精確遁地智能穿江 中國盾構(gòu)機書寫大國傳奇

　　大臉盤，長滿鐵齒鋼牙，專門“啃”硬巖、“吞”沙土；身披鋼鐵盔甲，外可擋壓力防坍塌，內(nèi)可由螺旋輸送機將渣土運出。盾構(gòu)機每掘進一段距離，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。

　　盾構(gòu)機，被譽為“工程機械之王”，是挖掘地下空間、暢通路途的最佳幫手。我國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”盾構(gòu)裝備工程專場上，國之重器“京華號”的傳奇故事再次被講述。與它一同亮相的，還有中國盾構(gòu)機從技術(shù)追趕到全面領(lǐng)跑的奮斗軌跡。

　　2020年9月27日，一場特殊的“下線儀式”在車間里舉行——當(dāng)紅色幕布緩緩落下，國產(chǎn)首臺16米級超大直徑盾構(gòu)機“京華號”露出真容，這艘“地下航母”全長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)動等核心部件暗藏其間。

　　時隔八個月的2021年5月，“京華號”在北京東六環(huán)改造工程開啟征途。刀盤轟鳴著啃下堅硬巖層，泥漿環(huán)流系統(tǒng)有序輸送渣土，中鐵十四局集團有限公司（以下簡稱“中鐵十四局”）項目團隊圍繞這臺“巨無霸”展開一場場技術(shù)攻堅。當(dāng)它連續(xù)掘進近7.4公里實現(xiàn)貫通時，這條“地下鋼鐵巨龍”完美演繹了我國盾構(gòu)機從“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“國之重器”

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

　　“當(dāng)時買兩臺二手德國盾構(gòu)機，花了整整七億元人民幣。”中國鐵建重工掘進機研究院副院長熊晨君的話語中，仍帶著當(dāng)年的無奈。

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

　　這種“卡脖子”的困境，成為中國工程師自主研發(fā)的最強動力。

　　2002年10月，中鐵隧道集團聯(lián)合中國科學(xué)院、清華大學(xué)等20余家科研機構(gòu)，組成了科研攻堅隊伍。歷時6年，他們成功攻克了復(fù)合式刀盤設(shè)計、主軸承國產(chǎn)化等30余項核心技術(shù)。

　　2008年4月，國產(chǎn)首臺復(fù)合式、直徑6.3米的“中國中鐵1號”盾構(gòu)機在河南新鄉(xiāng)下線，標(biāo)志著“洋盾構(gòu)”時代的終結(jié)。

　　2010年，中國鐵建重工集團股份有限公（以下簡稱“鐵建重工”）為長沙地鐵量身定制的第一臺盾構(gòu)機“開路先鋒19號”成功下線。這臺凝聚著國產(chǎn)力量的裝備一經(jīng)投入使用，便迫使壟斷市場的“洋盾構(gòu)”降價30%，一舉打破了國外品牌的價格壁壘。

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

　　盾構(gòu)機的主軸承被譽為“心臟”，要承受成千上萬噸的重量，在復(fù)雜地層中連續(xù)工作上萬小時。為了打造這顆強勁的“中國心”，鐵建重工的研發(fā)團隊在設(shè)計、材料、制造、測試四大領(lǐng)域同步發(fā)力。他們自主開發(fā)設(shè)計軟件，研制特級優(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米級超大盾構(gòu)機的需求。經(jīng)院士專家團隊認(rèn)證，其性能在國際上處于優(yōu)勢地位，部分參數(shù)更是實現(xiàn)領(lǐng)先。

　　2008年，在長江之畔的南京長江隧道建設(shè)現(xiàn)場，中鐵十四局的“高壓進倉第一人”趙斌見證了技術(shù)迭代的生死時速。當(dāng)年，隧道埋深60米的江底，盾構(gòu)機刀盤出現(xiàn)故障，需在6公斤大氣壓的高壓環(huán)境下進倉維修。當(dāng)時，國內(nèi)尚無此技術(shù)能力，不得不請國外潛水公司，但“進一次倉要6萬歐元”。

　　為了不受制于人，中鐵十四局決定培養(yǎng)自己的隊伍。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)練時有人耳膜壓穿、鼻子流血。在倉內(nèi)高壓環(huán)境下，氮氣麻醉會讓人失去知覺，就算受傷也毫無感覺，掌子面失穩(wěn)更是連逃生時間都沒有?！边@段經(jīng)歷，讓趙斌對技術(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，單把刀具更換時間從5-8小時縮短至1-2小時，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號線運行軌道。”當(dāng)復(fù)興號列車平穩(wěn)駛過京張高鐵清華園隧道時，很少有人知道當(dāng)時那場“地下穿越”的難度堪比“在跳動的心臟上做顯微手術(shù)”。

　　中鐵十四局大盾構(gòu)公司盾構(gòu)掘進管理中心副主任趙斌告訴中國工業(yè)報記者，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號線僅隔3米。最關(guān)鍵的是，隧道要從日均客流超200萬的地鐵10號線正下方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。

　　趙斌介紹，面對如此復(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，團隊像醫(yī)生“望聞問切”般開展綜合評估，探究地層擾動機理，構(gòu)建數(shù)字孿生模型和等比例試驗臺，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”盾構(gòu)機搭載數(shù)千個傳感器，實時監(jiān)測地質(zhì)變化，通過智能算法自動調(diào)整掘進參數(shù)，實現(xiàn)毫秒級參數(shù)優(yōu)化。針對北京地下復(fù)雜的卵石層，團隊還創(chuàng)新泥漿環(huán)流系統(tǒng)，揭示卵石運動軌跡和磨損規(guī)律，讓管路壽命延長3倍以上。

