3D打印衬砌、六自由度刀盘——来自瑞士的未来TBM计划

小编语

2021年9月12日，在埃隆·马斯克举办的“隧道施工竞速大赛”中，来自瑞士联邦理工的Swissloop Tunneling的"土拨鼠阿尔法号顶管TBM"获得了第二名和最佳创新与设计奖。尽管未能取得第一，但该小组使用的几项创新技术，得到了一致的认可。如今，他们进一步优化了设计，计划再次参加今年的比赛，并且准备在未来把机器直径扩展到4.5m。本期，让小编带大家一起了解一下，这套TBM系统中应用的创新技术吧。

“外行”们的设计

Swissloop Tunneling(SLT)是?个位于苏黎世，以瑞士联邦理工学生为主导的协会，组织目的是为欧洲的未来的超级高铁计划研究和创造新的隧道施工解决方案。该计划汇集了 60 多名在机械、电气和土木工程以及各种商业相关领域具有专业知识的学生。但协会内除了一些土木工程专业的学生可能上过包括隧道施工在内的地下工程相关课程外，其他大部分学生都是没有相关专业背景的。协会内的主要成员大多是学习自动化相关专业的。

但协会的主席VallI认为：“这不一定是一件坏事，反而可以使迫使团队跳出原有的框架进行思考并开发新的创新解决?案。”

Swissloop Tunneling团队

超级高铁是一种新型交通方式，旨在克服当今传统移动系统的问题。在设想中，车厢将是一个光滑的吊舱状胶囊，悬浮在真空管内，以非常低的能耗实现高速，实现廉价且高效的运输人员和货物。

3D打印衬砌

Swissloop Tunneling(SLT)小组所使用的技术中，最受人关注的就是内构于TBM中的衬砌3D打印设备。

这套系统巧妙地将聚合物 3D 打印机部署在机器内。可以连续的通过3D打印的方式建造隧道衬砌。3D打印的材料使用的是玻璃纤维和MMA聚合物混合双液浆。特殊设计后的3d打印喷头，可以非常高速的打印出耐?的隧道衬砌。目前装备的型号可以高速打印15厘米厚的隧道衬砌。这种3D打印的隧道衬砌具有多项优势：

■ 可以确保整个隧道的结构完整性；

■ 可以在TBM掘进的同时打印衬砌，以实现连续施工，提高施工速度；

■ 由于3D打印的性质，使得隧道可以实现各种方向和角度上的弯曲。

衬砌3D打印设备

在2021年的比赛中，这套3D打印衬砌系统在施工速度方面，并未战胜德国慕尼黑工业大学TUM Boring团队使用的“左轮式”旋转管节存储系统。但3D打印衬砌系统在创新性和在其他方面的优势，使其获得了最佳最佳创新与设计奖。

“左轮式”旋转管节存储系统

“左轮式”旋转管节存储系统的主要功能是为了实现衬砌快速施工，最大限度地减少停机时间，以加快掘进速度。大家可以点击下方链接回顾：

马斯克隧道施工竞速大赛结果揭晓，德国慕尼黑工业大学团队以“蜗牛速度”摘得桂冠！

多向刀盘

多向刀盘是Swissloop Tunneling(SLT)小组所使用的技术中另一个亮点。为了更好的控制挖掘曲线，SLT小组在刀盘后安装一套创新的液压六足位移台，通过数控方式实现精确化和自动化控制。在六个高精度液压缸的辅助下，刀盘可以向所有六个自由度移动，能轻松实现非常精确的曲线掘进。

液压控制的位移台

搭配衬砌3D打印系统，使得这台TBM在曲线掘进上具有极大的优势。此外，由于使用了数字化控制的高精度液压缸，SLT小组还给刀盘增加了一些附带功能。例如，可以通过程序让刀盘进入“手提钻”模式，刀盘可以以高达20Hz的频率高速震动。小组成员认为，这项功能可以在无需开舱的情况下解决刀盘卡死等情况。

液压系统

其他设计

Swissloop Tunneling(SLT)小组的TBM使用泥水管路运输出土，刀盘内构一个圆锥破碎机，会将土体中的岩石粉碎至1-2厘米的碎片。破碎机使用碳化钨钢涂层，以保证耐用性。机器尾部安装有一台文丘里真空泵用于快速出土。出土会在10bar的水压和文丘里真空泵的共同作用下从泥水管路中被快速吸出。

为了最大程度地减少始发所用的时间，Swissloop Tunneling(SLT)小组采用了斜角始发的方式。斜角始发设备的角度为7度，这是小组经过计算后得出的最佳角度。启动平台将会吸收所有推进力并充当机器的初始引导系统。

机器动力方面，尽管原型机只有7m长，重2.5t，直径0.56m。但因为比赛的主要项目是掘进速度，所以Swissloop Tunneling(SLT)小组为其配备了极其强劲的动力系统。十六个协调工作的高性能液压缸可以为设备提供持续不断的200KN的顶进力。而刀盘则具有8.5kNm 的扭矩、 27rpm 的转速。根据 Swissloop Tunneling(SLT)小组所述，他们使用的发动机转速高达3600rpm，速度与波音 747 的涡轮叶片大致相同。

项目的未来

在2021年的比赛中，尽管Swissloop Tunneling(SLT)小组使用了包括液压六足位移台控制刀盘，3d打印衬砌在内的创新设计和技术，以及非常先进且强劲的动力系统。但还是输给了来自德国慕尼黑大学的“左轮式”顶管TBM。

慕尼黑工业大学TUM Boring团队的参赛设备

在此之后Swissloop Tunneling(SLT)小组一直在进一步优化设计。目前他们的主要目标是进一步改进3d打印系统。并且团队也已经报名了2023年，将于美国德克萨斯州举办的第二届“隧道施工竞速大赛”。此外在团队的中长期目标中，扩大直径是第一要务。Swissloop Tunneling(SLT)小组设定的目标是在2035年完成4.5m直径的机器建造。

TBM设计全貌

结语

瑞士Swissloop Tunneling所设计的TBM中应用了大量尚不成熟的技术。虽然在短期内，我们不太可能看到这些技术在实际工程中得到应用，但小编认为，这样的创新实际上是在为未来做准备，为地下工程行业未来的发展提供一个新的方向和思路。