2018-01-21

[斯图加特 21 的前世今生] 第十二回: 隧道掘进机 Herrenknecht TBM S738


《斯图加特 21 的前世今生》 篇目页

本篇全部图片可以点击放大。

菲尔德隧道示意图,图片来源:德铁官网

在本系列第二回介绍的工程范畴中提到,斯图加特 21 工程分为六大部分。其中第二部分即连接斯图加特市区与南郊机场的菲尔德隧道 (Fildertunnel)。该隧道建成通车后,坐火车到机场的耗时将从 27 分钟减至 8 分钟。这回就来聚焦菲尔德隧道建设中用到的重要工程技术,尤其是那台隧道掘进机 TMB S 738。

菲尔德隧道的北部出口连接新建的斯图加特内城的火车总站 (上图中,左边是北。火车总站在绿色粗线的北端),南部出口连接机场 (上图中的蓝色粗线右端附近)。整个隧道地势是从北到南渐渐增高。上图中,绿色部分地势较低,叫做下菲尔德隧道,长 3630 米;蓝色部分地势较高,叫做上菲尔德隧道,长 4035 米。中间橘黄色的是过渡段,长 1150 米。

整个隧道穿过的地层构成比较复杂,有石灰岩层、砂岩层、还有富含三叠纪动植物化石的岩层等等,如下图所示。

菲尔德隧道垂直剖面图,来源:德铁官网

隧道中间的过渡段(镇楼图中的橘色路段),在短距离内穿过好几个不同地质特性的岩层。这几个岩层应力大小很不一致,施工需要格外小心。

S21 工程隧道的施工,是因地制宜用到掘进机掘进、各种当量的定点定向爆破等等多种方法。德铁以及施工方专门为菲尔德隧道定购了一台隧道掘进机,代号 TBM S738。

隧道挖掘机 TBM S738

这台掘进机是外径 10.82 米,功率 4200 千瓦,全长 120 米,自重 2000 吨的庞然大物,  她的主驱动马达就重达 170 吨。

首先,结合来自这台掘进机制造厂的功能模块简介图,向大家介绍下该机器的重要组件以及运作机理。图中所示的 7 大模块,网主已在其德语名称旁边标注了中文,大家点击图片可以查看中文名称:

 

Herrenknecht AG 制造的隧道挖掘机 TBM S738 功能模块。图片来源: Herrenknecht AG

碎石轮盘: 如上图中绿色部分所示,碎石轮盘位于整个掘进机的最前端,是机器直接接触岩石的部分。这个轮盘上通常装有极高硬度的刀片刀轮等工具,可以捣碎常见的各种岩石与砂砾。上图中,轮盘后面的驱动马达,就是那个自重 170 吨的大力士。

为 S21 工程定制的这台机器,全身涂上了德铁的招牌白色,碎石轮盘也不例外。下图是前年在工地开放日里拍到的轮盘特写。这半个轮盘就有 5 米多高,近两层楼的高度哦!



气压舱:这个舱体连接前面的碎石轮盘,可用于实施对轮盘部件的维护保养和替换。

螺旋推运器:碎石轮盘捣碎岩石后,旋转的盘体把碎石撵进下部机身。下部机身安装的螺旋推运器会把碎石运送到后勤机体顶部的传送履带上,传送履带再把这些碎石运送到隧道外面。

液压推进器:把掘进机的头部在隧道中不断推进的装置。

装甲:又称盾。这个中空的装甲层具有极高的抗压性能,可以保护机身内的部件。

预制隧道内壁衬里: 新型的隧道挖掘技术下,隧道的内壁是预先用高强度厚钢板与高强度水泥浇制好,在隧道中且挖且安装的。大家可以在上面的功能模块图中看到,机身主舱后部有一个灰色水泥环,此水泥环就是隧道内壁的一小段了。 每块内壁预制板构成这个水泥环的七分之一, 由后勤机体底部的传送履带源源不断送到主机舱。当挖掘机在隧道中成功推进一定距离以后,机身主舱后部就会旋转着拾取 7 块预制板,组装成一个内壁圆环。组装精度要求达到毫米级别。 一个圆环组装完毕以后,液压推进杆就以新安装的的内壁环为支撑,继续向前提供巨大推力。就这样,掘进机一点一点向岩石深处掘进。下图是在空地上堆放的预制壁,每一块的厚度从 45 厘米到 60 厘米不等,重量为 12 吨到 14.8 吨不等:

空地上堆放的菲尔德隧道预制壁。照片来源: 德铁官网。
后勤机体: TBM S738 全长 120 米,其中后勤机体占了长度的大部分,就好像一条巨蟒的身体。后勤机体顶部有长长的传送履带,把头部螺旋推运器送来的碎石源源不断运到隧道外面。机体底部有运送预制内壁的装置,向隧道内部源源不断运送内壁预制板。 顶部和底部的运输通道之间,还有各种工具房、办公室、洗手间等等装置,可以随时为操作机器的工人提供各种服务。

