盾构机的发明，竟缘于可恶的船蛆

随着我国隧道建设的加速，“盾构机”的名称开始进入公众层面。近年来，我国超大直径盾构机的研发不仅在世界上处于领先地位，而且还出口到海外市场...

那么，盾构机是如何发明的呢？关于盾构机还有什么鲜为人知的故事？

盾构机(网络图)

哥伦布讨厌的蛆给我带来了灵感。

18世纪末，英国人计划在伦敦下建造一条穿越泰晤士河的隧道。然而，在当时的施工技术条件下，建造如此规模的河道隧道比登天还要困难！

1798年，泰晤士河隧道工程进入运营阶段。然而，由于各种不可克服的困难，这个项目被中断了。法国工程师布鲁纳是个有爱心的人，所以他一直在思考泰晤士河隧道工程。

木头中的船蛆(见水印)

一个偶然的机会，布鲁纳发现了一种非常有趣的船蛆钻探行为。那么，蛆是什么？最初，蛆是一种软体动物，因为它的掘洞木船而危及船只，所以它被称为蛆，也叫凿孔壳。

菲律宾科学家发现巨型活蛆(见图片水印)

这条巨大的船蛆生活在硬壳里，以木头为食，以一个阀门状的器官为食，并且有两条虹吸管来吸收和排出水。

船蛆分布在世界各地的海洋中，对海洋中的船只和其他木制设备具有严重的破坏性。1503年6月，哥伦布第四次航行到了南美洲的牙买加。猖獗的蛆摧毁了哥伦布船队的一半，水手们不得不停靠在牙买加的一个岛上。

布鲁纳(网络图)

由于水手与当地居民发生冲突，当地居民没有为船队提供淡水和食物。正是这条蛆让哥伦布头疼，激发了布鲁纳的灵感。

布鲁纳仔细观察了蛆在船的整个身体上钻孔的行为，发现它也从身体中分泌出一种液体来覆盖孔壁，形成一个保护壳来抵抗潮湿后木板的膨胀...

布鲁纳受到这一现象的启发，喊道:“我有一个解决方案！”自然，布鲁纳仍然要感谢这条蛆。因此，布鲁纳提出了盾构掘进原理并获得了英国专利。这是所谓的开放式手挖盾牌的原型。

布鲁纳在英国获得屏蔽专利(网络图)

1818年，布鲁纳完善了盾构结构的机械系统，设计了全断面螺旋开挖的封闭盾构壳体。布鲁纳的盾构机是一个带有复杂机械和辅助设备的金属圆筒。千斤顶将金属筒架水平向前推，金属筒架支撑土(岩)体，防止坍塌。同时，内衬结构构造在金属圆筒框架的后面。

二十五年来铸造了一个“盾牌”，影响了后来的二百年

作为一名训练有素的工程师，布鲁纳对他的盾构施工方法充满信心。随后，布鲁纳被任命为隧道工程的工程师。1823年，布鲁纳为伦敦泰晤士河两岸的另一条公路隧道制定了计划，并制造了世界上第一台盾构机。

布鲁纳发明的盾构机首次用于隧道施工(网络图)

1825年，他发明的矩形盾构机首次应用于伦敦泰晤士河隧道的建设。矩形盾构的横截面高6.8米，宽11.4米。作为世界上第一条水下隧道，泰晤士河隧道起初是平坦的。

然而，在施工过程中遇到了很大的困难。发生了一些事故，例如河水进入隧道，进入隧道的甲烷被照明灯点燃，从而造成人员伤亡。但是布鲁纳没有丧失信心。他总结了失败的教训，改进了盾构机。

泰晤士水下隧道(网络图)

经过7年的改进，矩形盾构机已经不是以前的样子了。1835年，改良的盾构施工方法再次投入使用，经过几年的精心施工，泰晤士河水下隧道终于在1843年完工。

布鲁纳发明的盾构机有一个分成36个小单元的框架，每个小单元前面都有一个挖掘泥土的矿工。当许多矿工挖出相同数量的粘土时，框架可以向前移动，挖空的地方用砖铺成。

布鲁纳发明的盾构机是人类历史上隧道建设的重大技术突破。其技术原理为现代盾构机的设计奠定了基础。应该注意的是，布鲁纳的儿子也对发明过程做出了贡献。

泰晤士河隧道是世界上第一座采用盾构技术开挖的隧道，是隧道工程史上具有重要意义的里程碑。为了表彰布鲁纳对泰晤士河隧道的巨大贡献，英国女王维多利亚授予她爵士头衔。

泰晤士河隧道长396米，高23米。今天，泰晤士隧道已经成为伦敦地铁系统的一部分，每天都有成千上万的伦敦人匆匆穿过这条华丽的隧道。与此同时，泰晤士河隧道已经成为吸引全世界注意力的公共景点。

在实战中成长，从徒手挖掘到智能

整个盾构机被称为隧道掘进机，有时也可以简称为盾构机。盾构机作为隧道施工的专用施工机械，可广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程中。

邮票上的盾构机(网络图)

布鲁纳发明的盾构机是手挖盾构机，是盾构机的主要形式。尽管这项发明意义重大，但它仍未摆脱手工挖掘的束缚。我们通常称布鲁纳发明的盾构机为第一代盾构机。

世界上第一台机械化盾构机(英国专利，1876年)

机械化盾构机的发展是盾构机发展史上的一个重要里程碑。1876年，伦敦等人申请了第一项机械化盾构专利。它的进步以压缩空气的使用为标志，用机械挖掘代替了人工挖掘。机械和气动盾构机通常被称为第二代盾构机。

