精確遁地智能穿江 中國(guó)盾構(gòu)機(jī)書寫大國(guó)傳奇

　　大臉盤，長(zhǎng)滿鐵齒鋼牙，專門“啃”硬巖、“吞”沙土；身披鋼鐵盔甲，外可擋壓力防坍塌，內(nèi)可由螺旋輸送機(jī)將渣土運(yùn)出。盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)一段距離，便停下“歇歇”，用預(yù)制好的混凝土管片拼裝隧道。隧洞挖完之日，就是隧道建好之時(shí)。

　　盾構(gòu)機(jī)，被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”，是挖掘地下空間、暢通路途的最佳幫手。我國(guó)90%以上地鐵隧道以及穿越大江大河的隧道，大都采用盾構(gòu)法施工。

　　在11月18日的國(guó)家科技傳播中心，燈光璀璨的“新天工開物——科技成就發(fā)布會(huì)”盾構(gòu)裝備工程專場(chǎng)上，國(guó)之重器“京華號(hào)”的傳奇故事再次被講述。與它一同亮相的，還有中國(guó)盾構(gòu)機(jī)從技術(shù)追趕到全面領(lǐng)跑的奮斗軌跡。

　　2020年9月27日，一場(chǎng)特殊的“下線儀式”在車間里舉行——當(dāng)紅色幕布緩緩落下，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)16米級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)“京華號(hào)”露出真容，這艘“地下航母”全長(zhǎng)150米的鋼鐵身軀上，京劇臉譜涂裝格外醒目，直徑16.07米的刀盤如巨輪舵盤般厚重，第四代常壓換刀系統(tǒng)、伸縮主驅(qū)動(dòng)等核心部件暗藏其間。

　　時(shí)隔八個(gè)月的2021年5月，“京華號(hào)”在北京東六環(huán)改造工程開啟征途。刀盤轟鳴著啃下堅(jiān)硬巖層，泥漿環(huán)流系統(tǒng)有序輸送渣土，中鐵十四局集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中鐵十四局”）項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)圍繞這臺(tái)“巨無霸”展開一場(chǎng)場(chǎng)技術(shù)攻堅(jiān)。當(dāng)它連續(xù)掘進(jìn)近7.4公里實(shí)現(xiàn)貫通時(shí)，這條“地下鋼鐵巨龍”完美演繹了我國(guó)盾構(gòu)機(jī)從“無”到“有”再到“領(lǐng)跑”的創(chuàng)新歷程。

　　破壁之路：自主研發(fā)鑄就“國(guó)之重器”

　　將鏡頭拉回到上世紀(jì)90年代，中國(guó)基建浪潮初起，隧道工程對(duì)盾構(gòu)機(jī)的需求日益迫切。到本世紀(jì)初，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)市場(chǎng)還幾乎完全被德國(guó)海瑞克、日本川崎重工等國(guó)際巨頭壟斷。

　　“當(dāng)時(shí)買兩臺(tái)二手德國(guó)盾構(gòu)機(jī)，花了整整七億元人民幣?！敝袊?guó)鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究院副院長(zhǎng)熊晨君的話語(yǔ)中，仍帶著當(dāng)年的無奈。

　　熊晨君告訴中國(guó)工業(yè)報(bào)記者，外國(guó)廠商在維修保養(yǎng)時(shí)，還禁止中國(guó)工程師在場(chǎng)觀看。核心技術(shù)被牢牢封鎖，讓我國(guó)重大工程建設(shè)受制于人。

　　這種“卡脖子”的困境，成為中國(guó)工程師自主研發(fā)的最強(qiáng)動(dòng)力。

　　2002年10月，中鐵隧道集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)等20余家科研機(jī)構(gòu)，組成了科研攻堅(jiān)隊(duì)伍。歷時(shí)6年，他們成功攻克了復(fù)合式刀盤設(shè)計(jì)、主軸承國(guó)產(chǎn)化等30余項(xiàng)核心技術(shù)。

