微型机器人群，隧道挖掘的未来之才
原创/文 BFT机器人
如今，地下挖掘行业正在探索利用微型机器人、等离子体火炬和过热气体，来取代目前使用的大型掘进机。
几十年来，工程师们建造地下隧道一直依赖于巨大的管状机器，这些管状机器一端配备了一系列可怕的切割刀盘。这些庞然大物就是隧道掘进机（TBM），不仅价格昂贵，而且通常是为单个项目定制而成的，项目完成后就失去了作用。例如伦敦最近开通的伊丽莎白地下铁路，直径超过7米，该项目就使用了TBM，并且每台机器重量超过1000吨。
TBM（TunnelBoringMachine）为了解决TBM建造隧道的弊端，英国HyperTunnel公司设计了一个体积更小、长度大约3米，形状像半圆柱体的微型机器人，可以在预先钻好的地下管道中移动。这些直径约为250毫米的管道沿着拟建隧道的墙壁轮廓延伸，机器人一旦进入它们的内部，就会使用顶部带有铣削头的机械臂穿透周围的土壤，凿出小的空隙，然后用混凝土或其他坚固的材料填充。一个新隧道的结构从此形成。在挖掘隧道时所用的机器人不是单独的个体，而是成千上万个，它们组成了强大的“蜂群”。
该技术的核心是利用集群机器人在地层中建好衬砌，然后再将衬砌内部的土体挖空，以形成隧道空间。
若使用传统TBM，首先要挖洞，然后添加支撑物或墙壁，以保持剩余土壤周围的空隙，支撑物不能移除。但若采用这款微型机器人，先将其埋在地下然后再挖洞，一旦结构建成，填充隧道的材料就可以移除。”
成型后的HyperTunnel隧道（计算机模拟）检验中的HyperTunnel隧道这样做的好处是能够在整体上减少建筑材料的使用，该结构的外部厚度可以根据隧道周围实际的地质情况和压力变化而定，而不是依据整个工程的长度设置标准化的隧道壁。
HyperTunnel工程步骤Step1：搭建施工导向管
通过水平定向钻机在隧道断面中心钻出数个原始导向管，来做隧道初步勘探，再依照隧道断面的轮廓和路线钻出一系列施工导向管。
Step2：微型机器人群开始工作
微型机器人群涌入施工导向管，从内部通过微型钻头向四周的地层中钻孔，注入化学材料，固化后形成隧道衬砌。
Step3：去除壳内土体
隧道初步砌造成后，把位于断面中心的原始导向管扩径，来让壳内的土体坍塌，再通过设备将弃土清除，然后再依照隧道的设定要求安装内衬。
隧道工程专家们一致认同，该行业迫切需要能够降本增效的技术解决方案。例如，设计和建造一台TBM，再用它实际挖掘隧道，整个过程可能需要数年时间。从埃隆·马斯克的BoringCompany到HyperTunnel公司，以及开发出高温爆破地球上最坚硬岩石方法的公司等，一系列新兴技术企业正在出现。
类似的工程项目并不少：中国经过十年的建设，近期在龙门山建成了一条20公里的铁路隧道。英国的HS2铁路项目，它将连接伦敦和该国北部的城镇，并在其规划的路线上建造了超过100公里的隧道。以及曾经为《愤怒的小鸟》开发商Rovio工作的PeterVesterbacka正在推动一项野心勃勃的计划，预计在芬兰和爱沙尼亚之间修建一条海底隧道。
隧道不仅仅用于运输，在电力方面也大有用处。位于旧金山的EarthGrid公司的创始人兼首席执行官TroyHelming强调，有必要将电力线路置于地下，这正是他的公司的目标。他指出，在美国和加拿大，绝大多数的传输电缆都设置在地面之上，这使它们容易受到飓风、其他风暴和野火的影响。
北美公路传输电线受到飓风影响他说："我们的计划是建立一个横跨北美的超级电网，"他拿出一张地图，上面用彩色线条显示了从东部沿海地区一直延伸到太平洋的电网，以及西部未来的海上风电场。这个计划可以帮助连接零散的美国电网，甚至未来有可能延伸到欧洲，开发那里巨大的海上风能潜力。“这很疯狂，很大胆，我们知道。”
