日前，國內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在中國中鐵裝備集團(tuán)國家TBM產(chǎn)業(yè)化中心下線，盾構(gòu)機(jī)直徑為12.14米，為目前國內(nèi)最大，將用于太原鐵路樞紐西南環(huán)線項(xiàng)目。該設(shè)備的問世，打破了我國超大直徑盾構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)長期依賴進(jìn)口、核心技術(shù)受制于國外制造商的不利局面，對滿足未來城市交通路網(wǎng)發(fā)展建設(shè)有著重要意義。

原理好懂技術(shù)難

簡單說，如果需要挖一條能跑火車那樣大車型的隧道，盾構(gòu)機(jī)就出場了。視覺上最直觀看見的是一個(gè)跟隧道橫截面大致相同的鋼筒或者框架，這個(gè)圓筒形的外殼里面長長的一條就是各種作業(yè)機(jī)械。從橫截面看，它像一個(gè)盾牌，所以叫“盾構(gòu)機(jī)”。但是，從這種設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)看，人們更愿意叫它“地下蛟龍”。這條“龍”的龍嘴就是最前端的切削刀盤，把地下這些泥沙石頭吃進(jìn)“嘴”里以后，通過“龍肚子”里的各種“消化器官”，把這些高濃度泥水里的泥沙分離，沙子排出去，剩下的泥漿輸送回開挖面提供壓力，否則這個(gè)開挖面就不穩(wěn)定，容易坍塌。如此挖掘、排土、推進(jìn)，隧道就完成了。

雖然泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理。聽起來容易，但是外行也能猜出來，這里頭處處是難點(diǎn)。首先，在地下打洞不比在地上施工，會(huì)遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件、水文條件。

另外，除了如何確保開挖面的穩(wěn)定，不能挖著挖著塌了之外，還有刀具的使用壽命、盾構(gòu)機(jī)的有效密封、密封條件下的刀具更換等問題?？傊?，這是一種集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)等各尖端技術(shù)于一身的高精尖設(shè)備。所以以前，很多有盾構(gòu)機(jī)需求的國家都會(huì)從德國或者日本進(jìn)口，造價(jià)動(dòng)輒幾億元人民幣一臺(tái)。

浙江大學(xué)機(jī)械學(xué)院院長、工程院院士楊華勇說：“長期以來，大型盾構(gòu)成套設(shè)備都被發(fā)達(dá)國家壟斷，現(xiàn)在中國有了這個(gè)能力，在五、六個(gè)方面，比如常壓換刀刀盤技術(shù)、刀盤刀具的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)、地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)等方面都進(jìn)行了創(chuàng)新和探索，所以這臺(tái)盾構(gòu)不僅填補(bǔ)了技術(shù)和裝備技術(shù)的空白，而且在局部的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了引領(lǐng)。”

接受挑戰(zhàn)勇創(chuàng)新

2010年7月28日，聲勢浩大的太原鐵路樞紐西南環(huán)線有限責(zé)任公司創(chuàng)立大會(huì)召開，標(biāo)志著由太原市和原國家鐵道部共同建設(shè)和運(yùn)營的太原鐵路樞紐西南環(huán)線工作進(jìn)入了正式實(shí)施階段。

2016新年前后，太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程進(jìn)場開工，本次工程將采用土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行隧道挖掘，該技術(shù)在山西屬首次使用。與此同時(shí)，中鐵工程裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院的研發(fā)人員接到一個(gè)前所未有的任務(wù)——為太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)一臺(tái)超大直徑盾構(gòu)機(jī)，這令他們緊張又興奮。

“以前我們生產(chǎn)的主流盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品，刀盤直徑多在6米左右。”中國中鐵裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院結(jié)構(gòu)所所長袁文征說，相對而言，研發(fā)這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)無疑是對大家的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

自2008年成功研制出第一臺(tái)國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)起，中國中鐵裝備集團(tuán)的盾構(gòu)機(jī)研發(fā)之路已經(jīng)走過8個(gè)年頭，多達(dá)300余臺(tái)不同直徑、樣式的盾構(gòu)機(jī)，從中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)總裝車間生產(chǎn)線上誕生，并在各類地鐵隧道、供水項(xiàng)目、電力管道等工程項(xiàng)目上大放異彩。產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新積累，中鐵工程裝備集團(tuán)逐步走向成熟、壯大，成為國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)市場的引領(lǐng)者。