　　2008年4月，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)復(fù)合式、直徑6.3米的“中國(guó)中鐵1號(hào)”盾構(gòu)機(jī)在河南新鄉(xiāng)下線，標(biāo)志著“洋盾構(gòu)”時(shí)代的終結(jié)。

　　2010年，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公（以下簡(jiǎn)稱“鐵建重工”）為長(zhǎng)沙地鐵量身定制的第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)“開路先鋒19號(hào)”成功下線。這臺(tái)凝聚著國(guó)產(chǎn)力量的裝備一經(jīng)投入使用，便迫使壟斷市場(chǎng)的“洋盾構(gòu)”降價(jià)30%，一舉打破了國(guó)外品牌的價(jià)格壁壘。

　　此后，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展駛?cè)肟燔嚨馈?013年，“行健號(hào)”復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)問世；2016年，“望京1號(hào)”高鐵大直徑盾構(gòu)機(jī)將地面沉降控制在0.68毫米的世界領(lǐng)先水平；2022年，歷經(jīng)數(shù)年攻堅(jiān)，國(guó)產(chǎn)主軸承實(shí)現(xiàn)全系列國(guó)產(chǎn)化，徹底擺脫了對(duì)國(guó)外部件的依賴。

　　盾構(gòu)機(jī)的主軸承被譽(yù)為“心臟”，要承受成千上萬(wàn)噸的重量，在復(fù)雜地層中連續(xù)工作上萬(wàn)小時(shí)。為了打造這顆強(qiáng)勁的“中國(guó)心”，鐵建重工的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)、材料、制造、測(cè)試四大領(lǐng)域同步發(fā)力。他們自主開發(fā)設(shè)計(jì)軟件，研制特級(jí)優(yōu)質(zhì)軸承鋼，將加工精度控制在20微米以下——比一根頭發(fā)絲還要細(xì)。最終，直徑8.61米、重62噸的全球最大整體式主軸承橫空出世，能滿足18-20米級(jí)超大盾構(gòu)機(jī)的需求。經(jīng)院士專家團(tuán)隊(duì)認(rèn)證，其性能在國(guó)際上處于優(yōu)勢(shì)地位，部分參數(shù)更是實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先。

　　2008年，在長(zhǎng)江之畔的南京長(zhǎng)江隧道建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，中鐵十四局的“高壓進(jìn)倉(cāng)第一人”趙斌見證了技術(shù)迭代的生死時(shí)速。當(dāng)年，隧道埋深60米的江底，盾構(gòu)機(jī)刀盤出現(xiàn)故障，需在6公斤大氣壓的高壓環(huán)境下進(jìn)倉(cāng)維修。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)尚無此技術(shù)能力，不得不請(qǐng)國(guó)外潛水公司，但“進(jìn)一次倉(cāng)要6萬(wàn)歐元”。

　　為了不受制于人，中鐵十四局決定培養(yǎng)自己的隊(duì)伍。三十多名參訓(xùn)人員歷經(jīng)航天員般嚴(yán)苛的體能、理論和實(shí)操訓(xùn)練，最終只有三人達(dá)標(biāo)，趙斌便是其中之一。

　　“加壓訓(xùn)練時(shí)有人耳膜壓穿、鼻子流血。在倉(cāng)內(nèi)高壓環(huán)境下，氮?dú)饴樽頃?huì)讓人失去知覺，就算受傷也毫無感覺，掌子面失穩(wěn)更是連逃生時(shí)間都沒有?！边@段經(jīng)歷，讓趙斌對(duì)技術(shù)創(chuàng)新有著最深刻的期盼。

　　如今，第四代常壓換刀技術(shù)已廣泛應(yīng)用，單把刀具更換時(shí)間從5-8小時(shí)縮短至1-2小時(shí)，工人徹底擺脫了高危環(huán)境。

　　穿城之術(shù)：在城市心臟上做“顯微手術(shù)”

