worldsteel | Our stories: 钢制钻头成为大型地下基础设施的关键构件

钢制钻头成为大型地下基础设施的关键构件

隧道掘进机可以掘进地表以下数百米,还可以穿过苛刻的地质环境,为地下基础设施带来巨变。

隧道代表了世界上部分最艰巨的工程挑战,部分隧道长达60千米,深度可达2.4千米。无论是穿越高山,还是贯通湖海,这些大型工程只有通过钢制设备才能实现。建设地下公路和铁路需要用到的隧道掘进机,正是钢支撑着隧道掘进机的强度和重量。

过去,挖掘隧道主要使用手工开挖或炸药等技术,这极大限制了地下施工项目的范围。于是,20世纪50年代早期,詹姆斯·罗宾斯(James Robbins)为美国的奥阿河大坝工程开发了首个现代化的隧道掘进机。这台机器的设计采用哑铃型齿刀,用于开挖松软的页岩层。由于对硬岩层也有开挖需求,最终罗宾斯又于1956年开发出了滚齿刀,这一设计成为所有现代隧道掘进机的基础设计。

不可替代的材料

尽管碳纤维复合材料广泛应用于许多行业,同时铝和钛材料也在跃跃欲试,但是面对隧道掘进机所面临的独特工程难题,钢铁具有不可替代的品质。

“实际上,没有其他材料能够用于建造[隧道掘进机]。我是说,尽管似乎可以使用铝或钛材等其他材料进行建造,但是过高的造价使其变得并不现实,”罗宾斯公司业务开发总监桑德尔(Sandell)说道。罗宾斯公司20世纪50年代起就是隧道掘进机的原始制造商,时至今日仍在生产。

现代隧道掘进机的长度可达400米,重达1,000吨,头部为圆形截面,可以挖掘不同的土壤类型和岩层,从而形成隧道。这种工业巨兽使用硬化钢制成的滚齿刀,并且在设备头部(即“前盾”)后面,安装一系列高科技监控和备份设备,以及一个螺旋输送机,用于连续传送挖掘过程中产生的土壤和岩石。

地下构造

这里以两个隧道工程为例,说明现代隧道掘进机技术在隧道工程的建设中发挥的不可或缺的作用:一个是长达14.5千米的欧亚隧道,该隧道穿过土耳其境内的博斯普鲁斯海峡,将欧亚大陆连接在一起;另一个是穿过阿尔卑斯山底的圣哥达基底隧道。欧亚隧道用于公路运输,缓解了伊斯坦布尔繁华街道的交通拥堵情况;圣哥达基底隧道则容纳了一条铁路运输,最深处约2.4千米,建造用时将近20年。

“我们地表的空间即将使用殆尽,因此只能深入地下,建造地下基础设施,”Sandell 解释说。事实上,正式的地下铁路和公路建设始于19世纪。早期隧道掘进机前部安装多个挖掘工具,只是在这些工具打碎土壤和岩石后,产生的土渣却不能被机器本身回收。相反,通过使用螺旋输送机,这些土渣被运送到隧道掘进机的入口位置。螺旋输送机位于隧道掘进机下方,但并未与隧道掘进机形成一个整体。

“整个结构,尤其是负责掘进的前盾,都是由钢板制成。”

沃尔夫拉姆·赫尔布林(Wolfram Hoelbling),迪林根钢铁公司

此后,随着隧道掘进机技术的进步,开始使用圆形切削头,用于切削不同硬度和水份的土壤和岩石。隧道掘进机分为三种:一种用于坚硬岩石,一种用于软土,还有一种被称为“双模机”,用于坚硬岩石和软土的混合结构。无论在任何地质条件下,切削头与土壤或岩石之间的摩擦都会产生振动,这就需要一个能够抗振的高强度重型结构。因此,前盾的重型钢板采用符合国际结构标准EN 10 O25的微粒钢材制成。如果没有这种强度,在开挖过程中,隧道掘进机自身产生的振动就能造成设备四分五裂。

隧道掘进机的滚盘齿刀采用高强度工具钢制成。

钢铁建造的巨兽

“整个结构,尤其是负责掘进的前盾,都是由钢板制成,” 迪林根钢铁公司的沃尔夫拉姆·赫尔布林说道,他担任该公司营销和技术支持部重型机械、建筑设备及钢铁服务中心总监。迪林根公司是一家总部设在德国迪林根市的重型钢板制造商,供应隧道掘进机部件。“我要说的是,隧道掘进机的前部几乎全部由重型钢板制成,”他解释说。“整个结构都是钢材制成,不仅如此,隧道掘进机的驱动部件也是由重型钢板组件构成。”

赫尔布林称,几年来,他见证了隧道掘进机的钢材需求“逐渐演变”。这些微小的变化,一方面提高了隧道掘进机用钢的焊接性能,另外也提高了钢材的“韧性”。

虽然碳纤维复合材料已应用于其他行业,但对于隧道掘进机,却几乎派不上用场。之所以拒绝采用碳纤维复合材料,是因为“我们非常在意本行业的成本,”桑德尔ll解释说,“在隧道掘进机上使用这类材料,不仅会导致成本过高,而且坦白地讲,也是一种浪费。”

有了隧道掘进机技术,建造横穿伊斯坦布尔博斯普鲁斯海峡的亚欧隧道才成为可能

切削齿刀

挖掘土壤和岩石的齿刀使用的是工具钢。“在隧道掘进机的作业面,滚齿刀全部采用钢制,”桑德尔解释说。“在对付坚硬岩石上面,我们还没找到一种比滚齿刀更好的具有相同韧性和损伤容限的材料,因此我们采用工具钢制造滚齿刀。”

罗宾斯滚齿刀最初是由电弧炉内融化的钢形成,然后进行真空脱气,再浇入钢锭模,同时覆盖在氩气中。这些钢锭锻造后,形成滚齿刀。随后,对锻造件进行机床加工和热处理。桑德尔称,在公司成立之初,罗宾斯公司制造的最小齿刀直径6.5英寸(16.5厘米),并且仅用于“小直径机器上”。他又补充说,在本行业,虽然隧道掘进机可以使用米制单位进行描述,但是齿刀的测量仍然以英寸为单位。

“在隧道掘进机的作业面,滚齿刀全部采用钢制。在对付坚硬岩石上面,我们还没找到一种比滚齿刀更好的具有相同韧性和损伤容限的材料,因此我们采用工具钢制造滚齿刀。”

泰勒·桑德尔,罗宾斯公司

大型掘进机的齿刀直径可以达到20英寸。“对于全尺寸隧道掘进机,也就是直径3米以上的隧道掘进机,我们安装的最小齿刀是14英寸,”桑德尔说。他又补充说,最常见的齿刀分别是17英寸和19英寸。

隧道掘进机的结构、挖掘工具以及内部机构全部由钢材制成,因为钢可以提供必要的振动吸收质量。同时有助于避免机器在某些情况下发生漂浮,桑德易补充说。“几年前,日本有一个大工程,即东京海底高速公路项目。因为隧道掘进机会在高含水土壤里发生漂浮,工程人员不得不给隧道掘进机增加大量压块,而压块也使用了钢材。”

微粒钢、工具钢、锻造件和热处理——从头到尾,可以帮助隧道掘进机发挥其作用。钢材的强度和质量可以克服振动和可能发生的浮动,当滚齿刀切削坚硬的结晶岩层时,将面临巨大的物理应变力,而钢材超高的耐久性则成为滚齿刀的有力支撑。正是由于钢材具备的这些品质,帮助那些面临独特地下工程难题的全球大型项目成为现实。

图片:iStock
视频:Specialist / Roughcollie