TBM发展史.doc

TBM发展史 下面这篇文章是Fred Hapgood写的。 很生动地讲述了TBM的发展史。 19 世纪中叶，西方的文明陶醉于铁路的修建。梦想家们在地图上画满弯曲的路线。正如沃尔特惠特曼的诗歌所写 Lo，灵魂难道不是上帝最初的旨意么 地球被网络连接， 人们成为兄弟和姐妹， 种族和邻居，紧密结合， 跨越海洋，距离不再遥远， 陆地相连。 然而，人类的梦想一次又一次被大山阻隔。诸如阿尔卑斯山脉那样连绵峰峦，不断向人们提出挑战。绕过这些阻碍费时费力。理想的方法是勇往直前，开凿隧道。但这意味着巨大的支出。隧道工程的工作面之小，不比一个床单大多少。可以同时工作的人数被限制，而且大部分时间浪费在工序交接上。马萨诸塞的一个隧道项目耗费20年，仅仅掘进了5英里。虽然这是个不成功的项目，但在时间就是金钱的公式面前，隧道工程的表现确实让人心寒。 聪明的工程师们心中萌发着冲动也许祖辈们不得不忍受这样的困惑，但这是 19 世纪，人类飞速发展的年代，科学和工程的进步能够克服一切障碍，人定胜天。解决方法是明显的建造一台大机器。加大机器动力，把工业革命带入地下。此有很难 先驱者是一个是叫亨利-约瑟. Maus的比利时工程师。他在 1845 年得到撒丁国王的许可修建一条连接法国和意大利的铁路。Maus在国际采矿业具有显赫声名和超强自信。他对爬越山口的方案不以为然，坚持要走直线，尤其是在著名的Cenis山口附近，要以隧道穿越Frejus山。 这是一个巨大的挑战。毛瑟的方案需要开凿40,000 英尺约12公里 隧道，这在当时的技术条件下几乎是不可能的。当年隧道开凿的工序是这样的在岩面钻孔，装填炸药，点火，跑到角落里躲起来等着起爆，然后迅速带着支撑木跑回新开洞面，希望在洞顶塌方之前把支撑架好，然后用铁铲把破碎的岩石运出。 看看附图当年的隧道爆破场景。 问题是，密闭空间中起爆会造成大量有毒气体，后续工作进行之间必须通风换气。毛瑟隧道对于当年的通风技术来说实在太长，需要很长的时间才能完成换气。毛瑟当然知道这点他计划爆破之外，还要使用世界上第一台隧道开掘机TBM。 毛瑟的“片山机mountain-slicer ” 1846 年在都灵附近的一个军工厂组装成形。他庞大而复杂，体积超过一节火车头。他有一百多个钻头。整个机器俨然就是凸轮，拉杆，活塞和弹簧的丛林。不论实用与否，它确实是沉思的产物。机器建成后，来自各地的参观者络绎不绝，视其为历史的纪念碑。当年，人们更多的将他视为一件艺术品而非工具。 当然，也有一些参考者是把他当成机器，而非艺术品来评估的。他们满腹狐疑。掘进机需要巨大的推进力。这些能量是在隧道外产生的并通过复杂的机械连接到达工作面的。隧道越深，连接就越长，而传输过程中的能量损失也就越大。看起来片山机早晚会因为动力不足而僵死洞中。自信的毛瑟相信车到山前必有路，但持怀疑态度的人也没有被说服。1848年欧洲的政治动荡多少削弱了弥漫的乐观气氛，毛瑟的资助中断了。（十年之后，有赖于大为改进的隧道通风技术，一条隧道紧邻毛瑟路线，采用爆破技术得以修建） 附图是Maus的隧道机械。虽然没有经过实践检验，但却是公认第一台TBM。 这之后，不同版本的故事四处流传一个非常具有挑战性的项目，一位才华横溢的工程师，令人敬畏的机器，敬仰的人们，关于人类进步必然性的激情演讲，以及最终的失望。 到了1851 年，波士顿南部的理查德穆恩公司又建造了一台重75吨的巨大机器，用于马萨诸塞州西北Hoosac隧道的开挖。建造这台机器也是该项目得以通过的部分原因。