　　“各位乘客請(qǐng)注意，列車即將穿越清華園隧道，前方5.4米處就是地鐵10號(hào)線運(yùn)行軌道。”當(dāng)復(fù)興號(hào)列車平穩(wěn)駛過京張高鐵清華園隧道時(shí)，很少有人知道當(dāng)時(shí)那場(chǎng)“地下穿越”的難度堪比“在跳動(dòng)的心臟上做顯微手術(shù)”。

　　中鐵十四局大盾構(gòu)公司盾構(gòu)掘進(jìn)管理中心副主任趙斌告訴中國(guó)工業(yè)報(bào)記者，這條隧道要穿過北京北三環(huán)核心區(qū)，下方是7條主干道、88條市政管線，與地鐵13號(hào)線僅隔3米。最關(guān)鍵的是，隧道要從日均客流超200萬(wàn)的地鐵10號(hào)線正下方5.4米處穿行，沉降控制要求嚴(yán)苛到超過1毫米就可能導(dǎo)致地鐵停運(yùn)。

　　趙斌介紹，面對(duì)如此復(fù)雜的工況，中鐵十四局研發(fā)了“源頭控制、路徑阻隔、對(duì)象加固、預(yù)警修正”四位一體的微沉降控制技術(shù)。施工前，團(tuán)隊(duì)像醫(yī)生“望聞問切”般開展綜合評(píng)估，探究地層擾動(dòng)機(jī)理，構(gòu)建數(shù)字孿生模型和等比例試驗(yàn)臺(tái)，精準(zhǔn)模擬施工過程中的地層變形。施工中，直徑12.64米的“天佑號(hào)”盾構(gòu)機(jī)搭載數(shù)千個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)變化，通過智能算法自動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)參數(shù)優(yōu)化。針對(duì)北京地下復(fù)雜的卵石層，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新泥漿環(huán)流系統(tǒng)，揭示卵石運(yùn)動(dòng)軌跡和磨損規(guī)律，讓管路壽命延長(zhǎng)3倍以上。

　　2018年3月15日凌晨，這場(chǎng)穿越迎來最驚險(xiǎn)的時(shí)刻。凌晨3點(diǎn)20分，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至地鐵10號(hào)線正下方時(shí)，突然傳來刺耳異響。

　　“停機(jī)！設(shè)備空轉(zhuǎn)！”當(dāng)時(shí)的施工團(tuán)隊(duì)當(dāng)機(jī)立斷。

　　經(jīng)過緊急排查，施工團(tuán)隊(duì)推測(cè)可能是10號(hào)線建設(shè)存在遺留的廢棄水泵。此時(shí)距離地鐵早班車發(fā)車僅剩不到3小時(shí)，停工處理時(shí)間不足，強(qiáng)行推進(jìn)可能損壞刀盤。

　　關(guān)鍵時(shí)刻，團(tuán)隊(duì)決定慢速推進(jìn)并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。30分鐘后，異響逐漸消失，障礙物被成功碾碎，當(dāng)天早班地鐵準(zhǔn)時(shí)發(fā)車。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，軌道沉降牢牢控制在1毫米內(nèi)，這場(chǎng)極限穿越完美收官。

　　如今，在城市地下施工的盾構(gòu)機(jī)，已能實(shí)現(xiàn)對(duì)地面“零干擾”。

　　“隧道埋深越大，地面影響越小。就算住在施工區(qū)域上方的居民，也幾乎感覺不到震動(dòng)?！壁w斌介紹，盾構(gòu)機(jī)24小時(shí)不間斷作業(yè)，不受刮風(fēng)下雨等天氣影響，也不占用地面交通資源，成為城市地下空間開發(fā)的“隱形功臣”。

　　在深江鐵路珠江口隧道建設(shè)中，鐵建重工研發(fā)的自適應(yīng)壓力補(bǔ)償密封系統(tǒng)經(jīng)受住了水下106米、10.6bar水壓的嚴(yán)苛考驗(yàn)。據(jù)介紹，這相當(dāng)于指甲蓋大小的面積要承受10.6公斤壓力，遠(yuǎn)超國(guó)外9.7bar的最高紀(jì)錄，為超深隧道施工提供了可靠保障。如今，該系統(tǒng)更是接續(xù)挑戰(zhàn)了水下116米的新紀(jì)錄。

