出發(fā)！4月29日，我國自主研發(fā)的“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機，開啟滬渝蓉高鐵崇太長江隧道掘進之旅。
這條隧道正線長14.25千米，其中11.325千米需由盾構(gòu)機在長江底獨頭掘進，是全球獨頭掘進距離最長的過江隧道；開挖直徑達15.4米，相當(dāng)于5層樓高；最深處距水面89米，最大水土壓1.02兆帕，是長江流域開挖最深、水土壓最大的隧道……施工難度如此之大，“領(lǐng)航號”身負(fù)重任。
誰能想象？20多年前，我們還沒有自己的盾構(gòu)機；如今，國產(chǎn)盾構(gòu)機已占全球市場近七成。
自零起步，從追趕到并跑，再到部分領(lǐng)域領(lǐng)跑，國產(chǎn)盾構(gòu)機如何實現(xiàn)跨越？近日，記者走入盾構(gòu)機生產(chǎn)企業(yè)，探尋行業(yè)躍升的密碼。
從無到有，造自己的盾構(gòu)機
“有人說我們是異想天開”
盾構(gòu)機，全稱為全斷面隧道掘進機，集機、電、信息、人工智能等技術(shù)于一身，被譽為“工程機械之王”。
秦嶺隧道是我國第一個使用盾構(gòu)工法挖掘的鐵路隧道。一山橫亙，山南嶺北景物迥異。隧道全長18.46千米，最大埋深1600米，兩端落差155米。
評審專家判斷，采用傳統(tǒng)鉆爆法，可能要10多年才能打通隧道，而使用盾構(gòu)法，只需兩年。
咬牙花費7億多元，從國外采購兩臺機器?！斑@是一筆巨大的投資，但也是我們學(xué)習(xí)世界先進技術(shù)的絕佳機會?！敝袊こ淘涸菏繉O永福說。
機器開動，鏗鏘突進。無爆破、無振動、無粉塵快速掘進，施工效率提高3至5倍。
然而，機器維修時長按分鐘計算，費用高昂；保養(yǎng)時中方不能參與，進度無法控制……關(guān)鍵技術(shù)受制于人，就沒有話語權(quán)。2000年初，中國中鐵決定：造中國人自己的盾構(gòu)機。
“有人說我們是異想天開?！敝需F高新工業(yè)總工程師王杜娟回憶，盾構(gòu)機零部件超2萬個，一個控制系統(tǒng)就有2000多個控制點?！爱?dāng)時，不少同事剛走出校門，很多人都沒見過盾構(gòu)機。”
到處找項目，去隧道挖掘現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)盾構(gòu)機原理，王杜娟和同事們一根根管子排查、一個個元器件核對，比較參數(shù)、核實數(shù)據(jù)、查閱資料。
刀具是盾構(gòu)機的“鐵齒銅牙”，既要高硬度、耐腐蝕，又要柔韌性好、耐疲勞。中鐵裝備和清華大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)刀具材料，對十幾種添加元素進行了上千次試驗，最終解決難題。
還有眾多難關(guān)要攻克：買不到的陶瓷球閥、銷售和維修都價格高昂的控制系統(tǒng)……歷時8年，克服重重困難，投入大量人才財力，我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“中國中鐵1號”復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)樣機終于下線。
樣機下線，只算邁出了半步。經(jīng)受實踐檢驗，才算真正成功。
2009年2月6日，“中國中鐵1號”在天津開掘?！岸軜?gòu)機要下穿‘瓷房子’等文保單位，容不得半點閃失?！蓖醵啪暾f。4個月后，天津地鐵3號線營和右線區(qū)間順利貫通，地面沉降控制在3毫米以內(nèi)，專家驗收全部通過。
自此，行業(yè)開始發(fā)力，以中鐵裝備、鐵建重工、中交天河等為代表的一批具有競爭力的盾構(gòu)機制造企業(yè)，陸續(xù)成立、成長壯大。時至今日，我國盾構(gòu)機保有量約5000臺，世界第一。我國90%以上的地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工。
