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盾構(gòu)機是專門用于隧道掘進的工程機械，是名副其實的大國重器。中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度，自主研發(fā)不同型號的盾構(gòu)機，實現(xiàn)了我國盾構(gòu)機從無到有、從進口到出口、從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
直徑達14.02米，紅藍相間的圓形刀盤上，數(shù)百個白色刀頭組成一道道美麗的弧線。
1月18日，在上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡線工程中，國產(chǎn)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機“建勛號”向前鉆進，猶如一條鋼鐵巨龍。
“刀頭由硬度極高的合金組成，是‘鐵齒銅牙’，既能吃軟土，也能啃硬巖。”鐵建重工掘進機研究設計院泥水盾構(gòu)研究所副所長范瑞強說：“光是刀頭相關(guān)技術(shù)，就凝聚著企業(yè)多年來的科技創(chuàng)新成果。”
鐵建重工是中國鐵建股份有限公司在工業(yè)制造板塊的核心企業(yè)。近年來，中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度。“十三五”期間，中國鐵建獲得國家科學技術(shù)獎17項，新增授權(quán)專利14389件，新增國家級創(chuàng)新平臺4個，新增主持國家科研項目8項、課題26個。
因地制宜研發(fā)
量身定做產(chǎn)品
盾構(gòu)機是專門用于隧道掘進的工程機械，在重大基礎設施建設領(lǐng)域應用廣泛，是名副其實的大國重器。因為擁有穿山打洞的超強能力，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽。
如此重器，如何工作？盾構(gòu)機在前進時，用刀頭將泥土、巖石碾碎，“吃”進肚子里，再通過專門的管道運送至機身后方排出。與此同時，通過注漿和管片砌襯，為挖好的隧道、地道加固定型，形成永久性結(jié)構(gòu)。“盾”與“構(gòu)”分步進行，一條龍作業(yè)。
“一臺大型盾構(gòu)機，重量超過3000噸，零部件超過3萬個，涉及電氣、光學、力學、土木、機械等眾多學科，制造工藝復雜。”范瑞強說。
不同工程項目面臨的地質(zhì)條件、隧道規(guī)模大小和施工環(huán)境千差萬別，對設備選型要求各異，所以盾構(gòu)機不能批量化生產(chǎn)，需要因地制宜研發(fā)、量身定做產(chǎn)品。這也意味著，每一臺盾構(gòu)機都“個性十足”。
“建勛號”主要用于上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡線工程。聯(lián)絡線沿線穿越軌道交通、市政公路、橋梁等重要建筑物，對地表沉降控制精度和環(huán)境保護要求較高。研發(fā)團隊在設計管片砌襯技術(shù)時，對隧道底部的大弧形塊，首次采用整體預制拼裝工藝施工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)箱涵兩側(cè)現(xiàn)澆的工法，提高隧道整體施工速度，確保隧道成型質(zhì)量。
2017年7月，5臺國產(chǎn)盾構(gòu)機第一次走向歐洲。面對超低溫施工環(huán)境，鐵建重工開發(fā)了可耐零下30攝氏度低溫的主驅(qū)動，增加液壓泵站、變頻器等輔助加熱系統(tǒng)。“工業(yè)產(chǎn)品設計通?？紤]的是散熱，但這一次我們給盾構(gòu)機增加加熱裝置和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，讓冷熱兩套系統(tǒng)完美兼容。”這5臺盾構(gòu)機的總設計師孫雪豐說，團隊反復推導計算和熱力學仿真，畫了800多張系統(tǒng)原理圖和結(jié)構(gòu)圖紙，最終確保油箱內(nèi)液壓油合理升溫，又沒有影響液壓油的使用性能。
經(jīng)過多年努力，針對“超惡劣自然環(huán)境、超風險地質(zhì)條件、超常規(guī)長大隧道”等不同類別的施工場景，鐵建重工研制出一個個“身懷絕技”的國之重器，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
搭建科創(chuàng)平臺
攻克核心技術(shù)
伴著機器轟鳴聲，在北京東六環(huán)改造工程建設中，由鐵建重工研制的“京華號”正在開展地下穿越之旅。這臺我國迄今研制的最大直徑盾構(gòu)機，開挖直徑達16米級，整機長150米，總重量4300噸。它的刀盤上，有近400個硬質(zhì)合金的刀頭，硬度媲美金剛石。
