經在開始預研了。但是否有考慮面向遠期的深空探測研發天基隧道掘進設備呢？我把這一系列問題拋給了盾構機專家。
對於這個問題，專家並沒有正面回答，而是採取了迂迴的路徑，他首先對未來10-15年的中長期隧道掘進技術發展趨勢進行了介紹。
他説，這些中長期趨勢都是找目前40歲左右的專家論證的，這樣可確保在其職業生涯內實現這些技術。
中長期的技術趨勢可以用三個字來概括，就是“長”、“大”、“深”。
所謂“長”，就是很長的隧道可以一次打通。目前硬巖掘進機的壽命可以支持連續掘進25千米。超過25千米的隧道，比如50千米的隧道，就得采用兩側同時施工的方法來貫通。
盾構機的連續掘進壽命大概是10千米，那麼在10-15年之後技術發展目標是海峽隧道可以一次打通。比如瓊州海峽等，這在技術上是可行的。
另一個關鍵詞是“大”，要多建大直徑的隧道。以目前的城市中的立交橋或跨江大橋為例：研究表明，建成這類橋樑之後，橋兩側、特別是引橋周邊的商業環境會變差。而地鐵口、過江隧道口附近的商業環境會變好。單從提升城市商業環境的角度講，修隧道比修橋要好。
為提升運力，目前的公路隧道從原來的兩個兩車道，發展到現在的兩個三車道，在將來將達到兩個四車道甚至更多。這樣打一個大直徑公路隧道就可以解決城市橋樑中引橋太多、斷頭路等交通問題。
“深”是第三個關鍵詞。這個很好理解，隧道向深處挖掘，對地面的影響會小一些。目前國內的地鐵隧道深度基本在30米以內，下一步將開發深度在50~100米內的城市地下空間，拓展城市居民的活動區域。
“中鐵裝備”使用小型盾構機挖掘的地下停車場。
我們在鄭州就參觀了“中鐵裝備”用自研的組合式矩形盾構機挖掘的企業園區內地下停車場，供自己的員工停車用。看起來它與普通的停車場別無二致。
最後這位專家終於正面回答了我的問題，即太空中的“輕量化”。
他説，隧道挖掘技術一般要強調技術平衡，這樣隧道建成後的狀態是穩定的。在掘進機的結構設計中，會注意輕量化的問題，但是設備要講究平衡。在天然天體上挖掘隧道，在技術上不是障礙，主要看需求的拉動，可能太空掘進機的能量來源是個問題。目前在地球上建鐵路，工程施工階段要使用大量的電力，光電費就要上百億元，在未來的太空挖掘時代，可能要用到小型核電站來供能，考慮到目前小型核電站已經可以裝配到船舶上，所以這應該也不是什麼難題。
鐵建重工研發的磁浮智能巡檢車
一萬年太久，只爭朝夕。這些研發、生產盾構機的央企，既具有市場意識，也極具創新意識。他們會根據市場的需求，靈活研發相關的技術，以符合市場需要。比如説新疆棉花豐收，企業就根據自己的技術優勢為棉農研發自動採棉機。比如不適合建設地鐵的城市，可能會考慮到地面軌道交通如磁懸浮等，所以他們會成立專門的研究機構研究磁懸浮的配套設備。他們製造的相關設備目前已經在長沙磁懸浮線，即中國首條自主知識產權的商業低速懸浮線上使用。
國產盾構機企業雖然還未“上天”，但入地（老本行）、下海（海底隧道）甚至貼地飛行（磁懸浮）……都已經做到了。照這個趨勢發展下去，“你咋不上天呢”——也許很快就會實現了。
圖片來源：@國資小新