这一点我还是比较有发言权的,因为我就是从事工程建设方面的,而且我在武汉市,刚刚参加完一个地下盾构隧道的工程建设,再加上我之前多年从事铁路工程建设的工作经历,我来解释一下,为什么城市的地铁多数都用盾构隧道的方法?为什么铁路隧道多数用矿山法,而不使用盾构机?而地铁工程却用盾构机比较多呢?首先我们的地铁多数是建设在城市的中心,繁华地带。
这种特殊的地理位置就决定了我们修建地铁不可以使用矿山法,也就是爆破法开挖,我们可以试想一下,如果在城市里面建筑物比较多的地方,在地下使用爆破进行开挖的话,那么频繁的爆破会对周边的建筑物产生比较大的影响,存在着非常大的安全隐患,而且爆破巨大的噪声也是会非常影响城市的文明的。
而且在城市里面人员的密度比较高,无法在人员密度如此高的地方存放以及使用炸药,只要炸药的管理出现了任何疏忽将会造成非常大的安全隐患,所以城市地铁为什么不能使用矿山法?也就是爆破法进行开挖,是因为受到了种种原因的限制,其中最主要的原因就是安全问题。
那么地铁工程不能用矿山法用盾构机进行掘进就比较合理了。
那么为什么呢?首先,盾构机使用相对来说比较安全,对城市的地下地表的影响比较小,基本上不会造成地表的沉降,而且没有爆破的噪音,非常安静,对城市基本上没有什么影响。
而且盾构机虽然一次性投入比较大,往往一台大型的盾构机造价要一个多亿人民币,但是他因为掘进速度比较快这样的话,效益就比较好。
又因为盾构壳体是一个封闭封闭的环境,施工人员全部在盾构机的可体的保护下进行施工,基本上不存在隧道塌方的可能性对施工人员有着良好的保护作用。
掘进速度比较快效益比较好,又对城市的相关建筑地表没有什么很大的影响,因此,地铁工程采用盾构机进行掘进比较多。
而相反,铁路火车隧道基本上不采用盾构法,因为铁路的火车隧道基本上地理位置比较偏远离城市,而且铁路火车隧道一般距离并不长,因此,采用矿山法也就是爆破法,还是相对来说比较经济的,在相对比较偏的地方,也可以使用爆破法,对城市的居民没有什么影响,基本上周边也不会存在有多少建筑物。
在铁路隧道周边存放炸药也相对来说比较安全,毕竟建立炸药库,要经过层层的审批,当地公安机关也会进行严格管理,基本上可以放心的使用。
使用矿山法爆破开挖掘进的话进度也基本上能够满足要求。
所以铁路隧道基本上都采用矿山法爆破法开挖,当然了,也可以采用盾构机进行开挖技术上完全没有问题,但是铁路隧道往往距离并不长,造价没有那么高采用盾构机进行掘进的话,成本过高不划算不经济。
这是一个沉重的话题,就像今天我国芯片技术被封锁一般,盾构机在当年也被其他国家联合封锁过,值得庆贺的是,我国科学家在被技术封锁的困境之下,突破重重障碍,最终成功研发出了享有“地下蛟龙”美誉之称的盾构机!1953年至今,我国在盾构机领域,从“一无所有”到如今占据全球三分之二的市场,仅仅用了67年!这篇文章有点长,我想尽可能多写点关于盾构机的知识,揭开我国盾构机的崛起之路,其中的坎坷应当时刻牢记。
当然文中也会解答“为什么盾构机不能用来挖火车隧道,反而可以挖地铁隧道?”盾构机有多么重要?以前挖隧道都是靠蛮力,就是用大锤不断敲击岩石,全程都是人工,就算24小时不休息,一天也就挖个1~2米。
后面采用的是风镐挖掘,利用压缩空气震碎岩石,但这挖掘速度每天也就6~8米。
1825年,第一代盾构机正式投入应用,英国为之欢呼,这意味着他们的综合国力将会得到显著提升,因为盾构机的挖洞速度,是以前的8~10倍!本来一个为期50个月的工程,现在只要5~6个月即可,这意味着他们不仅可以节省大量人工,而且还能在有限的时间中,建造更多工程!然而盾构机涉及到力学、光学、机械、土木、电气、液压、传感等学科,综合国力不强,根本造不出来,所以盾构机是衡量一个国家地下施工装备制造水平的重要标志。
盾构机对于基础建设的作用,就跟光刻机跟芯片之间的关系一样!我国的基建速度能如此之快,也是得益于盾构机带来的便捷。
盾构机的发明史有一天,工程师布鲁诺尔十分烦恼,因为快速挖掘隧道的难题一直无法攻克,突然他灵光一闪,想到了令航海人都十分头疼的凿船贝。
以前都是木船,而凿船贝是一种生活在木头中的蛆,它会从内部不断破坏木质结构,其臭名昭著程度堪比白蚁。
布鲁诺尔立刻找来几条凿船贝,并且日夜观察它们的一举一动,突然他开悟了,挖掘隧道也能用凿船贝的这套方法!灵光如泉涌的布鲁诺尔立即开始研发,最终发明了第一代盾构机(手掘式)。