实现这项技术的其中一个障碍是极其坚硬的岩石，如花岗岩和石英岩，这使得在一些地方进行传统的挖掘变得困难甚至不可能。Helming把赌注押在等离子体火炬技术上，该技术能实现将岩石加热到约6000摄氏度，将其炸成碎片，这可以使在坚硬的岩石中建立隧道的速度比现有技术快100倍。
等离子体火炬同时，EarthGrid正在开发一个携带着五个等离子体火炬的机器人原型，Helming说它应该在2023年3月进行初步测试，该公司还打算在今年年底前完成其第一个小规模的商业项目。
Helming指出，在EarthGrid的案例中，隧道将不是圆形的，而是传统的马蹄形——想象一下一个顶部有拱门的正方形，而不是一个平坦的天花板。他认为，这使得安装电缆架，在较大的运输隧道中或在隧道的平底上安装路面更容易。
JianZhao是澳大利亚莫纳什大学土木工程系的一名教授，他和同事们一同探索了激光、微波和高压水射流等技术在隧道钻探中的应用。例如，他对Petra的基于热量的方法本身是否足以用于大型隧道工程持怀疑态度，但他想知道它是否可以与机械开挖一起使用。
高压水射流技术BoringCompany正在自主研发可以从地表发射到地下挖掘隧道的TBM，该公司也在商业意义上进行了创新，计划在各个项目中对隧道挖掘设备进行标准化，而不用每次为特定项目建造新的隧道掘进机，增加复杂性和成本。
瞄准此类市场的公司也包括HyperTunnel。Lane-Nott说，他的公司的机器人将能够顺着管道快速移动，为地下隧道的外部结构提供服务，而运营商不必暂停内部的公路或铁路交通。这场技术革命已经开始了。Lane-Nott补充说，拥有并运营英国大部分铁路网络的NetworkRail公司，已经与HyperTunnel公司进行了这方面的合作。
未来对地下基础设施的需求会越来越大，随着气候变化，地球的地表温度升高，未来人们可能将在地下生活，以躲避难以忍受的恶劣天气。
这是朝着成千上万的机器人和谐地工作，以创造巨大的地下结构的愿景迈出的一小步——他称之为"蜂群的力量"。无论是否有蜂群，我们的未来都充满了隧道。谁来挖？如何挖？比赛已经悄然打响……
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机器人助力攻克西安地铁四号线施工难题
2月5日，随着现场技术员操控智能掘进机器人挥动大臂凿落一块块混凝土，由中铁一局城轨公司承建的西安地铁四号线火车站站暗挖隧道左线成功下穿西安火车站东道岔咽喉区，至此该隧道左、右线全部贯通。
西安地铁四号线火车站站一期暗挖隧道左线长269.8米、下穿西安站东道岔“咽喉区”15股道8组道岔。隧道顶至铁路轨底仅有10.5米，地面平均每6分钟就有一趟列车通过。
“要穿过的这一地块，是浸在水里的黄土层，就像嫩豆腐。”西安地铁四号线项目负责人梁西军这样形容。
为降低安全风险，确保隧道暗挖正常进行，项目部在施工中引进智能掘进机器人与微型挖掘机、测量机器人，化解了隧道开挖可能带来的人员安全风险，对地面沉降情况进行全天候智能化监控，为列车正常运行“保驾护航”。
智能掘进机器人只需一名技术人员手持“游戏手柄”操作，节省了人力，降低了安全风险，提升了工效。
在下穿施工上方的西安火车站站场，也有测量机器人“站岗”。这种测量机器人实际上是一种先进的自动全站仪，每隔10分钟就会转动“脖子”，扫视周围的光标点位，如果哪个点位有1毫米的位移，它立即发出沉降警报，叫停施工。
“地面上像这样的测量机器人共有28台，它们对轨道及地面3298个监测点的监测数据，会即时传回项目后方电脑终端进行分析。”梁西军说。
西安地铁四号线火车站站隧道左线于2016年5月17日开始暗挖，历时615天顺利贯通。至此，整个西安四号线全部“洞通”，为2018年底全线通车奠定了坚实基础。
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