-------------------------------------------------------------

制造这台巨无霸掘进机的 Herrenknecht 股份有限公司总部位于德国巴符州德法边境上的 Schwannau-Allmansweier 村,成立于 1975 年。该公司专注隧道挖掘技术,制造的各种掘进机和盾构机在全世界 600 多个大型基建工程中功勋卓著,是世界隧道掘进机市场上无可争议的领导者。前几年,德国民众对整个 S21 工程持怀疑态度,其中一条 “理由” 就是,斯图加特地区地质条件复杂,开挖大型隧道工程难度太大。Herrenknecht 的掌门就对媒体说: “开挖菲尔德隧道固然不是儿戏,却绝非本公司经手过的最复杂项目。吉隆坡的地质复杂程度前所未见,我们完美完成掘进任务;中国上海黄浦江底下、杭州钱塘江底下、我们都成功而返。在巴西、迪拜……无往而不利。世界最长隧道,57 公里长的圣哥达基线隧道,她最深处距地面 2300 米,也是本公司的掘进机挖通。我们有信心在家门口胜利完成隧道掘进任务!”


Martin Herrenknecht 在工地。 照片来源:德铁官网
该位掌门名叫  Martin Herrenknecht,1942 年人,今年已经 75 岁,仍然在勤奋工作。他早年在康斯坦茨大学学习工程学,拥有相当于工科硕士的德国学位,通过了国家工程师考试。1988 年被 Braunschweig 的一所技术大学授予荣誉博士学位。1975 年,他设计制造的第一台掘进机直径为 1.20 米。四年后,公司的累计销售额第一次达到一百万德国马克,有了 6 位员工。至今,他的公司已有 5000 多位员工,制造过的最大掘进机,直径 17.6 米,目前在香港屯门至赤蜡角连接工程中服役(该工程为港珠澳大桥的配套工程)。用在菲尔德隧道工程里的 S738 还真不是她们家个头最大的孩子。

读了 Martin Herrenknecht 先生的故事,我心生感慨。做好一门生意的前提之一,就是从业者要真正深入懂得这门生意。像 Martin Herrenknecht 先生,不是有个商业主意就算了,他还能亲自设计制造工程所需的机器,而且终身不断学习和应用业界新技术。他给自己写的头衔,首先是工程师,然后才是企业家。这才是领导人的硬实力,这样的领导人带出来的企业才能引领而不是迎合市场,才能走得远。所谓深度决定高度。类似的情况有计算机科学家 Larry Page 和 Sergey Brin 执掌下的人工智能公司 Google。 所以,在当下一片创业热潮中,网主不停劝年轻人静下心来,远离喧嚣、远离一些无聊的社交媒体、远离虚浮的名利、踏踏实实学点本领,真的有技术能力实现自己的想法时,再谈创业不迟。Idea 很 cheap,implementation 才难得。当今世界,工程师只会越来越重要。 辍学创业是我非常非常反对的。 文艺界也是,静下心来苦练文艺基本功,才有可能创作出体现人类智慧与美的好作品,才能流芳百世。许多社交媒体,鼓励浮夸与盲从,其实是拉低了人类文明水平,不是值得弘扬的创新。

现在提一下有关这个隧道的物流组织问题。

为了 “给家乡人民献礼”,Herrenknecht 公司在隧道开挖许可下达前近两年就兴冲冲地造好了 TBM S738。 开工许可迟迟批不下来 (读过本系列前面几篇的同学就知道原委),这大机器造好了又拆开储存。好在,从工厂仓库运到施工地点,本来就必须把大机器拆开再现场组装的。 那个重达 170 吨的推进马达是在內卡河港装上船以后,从水路运到施工现场附近。发动机上了岸以后再用特种超载重开车运往工地。在机器的运输过程中,最大的困难倒不是机器本身的自重,而是 S21 工程的抗议者组成的层层人墙,阻止卡车前进。发动机运达的那天,巴符州抽调大量警力沿途清障。在抗议人墙中,那些运输卡车几乎是一厘米一厘米地前进的。来自奥地利的项目经理说,他一辈子也没见过这种情况。Herrenknecht 的员工更加伤心,他们表示,在外国,人们像欢庆节日一样欢迎她们的机器,当地的媒体和各大技术高校更会组织很多人报道、参观和取经。家乡人民却那么不爱自己的高技术产品……

