「地底ドラゴン」シールドマシンのインスピレーションは実は軟体動物から来ている

制作：中国科学普及協会

著者: 劉欣 (中国科学技術大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

1997年に中国が秦嶺トンネルの建設を開始したとき、技術的な制約によりドイツに支援を求め、3億5000万元相当のトンネル掘削機2台を購入する必要がありました。これら2台のマシンも新品ではありませんでした。頻繁に起こる故障は乗り越えられない深い溝のようで、そのたびに遠くから外国人技術者が来て修理してくれるのを待たなければなりませんでした。これにより、プロジェクトの進捗が遅れただけでなく、すべての中国人エンジニアの心が深く傷つけられました。

港珠澳大橋の建設にあたり、我々は再び技術封鎖という厳しい試練に直面した。ドイツのウィルト社は、トンネル掘削機1台に7億元という法外な値段を提示した。それだけでなく、ドイツの専門家たちはまた、「たとえ中国の技術者にあと100年与えられたとしても、トンネル掘削機を作ることはできないだろう！」と傲慢に主張した。これは大きな経済的負担であるだけでなく、我が国の尊厳に対する大きな侮辱でもあります。

自主的に発展していく決意です！ 2008年、我が国初の自主知的財産権を有する複合シールド掘進機「中国鉄道1号」が誕生しました！

2008年4月25日、河南省新郷市で「中国鉄道1号」シールドマシンが生産ラインから出荷された。

（写真提供：北京日報）

シールドマシンは、シールドトンネル掘削機とも呼ばれ、高度な技術を統合したトンネル掘削用の特殊な工事機械です。シールドマシンは、その名の通り、その動作に「シールド方式」を採用しています。 「シールド」は「保護」を意味し、シールド シェルを指します。また、「構造」は「構築」を意味し、パイプ セグメントの組み立てを指します。簡単に言えば、土壌を掘削しながらトンネルの軸に沿って前進する円筒形の鋼鉄部品として理解することができます。そのシェルは、掘削された覆工のないトンネル部分を一時的に支え、周囲の土壌の圧力と、場合によっては地下水の圧力に耐えて、その侵入を防ぎます。

シールドマシンの動作原理

(画像出典:百度百科事典)

シールド方式のインスピレーションは、自然界の小さな建築家であるフナクイムシから得ることができます。フナ虫は木材を餌とする海洋軟体動物で、木の板に穴を掘って生息することができます。

シップワーム

(写真出典: poi-australia ウェブサイト)

フナ虫の殻は先端が鋭く鋸歯状になっており、これが木の板を突き破って空間を作る武器となっている。この構造は、シールドマシンの先端にある巨大なカッターヘッドによく似ており、巨大なカッターヘッドを使って長い鋼鉄の竜のように地中で回転し、ヘッドを回転させながら岩や土を「食べる」のです。

シールドマシンの設計上のヒントは、もともとフランスの技術者ブルネルが、18 世紀後半に船虫が穴を掘る現象から得たものです。ブルーナウアーは、フナウミムシが木の板に穴を開けるときに、穴の壁を覆う液体を分泌し、濡れたときに板が膨張するのを防ぎ、板が平らになるのを防ぐ丈夫な保護殻を形成することを観察した。この自然現象にヒントを得て、シールドマシンによるトンネル掘削の原理を考案し、この原理に基づいて設計した「オープンハンドドグシールドマシン」はイギリスで特許を取得しました。

シールドマシンの中央部と後部に注目すると、その構造の複雑さと精巧さがわかります。シールドマシンの中央部と後部には、前部シールドと後部シールドの強固な保護と、重要な油圧駆動システムが統合されており、その動力源は、フナクイムシの強力な体節の筋繊維のように油圧ジャッキです。同時に、トンネルをより安定させるために、シールドマシンが一定距離前進するたびに、トンネルの内壁にコンクリートセグメントのリングを自動的に組み立てます。ライニング層全体の安定性を維持し、トンネル内への水の漏れを防ぐために、ライニングセグメントとトンネル壁の間の隙間もモルタルで埋める必要があります。

シップワーム（画像提供：Blue Zoology）

廃棄物処理に関して言えば、トンネル掘削機とフナクイムシは意外な共鳴を呼び起こします。シールドマシンに組み込まれた効率的なコンベアベルトシステムは、掘削プロセス中に発生する大量の廃棄物を迅速に清掃し、作業現場の清潔さと効率を確保します。海に生息する軟体動物であるフナ虫も、効率的な廃棄物処理機構を持っています。彼らは体内を清潔に保つために、体の後ろにある特別な管を通して代謝老廃物を素早く排泄します。この自然の巧妙な設計は、シラミが過酷な環境で生き残るのに役立つだけでなく、人間に貴重な生物学的インスピレーションも提供します。

中国鉄道トンネル局の大型シールドマシンの家族写真

(画像出典: The Paper)

現在、中国のシールドマシンは山や尾根を越えるだけでなく、川や海も越えることができる。各種トンネル建設プロジェクトに広く利用されており、中露天然ガス輸送プロジェクトでも長江シールドプロジェクトを成功裏に完成させています。この一連の成果は、中国のシールドマシン技術の優れた性能を証明するだけでなく、インフラ建設における中国の強大な実力を反映しています。

「チーユエ」シールドマシン

（写真提供：文衛報）

2012年、中国鉄道設備の最初のトンネル掘削機が海外に輸出され、中国のトンネル掘削機の国際化の新たな章が開かれました。その後数年間で、中国鉄道設備は徐々にトンネル掘削機業界で世界的に有名なリーダーになりました。同社の製品は多くの国や地域に輸出され、国際市場で広く認知され賞賛されています。

我が国のシールドマシンは、世界のシールドマシン発祥の地であり製造大国である中国に行き、地下鉄を建設します

（画像出典：科技日報）

無から有へ、弱から強へ、中国のシールドマシンの発展の歴史は、挑戦と栄光に満ちた闘争の歴史です。このプロセスは、中国の自主的な研究開発能力と革新精神を示すだけでなく、中国の知恵と国民精神の驚異的な力も示しています。トンネル掘削機が着実に地下を進み続けるのと同様に、中国も科学技術革新の道を着実に前進し、国の強固な基盤を築き上げている。