　　智綠之變：讓地下工程與城市共生

　　智能化技術(shù)的應(yīng)用，讓盾構(gòu)機(jī)從“笨重機(jī)械”變身“智慧機(jī)器人”。

　　鐵建重工為盾構(gòu)機(jī)裝上了“透視眼”和“智慧腦”。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能提前50米探明溶洞、孤石等隱患，就像給盾構(gòu)機(jī)做“前瞻性CT”。智能掘進(jìn)系統(tǒng)通過數(shù)千個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)駕駛”。操作人員無需時(shí)刻緊張操控，只需扮演“監(jiān)督員”的角色，極大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　中鐵十四局的“天佑號(hào)”盾構(gòu)機(jī)，更是實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能管控。設(shè)備狀況、地下工況等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步至千公里外的南京指揮中心，專家24小時(shí)提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持。通過BIM+GIS技術(shù)、三維可視化監(jiān)控和盾構(gòu)云平臺(tái)，施工全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，應(yīng)急指揮和智能控制水平大幅提升。

　　“以前修隧道靠經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在靠數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)功效比傳統(tǒng)施工方法提高8到10倍?！壁w斌介紹，全預(yù)制拼裝技術(shù)的應(yīng)用更讓盾構(gòu)機(jī)的施工效率倍增，隧道管片、軌下箱涵等構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)像搭樂高積木一樣拼裝，僅軌下結(jié)構(gòu)施工就節(jié)省近6個(gè)月工期，為京張高鐵提前鋪軌奠定了基礎(chǔ)。

　　以前盾構(gòu)施工中，廢漿處理是老大難問題。盾構(gòu)機(jī)每天“吃”進(jìn)大量巖土，排出的廢漿若處理不當(dāng)，會(huì)成為環(huán)保隱患。中鐵十四局研發(fā)的泥漿綠色處理技術(shù)，徹底改變了這一現(xiàn)狀。他們通過篩分、旋流、壓濾、離心等多道工藝，搭配專用藥劑，成功分離廢漿中的超細(xì)泥土顆粒。處理后的清水循環(huán)使用，分離出的渣土可用于制磚或路基回填。

　　在清華園隧道建設(shè)中，這套系統(tǒng)最高日處理廢漿5000立方米，累計(jì)處理130萬(wàn)立方米廢漿，實(shí)現(xiàn)了“零排放、零污染”的環(huán)保目標(biāo)。

　　“以前施工周邊污染大，居民投訴多，現(xiàn)在就算在城市核心區(qū)施工，也不會(huì)影響周邊環(huán)境。”趙斌說，這一技術(shù)不僅解決了施工環(huán)保難題，更降低了工程成本，為城市地下工程的綠色發(fā)展提供了“中國(guó)方案”。

　　全球之路：從單兵突進(jìn)到集團(tuán)作戰(zhàn)

　　從南京長(zhǎng)江隧道的初探，到清華園隧道的智能管控，從珠江口海底隧道的深水壓挑戰(zhàn)，到北京東六環(huán)改造工程的超大直徑應(yīng)用，中國(guó)盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從單兵突進(jìn)到集團(tuán)作戰(zhàn)的技術(shù)躍遷，實(shí)現(xiàn)了從依賴進(jìn)口到自主研發(fā)的華麗轉(zhuǎn)身。

　　中國(guó)盾構(gòu)機(jī)直徑也實(shí)現(xiàn)了從6米級(jí)跨越至16米級(jí)，國(guó)產(chǎn)核心部件占比從0突破至98%，基本擺脫了對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴。智能化工具從輔助升級(jí)為核心驅(qū)動(dòng)力，讓盾構(gòu)機(jī)更高效、精準(zhǔn)、安全。