從有到優(yōu)，拓展海外市場
“好盾構(gòu)機自己會說話”
根據(jù)不同施工環(huán)境，盾構(gòu)機分為土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)、復(fù)合盾構(gòu)和硬巖掘進機（TBM）。
“當(dāng)時業(yè)內(nèi)流傳一句話，不掌握TBM技術(shù)，不能算成熟、有競爭力的隧道掘進機廠商?！敝袊需F裝備集團技術(shù)中心副主任、掘進機研究院院長賀飛說。
通常，城市軌道、管網(wǎng)建設(shè)時，盾構(gòu)機施工埋深在30米左右。但TBM埋深可達幾百米甚至上千米。大埋深、長距離、巖石強度高等施工條件，對設(shè)備的可靠性、適應(yīng)性、耐久性和安全性提出更高要求。
帶著“從有到優(yōu)”的追求，研發(fā)人員繪制3萬多張圖紙，日夜奮戰(zhàn)180天。2015年1月26日，“永吉號”TBM下線。在吉林引松供水工程建設(shè)中，“永吉號”以超強的地質(zhì)適應(yīng)性和穩(wěn)定性，成功穿越7.9千米淺埋灰?guī)r巖溶區(qū)、斷層破碎帶及淺埋富水溝谷帶，提前9個月完成任務(wù)。
2018年，汕頭海灣隧道正式掘進。這是我國第一條地處八度地震帶、穿越海底復(fù)雜地質(zhì)的超大直徑盾構(gòu)隧道。
西線，由國產(chǎn)盾構(gòu)機負(fù)責(zé)施工，這是我國自主設(shè)計制造的第一臺15米級超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機；東線，由進口盾構(gòu)機負(fù)責(zé)施工。先后始發(fā)、同向掘進。最終，進口盾構(gòu)機歷時736天完成隧道掘進，國產(chǎn)盾構(gòu)機只用時660天。同樣的質(zhì)量，更短的時間。
“好盾構(gòu)機自己會說話?！敝袊需F裝備集團總經(jīng)理張志國說。
2012年，國產(chǎn)盾構(gòu)機迎來出口第一單：中標(biāo)馬來西亞吉隆坡地鐵建設(shè)項目。施工中，“中國中鐵50號”日均掘進8環(huán)，連續(xù)7天掘進環(huán)數(shù)超10環(huán)，創(chuàng)下馬來西亞地鐵盾構(gòu)施工紀(jì)錄。
2015年，“張衡號”“詹天佑號”盾構(gòu)機中標(biāo)新加坡地鐵項目；2016年，矩形頂管掘進機再次中標(biāo)，開創(chuàng)了國內(nèi)異形掘進機走向海外的先河。
2019年，“中國中鐵699號”盾構(gòu)機中標(biāo)意大利北部鐵路項目，我國高端隧道掘進裝備首次應(yīng)用于歐盟國家。同年，兩臺國產(chǎn)盾構(gòu)機中標(biāo)法國巴黎地鐵建設(shè)項目。
“這說明國際高端市場對中國盾構(gòu)機品牌綜合實力的認(rèn)可。”張志國說。
攻克難題，邁向智能化
“我們要堅持自主創(chuàng)新”
水平、斜向、豎向、拐彎掘進，刀盤直徑從0.5米到23米，斷面形狀有單圓形、矩形、馬蹄形、多圓形、U形……地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，需要工程師不斷磨礪技藝、創(chuàng)新產(chǎn)品。
——攻克短板，增強產(chǎn)業(yè)韌性。
一臺盾構(gòu)機有幾層樓高，幾百頭大象重，由幾萬個零部件組成。要想提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性，每個環(huán)節(jié)都需要協(xié)同發(fā)力。
“中國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)走的是整機帶動零部件的路線?！睆堉緡榻B，10年前，產(chǎn)業(yè)鏈存在短板，軸承、減速機等需要進口。如今，正一一攻克。