现代盾构机(网络图)

第三代盾构机以密闭式盾构机为代表，主要包括泥水盾构机和土压盾构机。泥浆平衡盾构机是一种通过调节泥浆室的泥浆压力来稳定开挖面，并以泥浆方式排放弃土的盾构机。土压平衡盾构机是一种通过调节泥浆出口室的土压来稳定开挖面并允许废土从泥浆出口室排出的盾构机。

盾构机的发展历程(网络图)

第四代盾构机以其大直径、大推力、大扭矩、高智能化和多样化的主要特点，在隧道建设中发挥着重要作用。盾构机未来的发展方向是开发具有深度感知、智能决策和自动执行功能的盾构机及其控制系统。

走近“铁蚯蚓”揭开“挖洞吞土”的秘密

盾构机被称为“钢蚯蚓”，是目前隧道施工的主要设备之一。盾构机一般可分为盾构壳体、推进系统、装配系统和挖掘系统。

盾构外壳是指盾构机外部的圆柱形外壳，可作为支撑防止地层坍塌。盾构机的前主机有点像一个巨大的电动剃须刀，但是它刮的是泥土而不是胡须。为了使原本坚硬致密的土壤变得蓬松，可以在切割土壤之前在土壤上喷洒一些特制的发泡剂。

盾构机工作时，使用旋转刀具进行挖掘。盾构机前方的刀盘每转一圈都会切掉很多土！这样，盾构机就可以整体前进一定距离，并“吐出”挖掘出来的淤泥。

盾构机为城市隧道建设做出贡献(网络图)

最初，盾构机配备了特殊的挖掘系统。最初，在盾构机的刀盘后面有一个土箱来收集淤泥，用来装盾构机切割的泥土。土仓后部设有螺旋输送机和传送带，使土仓内的土可以连续运输到盾构机后部的拖车上。

盾构机工作过程示意图(网络图)

盾构机的电源是电力，功率从几千千瓦到一万千瓦以上，需要专用线路供电。盾构机推进系统由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构千斤顶需要克服盾构机的重量和周围土壤引起的前壁和侧壁摩擦阻力。

至于组装系统，工人操作组装机来组装钢筋混凝土屏蔽壳(段)的厚环，以支撑挖掘的隧道免于坍塌。千斤顶支撑在组装好的环形隧道衬砌上，每个组装好的环形段在衬砌环之间向前推进一个宽度。

现代盾构机控制系统的“大脑”(见水印)

在黑暗的地下工作，“钢蚯蚓”如何保证前进的方向？事实证明，现代盾构机配备了高精度的测量和导航系统，可以动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，从而保证盾构机在正确的方向上行驶。

从零开始突破，全面抢占“制高点”。

盾构机在中国的发展和应用始于1953年。中国东北的阜新煤矿首次使用手挖盾构机修建排水隧道，从而揭开了盾构机在中国的历史。

中国首台具有自主知识产权的复合盾构机(2008)

2008年4月25日，中国首台具有自主知识产权的复合盾构机在河南新乡下线，并成功应用于天津地铁建设，拉开了中国盾构机产业化的序幕。

在短短的65年时间里，中国盾构机不仅实现了从无到有的突破，而且在引进和推广中坚持自主创新，从而掌握了各种不同规格和型号的盾构机的生产技术。目前，盾构机已成为我国地铁等隧道工程施工的常规设备，并在许多领域发挥了重要作用。

超大直径泥水盾构的核心技术已被少数发达国家垄断。为了改变被人控制的局面，中国科学家通过技术研究突破了许多核心技术，从而填补了我国超大直径泥水平衡盾构机发展的空白。

2017年10月26日，直径15.03米的泥水平衡盾构机在中国铁路工程装备盾构装配车间正式下线。这是目前我国自主设计制造的最大的泥水平衡盾构机。这表明中国盾构机的设计和制造水平正在向高端发展，正在全面抢占世界盾构机技术的制高点。

中国出口孟加拉超大直径盾构机(网络图)

2018年3月13日，我国自主研发的超大直径盾构机成功下线，并将出口孟加拉国，用于卡纳普里河底隧道建设。这台直径12.12米的盾构机的出口将结束欧美国家在海外市场的垄断。

人物传记:

盾构隧道法的发明者——布鲁纳

布鲁纳(1769 ~ 1849)，著名的法英工程师。他于1793年流亡美国，1798年流亡英国。在美国逗留期间，布鲁纳成为了一名工程师和建筑师。在英国生活之后，布鲁纳曾经获得了这块盾牌的专利权，它被命名为布鲁纳盾牌。作为盾构隧道的发明者，布鲁纳为英国铁路建设做出了突出贡献。

泰晤士河隧道是世界上第一座采用盾构技术开挖的隧道，是隧道工程史上具有重要意义的里程碑。1843年，泰晤士河隧道竣工。英国维多利亚女王授予布鲁纳爵士爵士爵士爵位，以表彰他对工程的巨大贡献。

参考

[1] CCTV-10科教频道——创新第一线。中国盾构机，*电视台网络，201012。

[2]环球时报。“中国制造的超大直径盾构机将出口到欧美结束垄断”，全球网络，201015。

[3]周文波。《盾构隧道施工技术与应用》，中国建筑工业出版社，2004年。

[4]崔金泰，杜小溪的画。《中国骄傲的桥梁与隧道》(中)，北京师范大学出版社，2013年。

[5]山西晚报，李京。“登上“龙城一号”盾构机体验太原地铁隧道施工中的“洞内天地”，新华社，201004。