但再堅硬的刀頭也會被磨損。鐵建重工掘進機研究設計院副院長暨智勇介紹，盾構(gòu)機作業(yè)的地方往往在地下幾十米。過去只能采取帶壓換刀的方式，即由專業(yè)的施工人員到刀盤背部，手動更換一個個刀頭。帶壓的感覺，就像在深海潛水，人體內(nèi)部需要承受相應的壓力，具有一定的危險系數(shù)。因此，為了保證施工人員安全，必須在帶壓換刀開展前準備充足，構(gòu)建好穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。“也就是說，以前盾構(gòu)機每往前掘進200米，就需要‘修整’一周。”暨智勇說，為此，鐵建重工和中南大學等高校合作，搭建了基礎技術(shù)和應用研究試驗平臺這一省級科技創(chuàng)新平臺，研發(fā)出常壓換刀技術(shù)，大幅提高了換刀效率。“如今，工作人員鉆進刀盤后方的箱體，將刀頭抽回箱體，泄壓后直接更換，換刀只需要四五十分鐘。”暨智勇說。
“過去刀盤刀具長期依賴進口，不僅價格昂貴，交貨時間也不可控?，F(xiàn)在，我們在試驗平臺上不斷測試性能和數(shù)據(jù)，設計出適合不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)機刀具，實現(xiàn)了‘卡脖子’技術(shù)的突破。”鐵建重工科技發(fā)展研究院院長廖金軍說，目前，包括極硬巖滾刀在內(nèi)的各品類盾構(gòu)刀具，已能做到完全國產(chǎn)化。
中國鐵建不斷加強科技創(chuàng)新平臺建設。目前全系統(tǒng)擁有國家級科技創(chuàng)新平臺23個、省部級科技創(chuàng)新平臺122個。“十三五”期間，鐵建重工面向國家戰(zhàn)略、重大工程、通用市場需求，承擔和參與國家級科技項目30余項，聚焦攻克關(guān)鍵核心技術(shù)過百項，實現(xiàn)“卡脖子”技術(shù)的創(chuàng)新突破和部分領(lǐng)跑。
從跟跑到領(lǐng)跑
從配角到主角
巨大的圓形刀盤上，一只懷抱嫩竹的大熊貓占據(jù)“C位”……這是被網(wǎng)友稱為“最萌大國重器”的“錦繡號”盾構(gòu)機，也是一臺國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)機，正在參與成（都）自（貢）高鐵錦繡隧道建設。其最大的特點，在于高承壓能力。
原來，錦繡隧道“深淺不一”，最小覆土厚度不足8米，而最大埋深則達到60米。為了應對覆土淺和沿線地面多建構(gòu)物的復雜情況，研發(fā)團隊為盾構(gòu)機增設23個超前注漿孔、28個徑向注入口，可預先對周圍土體注漿加固，徑向注入支撐介質(zhì)，有效控制地面沉降，確保地面建筑不受影響。
“面對極高的水土壓力，‘錦繡號’采用了具有高承壓能力的聚氨酯密封技術(shù)，可承受10巴水土壓力，相當于用一個雞蛋支撐5個成年人的重量。”鐵建重工掘進機研究設計院土壓盾構(gòu)研究所工程師鐘晴說。
同時，“錦繡號”是我國迄今研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機，進一步鞏固了國產(chǎn)隧道掘進技術(shù)裝備的自主可控能力。
時間倒回10多年前，盾構(gòu)機技術(shù)長期被國外壟斷，“洋品牌”盾構(gòu)機幾乎占據(jù)了國內(nèi)市場，價格高昂。2010年，鐵建重工研制出國產(chǎn)首臺復合式土壓平衡盾構(gòu)機，設備國產(chǎn)化率達到87%。這一重大突破，讓均價1.5億元的洋盾構(gòu)被迫降價30%。
經(jīng)過10多年發(fā)展，國產(chǎn)品牌盾構(gòu)機在國內(nèi)市場占有率達90%以上。以鐵建重工為代表的國內(nèi)地下工程裝備企業(yè)，技術(shù)從跟跑到部分領(lǐng)跑，市場份額從配角到主角。
不過，創(chuàng)新過程中仍有一些需要攻克的問題。鐵建重工黨委書記、董事長劉飛香介紹，產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈中的每一環(huán)都至關(guān)重要，只有供應鏈穩(wěn)定才能保證生產(chǎn)、確保供應。
“我們的首要任務，仍是把產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新進行到底，堅持差異化、高端化的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品戰(zhàn)略。”劉飛香說，產(chǎn)品開發(fā)上，國內(nèi)企業(yè)要進一步完善產(chǎn)品型譜，滿足細分領(lǐng)域不同場景的施工需求；要加強行業(yè)共性技術(shù)研究，積極參與國際標準制定修訂，在關(guān)鍵領(lǐng)域形成以自主知識產(chǎn)權(quán)為主導的技術(shù)標準體系。