　　2018年3月15日凌晨，這場穿越迎來最驚險的時刻。凌晨3點20分，盾構(gòu)機掘進至地鐵10號線正下方時，突然傳來刺耳異響。

　　“停機！設(shè)備空轉(zhuǎn)！”當(dāng)時的施工團隊當(dāng)機立斷。

　　經(jīng)過緊急排查，施工團隊推測可能是10號線建設(shè)存在遺留的廢棄水泵。此時距離地鐵早班車發(fā)車僅剩不到3小時，停工處理時間不足，強行推進可能損壞刀盤。

　　關(guān)鍵時刻，團隊決定慢速推進并啟動應(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)時發(fā)車。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，軌道沉降牢牢控制在1毫米內(nèi)，這場極限穿越完美收官。

　　如今，在城市地下施工的盾構(gòu)機，已能實現(xiàn)對地面“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?！壁w斌介紹，盾構(gòu)機24小時不間斷作業(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。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)機從“笨重機械”變身“智慧機器人”。

　　鐵建重工為盾構(gòu)機裝上了“透視眼”和“智慧腦”。超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)能提前50米探明溶洞、孤石等隱患，就像給盾構(gòu)機做“前瞻性CT”。智能掘進系統(tǒng)通過數(shù)千個傳感器收集數(shù)據(jù)，自動調(diào)整掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實現(xiàn)“自動駕駛”。操作人員無需時刻緊張操控，只需扮演“監(jiān)督員”的角色，極大降低了勞動強度。

　　中鐵十四局的“天佑號”盾構(gòu)機，更是實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能管控。設(shè)備狀況、地下工況等數(shù)據(jù)實時同步至千公里外的南京指揮中心，專家24小時提供遠(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，施工全過程實現(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，現(xiàn)在靠數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機功效比傳統(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)機每天“吃”進大量巖土，排出的廢漿若處理不當(dāng)，會成為環(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，累計處理130萬立方米廢漿，實現(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“中國方案”。

　　全球之路：從單兵突進到集團作戰(zhàn)

　　從南京長江隧道的初探，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，中國盾構(gòu)實現(xiàn)了從單兵突進到集團作戰(zhàn)的技術(shù)躍遷，實現(xiàn)了從依賴進口到自主研發(fā)的華麗轉(zhuǎn)身。

　　中國盾構(gòu)機直徑也實現(xiàn)了從6米級跨越至16米級，國產(chǎn)核心部件占比從0突破至98%，基本擺脫了對國外技術(shù)的依賴。智能化工具從輔助升級為核心驅(qū)動力，讓盾構(gòu)機更高效、精準(zhǔn)、安全。

　　據(jù)介紹，“京華號”作為國產(chǎn)首臺16米級超大直徑盾構(gòu)機，入選國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展，成為中國智造的代表?！吧罱惶枴薄敖Ｌ枴钡纫慌咝阅芏軜?gòu)機，不斷刷新著國產(chǎn)裝備的技術(shù)高度。

　　而今，中國盾構(gòu)機不僅滿足國內(nèi)需求，更走向全球市場。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國家和地區(qū)，在國際市場上占據(jù)重要地位。

　　“以前我們引進國外技術(shù)，現(xiàn)在國外紛紛來學(xué)習(xí)我們的標(biāo)準(zhǔn)。”熊晨君的話語中充滿自信。這份自信，源自龐大的技術(shù)團隊、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)。

　　中國工程院院士、浙江大學(xué)工學(xué)部主任楊華勇告訴中國工業(yè)報記者，大型穿江越海隧道是我國基建領(lǐng)域重大工程，超大直徑盾構(gòu)機是保證工程建設(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、價值鏈制高點，是我國高端裝備技術(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こ淘涸菏亢未▽χ袊I(yè)報記者表示，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目施工中得到了充分驗證。相關(guān)實踐成果在安全、效率、環(huán)保等方面展現(xiàn)了獨創(chuàng)性，取得顯著的社會經(jīng)濟效益。

　　目前，全球盾構(gòu)機市場正形成以中國、德國、日本企業(yè)為主的“三極競爭”新格局。中研普華產(chǎn)業(yè)研究院《2025-2030年中國盾構(gòu)機行業(yè)市場調(diào)研分析報告》及行業(yè)公開數(shù)據(jù)顯示，這一競爭態(tài)勢在技術(shù)路徑、市場定位與產(chǎn)業(yè)鏈布局上呈現(xiàn)顯著分化：中國企業(yè)憑借“成本優(yōu)勢+快速響應(yīng)”策略占據(jù)全球中高端市場70%份額；德國企業(yè)以“技術(shù)壟斷+全生命周期服務(wù)”構(gòu)建高端市場“護城河”；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，中國盾構(gòu)機正朝著更智能、更綠色的方向邁進，推動盾構(gòu)作業(yè)從少人化作業(yè)向無人化發(fā)展。從依賴進口到自主領(lǐng)跑，從保障國內(nèi)基建到服務(wù)全球大基建，中國盾構(gòu)機用三十年時間完成了歷史性跨越。

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

　　轉(zhuǎn)自：中國工業(yè)報

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