袁文征告訴筆者，太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程項(xiàng)目，斷面較大、隧道推進(jìn)距離長(4850米)，如果仍然按照常規(guī)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)模式，那么勢必會(huì)加大隧道設(shè)計(jì)的研發(fā)投入，且耗時(shí)費(fèi)力。

在做中學(xué)。經(jīng)過這些年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，中國中鐵裝備集團(tuán)的創(chuàng)新能力和技術(shù)水平均已達(dá)到一定水準(zhǔn)，“直徑12米到15米的盾構(gòu)機(jī)，我們都能夠研制。”袁文征說，得知將要參與超大直徑盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)研究總院的工程師們自信滿滿、躍躍欲試。

打破壟斷贏市場

新盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)要求開挖直徑大，于是便帶來了刀具磨損速率加快、開挖艙內(nèi)碴土改良難度加大等諸多設(shè)計(jì)難題。此外，盾構(gòu)應(yīng)用的隧道位于太原市城郊結(jié)合區(qū)域，上方建筑物較多，盾構(gòu)機(jī)還將穿越地下長達(dá)2公里的卵石層，卵石粒徑甚至達(dá)到了60厘米，如此大直徑盾構(gòu)隧道穿越長距離復(fù)雜地層也是全國首例，這對盾構(gòu)機(jī)刀具耐磨性提出了挑戰(zhàn)。

問題的難度陡然上升，但這些都被盾構(gòu)研發(fā)小組一一破解。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次討論，最終將問題的關(guān)鍵所在放到了對盾構(gòu)刀盤的針對性設(shè)計(jì)上，他們在盾構(gòu)刀盤上安裝了可拆卸格柵及擋板，使之既適應(yīng)全斷面泥巖、粘土掘進(jìn)，也適應(yīng)大粒徑卵石地層掘進(jìn);同時(shí)在刀盤布置直徑達(dá)到17寸刀體19寸刀圈盤型滾刀，提高了滾刀的耐磨性和抗沖擊性，以應(yīng)對密實(shí)卵石及瓢石地層。

為了保證盾構(gòu)機(jī)的安全高效，設(shè)計(jì)人員還為盾構(gòu)機(jī)配置了雙艙并聯(lián)人倉，設(shè)計(jì)有成熟的全氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，此套系統(tǒng)為全氣控裝置，在網(wǎng)電斷電時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作，確保帶壓換刀時(shí)艙內(nèi)人員安全。

憑著敢于創(chuàng)新的精神、勇于探索的勇氣，盾構(gòu)機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)們邁過一道道坎，漸漸看到前方熹微的曙光。而最讓研發(fā)負(fù)責(zé)人袁文征欣慰的，是整個(gè)團(tuán)隊(duì)高度的責(zé)任心和融洽的凝聚力。“自9月開始進(jìn)入組裝工序以來，大家晝夜工作，很多人國慶節(jié)期間都還待在單位加班加點(diǎn)。”袁文征說，沒有團(tuán)隊(duì)的辛勤付出，就沒有如今呈現(xiàn)在世人面前的完美的國內(nèi)最大直徑的盾構(gòu)機(jī)。

當(dāng)初，為了建秦嶺隧道，中國整整花了3.5億從德國進(jìn)口一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。今天看來，這簡直是天文數(shù)字。即便如此，當(dāng)時(shí)的服務(wù)還跟不上。譚順輝說，一旦出現(xiàn)小病小災(zāi)，他們就會(huì)抓狂。一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)停工，每天都會(huì)帶來近百萬元的損失?？墒峭鈬鴮＜覈?yán)守8小時(shí)工作制，甚至從走出家門那一刻便開始計(jì)算費(fèi)用，一個(gè)小時(shí)的工資就達(dá)到600到800歐元。