盾构机的工作原理盾构机的本质是一个圆柱体,在力的推动下对前方土壤进行挖掘,前面的刀盘能高效切开泥土及岩石,外层的“盾”既能保护内部组织配件,又能临时支撑还没有衬砌的隧洞。
整个盾构机由由掘进、同步注浆、出渣、渣土改良、拼装、密封、导向等系统组成。
你可以理解为,前面在“吃土”,中间在“加工”,后方在“衬砌”,整个过程行云流水。
盾构机的核心技术就是刀盘驱动系统,它由电机、减速器、主轴承等组成,其中主轴承是整个驱动系统的核心。
在幽暗的地下,盾构机主要靠毫米级激光导航技术,因为光线是直的,所以当中轴线上的感应器,感应到激光时,就会循着光线的方向一直挖,当然工程师也可以分次多段调整方向。
中国盾构机的崛起:从“一无所有”到“占据全球2/3市场”我们是在1953年开始使用盾构机,但在那会,我国还没有盾构机,所以只能向其他国家购买,而那会主导全球盾构机市场的,基本都是西方国家。
以前单纯靠人力挖隧道,一个是慢,另一个就是容易出事故。
所以为了提高基础建设速度,减免不必要的牺牲,我国只能向其他国家购买盾构机,比如1996年,我国为了快速修建秦岭隧道,只能花7亿向德国购买2台盾构机,1996年的7亿是什么概念……可我们又有什么办法呢。
事情还不止于此,虽然在盾构机的发力下,挖掘速度有明显提升,但很快盾构机就出现了问题,估计买过来的质量本来就不怎么好,后来没办法,只能喊国外维修员过来修。
结果维修员所有的开销都要由我们报销,气人的是,往往一个简单的故障,磨磨蹭蹭的浪费了很多时间,严重影响施工进度,最气人的是,他们在维修时,禁止让我国工程师在一旁观看。
自己买的设备,找人来修,维修费昂贵、维修时间长暂且不说,关键还不让主人家在一旁看,简直没处说理去……不过总的来讲,秦岭隧道在使用了盾构机后,工程大幅度提前完成,但老是被人“卡住脖子”也不是个事,于是我国开始自主研发盾构机,并且把此研发项目加入“863计划”。
2004年,经过专家的不懈努力,终于造出了“先行号”样机。
2006年,“先行2号”正式批量生产。
2008年,我国成功研发第一台拥有自主产权的复合式盾构机“中国中铁一号”,从此打破了其他国家的技术封锁!2012年,“天和一号”打破其他国家的垄断局面。
此后我国继续加大研发盾构机力度,不管是硬岩掘进机、泥水平衡盾构机还是土压平衡盾构机,都成为了全球名列前茅的存在。
2019年,我国首次向法国出口两台大直径土压平衡盾构机。
今时今日,我国盾构机在国际市场上大放异彩,牢牢占据着全球2/3的市场,从“一无所有”到“盾构机出口大国”,我们仅仅用了67年!相信不久的将来,我国芯片技术也能突破重重封锁,同样像盾构机一样,在全球市场中大放异彩!为什么盾构机不能用来挖火车隧道,反而可以挖地铁隧道?其实对于“盾构机”的理解,国际跟国内略有不同,国际上对于盾构机是广义上的理解,而我国习惯把适用于软土地层的隧道掘进机,称之为“盾构机”,用于岩石地层的隧道掘进机,称之为全断面硬岩隧道掘进机(TBM)。
盾构机为什么不适合用来挖火车隧道?火车隧道穿过的是山体,岩层坚硬厚实,地质结构复杂,有时候还会面临涌水、岩爆、断裂带等问题,其实盾构机或TBM要挖,也能挖,但是没必要。
火车隧道距离很短,犯不着用盾构机、TBM,而且光运输就是个难题,有些荒山僻岭的,怎么把机器运过去?现在基本上都是爆破法,周边没多少居民、郊外存放炸药安全、审批难度低,可能爆破法最后也就花个几千万,然而盾构机、TBM光造价就数亿,完全得不偿失,主要是隧道距离太短了,没有地铁几十公里那么长,没必要用盾构机或者TBM盾构机为什么适合用来挖地铁隧道?地铁隧道多建造于人类活动范围之内,周围建筑物居多,地下还有各种电线水管,爆破法不适合,而且稍有差池,影响甚大!盾构机就能完美解决这些难点,虽然盾构机成本高达数亿,但地铁隧道往往一挖就是几十公里,从成本上来说,使用盾构机更合算,而且速度还快。
此外,施工人员在盾构机的保护下,安全性得到了保障,地下又都是软土,盾构机在下面施工,并不会对地面造成较大影响,甚至你站在地面,浑然不知脚下有这么一个庞然大物在运作。
所以从施工难度、经济效益等综合因素考虑,地铁隧道适合盾构机,火车隧道适合爆破法。
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