　　據(jù)介紹，“京華號(hào)”作為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)16米級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)，入選國(guó)家“十三五”科技創(chuàng)新成就展，成為中國(guó)智造的代表?！吧罱惶?hào)”“江海號(hào)”等一批高性能盾構(gòu)機(jī)，不斷刷新著國(guó)產(chǎn)裝備的技術(shù)高度。

　　而今，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)不僅滿足國(guó)內(nèi)需求，更走向全球市場(chǎng)。鐵建重工的盾構(gòu)產(chǎn)品已出口到意大利、新加坡等五大洲五十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)重要地位。

　　“以前我們引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，現(xiàn)在國(guó)外紛紛來學(xué)習(xí)我們的標(biāo)準(zhǔn)。”熊晨君的話語(yǔ)中充滿自信。這份自信，源自龐大的技術(shù)團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)學(xué)研用的深度融合，更源自無數(shù)工程師的日夜攻關(guān)。

　　中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)工學(xué)部主任楊華勇告訴中國(guó)工業(yè)報(bào)記者，大型穿江越海隧道是我國(guó)基建領(lǐng)域重大工程，超大直徑盾構(gòu)機(jī)是保證工程建設(shè)的關(guān)鍵決定性裝備，處于全球地下工程裝備產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈制高點(diǎn)，是我國(guó)高端裝備技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。

　　“中鐵十四局研發(fā)的大直徑盾構(gòu)穿越城市核心區(qū)關(guān)鍵技術(shù)，正是破解系列難題的集大成之作?！敝袊?guó)工程院院士何川對(duì)中國(guó)工業(yè)報(bào)記者表示，該技術(shù)體系已經(jīng)在京張高鐵清華園隧道、深江鐵路珠江口海底隧道等項(xiàng)目施工中得到了充分驗(yàn)證。相關(guān)實(shí)踐成果在安全、效率、環(huán)保等方面展現(xiàn)了獨(dú)創(chuàng)性，取得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

　　目前，全球盾構(gòu)機(jī)市場(chǎng)正形成以中國(guó)、德國(guó)、日本企業(yè)為主的“三極競(jìng)爭(zhēng)”新格局。中研普華產(chǎn)業(yè)研究院《2025-2030年中國(guó)盾構(gòu)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研分析報(bào)告》及行業(yè)公開數(shù)據(jù)顯示，這一競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)在技術(shù)路徑、市場(chǎng)定位與產(chǎn)業(yè)鏈布局上呈現(xiàn)顯著分化：中國(guó)企業(yè)憑借“成本優(yōu)勢(shì)+快速響應(yīng)”策略占據(jù)全球中高端市場(chǎng)70%份額；德國(guó)企業(yè)以“技術(shù)壟斷+全生命周期服務(wù)”構(gòu)建高端市場(chǎng)“護(hù)城河”；日本企業(yè)則聚焦“高精度+定制化”路線，在微型盾構(gòu)機(jī)和特殊地質(zhì)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　站在新的發(fā)展起點(diǎn)，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)正朝著更智能、更綠色的方向邁進(jìn)，推動(dòng)盾構(gòu)作業(yè)從少人化作業(yè)向無人化發(fā)展。從依賴進(jìn)口到自主領(lǐng)跑，從保障國(guó)內(nèi)基建到服務(wù)全球大基建，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)用三十年時(shí)間完成了歷史性跨越。

　　這條“地下鋼鐵巨龍”的征程，沒有終點(diǎn)。在城市地下空間開發(fā)的浪潮中，在穿江越海的超級(jí)工程里，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)將繼續(xù)以技術(shù)創(chuàng)新為翼，以工匠精神為魂，書寫更多“中國(guó)智造”的傳奇，為全球地下工程貢獻(xiàn)中國(guó)設(shè)計(jì)、中國(guó)制造、中國(guó)質(zhì)量。（記者 馬艷）

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)工業(yè)報(bào)

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