出發(fā)！4月29日，我國(guó)自主研發(fā)的“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)啟滬渝蓉高鐵崇太長(zhǎng)江隧道掘進(jìn)之旅。
這條隧道正線長(zhǎng)14.25千米，其中11.325千米需由盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)江底獨(dú)頭掘進(jìn)，是全球獨(dú)頭掘進(jìn)距離最長(zhǎng)的過(guò)江隧道；開(kāi)挖直徑達(dá)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(zhǎng)江流域開(kāi)挖最深、水土壓最大的隧道……施工難度如此之大，“領(lǐng)航號(hào)”身負(fù)重任。
誰(shuí)能想象？20多年前，我們還沒(méi)有自己的盾構(gòu)機(jī)；如今，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)已占全球市場(chǎng)近七成。
自零起步，從追趕到并跑，再到部分領(lǐng)域領(lǐng)跑，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)跨越？近日，記者走入盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，探尋行業(yè)躍升的密碼。
從無(wú)到有，造自己的盾構(gòu)機(jī)
“有人說(shuō)我們是異想天開(kāi)”
盾構(gòu)機(jī)，全稱為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，集機(jī)、電、信息、人工智能等技術(shù)于一身，被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”。
秦嶺隧道是我國(guó)第一個(gè)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(zhǎng)18.46千米，最大埋深1600米，兩端落差155米。
評(píng)審專(zhuān)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(fèi)7億多元，從國(guó)外采購(gòu)兩臺(tái)機(jī)器。“這是一筆巨大的投資，但也是我們學(xué)習(xí)世界先進(jìn)技術(shù)的絕佳機(jī)會(huì)?！敝袊?guó)工程院院士孫永福說(shuō)。
機(jī)器開(kāi)動(dòng)，鏗鏘突進(jìn)。無(wú)爆破、無(wú)振動(dòng)、無(wú)粉塵快速掘進(jìn)，施工效率提高3至5倍。
然而，機(jī)器維修時(shí)長(zhǎng)按分鐘計(jì)算，費(fèi)用高昂；保養(yǎng)時(shí)中方不能參與，進(jìn)度無(wú)法控制……關(guān)鍵技術(shù)受制于人，就沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)。2000年初，中國(guó)中鐵決定：造中國(guó)人自己的盾構(gòu)機(jī)。
“有人說(shuō)我們是異想天開(kāi)。”中鐵高新工業(yè)總工程師王杜娟回憶，盾構(gòu)機(jī)零部件超2萬(wàn)個(gè)，一個(gè)控制系統(tǒng)就有2000多個(gè)控制點(diǎn)?！爱?dāng)時(shí)，不少同事剛走出校門(mén)，很多人都沒(méi)見(jiàn)過(guò)盾構(gòu)機(jī)?！?/p>
到處找項(xiàng)目，去隧道挖掘現(xiàn)場(chǎng)觀摩學(xué)習(xí)盾構(gòu)機(jī)原理，王杜娟和同事們一根根管子排查、一個(gè)個(gè)元器件核對(duì)，比較參數(shù)、核實(shí)數(shù)據(jù)、查閱資料。
刀具是盾構(gòu)機(jī)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(duì)十幾種添加元素進(jìn)行了上千次試驗(yàn)，最終解決難題。
還有眾多難關(guān)要攻克：買(mǎi)不到的陶瓷球閥、銷(xiāo)售和維修都價(jià)格高昂的控制系統(tǒng)……歷時(shí)8年，克服重重困難，投入大量人才財(cái)力，我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中國(guó)中鐵1號(hào)”復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)樣機(jī)終于下線。
樣機(jī)下線，只算邁出了半步。經(jīng)受實(shí)踐檢驗(yàn)，才算真正成功。
2009年2月6日，“中國(guó)中鐵1號(hào)”在天津開(kāi)掘?！岸軜?gòu)機(jī)要下穿‘瓷房子’等文保單位，容不得半點(diǎn)閃失?！蓖醵啪暾f(shuō)。4個(gè)月后，天津地鐵3號(hào)線營(yíng)和右線區(qū)間順利貫通，地面沉降控制在3毫米以內(nèi)，專(zhuān)家驗(yàn)收全部通過(guò)。
自此，行業(yè)開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力的盾構(gòu)機(jī)制造企業(yè)，陸續(xù)成立、成長(zhǎng)壯大。時(shí)至今日，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)保有量約5000臺(tái)，世界第一。我國(guó)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(chǎng)
“好盾構(gòu)機(jī)自己會(huì)說(shuō)話”
根據(jù)不同施工環(huán)境，盾構(gòu)機(jī)分為土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)、復(fù)合盾構(gòu)和硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）。
“當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)流傳一句話，不掌握TBM技術(shù)，不能算成熟、有競(jìng)爭(zhēng)力的隧道掘進(jìn)機(jī)廠商?！敝袊?guó)中鐵裝備集團(tuán)技術(shù)中心副主任、掘進(jìn)機(jī)研究院院長(zhǎng)賀飛說(shuō)。
通常，城市軌道、管網(wǎng)建設(shè)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)施工埋深在30米左右。但TBM埋深可達(dá)幾百米甚至上千米。大埋深、長(zhǎng)距離、巖石強(qiáng)度高等施工條件，對(duì)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(wàn)多張圖紙，日夜奮戰(zhàn)180天。2015年1月26日，“永吉號(hào)”TBM下線。在吉林引松供水工程建設(shè)中，“永吉號(hào)”以超強(qiáng)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(gè)月完成任務(wù)。
2018年，汕頭海灣隧道正式掘進(jìn)。這是我國(guó)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(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)施工，這是我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的第一臺(tái)15米級(jí)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)；東線，由進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)施工。先后始發(fā)、同向掘進(jìn)。最終，進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)歷時(shí)736天完成隧道掘進(jìn)，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)只用時(shí)660天。同樣的質(zhì)量，更短的時(shí)間。
