一种新型硬岩盾构机的初步设想

盾构机是从人类开凿地下隧洞的需求中产生的，最初是英国的伦敦需要修建一条贯穿泰晤士河的需求，提出了这个隧洞设想以后在实施的过程中遇到了很大的困难，工程师Brunel提出的最初的盾构思想，根据他的这个思想英国在1841年成功地修建成功了穿河隧道。1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请了第一个机械化盾构的专利，其进步的标志是采用了压缩空气，用机械开挖代替了人工开挖，隧道掘进机从此迈入了机械时代。从此以后盾构法被世界各国仿效，而且盾构法走过了三个阶段，第一代盾构是人工盾构，第二代出现了机械盾构法，通常，我们把机械式和气压式盾构机称为第二代掘进机。布伦敦等人发明的盾构机有一个由几块板构成的旋转刀盘，开挖的渣土落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣土转运至轮带输送机上，再将它转运到盾构机后部送出。这是盾构史上的一个巨大进步。1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机；同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构；1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构。目前流行的是第三代盾构机，是机电一体化泥水平衡盾构机。第三代掘进机以闭胸式盾构机为代表，主要包括土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机，以新型衬砌为主要技术特点。土压平衡式盾构机是通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面，弃土可以从出泥舱排出的盾构机。泥水平衡式盾构机是通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排出的盾构机。

第三代盾构机引入我国二十多年，在我国取得了突飞猛进的发展， 2008年，中铁工业旗下的中铁装备研制出我国首台第三代复合式土压平衡盾构机，并成功应用于天津地铁建设，从此拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。从钢钎、大锤到风钻、炸药，长期以来，在我国隧道工程施工中，人力都没能得到真正意义上的解放。致力于隧道施工装备研发制造的中铁工业经过多年努力，实现了技术水平从跟跑到并跑，再到领跑的跨越，促成了我国隧道工程施工由工具到装备，从人力到机械化的演变。除地铁施工常用的土压平衡盾构机外，企业还研发出异形盾构机、超大直径泥水盾构机、小微盾构机、TBM等诸多创新产品，从世界最小直径TBM到全球首台马蹄形盾构机，再到国内自主研制的最大直径泥水平衡盾构机、“彩云号”TBM。

今年又下线了龙岩号盾构机，标志着我国向着第四代盾构机前进了一大步。第四代掘进机以智能化、无人值守、网络信息处理为主要特色，中铁装备集团承担这这个研究领域的国家973项目，让掘进机具有深度岩-机互馈感知、智慧决策、自动执行功能，是未来掘进机发展方向。

现在我们来看盾构机的结构和优点：盾构机由刀盘、切口环（前体）、支承环（中体）、盾尾和盾尾密封、螺旋输送机、管片安装机构、皮带输送机、拖车、液压系统、注脂系统、渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统等十四个部分组成。其中主机的结构包括：刀盘、主轴承、切口环（前体）、支承环（中体）、推进油缸、铰接油缸、尾盾和管片安装机。其中刀盘是最为关键的部件，刀盘上的刀片种类较多，有单刃滚刀、双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、刮刀、方形刀等。滚刀安装在滚刀座上，刮刀安装在刮刀座上，还有搅拌棒，刀盘和驱动之间用法兰连接，法兰和刀盘之间用巨大的辐条连接。刀盘的周边安装有耐磨条，面板上安装有耐磨材料，刀盘的转速一般在每分钟6圈以下，最大的扭矩一般超过4500千牛。滚刀用于破碎岩石，刮刀有利于渣土流动和出渣，齿刀和切刀用于软土掘进和导流。软岩的切削机理是刀具对土层的挤压产生的剪切力来破坏土层；硬岩的切削机理是利用岩石的容易碎裂特性，通过滚刀的滚动对岩体产生的剪切力和冲击力碾碎岩石，所以这种机理开凿的岩石比较细碎。滚刀破岩石要达到两个要求：滚刀的启动扭矩要小，岩石要硬，滚刀自身有足够硬度。滚刀刀间距一般都小于100毫米。主驱动装置一般由主轴承，好几个驱动马达，减速器和密封组成，是关键部件。支承环要承受盾构上的全部载荷，包括地层力，千斤顶的反作用力，阻力、拉力和载荷。它由人员舱、推进油缸、铰接油缸、操作控制台等组成。总体来说，盾构机由采掘系统（刀盘、切口环（前体）、支承环（中体）、盾尾和盾尾密封）、动力系统（马达、液压系统、推进油缸、铰接油缸）、控制系统（感应器，控制台）、出渣系统（螺旋输送机、皮带输送机、拖车），防护系统（洞壁护体、管片安装机构、膨润土系统、注浆系统）和辅助系统组成。

但是总体来说，盾构机依然具有以下缺点：第一， 都是慢旋转切屑式，把岩石彻底粉碎以后从排渣孔排出渣土，严重影响了开凿速度，大量功率用来粉碎和研磨岩石，浪费了巨大的电力。用了大量时间研磨岩石严重影响了开凿速度。第二，这种压力平衡式盾构方式不符合岩石的特点。岩石的特点是硬度大，但是脆性也很大，一般传统的方法只要攻破岩石一点，整个岩石就会开裂，而盾构机没有利用岩石的脆性特点。第三，压力平衡式盾构机的排渣很困难，大量泥沙和碎石在盾构机的刀盘上要旋转很长时间才能够排出，而这种研磨是没有任何必要的，排渣不及时严重地推迟了盾构机的掘进速度，所以第三代盾构机从基本原理上需要改进。第四，压力平衡式盾构机的刀具磨损非常严重，而且更换刀具非常困难，不便于人员操作。第五，压力平衡式盾构机很难制造直径超过15米的大口径隧洞，所以很难应用于水工隧洞的建设。