然而，仅仅开挖了10英尺，机器就不动了，成为一个丑闻。1856 年，美国最著名的工程师之一，赫尔曼。豪普特，宣布他将以另一台隧道机拯救胡塞克项目。他对此充满信心，甚至自掏腰包资助该计划。然而，他的机器开挖了不到1英尺就寿终正寝，豪普特在郁闷中破产。 尽管如此，工程师的努力却没有终止。专利局每年都会接获大量的申请。工程师们用尽机械设计的各种概念鼓，机械臂，活塞，蒸汽，压缩空气。人们不相信，在地面上看起来无坚不摧的工业革命步伐，会在地下停滞不前。然而，没有进展。 造成这个尴尬记录的原因很多。虽然地下工程对机器天然充满敌意，但最重要的原因还在于观念。多数设计的思路，都是将岩钻加以扩展。咋一看这是符合逻辑的钻头形成的孔洞就是一个小的隧道。照这样的思路，你要做的就是造一个大的岩钻。（艾德加莱斯伯拉斯的空地球系列就是以此作为思路的） 虽然这个想法充满诱惑，但有一个小问题。切割岩石所需的能量，与切割岩石的大小有关。碎片越小，表面积越大，需要的能量就越大。用岩钻切割出很小的碎片，意味着一个10到20英尺的圆柱，将消耗大量的能量。即使能够产生和传输足够的能量，掘进时的扭力也会使机器不堪重负。如果你为保护机械而减少能量，机器又会对坚硬的岩石无能为力。这在贸易中，被称为“muckbound”。 1930 年前后，人们已经要放弃了。隧道掘进技术的专家芭芭拉。斯塔克悲观地预言“未来二十年 ...岩石机械专利的专利会极其有限，甚至没有。也不会再建造类似机械。。。” 巧合的是，1930 年也是那詹姆士。S。鲁宾斯从当时的密西根采矿学校（现在的密歇根科技大学）毕业的年份。鲁宾斯从没想到自己会成为创造历史的人。根据他的儿子理查德介绍，当时他对TBM的历史一无所知。当然也没有必要了解，因为当时普遍认为TBM已经走进了死胡同。后来的十五年他四处漂流，在加利福尼亚的坚硬岩石中开矿，在阿拉斯加淘金沙。二战以后，他在伊利诺伊成为一个采矿咨询工程师。 1952 年，Robbins和一名叫F.K. Mittry的隧道承包商见了面。需要多说两句的是，隧道工程承包商和建筑工程承包商是截然不同的两类人。首先，隧道建设无论对身体还是心理，都构成巨大压力。他们工作面狭小，照明设备若有若无，到处是水，狭小的空间意味着你的手臂随时可能被几公分之外的强大机器切断。土质和地面情况千变万化，变化无常，从坚硬的石灰石到饱和碎石，到沙砾到花岗岩到淤泥，任何变化都足以把一次正常的开挖变为灾难，比如涌水，比如塌方。虽然收入不错，但破产或者受伤或者死亡的风险还是高出了普通人的承受能力（也也是收入之所以不错的原因）。隧道工程只适合于能够长期承受风险，喜欢冒险，并且精力充沛的强者。 Mittry正是这样的一个人根据Richard的说法，他父亲James Robbins也是一个敢上九天揽月，敢下五洋捉鳖的人，和Mittry志趣相投 。他刚在南达科州皮尔中标一个引水渠开挖项目。皮尔附近的基岩充满裂缝和断层，地质学家甚至特意标明为皮尔页岩。皮尔页岩的脆弱使得爆破施工极其困难，因为你点火后根本不知道落下来的会是什么。如果换到其他行业，这些问题在没有答案之前，人们是不会签什么文件的。但这是隧道工程。Mittry投标时义无反顾，他知道需要大量时间和精力解决皮尔页岩的开挖问题，但那是中标以后的事。现在他中标了。于是开始访问咨询工程师，搜罗主意。他的研究是非常仔细的。他能找到Robbins这个专家就是明证。 Robbins给他出了一个主意。当时采矿业刚刚开始非爆破开掘技术的发展。