作者：劉植榮
過日子不能總宅在家裏，也要出行，或上下班通勤，或公務出差、觀光 旅遊 ，出行就又離不開地鐵、鐵路和高速公路，當妳乘地鐵、坐火車、上高速時，妳可曾想過：穿行其中的那些隧道是怎麽挖掘的？
1.早期挖掘隧道是人工加爆破
過去，隧道的挖掘方式都是人工開鑿加爆破，對土層和碎石地質而言，用人工開鑿，在掌子面用鎬頭、鐵鍬等工具挖掘；對巖石地質而言，鎬頭、鐵鍬就挖不動了，必須借助炸藥，在掌子面用炸藥把巖石炸碎，然後再把碎石運出隧道。
“掌子面”是土木施工術語，這裏指的是隧道施工時不斷向前推進的挖掘工作面。
就地鐵隧道而言，過去大都采用“明挖填埋法”工藝，即是先把街道破壞，大揭蓋挖出壹條溝渠，然後在溝渠裏澆築隧道壁，隧道建好後再用土方掩埋夯實，重新把街道修好。中國大陸早期地鐵隧道用“明挖填埋法”挖掘，後來才采用“盾構機挖掘法”。廣州首條地鐵線(壹號線)建設就采用盾構機挖掘隧道。
近百年來，盾構機逐漸在隧道挖掘工程中流行起來，目前，較長的隧道挖掘基本上都用盾構機。
2.英國1825年便用盾構機挖掘隧道
“盾構機”是在中國的稱呼，國際上壹般叫“隧道鉆機”（TBM），土木工程行話叫“鼴鼠”，因為它就像鼴鼠那樣在地下挖洞。
1825年，英國挖掘泰晤士隧道時就用盾構機，這臺盾構機是由法裔英國工程師馬克·伊薩姆巴爾德·布魯內爾爵士發明的，他還申請了盾構機專利。泰晤士隧道長396米，從倫敦泰晤士河底穿過。
1845年，法國到意大利的國際鐵路開建，這條鐵路橫貫阿爾卑斯山脈，需要在海拔1123米的高度挖掘弗雷瑞斯隧道，這條隧道長14公裏，是當時是世界上最長的隧道，隧道從海拔2932米的弗雷瑞斯峰下貫通，也就是說，隧道上面的巖石最大厚度是1809米。
為修建這條隧道，亨利·約瑟夫·茂斯發明了“開山機”，於1846年在意大利都靈附近的壹個兵工廠制造。“開山機”的樣子像壹個火車頭，前面有100多個震動鉆頭，用這些鉆頭把掌子面上的巖石搗碎。“開山機”已經具備了現代盾構機的壹些功能。
1853年，美國人埃比尼澤·塔爾博特申請了盾構機專利，專利名就是“Tunnel Boring Machine”（隧道鉆機）。
1870年，英國人約翰·D·布魯頓研發制造了帶刀盤的盾構機，和現在廣泛使用的盾構機已十分接近。
1875年，法國國民議會通過法案修建英吉利海峽隧道，選定用英國盾構機挖掘。1882年6月至1883年3月，盾構機在英國壹側挖掘了1882米；修建蘇伊士運河的法國承包商亞歷山大·拉瓦勒在法國壹側用盾構機挖掘了1669米。實踐證明，用盾構機挖掘隧道效率非常高。但由於法國後來擔心英國利用英吉利海峽隧道進攻法國，該工程在1883年終止了。
盾構機在英吉利海峽隧道上的成功鼓舞了眾多土木工程師。1883年，英國用盾構機挖掘了別根海特至利物浦的墨西河河底隧道，直徑2.1米，長2公裏。
進入20世紀，人們不斷對盾構機進行改進。現在，各式各樣的盾構機每天在世界各地的隧道工程中不停地運轉。
3.盾構機是怎樣挖掘隧道的？
從盾構機的國際通用名稱“隧道鉆機”更容易理解它的工作原理：它就是壹個大鉆機，在地下或山體上鉆出壹個洞來。
盾構機可稱得上是土木工程中最大的施工機械，大的直徑有十七八米，長度有壹百幾十米。盾構機最前面是壹個巨大的刀盤，刀盤上有刀頭陣列，掘進時靠刀盤轉動切削掌子面上的土石，渣土從刀盤空隙流入渣土倉，由螺旋機把渣土傳送到皮帶輸送機上，再轉到另壹條更長的皮帶輸送機運到隧道外的渣土處理場，也有的是用軌道渣土車運到隧道外。
有點常識的讀者應該明白，刀盤後面如果沒有推力，是無法切削掌子面上的土石的。那麽，怎麽給刀盤推力呢？
這個推力來自盾構機自帶的液壓千斤頂。如果在堅硬的巖石上挖掘隧道，盾構機上兩個巨大的液壓千斤頂斜著向後頂在開挖後的隧道兩側的巖石壁上，向前猛力推刀盤切削掌子面。
如果在松軟地質層挖掘隧道，上述方法就不能用了，因為液壓千斤頂頂到松軟的隧道壁上就陷進去了，無法提供推力。這時，就要用另壹種方法，讓數個小型液壓千斤頂同時頂在後面安裝好的襯砌管片上，向前水平為刀盤提供推力，這也是目前地鐵隧道常用的盾構方法。
