原創(chuàng)/文? BFT機(jī)器人

如今，地下挖掘行業(yè)正在探索利用微型機(jī)器人、等離子體火炬和過熱氣體，來取代目前使用的大型掘進(jìn)機(jī)。

幾十年來，工程師們建造地下隧道一直依賴于巨大的管狀機(jī)器，這些管狀機(jī)器一端配備了一系列可怕的切割刀盤。這些龐然大物就是隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM），不僅價(jià)格昂貴，而且通常是為單個(gè)項(xiàng)目定制而成的，項(xiàng)目完成后就失去了作用。例如倫敦最近開通的伊麗莎白地下鐵路，直徑超過7米，該項(xiàng)目就使用了TBM，并且每臺(tái)機(jī)器重量超過1000噸。

為了解決TBM建造隧道的弊端，英國HyperTunnel公司設(shè)計(jì)了一個(gè)體積更小、長度大約3米，形狀像半圓柱體的微型機(jī)器人，可以在預(yù)先鉆好的地下管道中移動(dòng)。這些直徑約為250毫米的管道沿著擬建隧道的墻壁輪廓延伸，機(jī)器人一旦進(jìn)入它們的內(nèi)部，就會(huì)使用頂部帶有銑削頭的機(jī)械臂穿透周圍的土壤，鑿出小的空隙，然后用混凝土或其他堅(jiān)固的材料填充。一個(gè)新隧道的結(jié)構(gòu)從此形成。在挖掘隧道時(shí)所用的機(jī)器人不是單獨(dú)的個(gè)體，而是成千上萬個(gè)，它們組成了強(qiáng)大的“蜂群”。

• 該技術(shù)的核心是利用集群機(jī)器人在地層中建好襯砌，然后再將襯砌內(nèi)部的土體挖空，以形成隧道空間。

若使用傳統(tǒng)TBM，首先要挖洞，然后添加支撐物或墻壁，以保持剩余土壤周圍的空隙，支撐物不能移除。但若采用這款微型機(jī)器人，先將其埋在地下然后再挖洞，一旦結(jié)構(gòu)建成，填充隧道的材料就可以移除?！?/p>

這樣做的好處是能夠在整體上減少建筑材料的使用，該結(jié)構(gòu)的外部厚度可以根據(jù)隧道周圍實(shí)際的地質(zhì)情況和壓力變化而定，而不是依據(jù)整個(gè)工程的長度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的隧道壁。

HyperTunnel工程步驟

Step1：搭建施工導(dǎo)向管

通過水平定向鉆機(jī)在隧道斷面中心鉆出數(shù)個(gè)原始導(dǎo)向管，來做隧道初步勘探，再依照隧道斷面的輪廓和路線鉆出一系列施工導(dǎo)向管。

Step2：微型機(jī)器人群開始工作

微型機(jī)器人群涌入施工導(dǎo)向管，從內(nèi)部通過微型鉆頭向四周的地層中鉆孔，注入化學(xué)材料，固化后形成隧道襯砌。

Step3：去除殼內(nèi)土體

隧道初步砌造成后，把位于斷面中心的原始導(dǎo)向管擴(kuò)徑，來讓殼內(nèi)的土體坍塌，再通過設(shè)備將棄土清除，然后再依照隧道的設(shè)定要求安裝內(nèi)襯。

隧道工程專家們一致認(rèn)同，該行業(yè)迫切需要能夠降本增效的技術(shù)解決方案。例如，設(shè)計(jì)和建造一臺(tái)TBM，再用它實(shí)際挖掘隧道，整個(gè)過程可能需要數(shù)年時(shí)間。從埃隆·馬斯克的Boring Company到HyperTunnel公司，以及開發(fā)出高溫爆破地球上最堅(jiān)硬巖石方法的公司等，一系列新興技術(shù)企業(yè)正在出現(xiàn)。

類似的工程項(xiàng)目并不少：中國經(jīng)過十年的建設(shè)，近期在龍門山建成了一條20公里的鐵路隧道。英國的HS2鐵路項(xiàng)目，它將連接倫敦和該國北部的城鎮(zhèn)，并在其規(guī)劃的路線上建造了超過100公里的隧道。以及曾經(jīng)為《憤怒的小鳥》開發(fā)商Rovio工作的Peter Vesterbacka正在推動(dòng)一項(xiàng)野心勃勃的計(jì)劃，預(yù)計(jì)在芬蘭和愛沙尼亞之間修建一條海底隧道。

