1997 年，当中国着手修建秦岭隧道之时，技术的局限迫使我们不得不向德国求助，购入两台价值 3.5 亿元的盾构机，甚至这两台机器还不是新机。它们频繁的故障如同一道道难以逾越的鸿沟，每一次都需要等待远道而来的外国工程师前来修复，这不仅延缓了工程的进展，也深深刺痛了每一个中国工程师的心。
再到修建港珠澳大桥之际，我们再次面临技术封锁的严峻考验。德国威尔特公司开出了天价——一台盾构机竟要价 7 亿元人民币！不仅如此，德国专家还傲慢地断言：“再给中国工程师一百年，他们也造不出盾构机！”
我们下定决心自主研发！
就在 2008 年，我国首台具有自主知识产权的复合式盾构机——中铁 1 号，诞生了！
盾构机，又名盾构隧道掘进机，是一种集高科技于一体的隧道掘进专用工程机械。顾名思义，在工作中，盾构机采用“盾构法”进行工作，“盾”，即“保护”，指它的盾壳；“构”，即“构筑”，指管片拼装。可以简单理解为：一个圆柱体钢组件，沿着隧洞轴线一边向前推进，一边对土壤进行挖掘，它的壳体对挖掘出的还未衬砌的隧洞段可以起到临时支撑的作用，能承受周围土层的压力，有时还会承受地下水压并将地下水挡在外面。
而“盾构法”的灵感，我们可以从一位自然界的小巧建筑师——“船蛆”身上揭秘。船蛆是一种生活在海洋中的软体动物，它们以木材为食，能够在木板中钻洞并居住其中。
船蛆。图片来源：POI Australia网站
船蛆的前端尖锐且布满锯齿的壳，是穿透木板、开辟空间的利器。这一构造与盾构机前端的巨大刀盘非常相似，而盾构机也是利用巨大刀盘构造，像一条钢铁长龙一样转入地下，一边旋转着脑袋一边“吃掉”岩石和泥土。
盾构机的设计灵感最初是由法国工程师布鲁诺尔在 18 世纪末从船蛆钻洞现象中获得的。布鲁诺尔观察到船蛆在钻穿木板时，会分泌液体涂在孔壁上，形成坚韧的保护壳，抵抗木板潮湿后的膨胀，以防被压扁。这一自然现象激发了他的灵感，提出了盾构机掘进隧道的原理，据此设计的“开放型手掘盾构机”获得了英国专利。
当我们将视线转到盾构机的中后部，会发现其结构的复杂性和精巧性。盾构机的中后部集成了前盾和后盾的坚固保护，以及一个至关重要的液压驱动系统，其中的液压千斤顶是它动力的源泉，正如船蛆强健体段中的肌肉纤维。同时，为了让隧道更加稳固，盾构机每前进一段距离，将会自动在隧道内壁上拼装一环混凝土管片，而衬砌管片与隧道壁之间的空隙也要用灰浆填充，保持整体内衬层的稳定性，并防止水向隧道渗漏。
在探讨废物处理方面，盾构机与船蛆之间展现了一种令人惊叹的共鸣。盾构机内置的高效传送带系统，能够在掘进过程中迅速清理产生的大量废弃物，确保作业现场的清洁与高效。而船蛆，这种生活在海洋中的软体动物，同样拥有高效的废物处理机制。它们通过身体后部的特殊管道，将代谢废物迅速排出体外，保持身体内部的清洁，这种自然界的精妙设计，不仅有助于船蛆在恶劣环境中生存，也为人类提供了宝贵的生物启发。
“骐跃号”盾构机。图片来源：文汇报
2012 年，中铁装备的第一台盾构机走出国门，开启了中国盾构机国际化的新篇章。随后的几年里，中铁装备逐渐成为世界知名的盾构机行业领先者，产品远销多个国家和地区，赢得了国际市场的广泛认可和赞誉。
从无到有，从弱到强，中国盾构机的发展历程，是一段充满挑战与辉煌的奋斗史。这一过程不仅彰显了中国的自主研发实力和创新精神，更展现了中国智慧和民族精神的磅礴力量。正如盾构机在地下稳行不辍，中国在科技创新的道路上也坚定前行，筑就了国家的坚实脊梁。
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出品丨科普中国
作者丨刘鑫 中国科学技术大学
监制丨中国科普博览
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