襯砌管片就是我們在隧道裏肉眼看到的隧道表層的鋼筋混凝土預制件。這些管片是在地面鋼筋混凝土預制場制作的。管片被運進隧道口後就不再需要人工幹預，從輸送到安裝完全自動化。
襯砌管片的寬度要與液壓千斤頂每次向前推進的距離相匹配，也就是說，液壓千斤頂每次向前推進多少厘米，管片的寬度就是多少厘米。當液壓千斤頂推到盡頭時，刀盤停止旋轉切削掌子面，此時盾構機的護盾區間進行繞隧道壹圈的管片拼裝。盾構機上的管片拼裝機像人手壹樣靈巧，可移動，可旋轉，可伸縮，把管片穩穩妥妥地拼裝到位，精度達到毫米級。
當要拼裝壹片管片時，負責頂這個管片的幾個液壓千斤頂會收縮，留出壹定的空間拼裝管片。管片拼裝到位後，液壓千斤頂再伸出來輕輕頂住它，以此類推，直到這壹圈的所有管片拼裝到位。此時，所有液壓千斤頂開始均勻加壓，壹起頂著新拼裝的壹圈管片，靠反作用力向前推刀盤繼續切削掌子面，向前掘進。
盾構機在施工時，刀盤切削掌子面與拼裝管片交替進行，盾構機整體在液壓千斤頂的推動下向前壹步壹步移動，直至把隧道挖通。如果地質松軟，每天可掘進幾十米；如果遇到堅硬的巖石，每天只能掘進幾十厘米。
襯砌管片與隧道壁之間的空隙要用灰漿填充，以此來加固管片，保持整體內襯層的穩定性，並防止水向隧道滲漏。
上面講的這壹系列復雜的工序都是盾構機自動完成的。盾構機內有個中央控制室，盾構機各關鍵部位均有傳感器，將采集的數據傳到中央控制室，操作員通過顯示器上顯示的各種數據，便知道盾構機的工作情況，並在必要時進行幹預。
刀盤上的刀頭要經常保養更換。刀頭上也有傳感器，當刀頭溫度升高到壹定數值時，就會向中央控制室發送報警信號。
4.盾構機在隧道裏如何轉彎？
讀到這裏，可能有讀者會問，盾構機在隧道裏能轉彎嗎？
當然能。城市地鐵隧道大都在街道下面挖掘，隧道沿街道走向設計，要不斷轉彎，並根據地下情況“上躥下跳”。公路和鐵路隧道，也要根據地貌、地質和水文情況選線，這也要求盾構機能360度轉向。
盾構機轉彎靠用襯砌管片改變刀盤切削方向來實現。在需要轉彎的地方，每壹圈襯砌管片的寬度是不同的。如果向左轉彎，右側管片的寬度依照轉彎半徑就設計得比左側管片寬些，這樣，右側的液壓千斤頂就把刀盤頂得向左傾斜，實現左轉彎。如果右轉彎，左側管片的寬度依照轉彎半徑就設計得比右側管片寬些，這樣，左側的液壓千斤頂就把刀盤頂得向右傾斜，實現右轉彎。“上躥下跳”的轉向原理同上。
5.目前世界上最大的盾構機直徑17.5米
2006年9月15日，加拿大用於引水灌溉的尼亞加拉隧道開鉆，該隧道長10.2公裏，從加拿大安大略省尼亞加拉瀑布市地下140米深處穿過，用的盾構機是美國羅賓斯公司制造的“大貝基”，直徑14.4米，刀盤由15臺電動機驅動，功率470萬瓦特（6375匹馬力），當時是世界上最大的盾構機。之所以要在如此深的地下挖掘隧道，是為了防止盾構施工給地面建築帶來影響。
2011年，意大利佛羅倫薩附近5030米長的斯帕沃隧道開鉆，用的巖石盾構機是德國海瑞克公司生產的“瑪蒂娜”，盾構直徑15.62米，長130米，重4500噸，挖掘橫斷面192平方米，總功率18兆瓦特，推力4萬噸。德國海瑞克公司還設計了直徑19.25米的盾構機，但至今尚未建成。
日本日立造船株式會社2012年制造的盾構機“貝莎”，直徑17.5米，長110米，重7000噸，刀盤有260個刀頭，該盾構機由美國華盛頓州交通局訂購，用於99號公路阿拉斯加高架橋替換隧道挖掘（該隧道上下兩層行車道），這是迄今世界上最大的盾構機。
6.盾構機挖掘隧道的優缺點
用盾構機挖掘隧道有諸多優點。它不受地面因素影響，可以全天候施工；它也不破壞地面建築、文物和自然環境，屬於生態環保施工；由於挖掘、出渣土、襯砌管片全部實現自動化，節省了大量勞動力，降低了事故風險。
用盾構機挖掘隧道的主要缺點是初期投入成本太大，多數盾構機都是根據隧道設計圖紙定做，施工準備周期長，維護成本高昂，挖掘短隧道經濟效益較低，壹般而言，隧道長度超過1公裏才具有經濟效益。
最後提及的是，盾構機並非只能挖掘圓形隧道，也可設計成挖掘任意形狀橫斷面隧道，如矩形隧道、橢圓隧道等。人們也用盾構機挖掘輸水管道和排汙、排水管道，甚至挖掘電力管道等。