不爱的那些人就让他们不爱好了。德铁还是组织了专人把运输中的技术细节记录在案。有两位斯图加特的大学生,还专门以这次运输掘进机的物流为题,写了硕士毕业论文。

上面文中提到的隧道预制壁,是由厚钢板和混凝土浇铸而成,每一块都沉重且庞大,运输极为不便。最理想的状况是,直接在隧道工地的外面建一个浇铸工场,现场制作预制板。但是,斯图加特机场所在的菲尔德村不肯发下建立临时浇铸工场的批文,工程方不得不在别的地方制作内壁,在运到工地。预制板的整个运输工作给 S21 项目添加了许多额外的复杂度和开支。整个物流要用到货运火车和重型卡车。光是卡车,就要在火车站和工地之间往返 82000 多次,产生 1620 多万升的柴油废气。村民们懂得要保护自己村里的环境(所以不让在工地上直接建浇铸工场),却不懂算账,这是一个沉痛教训。德铁的工程管理方表示,以后再有类似情况,会尽力试图说服各方,作出正确决定。

以下这个不到三分钟的视频,简述了预制板的运输带来的问题:




除了预制板的运输问题,菲尔德隧道的挖掘还有一个复杂之处。本文一开头就说到,在上菲尔德隧道和下菲尔德隧道之间,有 1150 米长的脆弱部分。安全起见,工程师们决定,在这个脆弱部分用 “传统方式” 保守开挖。也就是用小威力的炸药部分爆破,然后用小型推土机挖掘机之类。没机器的年代就用铲子,人工一铲一铲地挖。 这意味着,TBM S738 掘到一半必须原路退出,等那个脆弱的过渡段挖好了再开进去。这中途倒退,一出一进也绝非轻而易举,工程师们要为此做大量工作。

好消息是,斯图加特 21 工程的隧道部分,开工以后就比较顺利。而且本地民众也越来越乐意了解这台隧道掘进机。

穿越阿尔卑斯山,连接瑞士与意大利的圣哥达基线隧道挖通以后,Herrenknecht 公司制造的掘进机中的许多组件寿终正寝。瑞士人爱惜地把那些报废的组件收藏在卢采恩的交通博物馆里。希望以后在斯图加特 21 的博物馆里,也能收藏一些 S738 上冲锋在前,磨损严重的组件,以纪念这台机器的辛勤工作。







《斯图加特 21 的前世今生》 篇目页


 

谢谢阅读,下次再见。

4 comments:

  1. 這個系列專欄復活了 :D

    謝謝妳的筆耕不輟, 很喜歡這個系列

    ReplyDelete
    Replies
    1. 谢谢 minshi 同学!你们的关注是我写下去的动力! XD 这个系列手上还有不少资料,后续篇目陆续有来,敬请期待!

      前些天我在外地,没有很多时间照看这个网志,所以回覆慢了些,抱歉。

      Delete
  2. 谢谢,桑同学:) 写的图解清楚,有趣,又是我可以好好学习的资料了。
    另外,想问你一个问题,我记得你说过你原来很感兴趣做一个智能衣柜,是不是就是物联网的感觉,最近有没有什么产品值得推荐。我想象如果有那么一款家庭系统管理软件,可以轻松管理任何一件家庭的物品(可以容易记录,拍照,扫码,生成二维码等),像一个SAP的软件,是用在家庭系统的,可以记录各种数据,便于收纳,分析,管理,更好的提高生活的效率。

    ReplyDelete
    Replies
    1. 李同学你好!

      谢谢!一起学习,共同进步! :)

      对的,那个智能衣柜如果联到物联网以后,可以大扩展功能提升效率。我十多年前做毕业设计的时候,候选项目之一。那时还根本没有我需要的各种数据接口以及云服务,自己评估了一下以后,觉得我一个人做全套太难了,于是放弃。十多年来,物联网和各种云服务从无到有,且进展神速,虽然现在市场上还没有我设想中的智能衣柜,相信不久的将来应该会有。毕竟服装行业是个很大的市场。我自己最近有开始写一个衣柜管理应用,写写停停,进展比较慢。看来该是下定决心,业余好好写程序了。

      嗯,是的,你的想法非常好。我家里的一堆物件,假如有软件可以帮我记得什么东西放在什么地方,那就太好了,呵呵。可是,不得不提的是,假如你的家庭用 SAP 也是接入物联网的,艺高胆大的黑客不难潜入你的私人系统,你的所有隐私他看个一清二楚。互联网安全是个十分复杂的领域,普通民众根本不明白她是怎样运作,也即没有多少自卫能力。所以,在家里安装各种 sensor 和网络摄像机时, 要千万小心。我家里就还没有安装任何接入互联网的监视系统,因为没有很大信心我能够防御高级黑客的潜入。

      最近懒了些,你的留言把我拉回这里。我要振作,好好写文了。欢迎督促。 :-)

      祝学习生活都愉快!


      Delete