基本思路是将一批金属齿或者镐，切入采煤工作面，然后旋转，在工作面上形成一个切口。而悬挂于金属尖齿之间的旋转轮则将表面的松散煤层带下。回送后重复以上过程。 当然，此时的使用环境截然不同。隧道的精度要求远高于煤矿挖掘，而且尺度也大为不同。但Mittry慧眼独具，一举选定Robbins的方案并委托其建造一台机器。 1953 年机器建成。 象所有类似机器一样， Mittry 被成为Mole鼹鼠 的机器让人印象深刻重125 吨，长90 英尺，直径约26 英尺。与其前任不同的是，其表现令人惊奇。大转盘将岩石象花生壳那样搅碎，隧道以每天160 英尺的速度推进。这是一个惊人的数字，几乎十倍于同时代的钻进/爆炸施工方法。Robbins虽然没有建造世界上第一台TBM 但他做得更好他建造了第一台能工作的TBM。他突破了百年来未能突破的禁地，而且是以这样出色的方式。 看看Robbins站在新开挖断面前的照片吧。 如果说Robbins的成功有所启示，那也许是证明了一个观点重要的技术革新，很多时候并非学术机构宏图大略或科学研究的结果，而是来自那些专注于特定客户和特定问题的优秀工程师。这个推论很快得到证实。皮尔项目的成功掀起了一阵风潮（Mittry定购了另外几台机器而且都表现优异）。但这些机器，除了对软岩行之有效之外，其他均以失败告终。 事实证明，罗宾斯是幸运的 Mittry惮于爆破而不得不考虑其他开挖方法的皮尔页岩，却是Robbins技术的最佳选择。旋转头毫不费力地粉碎岩石，从岩土工程师的观点来看，即便玻璃也不过如此。而实际上，没几个承包商能如此幸运。 从某种意义而言， TBM 的诅咒归来了。但这次有一个巨大的差异一批工程师，包括 Robbins，他的团队， Mittry 的团队，以及皮尔项目的参观者，他们看见了TBM盾构机正以人们想象的方式工作着。盯着设计图，聆听鼓舞人心的讲话，或者凝视一台静止的机器是一回事，而看到一个全新的概念 - 或者说原型 - 则是另外一回事。如同草地里捕捉野兔的猎狗，Robbins看到了TBM虽然荆棘密布，但是广大的发展前景。他创办了S.Robbins Associates公司（后来的Robbins公司），成为第一家专门研究制造TBM的公司。 Robbins的早期项目之一是多伦多下水道工程。头疼的问题，是钻头经常会击中岩石并脱落，结果不得不关闭机器进行维修。如此反复，浪费了大量时间（更不用说拖拉头本身也价格不菲）。Robbins绞尽脑汁思索化解之道。他知道这个难题一定有破解。某一天他忽发奇想，决定去掉所有的钻头。乍一看着似乎不合理。因为理论上，钻头主要负责切入岩石，而碟片则负责收集碎石。但他的直觉是对的TBM仍如以前一样工作。原来被称为破碎轮的碟片，现在称切割盘或切割轮的部件，仍然可以独立高效地完成作业。 回过头来看就很容易明白为什么。天然岩石都有程度不等的裂缝。当切割轮紧压岩面的时候，压力总是集中在岩石最薄弱的部分，使他们最先破碎。当切割轮转动时，小的裂缝会不断扩展，进一步分裂岩石。切割轮和钻头之间的区别就像熟练宝石匠和业余爱好者宝石专家知道如何发现和利用宝石中的天然裂痕，所以能够用几个楔子就轻松完成所需的切割；而业余爱好者则只知用锤子整天忙个不停。切割轮使得能量的传递效率大大提高。 多伦多项目的重要意义还在于第二项重要改进。隧道开挖中，耗时耗力的工作并不完全在岩石切割，还要考虑如何把碎石运离工作面。Robbins对机器进行了改进。设置了一个和切割轮一起旋转的挂斗。