1月26日，世界首台马蹄形盾构机完成掘进之旅，蒙华铁路白城隧道贯通，标志着异形盾构工法首次在我国黄土隧道得到成功应用，也为世界盾构制造技术和软弱地质隧道建设提供了全新的成功范例。今天，超级建筑给大家说说我国自主研发制造的世界首台马蹄形盾构机的情况，并向这位掘进英雄说一声再见。视频来了...
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白城隧道呼唤“蒙华号”
蒙华铁路白城隧道位于陕西省靖边县，隧道全长3345米，是时速120公里的单洞双线电气化铁路隧道，最大埋深81.05米，由中铁四局集团负责施工。白城隧道的地理位置地处我国西北黄土软质地带，土质十分松软，采用矿山法施工，效率低且容易发生塌方塌陷。2015年开工之初，经过多次论证后，决定该隧道由传统的矿山法施工改为马蹄形异形盾构法施工。而这时候，世界上根本就没有马蹄形的盾构机。那么，这个新的施工方法还能够实现么？
没有困难可以难倒基建狂魔。没有马蹄形的盾构机，我们就自己研发制造出来。随后，研发制造马蹄形盾构机的使命，交给了我国最大的隧道掘进装备制造企业，中铁装备集团。
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为什么非要使用马蹄形盾构？
蒙华铁路白城隧道为什么非要使用马蹄形盾构机呢？使用圆形的盾构机不行么？超级建筑给大家解释一下这个问题。最常见的盾构机是圆形的，这与隧道的应力要求有关。打隧道必然要破坏山体土壤原有的应力结构。挖空了这里，四周的山体土壤就会向这里挤压。如果不同时做好防护，在建的隧道就会坍塌。从力学的角度看，圆形的防护受力最为均匀，也最牢固。因此，我们常见的隧道基本都是圆形的，盾构机也就相应设计成了圆形。
蒙华铁路是重载铁路，隧道设计比一般的铁路宽大，采用三心圆曲墙式断面（开挖断面圆弧为马蹄形状）。从施工的角度而言，如果采用矿山法施工，可以直接挖成马蹄形状。但前面介绍了，黄土地质条件下矿山法施工风险大、效率低。而如果使用传统的圆形盾构机来开挖，就要变更隧道设计，把开挖断面按照最大直径变更成为圆形，开挖一个更大的圆形断面隧道。由于铁轨铺设在隧道底部，事实上隧道上部并不需要这么高的圆形空间，隧道底部的曲面甚至需要先回填成平面再进行铺轨。这不仅白挖了很多土方，还加大了隧道安全防护的难度。因此，造出马蹄形的盾构机，直接挖出马蹄形截面的隧道，才是基建狂魔的思维方式。
马蹄形盾构长啥样？
世界首台大断面马蹄形盾构机是一个庞然大物，整机长110米，重1300吨，外轮廓高10.95米、宽11.9米，宽度大于高度，不是正圆形，而像一个大马蹄。它的名字叫“蒙华号”，专为蒙华铁路白城隧道而生，由中铁装备联合施工方中铁四局共同研制。
▲马蹄形盾构机
据测算，使用“蒙华号”盾构机，直接开挖马蹄形隧道，能够比圆形截面减少10％至15％的开挖面积，极大地提高隧道空间利用率、降低施工成本和缩短施工工期。这一点在随后的白城隧道施工中得到验证。
制造马蹄形盾构机难在哪？
盾构机作为大国重器，是一种十分复杂的巨型机械装备，制造的难点自然很多。制造这台马蹄形盾构机最大的难点又是什么呢？答案是：刀盘布置。
▲圆形盾构机
普通圆形盾构机的刀盘原理比较简单。大家通过上图可以看到，圆形是完全对称图形，一个大大的圆形刀盘围着圆心旋转，自然就成了圆形的开挖截面；驱动刀盘转动的发动机受力也是均匀的，滚刀回转轨迹也是圆形，对隧道掌子面开挖用力均匀同步、效率很高。圆形盾构机的操作也相对简单，刀盘只有正转、回转、转速等维度，既不会偏，也不会卡，只是掘进快慢的问题。
马蹄形就截然不同了。马蹄形隧道截面上窄下宽，曲线平滑变换，安装一刀盘无论如何也转不出马蹄形的形状，必须安装多个刀盘。而如果这多个刀盘布置不合理，开挖过程就会出现死角，只要有一个地方挖不到，盾构就不能顺利前进，后面的工序就大受影响。更不用说，这多个刀盘需要多个驱动系统，复杂系数大大增加。而且盾构这种机械，一旦制造出来，运到了现场，启动了掘进，钻到了地里，过程中一旦出了问题，要想再进行改造可比登天还难。因此，马蹄形盾构机的研发，只许成功、不许失败。
研发团队反复研究论证，统筹盾构刀盘排列、刀盘位置、刀盘大小、刀盘数量、动力传输、渣土输出等多种因素，形成多个方案、综合比选，最终确定采用9刀盘全新组合方式。具体如下图。
▲马蹄形盾构机
通过上图可以看到，整个刀盘采用了9个小刀盘，共同组成一个马蹄形断面的创新组合方式。大家可以数一数，看看能不能找到这9把神刀，其中有两把小不点刀还真不容易发现。刀盘布置规则是“前后错开，左右对称”。其中3把最大的红色刀盘首当其冲，作为开路先锋，其他蓝刀依次断后，齐心合力进行全断面切削。9个刀盘既可同时转动，也可单个转动、任意组合转动、不同方向转动，听起来就觉得既复杂又神奇。
▲“蒙华号”盾构机内部
“蒙华号”的掘进之旅
经过长达1年的论证、研发和生产，马蹄形盾构机于2016年7月17日在中铁装备成功下线，世界首台马蹄形盾构机横空出世。“蒙华号”经过拆解后运输到施工现场，再进行组装调试后，于2016年10月29日在蒙华铁路白城隧道始发掘进。施工过程中，“蒙华号”一路高歌猛进，于2017年3月创造了最快月掘进308.8米的施工纪录。2017年4月1日掘进突破1000米，2017年8月25日掘进突破2000米，2018年1月3日掘进突破3000米。2018年1月26日“蒙华号”冲出黄土、贯通隧道，历经455个日夜，穿越3345米地下之旅，胜利完成了隧道掘进的神圣使命。全球首创的隧道新型开挖模式取得成功。
▲蒙华铁路白城隧道贯通
由于“蒙华号”马蹄形盾构机属于定制的异形盾构，短期很难找到重新上岗的机会，因此完成这次掘进后“蒙华号”就会正式退役，威武的身躯也将被拆解。我们通过图片可以看到，“蒙华号”的刀盘已经不再鲜艳。但身后贯通的隧道就是你的战绩，刀盘上的黄土就是你的奖章，建设者的欢呼就是对你的赞赏。
再见了，“蒙华号”。也许有一天，经过改造的你会重出江湖，带着昔日的辉煌开启新的掘进之旅。我们期待这一天早日到来。
...The End...
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