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“地下蛟龍”盾構(gòu)機(jī)的靈感,其實(shí)來自一種軟體動物

發(fā)布時間:2024-11-13 05:53:56 來源:中國科普博覽 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

出品:科普中國

作者:劉鑫(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))

監(jiān)制:中國科普博覽

1997年,當(dāng)中國著手修建秦嶺隧道之時,技術(shù)的局限迫使我們不得不向德國求助,購入兩臺價值3.5億元的盾構(gòu)機(jī),甚至這兩臺機(jī)器還不是新機(jī)。它們頻繁的故障如同一道道難以逾越的鴻溝,每一次都需要等待遠(yuǎn)道而來的外國工程師前來修復(fù),這不僅延緩了工程的進(jìn)展,也深深刺痛了每一個中國工程師的心。

再到修建港珠澳大橋之際,我們再次面臨了技術(shù)封鎖的嚴(yán)峻考驗(yàn)。德國威爾特公司開出了天價——一臺盾構(gòu)機(jī)竟要價7億元人民幣!不僅如此,德國專家還傲慢地?cái)嘌裕骸霸俳o中國工程師一百年,他們也造不出盾構(gòu)機(jī)!”這不僅是經(jīng)濟(jì)上的重壓,更是對我們國家尊嚴(yán)的極大侮辱。

我們下定決心自主研發(fā)!就在2008年,我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)——中鐵1號,誕生了!

2008年4月25日,“中國中鐵1號”盾構(gòu)機(jī)在河南新鄉(xiāng)下線

(圖片來源:北京日報)

盾構(gòu)機(jī),又名盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī),是一種集高科技于一體的隧道掘進(jìn)專用工程機(jī)械。顧名思義,在工作中,盾構(gòu)機(jī)采用“盾構(gòu)法”進(jìn)行工作,“盾”,即“保護(hù)”,指它的盾殼,“構(gòu)”,即“構(gòu)筑”,指管片拼裝。可以簡單理解為:一個圓柱體鋼組件,沿著隧洞軸線一邊向前推進(jìn),一邊對土壤進(jìn)行挖掘。它的殼體對挖掘出的還未襯砌的隧洞段可以起到臨時支撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時還會承受著地下水壓并將地下水擋在外面。

盾構(gòu)機(jī)工作原理

(圖片來源:百度百科)

而“盾構(gòu)法的靈感”我們可以從一位自然界的小巧建筑師——“船蛆”的身上來揭秘。船蛆是一種生活在海洋中的軟體動物,它們以木材為食,能夠在木板中鉆洞并居住其中。

船蛆

(圖片來源:poi-australia網(wǎng)站)

船蛆的前端尖銳且布滿鋸齒的殼,是它穿透木板、開辟空間的利器。這一構(gòu)造與盾構(gòu)機(jī)前端的巨大刀盤非常相似,而盾構(gòu)機(jī)也就是利用巨大刀盤像一條鋼鐵長龍一樣轉(zhuǎn)入地下,一邊旋轉(zhuǎn)著腦袋一邊“吃掉”巖石和泥土。

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)靈感最初是由法國工程師布魯諾爾在18世紀(jì)末從船蛆鉆洞現(xiàn)象中獲得的。布魯諾爾觀察到船蛆在鉆穿木板時,會分泌液體涂在孔壁上,形成堅(jiān)韌的保護(hù)殼,抵抗木板潮濕后的膨脹,以防被壓扁。這一自然現(xiàn)象激發(fā)了他的靈感,提出了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道的原理,并據(jù)此設(shè)計(jì)的“開放型手掘盾構(gòu)機(jī)”獲得了英國專利。

當(dāng)我們將視線轉(zhuǎn)到盾構(gòu)機(jī)的中后部,我們會發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和精巧性。盾構(gòu)機(jī)的中后部集成了前盾和后盾的堅(jiān)固保護(hù),以及一個至關(guān)重要的液壓驅(qū)動系統(tǒng),其中的液壓千斤頂是它動力的源泉,正如船蛆強(qiáng)健體段中的肌肉纖維。同時,為了讓隧道更加穩(wěn)固,盾構(gòu)機(jī)每前進(jìn)一段距離,將會自動在隧道內(nèi)壁上拼裝一環(huán)混凝土管片,而襯砌管片與隧道壁之間的空隙也要用灰漿填充,保持整體內(nèi)襯層的穩(wěn)定性,并防止水向隧道滲漏。

船蛆(圖片來源:藍(lán)色動物學(xué))

在探討廢物處理方面,盾構(gòu)機(jī)與船蛆之間展現(xiàn)了一種令人驚嘆的共鳴。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置的高效傳送帶系統(tǒng),能夠在掘進(jìn)過程中迅速清理產(chǎn)生的大量廢棄物,確保作業(yè)現(xiàn)場的清潔與高效。而船蛆,這種生活在海洋中的軟體動物,同樣擁有高效的廢物處理機(jī)制。它們通過身體后部的特殊管道,將代謝廢物迅速排出體外,保持身體內(nèi)部的清潔,這種自然界的精妙設(shè)計(jì),不僅有助于船蛆在惡劣環(huán)境中生存,也為人類提供了寶貴的生物啟發(fā)。

中鐵隧道局大盾構(gòu)機(jī)全家福

(圖片來源:澎湃)

如今,中國的盾構(gòu)機(jī)不僅能夠穿山越嶺,還能穿江越海,廣泛應(yīng)用于各類隧洞修建工程,甚至在中俄天然氣輸送項(xiàng)目中,成功完成了長江盾構(gòu)工程。這一系列成就,不僅展示了中國盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的卓越性能,更體現(xiàn)了中國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。

“騏躍號”盾構(gòu)機(jī)

(圖片來源:文匯報)

2012年,中鐵裝備的第一臺盾構(gòu)機(jī)走出國門,開啟了中國盾構(gòu)機(jī)國際化的新篇章。隨后的幾年里,中鐵裝備逐漸成為世界知名的盾構(gòu)機(jī)行業(yè)領(lǐng)先者,產(chǎn)品遠(yuǎn)銷多個國家和地區(qū),贏得了國際市場的廣泛認(rèn)可和贊譽(yù)。

我國盾構(gòu)機(jī)將到世界盾構(gòu)機(jī)的發(fā)源地和制造強(qiáng)國修地鐵

(圖片來源:科技日報)

從無到有,從弱到強(qiáng),中國盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷程,是一段充滿挑戰(zhàn)與輝煌的奮斗史。這一過程不僅彰顯了中國的自主研發(fā)實(shí)力和創(chuàng)新精神,更展現(xiàn)了中國智慧和民族精神的磅礴力量。正如盾構(gòu)機(jī)在地下穩(wěn)行不輟,中國在科技創(chuàng)新的道路上也堅(jiān)定前行,筑就了國家的堅(jiān)實(shí)脊梁。

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