“好盾構(gòu)機(jī)自己會(huì)說(shuō)話?！敝袊?guó)中鐵裝備集團(tuán)總經(jīng)理張志國(guó)說(shuō)。
2012年，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)迎來(lái)出口第一單：中標(biāo)馬來(lái)西亞吉隆坡地鐵建設(shè)項(xiàng)目。施工中，“中國(guó)中鐵50號(hào)”日均掘進(jìn)8環(huán)，連續(xù)7天掘進(jìn)環(huán)數(shù)超10環(huán)，創(chuàng)下馬來(lái)西亞地鐵盾構(gòu)施工紀(jì)錄。
2015年，“張衡號(hào)”“詹天佑號(hào)”盾構(gòu)機(jī)中標(biāo)新加坡地鐵項(xiàng)目；2016年，矩形頂管掘進(jìn)機(jī)再次中標(biāo)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)走向海外的先河。
2019年，“中國(guó)中鐵699號(hào)”盾構(gòu)機(jī)中標(biāo)意大利北部鐵路項(xiàng)目，我國(guó)高端隧道掘進(jìn)裝備首次應(yīng)用于歐盟國(guó)家。同年，兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)中標(biāo)法國(guó)巴黎地鐵建設(shè)項(xiàng)目。
“這說(shuō)明國(guó)際高端市場(chǎng)對(duì)中國(guó)盾構(gòu)機(jī)品牌綜合實(shí)力的認(rèn)可?！睆堉緡?guó)說(shuō)。
攻克難題，邁向智能化
“我們要堅(jiān)持自主創(chuàng)新”
水平、斜向、豎向、拐彎掘進(jìn)，刀盤(pán)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(qiáng)產(chǎn)業(yè)韌性。
一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)有幾層樓高，幾百頭大象重，由幾萬(wàn)個(gè)零部件組成。要想提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要協(xié)同發(fā)力。
“中國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)走的是整機(jī)帶動(dòng)零部件的路線。”張志國(guó)介紹，10年前，產(chǎn)業(yè)鏈存在短板，軸承、減速機(jī)等需要進(jìn)口。如今，正一一攻克。
最難突破的是主軸承。主軸承被譽(yù)為盾構(gòu)機(jī)的“心臟”，直面超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況考驗(yàn)，需要滿足高可靠、長(zhǎng)壽命等關(guān)鍵性能要求，其材料、設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)嘗試了上百種材料和工藝，開(kāi)展了上千組理論校驗(yàn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，分析了上萬(wàn)組檢測(cè)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，才確定了最終設(shè)計(jì)方案。
鐵建重工聯(lián)合國(guó)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(dá)8.61米的盾構(gòu)機(jī)主軸承在湖南長(zhǎng)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(jī)主軸承。
“這標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)超大直徑主軸承研制能力躋身世界領(lǐng)先水平。實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)主軸承全面國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)主軸承從中小直徑到超大直徑型譜全覆蓋?！敝袊?guó)鐵建重工集團(tuán)首席科學(xué)家劉飛香說(shuō)。
——邁向智能化，自主掘進(jìn)、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(wú)法100%了解周?chē)刭|(zhì)情況，施工過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)較高。
如何用智能化手段，盡可能探明掘進(jìn)前方的地質(zhì)，減少對(duì)盾構(gòu)機(jī)操作人員的經(jīng)驗(yàn)依賴，一直是隧道工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，我國(guó)企業(yè)也作出嘗試。
比如，“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)搭載了關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)施工效率。智能掘進(jìn)、智能拼裝、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、盾尾密封安全預(yù)警……普通地質(zhì)，“領(lǐng)航號(hào)”可自動(dòng)調(diào)整參數(shù)、自主掘進(jìn)；特殊情況，工作人員在地面即可操縱。
“我們搭建掘進(jìn)機(jī)大數(shù)據(jù)庫(kù)和云計(jì)算中心，有效解決智能控制問(wèn)題?！敝袊?guó)中鐵裝備集團(tuán)總工程師賈連輝相信，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，無(wú)人值守、智能掘進(jìn)將變成現(xiàn)實(shí)。
——開(kāi)拓新場(chǎng)景，讓盾構(gòu)機(jī)“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(xiàng)目，我國(guó)企業(yè)正拓展盾構(gòu)機(jī)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(jìn)機(jī)順利完成首口豎井掘進(jìn)，這是國(guó)產(chǎn)豎井掘進(jìn)機(jī)在水務(wù)項(xiàng)目的首次亮相。
服務(wù)礦山。4月11日，“龍?jiān)刺?hào)”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(jìn)效率。
服務(wù)電站。4月19日，“紫薇號(hào)”TBM完成衢江抽水蓄能電站排水洞及排水廊道掘進(jìn)任務(wù)。“紫薇號(hào)”最小轉(zhuǎn)彎半徑只有30米，實(shí)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(jiān)持自主創(chuàng)新，繼續(xù)積極研發(fā)高端智能掘進(jìn)裝備?！敝袊?guó)中鐵黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)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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