能否为水利隧道设计一款专用盾构机

水渠工程不怕弯来弯去，就怕忽高忽低，忽高忽低就会阻滞水前进，水渠必须沿着等高线均匀下降，线性坡降最合适，所以水渠穿山选择隧道最好。而盾构机就是打隧道的高手，盾构机由于躯体庞大，身段很长，所以非常适合直线开进。盾构机的特点和水渠的特点相互结合，要求水利隧洞是一条笔直的直线。但是，在现实中，水利隧道要做到直线下坡，往往隧洞很长，这时候传统的盾构机就显得效率比较低下了。

能不能专门为水利隧洞设计一款水利盾构机呢？作为盾构机的使用需求者，我们知道需要什么样的隧道；而我们不可能作为盾构机的制造者来从专业角度研究盾构机。所以，我们只能表述要求。

水利隧道有以下特点，对盾构机有相应的要求。第一，掘进速度快，一般一个一百公里的隧道最好四五年时间就能够完成；第二，水利隧道不需要做围墙，不需要安装电路，路轨等，相对简单。第三，可以做简单的防渗透处理，一般允许漏水。因为水往低处流，所以即使漏水，也可能向着目的地渗漏，如果向相反方向渗漏则必须处理。第四，水利隧道虽然要求低，但是要求隧洞直径比较大，要求过水量较大，水遇到的阻力小。第五在长距离掘进过程中减少维修，增加氧气，防止岩爆，防止涌水。根据以上情况，对盾构机的要求是：掘进速度快，增加盾构机刀盘直径，盾构机刀盘很大，取消预制护墙的传输和衬切设备（以便减小盾构机重量），增加出渣设备，增加涌水治理设备，增加长距离通氧气设备，增加防止岩爆的支护防护设备。

现在，我以一个观察者的角度，来讲一下盾构机如何为水利服务。

目前的盾构机，刀盘全部是平面的，为什么？我找不到必须把这么大的刀盘做成平面的理由。当然，做成垂直于开凿方向的平面形状比较省力，刀盘不容易变形，各个方向上受力比较均匀，这一点值得肯定。但是做成平面的也有很多缺点：首先出渣不容易，平面的刀盘把岩石或者土壤经过反复摩擦，最后粉碎以后才能够从出渣口挤出来，岩石碎渣通过挤压研磨，然后又必须随着刀片移动十多公分以后才能挤出出渣口，出渣效率低下，严重影响了出渣速度，而出渣不容易又导致刀片反复在已经剥离和粉碎的渣土上做功，不能直接用于凿岩作业，所以也严重降低了凿岩开进速度。平面盾构机刀盘的第二个缺点是滚刀经常空转，或者叫悬转，导致滚刀不能直接接触切割岩石，而被已经粉碎的岩石摩擦磨损。平面盾构机刀盘的第三个缺点是刀盘和被开凿岩石的接触面比较小，接触面的大小直接影响了掘进速度。

我认为，完全有可能把盾构机的刀盘做成圆弧形或者抛物线形状。如果做成面向开凿面的圆弧形，那么它的接触面积会增加57%，做成抛物线形状它的接触面积会增加60%以上。如果安装刀片，那么相应的能够增加57%以上(实际上球体的表面积是平面面积的四倍)，所以掘进速度会更快。而且如果做成圆弧状可以利用重力的自由落体运动出渣，大大减少出渣的时间，减小出渣的时候刀片和渣土之间的内耗，减少刀片的损伤。做成圆弧形以后，有一部分出渣口就是面向出渣腔空心的垂直向下的，这样渣土就会没有支撑而自由落体到出渣腔中，后续的渣土很快占据原来渣土的空间接近出渣口，这样更容易出渣。另外，在圆弧形的盾构机的尖头部分产生的渣土更容易向后移动，然后更容易掉进出渣口中，从而加快出渣速度，这样有更多的机会让刀片和岩石接触，直接用于开凿。如果是开凿泥土，那么由于泥土更加容易破碎，反而出渣成为制约开凿速度的主要原因，如果改用圆弧形刀盘，那么会形成泥土自流，从而大大加快开凿速度，如果在泥土中搅拌一定水分，那么开凿更加容易。

改用圆弧形刀盘会让刀片的排列分布更加合理科学。圆弧形刀盘的凸出尖头部分可以安装强度很大的“滚刀”，同时可以让滚刀在“刀盘公转”的同时“刀片自转”，在紧挨着凸出尖头部分可以多安装双刃滚刀，少安装“切削刀”，而在其它部分可以均匀分布滚刀、切刀、刮刀、齿刀、扩孔刀、仿形刀等。在刀盘的边缘部分可以安装比较多的刮刀，这样可以使得隧洞的墙壁比较平滑。

盾构机的刀盘改造为抛物线形状以后，受力发生了变化，基本上可以保证每一个刀片在恰当的时候都可以和岩壁接触，发挥切削作用，而切割面的渣土大幅度减少，可以有效避免刀片空转悬转，从而增加开凿速度。由于渣土不需要磨碎，所以出渣的渣土可能比较大，比原来的渣土粒径大很多，可能达到十几厘米，所以，相应地要求出渣口的口径也要增大一些，由于接触面积增加了57%以上，所以出渣口的口径增大不会影响刀片数量。

  实际上，在结构力学上，抛物线形状是一种牢固结构形状。所以陕北的窑洞使用的是抛物线形状，目前的火车头也从平面形状改革成为抛物线形状，从方头变成了尖头；飞机是抛物线形状；子弹是抛物线形状。凡是运动的需要克服前进中阻力的稳定结构都选择抛物线形状，那么盾构机改变为抛物线形状也是科学的。

当然，当盾构机的刀盘改造为抛物线形状以后，各个方向的受力状况发生了变化，也许刀盘的变形也会增加，但是我相信现有的技术，现有的超强度材料能够解决问题。

在深埋隧道盾构机的设计中，应该加进预防岩爆的装置。一般来说，岩爆在隧道开凿成功以后24小时内爆发，而岩爆的危害主要针对的是人员和机械，所以只要给盾构机安装比较密闭坚硬的防护钢板就可以，让岩爆碎石顺着钢板滑落到地面即可。当然，这层保护钢板需要接近一百米长度。

在深埋隧道盾构机的设计中，应该加进预防涌水漏水的装置。涌水漏水最大的危害是对盾构机的电机设备，所以，要求盾构机的电机和用电设施更加密闭，更加防水，如果防止岩爆的钢板同时能够防水就更好了。同时在隧道设计的时候应该增加导流渠和抽水设备。

由于水利隧道不需要切护，不需要安装混凝土管片，所以在盾构机的车架中可以节省一层设备，不安装拼装机。这样可以给出渣留出更多的空间用于安装更多的车轨和出渣传输带。

盾构机前进的动力主要来自于十几个力量巨大的千斤顶，而没有安装管片的隧道使得千斤顶没有了着力点，所以增加若干横向着力于岩石上的千斤顶，然后让前进的纵向千斤顶顶在横向千斤顶上，取得前进着力点。

水利盾构机还应该具有自如的后退功能，遇到问题可以后退检修，两个盾构机遇见能够让一台退出去，两台盾构机同方向出去。

水利隧道虽然不需要安装管片，不需要隧洞墙壁的切护，但是也需要防止漏水，所以最好在盾构机上安装水泥喷护装置，在缝隙上采取封护防止渗漏作业。

总而言之，水利盾构机需要更大的隧洞直径，更快的掘进速度，需要简单的防止渗漏作业。应该把盾构机的刀盘改为抛物线形状。相信这样的盾构机很快能够制造出来。