目前，我国民间流行一种岩石劈裂技术，是从中国古老的劈裂岩石技术演化而来。这种古代技术的要领是这样：在一个巨大的整体岩石上面画一条直线，在直线上分别打孔，每间隔十厘米左右打一个孔，每一个孔都插入一个钢钎，然后人工在每一个钢钎上打砸一锤，顺序地打下去，一个序列完成再次按顺序打钢钎，每次也只打一锤，直到有一次打下去之后岩石开裂，整齐地沿着钢钎确定的直线开裂。这种开凿岩石的方法可以开凿出完整的规格形状的岩石。而目前我国的民间高手使用了液压技术，发明了一种分裂棒和劈裂器，开凿岩石的效率非常高。这种技术充分地利用了岩石的脆性，可以利用60兆帕的压力劈裂硬度在300兆帕以上的岩石。而这种技术和盾构机的原理截然不同。能不能把这种原理应用于盾构机呢？完全可以。

对于盾构机的改进，主要是针对硬岩进行，主要的目的是提高凿岩速度，增加一次开凿的方量。为此需要充分利用岩石的脆性特点，攻击岩石多个点就可以破裂岩石，可以劈裂出较大块的岩石，然后把这些岩石不需要经过研磨粉碎，直接排出隧洞。为了达到这个目的，主要的要在盾构机的机头上加进分裂棒和劈裂器，减少刮刀和滚刀。而要使用分裂棒和劈裂器，必须首先制造一个临空面，让侧向压力不平衡，为此需要钻出许多小孔洞，直径在十厘米以内，深入长度在2米以上，当这些钻孔排成一个阵列的时候，同时加进分裂棒进行劈裂，就可以对整块岩石粉碎。所以就需要在盾构机的大刀盘上安装若干分裂棒和液压钻。为了把孔洞排成一个阵列，需要安排液压钻头和分裂棒在盾构机在刀盘上的位置。也就是需要重新设计盾构机的刀盘。由于这个不是压力平衡式盾构机，而且开凿的目标是硬岩，所以刀盘不需要是整片，而应该是框架结构。以直径15米的硬岩盾构机为例，其周长为47米，在盾构机的外围安装20个滚刀，10个刮刀。然后在半径为7米的外围安装20个钻头，间隔1.5米安装29个液压钻头，在液压钻头的圆周弧线上均匀地安装29个分裂棒，钻孔直径大约6——8厘米；然后在距离圆心3米的同心圆上间隔1.2米安装24个液压钻头，在液压钻头的圆周弧线上均匀地安装24个分裂棒。在盾构机刀盘最中心以三角形再3个液压钻头，在液压钻头的圆周弧线上均匀地安装3个分裂棒。这样分裂棒就分别安装在三个同心圆上，同心圆之间流出足够的出渣空隙。这样在一个直径为15米的开凿面上可以同时钻出56个孔洞，这56个孔洞完成后，钻机退出孔洞，盾构机刀盘适当旋转，和分裂棒对齐，然后插入分裂棒让岩石产生侧向的巨大压力，从而实现整块岩石的裂解。在这种分裂棒上同时携带震动，冲击，胀裂设施，让岩石变成较小的岩块。然后取出分裂棒，让盾构机刀盘旋转，安装在盾构机上的滚刀和刮刀把石块进一步粉碎，主要是带动碎石从刀盘间隙流出，输送到螺旋输送机和皮带输送机上运出隧洞。

总体来说，盾构机的机头刀盘作出如下改进：法兰和刀盘之间用巨大的辐条连接，刀盘的辐条从八个减少到6个，宽度适当加宽，每一个辐条上安装4个搅拌器和4个刮刀；分裂棒和钻机安装在宽度为1米的环形盘片上，最大盘片上再安装15个搅拌器和15个刮刀和15个滚刀，中间的盘片上再安装10个搅拌器和10个刮刀和10个滚刀。圆心盘片部分不再安装滚刀和刮刀。刀盘上的出渣间隙的尺寸为2米*5米，可以保证1米直径的岩石块被搬运出去。

这样一个加进了分裂棒和钻机的盾构机主要是机头部分做出了较大的变动。而盾构机的支承系统、动力系统、控制系统、出渣系统，防护系统和辅助系统基本保留原来的结构。这种改进的目的是充分利用岩石的脆性，充分利用已经成熟的岩石劈裂技术。

当然，还有人提出了另外一种盾构机改进方案，当然也是利用岩石的脆性。不过其中加进了水刀。目前使用水枪产生的高压，人们也生产出了一种“水刀”，水刀可以喷出压力高达280兆帕的水压，这种水刀可以切割岩石。这种方案的初步设想是这样，盾构机的刀盘往后缩2——3米，而在前端做一个桶状的、紧贴着外围最大尺寸的刀盘，中间完全空心。在刀盘上安装一圈水刀，例如15米直径可以安装25个水刀，水刀可以向前切割，也可以斜向切割，在盾构机旋转的时候可以切割出一个宽度小于1厘米的直径为15米的环形圈，在筒状刀盘的内测安装若干滚刀，滚刀的作用是扩大水刀切割的缝隙，滚刀的直径分别是1厘米，2厘米，3厘米，4厘米和6厘米，共六圈。经过不同直径的滚刀切割把15米的环形圈的空隙扩大到6——8厘米，深度超过3米。然后在岩石上用液压钻机开凿若干同心圆的圆孔，最后用分裂棒劈开岩石。然后旋转盾构机，让盾构机的刮刀和搅拌棒搅拌岩石，取出渣土碎石。这个设想还需要完善。

总之，把分裂棒、劈裂器和水刀应用在盾构机上，让盾构机的开凿速度更快，效率更高，可以开凿大尺度的隧洞，同时克服盾构机的缺点是设想的总目标。