最難突破的是主軸承。主軸承被譽為盾構(gòu)機的“心臟”，直面超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況考驗，需要滿足高可靠、長壽命等關(guān)鍵性能要求，其材料、設(shè)計、制造與試驗難度極大，處于大型高端精密軸承產(chǎn)業(yè)鏈的最頂端。
研發(fā)團隊嘗試了上百種材料和工藝，開展了上千組理論校驗和設(shè)計優(yōu)化，分析了上萬組檢測及試驗數(shù)據(jù)，才確定了最終設(shè)計方案。
鐵建重工聯(lián)合國內(nèi)頂尖特鋼企業(yè)，深入研究材料元素匹配優(yōu)化及夾雜物、碳化物控制技術(shù)，打破主軸承材料瓶頸。
2023年10月12日，直徑達8.61米的盾構(gòu)機主軸承在湖南長沙下線，這是全球直徑最大、單體最重、承載最高的整體式盾構(gòu)機主軸承。
“這標(biāo)志著國產(chǎn)超大直徑主軸承研制能力躋身世界領(lǐng)先水平。實現(xiàn)了盾構(gòu)機主軸承全面國產(chǎn)化，國產(chǎn)盾構(gòu)機主軸承從中小直徑到超大直徑型譜全覆蓋?！敝袊F建重工集團首席科學(xué)家劉飛香說。
——邁向智能化，自主掘進、遠(yuǎn)程操控。
行業(yè)有句話，盾構(gòu)施工就像盲人走路。由于無法100%了解周圍地質(zhì)情況，施工過程中安全風(fēng)險較高。
如何用智能化手段，盡可能探明掘進前方的地質(zhì)，減少對盾構(gòu)機操作人員的經(jīng)驗依賴，一直是隧道工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，我國企業(yè)也作出嘗試。
比如，“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機搭載了關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測刀具、環(huán)流泥漿管等部件的磨損、溫度信息，并提供損壞預(yù)判，從而有效提高盾構(gòu)機施工效率。智能掘進、智能拼裝、超前地質(zhì)預(yù)報、盾尾密封安全預(yù)警……普通地質(zhì)，“領(lǐng)航號”可自動調(diào)整參數(shù)、自主掘進；特殊情況，工作人員在地面即可操縱。
“我們搭建掘進機大數(shù)據(jù)庫和云計算中心，有效解決智能控制問題。”中國中鐵裝備集團總工程師賈連輝相信，在不遠(yuǎn)的未來，無人值守、智能掘進將變成現(xiàn)實。
——開拓新場景，讓盾構(gòu)機“挖掘”更多可能。
除了傳統(tǒng)的鐵路公路交通、城市軌道交通、綜合管廊工程等項目，我國企業(yè)正拓展盾構(gòu)機應(yīng)用領(lǐng)域，“挖掘”更多可能。
服務(wù)水務(wù)。4月1日，由鐵建重工制造的沉井式豎井掘進機順利完成首口豎井掘進，這是國產(chǎn)豎井掘進機在水務(wù)項目的首次亮相。
服務(wù)礦山。4月11日，“龍源號”礦用TBM始發(fā)，可攀爬6%坡度的斜坡，大幅提升礦山企業(yè)井巷掘進效率。
服務(wù)電站。4月19日，“紫薇號”TBM完成衢江抽水蓄能電站排水洞及排水廊道掘進任務(wù)。“紫薇號”最小轉(zhuǎn)彎半徑只有30米，實現(xiàn)了超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM在抽蓄工程中的應(yīng)用。
“我們要堅持自主創(chuàng)新，繼續(xù)積極研發(fā)高端智能掘進裝備?！敝袊需F黨委書記、董事長陳云表示，將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)和高校、科研院所，在原始創(chuàng)新、創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化等方面持續(xù)努力。
（責(zé)任編輯 姜丹）
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