如今，中國盾構(gòu)機(jī)取得了令世界同行都為之欽佩的成績。中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司黨委書記、董事長譚順輝就曾對筆者說起過，由于制造難度太大，之前在全球范圍，盾構(gòu)機(jī)這個(gè)領(lǐng)域，我們沒一點(diǎn)話語權(quán)，“他說多少錢就是多少錢，你要進(jìn)行任何一個(gè)變更，都得先把價(jià)錢加上來再談，他那種傲慢是讓你最不接受的。這種傲慢不是性格上的，而是他站在技術(shù)最高點(diǎn)，眼睛往下看你的那種傲慢，很難受。”

通過不斷努力，今天，我國已全面掌握盾構(gòu)機(jī)的核心制造技術(shù)，徹底擺脫了盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)被國外壟斷的局面。中鐵股份有限公司副總裁、總工程師劉輝透露，我國已啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)，中國盾構(gòu)機(jī)正朝著智能化方向邁進(jìn)，“所謂智能化就是將傳感技術(shù)和檢測技術(shù)加入其中，包括人工操作向智能化操作轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和信息化的集成，以達(dá)到盾構(gòu)的智能化。未來的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在不同的地質(zhì)條件下會(huì)最大限度的避開地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，中國盾構(gòu)機(jī)發(fā)展的終極目標(biāo)是‘掘進(jìn)機(jī)器人’。目前，已經(jīng)在做這方面的規(guī)劃，中鐵裝備已在開展掘進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)和試驗(yàn)。

如今，楊華勇樂觀地預(yù)期，很快，有著中國基因的超大直徑盾構(gòu)機(jī)將追隨“家族”成員的步伐，大步走向世界，“比如，上海崇明島迎來大規(guī)模開發(fā)，會(huì)需要這種超大盾構(gòu)機(jī)，還有未來的中心城市和跨海的隧道都需要，所以中國除了中小盾構(gòu)批量出口之外，未來‘一帶一路’一定會(huì)把這樣的技術(shù)和裝備能力批量出口，走向國際市場，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)非常顯著。”

沒有最驚喜，只有更驚喜。楊華勇表示，接下來即將閃亮登場的將是一位更加碩壯的俠士，“它直徑將達(dá)到18米，單臺(tái)的價(jià)格在3-4億，而且有些隧道的施工需求量不是一臺(tái)，7-8臺(tái)，甚至10臺(tái)。常規(guī)6米直徑的單價(jià)在3000萬-4000萬左右。所以從單臺(tái)看，這種超大盾構(gòu)機(jī)一臺(tái)的價(jià)格就是4-6臺(tái)普通盾構(gòu)機(jī)的價(jià)格。因此，經(jīng)濟(jì)性毋庸質(zhì)疑。”

僅就正在發(fā)展的中國來說，鐵路、公路、水利、城市地鐵、海底隧道等大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，對盾構(gòu)機(jī)的需求占到了全球6成以上。

國家標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)發(fā)展

截至目前，我國累計(jì)生產(chǎn)制造隧道掘進(jìn)機(jī)突破1500臺(tái)，妥妥成了隧道掘進(jìn)機(jī)制造大國。昨天下線的這臺(tái)超大直徑盾構(gòu)也將應(yīng)用于6.8公里長、雙向六車道的汕頭海灣隧道項(xiàng)目。但遺憾的是，隧道掘進(jìn)機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)一直缺位。

因此，日前，隧道掘進(jìn)機(jī)系列國家標(biāo)準(zhǔn)新聞發(fā)布會(huì)在中鐵裝備國家TBM產(chǎn)業(yè)化中心舉行。我國首次發(fā)布五項(xiàng)隧道掘進(jìn)機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范隧道掘進(jìn)機(jī)術(shù)語、商業(yè)規(guī)格以及設(shè)計(jì)制造技術(shù)要求。

這一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將有助于在國家“一帶一路”倡議下，帶動(dòng)中國隧道掘進(jìn)機(jī)等重大裝備走出去，助推隧道掘進(jìn)機(jī)系列國家標(biāo)準(zhǔn)邁向國際標(biāo)準(zhǔn)更大的舞臺(tái)。同時(shí)也標(biāo)志著中國盾構(gòu)機(jī)在世界領(lǐng)域?qū)⒂筛S者向引領(lǐng)者轉(zhuǎn)變，中國從掘進(jìn)機(jī)制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。