这个挂斗可以收集地面的碎石并倒入一个运送装置，由该装置将碎石后运。这个挂斗-运送装置标志着Robbins隧道挖掘机的又一个巨大进步隧道开挖机成为隧道开挖-碎石后送机。 五十年代末，TBM的发展基本实现了Maus 或Haupt的梦想。当TBM以一种曾经被认为是不可能的方式工作时，其掘进速度是同等条件下钻孔-爆破方法的两到三倍。这样的掘进速度代表着工程成本的巨大节省。理论上说，革命已经成功。更好的掘进方法已经发明，前景一片光明。 可实际上什么也没发生。部分承包商仍然执着与传统的爆破方法。原因之一，是隧道工程仍然是开挖-拿钱的运行方式，资金投入小，作业费用高。TBM需要百万元计的前期投入。在贸易中称为启动资金。而这需要财政上的相应调整。 最重要的，机器并不可靠。人类虽然迟缓，但一个掘进队工作一天，怎么也有几尺的进度。而TBM虽然工作起来风风火火，可他一旦出问题，你就得花几天时间，等着Robbins的工程师来解决问题。甚至需要把机器拆开，移到洞外进行维修。如果不幸遇到特殊地质，TBM还可能把自己弄散架。最糟的情况，如果TBM 必须被整个放弃，隧道必须重建以使人工可以工作。这对常常面临严重惩罚条款的承包商简直就是灭顶之灾。诚然，隧道工程是赌博，但即便是赌徒，也有他们下赌注的方法。 1958年，詹姆士罗宾斯死于飞机失事。挣扎中的新技术失去了它的摩西。承包商可能不知道TBM，但是他们都喜爱和信任经验丰富，富有创意，深喑技术的Robbins。他死了以后，承包商们再无依靠。Robbins的儿子Richard接掌公司，但他是一个刚从密西根科技大学毕业两三年的年轻人，在这个尊重经验的行当，他只是一张无人知晓的陌生面孔。 Robbins的公司在客户间游走。六十年代末，幸运再次降临。当时芝加哥宣布了一项历史上最庞大的隧道工程。项目投资数十亿，工期数十年（直至今日，项目预计 2012 年完工）。美国的承包商都趋之若骛。但招标文件中的精美小号印刷体却使很多人头大了一号，因为那里明确地写着只有采用TBM的承包商才被允许投标。 芝加哥的问题，是每当暴雨过后谁都知道芝加哥的暴雨十分频繁 ，他的城市污水处理系统就会漫溢，未经处理的城市污水倾泄入密西根湖，并通过连接5大湖的水路，污染美加两国的许多社区。 逐渐增长的不满迫使市府决心建造一个容量150亿加仑的超大储水箱，在污水处理厂能够处理之前暂时存储雨水。为此需要建设超过100英里的隧道将下水道连接到这个储水箱。如果采用爆破方法，这个项目也许永远也做不完。而且，隧道位于一些敏感的居民区地下，居民本来就对该项目颇为微辞。 一方面，城市地下的硬石刚好在TBM能处理的边缘，另一方面，运用新技术的诱惑让人无法抵御。公共建设工程以尽量规避风险闻名，但这次市政工程师们决定掷骰子。夸张一点，对承包商来说，这是一个无人能满足，但却让人无法逃脱诱惑的机会。 世界各大建筑设备商们闻风而动，比如德国的Hughes Tool，Krupp克虏伯，以及Ingersoll Rand等都纷纷设计自己的研发部门，彼此竞争，力争最短时间内取得最大进展。“当项目开始时，硬岩隧道的掘进记录是大约 600尺/月，” 当时在芝加哥工作，现在西雅图的隧道咨询工程师Howard Handewith 回忆到，“如果月进尺超过1000，我们就要开Party。我们有好几出色的聚会。”（隧道工人以聚会闻名）渐渐的，TBM变得更快更可靠。1500 尺/月成为家常便饭，然后是2,000尺。“这是 TBM工业脱胎换骨走向成熟的年代” Handewith断言，“完全可以这样说”