隧道不僅僅用于運(yùn)輸，在電力方面也大有用處。位于舊金山的EarthGrid公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Troy Helming強(qiáng)調(diào)，有必要將電力線路置于地下，這正是他的公司的目標(biāo)。他指出，在美國和加拿大，絕大多數(shù)的傳輸電纜都設(shè)置在地面之上，這使它們?nèi)菀资艿斤Z風(fēng)、其他風(fēng)暴和野火的影響。

他說："我們的計(jì)劃是建立一個(gè)橫跨北美的超級(jí)電網(wǎng)，"他拿出一張地圖，上面用彩色線條顯示了從東部沿海地區(qū)一直延伸到太平洋的電網(wǎng)，以及西部未來的海上風(fēng)電場(chǎng)。這個(gè)計(jì)劃可以幫助連接零散的美國電網(wǎng)，甚至未來有可能延伸到歐洲，開發(fā)那里巨大的海上風(fēng)能潛力?！斑@很瘋狂，很大膽，我們知道。”

實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的其中一個(gè)障礙是極其堅(jiān)硬的巖石，如花崗巖和石英巖，這使得在一些地方進(jìn)行傳統(tǒng)的挖掘變得困難甚至不可能。Helming把賭注押在等離子體火炬技術(shù)上，該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)將巖石加熱到約6000攝氏度，將其炸成碎片，這可以使在堅(jiān)硬的巖石中建立隧道的速度比現(xiàn)有技術(shù)快100倍。

同時(shí)，EarthGrid正在開發(fā)一個(gè)攜帶著五個(gè)等離子體火炬的機(jī)器人原型，Helming說它應(yīng)該在2023年3月進(jìn)行初步測(cè)試，該公司還打算在今年年底前完成其第一個(gè)小規(guī)模的商業(yè)項(xiàng)目。

Helming指出，在EarthGrid的案例中，隧道將不是圓形的，而是傳統(tǒng)的馬蹄形——想象一下一個(gè)頂部有拱門的正方形，而不是一個(gè)平坦的天花板。他認(rèn)為，這使得安裝電纜架，在較大的運(yùn)輸隧道中或在隧道的平底上安裝路面更容易。

Jian Zhao是澳大利亞莫納什大學(xué)土木工程系的一名教授，他和同事們一同探索了激光、微波和高壓水射流等技術(shù)在隧道鉆探中的應(yīng)用。例如，他對(duì)Petra的基于熱量的方法本身是否足以用于大型隧道工程持懷疑態(tài)度，但他想知道它是否可以與機(jī)械開挖一起使用。

Boring Company正在自主研發(fā)可以從地表發(fā)射到地下挖掘隧道的TBM，該公司也在商業(yè)意義上進(jìn)行了創(chuàng)新，計(jì)劃在各個(gè)項(xiàng)目中對(duì)隧道挖掘設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而不用每次為特定項(xiàng)目建造新的隧道掘進(jìn)機(jī)，增加復(fù)雜性和成本。

瞄準(zhǔn)此類市場(chǎng)的公司也包括HyperTunnel。Lane-Nott說，他的公司的機(jī)器人將能夠順著管道快速移動(dòng)，為地下隧道的外部結(jié)構(gòu)提供服務(wù)，而運(yùn)營商不必暫停內(nèi)部的公路或鐵路交通。這場(chǎng)技術(shù)革命已經(jīng)開始了。Lane-Nott補(bǔ)充說，擁有并運(yùn)營英國大部分鐵路網(wǎng)絡(luò)的NetworkRail公司，已經(jīng)與HyperTunnel公司進(jìn)行了這方面的合作。

未來對(duì)地下基礎(chǔ)設(shè)施的需求會(huì)越來越大，隨著氣候變化，地球的地表溫度升高，未來人們可能將在地下生活，以躲避難以忍受的惡劣天氣。

這是朝著成千上萬的機(jī)器人和諧地工作，以創(chuàng)造巨大的地下結(jié)構(gòu)的愿景邁出的一小步——他稱之為 "蜂群的力量"。無論是否有蜂群，我們的未來都充滿了隧道。誰來挖？如何挖？比賽已經(jīng)悄然打響……

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