【科学故事会】为盾构机治“牙”的“牙科医生”

大家有乘坐地铁的经历吗?皆地铁穿行于隧道中，你会好奇这些隧道是怎么挖出来的吗?

没错，靠的是盾构机。盾构机能够在地下穿行，畅通无阻。

盾构机是一台非常精密的大家伙。以“京华号”为例，它的直径达到16.07米，接近6层楼的高度；长度超过150米，接近7节地铁车厢的长度；重量达到4300吨，是名副其实的国之重器。

在盾构机的前端，有一个部分，叫做刀盘，它是盾构机的“牙齿”，可以“咬碎”地下的岩石，为地下隧道扫清障碍。而当盾构机的“牙齿”出现问题时，我这位专业的“牙科医生”就出场了。

盾构机的“牙齿”出问题了！

盾构机的“牙口”这么厉害，它也会有“咬不动”的时候吗？

当然有啦！我们吃东西时，吃到软软的食物和硬骨头，咀嚼的感受是完全不同的。

盾构机的“牙齿”在地下遇到的情况也是如此。对于盾构机而言，地下最难啃的“硬骨头”大概就是砂卵石地层了。遇到此类地层，盾构机不但无法“咀嚼”，甚至可能磨损“牙齿”。

我们知道看牙很贵、很难，盾构机“看牙”也是如此。

部分海域盾构隧道每掘进一米，仅“牙齿”材料费用就高达2~3万元，单条线路挖掘完成，“换牙”费用高达上亿元；在穿江越海等特殊条件下，甚至无法“换牙”。在这种情况下，想办法减少“牙齿”的磨损就势在必行了。

减少盾构机“牙齿”磨损

怎么才能减少盾构机“牙齿”的磨损呢？这就非常考验我们“牙科医生”的素养了。

为此，我和团队针对“硬骨头”磨损“牙齿”的原理，进行了系统研究。2017年，当时世界范围内都缺乏测试大粒径砂卵石土体的测试装备。

既然没有，那就自己做！我们通过与工厂联动设计和加工，研发了大粒径砂卵石土体盾构模拟测试装置。通过这个装置，我们可以清楚地模拟“硬骨头”磨损“牙齿”的过程。

除此之外，我们还开展了系列测试，想要摸清楚“硬骨头”磨损“牙齿”的规律。测试结果出来，却与传统认知背道而驰。痛苦、怀疑、焦虑，种种情绪压上心头，我们甚至一度以为测试出错了。

可脑海中总有个想法萦绕不去，“也许是对的呢？”就这样，酷暑难当的夏天，我们一遍遍做着重复实验。结果发现不是我们错了，而是传统认知错了。那一刻，我感觉流下的汗水都是甜的。

为了能够有科学的方法评估、预测“牙齿”磨损的程度，我主动驻扎在北京轨道交通新机场线工地。通过与技术工程师、现场工人多次交流，我获得了很多宝贵的实践经验。

最终，在实践经验和理论方法的基础上，我们首次提出了盾构刀具整体健康服役量化评估与预测方法。这样就能诊断盾构机“牙齿”什么时候会坏，坏到什么程度，我们“医生”心里也有底了。

除此之外，我们还对盾构机“牙齿”的保养、修复、更换提出了很多实用的建议。这些建议经过领域内多位院士专家评价，达到国际领先水平，并荣获中国岩石力学与工程学会科技进步特等奖。

我希望，以后能够成为一名更加专业的“牙科医生”。

文/魏英杰 [中国地质大学（北京）工程技术学院]

来源/《科学故事会》2024年12月刊

排版：沈　丹

编辑：林雪琪

审定：李红林