出發(fā)！4月29日，我國自主研發(fā)的“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機(jī)，開啟滬渝蓉高鐵崇太長江隧道掘進(jìn)之旅。

這條隧道正線長14.25千米，其中11.325千米需由盾構(gòu)機(jī)在長江底獨(dú)頭掘進(jìn)，是全球獨(dú)頭掘進(jìn)距離最長的過江隧道；開挖直徑達(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，是長江流域開挖最深、水土壓最大的隧道……施工難度如此之大，“領(lǐng)航號”身負(fù)重任。

誰能想象？20多年前，我們還沒有自己的盾構(gòu)機(jī)；如今，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)已占全球市場近七成。

自零起步，從追趕到并跑，再到部分領(lǐng)域領(lǐng)跑，國產(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。

從無到有，造自己的盾構(gòu)機(jī)

“有人說我們是異想天開”

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”。

秦嶺隧道是我國第一個使用盾構(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18.46千米，最大埋深1600米，兩端落差155米。

評審專家判斷，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，從國外采購兩臺機(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。”中國工程院院士孫永福說。

機(jī)器開動，鏗鏘突進(jìn)。無爆破、無振動、無粉塵快速掘進(jìn)，施工效率提高3至5倍。

然而，機(jī)器維修時長按分鐘計(jì)算，費(fèi)用高昂；保養(yǎng)時中方不能參與，進(jìn)度無法控制……關(guān)鍵技術(shù)受制于人，就沒有話語權(quán)。2000年初，中國中鐵決定：造中國人自己的盾構(gòu)機(jī)。

“有人說我們是異想天開。”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2萬個，一個控制系統(tǒng)就有2000多個控制點(diǎn)。“當(dāng)時，不少同事剛走出校門，很多人都沒見過盾構(gòu)機(jī)。”

到處找項(xiàng)目，去隧道挖掘現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)盾構(gòu)機(jī)原理，王杜娟和同事們一根根管子排查、一個個元器件核對，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：買不到的陶瓷球閥、銷售和維修都價格高昂的控制系統(tǒng)……歷時8年，克服重重困難，投入大量人才財(cái)力，我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“中國中鐵1號”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，“中國中鐵1號”在天津開掘。“盾構(gòu)機(jī)要下穿‘瓷房子’等文保單位，容不得半點(diǎn)閃失。”王杜娟說。4個月后，天津地鐵3號線營和右線區(qū)間順利貫通，地面沉降控制在3毫米以內(nèi)，專家驗(yàn)收全部通過。

自此，行業(yè)開始發(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爭力的盾構(gòu)機(jī)制造企業(yè)，陸續(xù)成立、成長壯大。時至今日，我國盾構(gòu)機(jī)保有量約5000臺，世界第一。我國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

“好盾構(gòu)機(jī)自己會說話”

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)時業(yè)內(nèi)流傳一句話，不掌握TBM技術(shù)，不能算成熟、有競爭力的隧道掘進(jìn)機(jī)廠商。”中國中鐵裝備集團(tuán)技術(shù)中心副主任、掘進(jìn)機(jī)研究院院長賀飛說。

通常，城市軌道、管網(wǎng)建設(shè)時，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、長距離、巖石強(qiáng)度高等施工條件，對設(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3萬多張圖紙，日夜奮戰(zhàn)180天。2015年1月26日，“永吉號”TBM下線。在吉林引松供水工程建設(shè)中，“永吉號”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個月完成任務(wù)。

2018年，汕頭海灣隧道正式掘進(jìn)。這是我國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，由國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)施工，這是我國自主設(shè)計(jì)制造的第一臺15米級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736天完成隧道掘進(jìn)，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)只用時660天。同樣的質(zhì)量，更短的時間。

“好盾構(gòu)機(jī)自己會說話。”中國中鐵裝備集團(tuán)總經(jīng)理張志國說。

2012年，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)迎來出口第一單：中標(biāo)馬來西亞吉隆坡地鐵建設(shè)項(xiàng)目。施工中，“中國中鐵50號”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)下馬來西亞地鐵盾構(gòu)施工紀(jì)錄。

2015年，“張衡號”“詹天佑號”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)，開創(chuàng)了國內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)走向海外的先河。

2019年，“中國中鐵699號”盾構(gòu)機(jī)中標(biāo)意大利北部鐵路項(xiàng)目，我國高端隧道掘進(jìn)裝備首次應(yīng)用于歐盟國家。同年，兩臺國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)中標(biāo)法國巴黎地鐵建設(shè)項(xiàng)目。

“這說明國際高端市場對中國盾構(gòu)機(jī)品牌綜合實(shí)力的認(rèn)可。”張志國說。

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。

一臺盾構(gòu)機(jī)有幾層樓高，幾百頭大象重，由幾萬個零部件組成。要想提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性，每個環(huán)節(jié)都需要協(xié)同發(fā)力。

“中國盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)走的是整機(jī)帶動零部件的路線。”張志國介紹，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，開展了上千組理論校驗(yàn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，分析了上萬組檢測及試驗(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)主軸承全面國產(chǎn)化，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)主軸承從中小直徑到超大直徑型譜全覆蓋。”中國鐵建重工集團(tuán)首席科學(xué)家劉飛香說。

——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。由于無法100%了解周圍地質(zhì)情況，施工過程中安全風(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)，我國企業(yè)也作出嘗試。

比如，“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機(jī)搭載了關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)測刀具、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”可自動調(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)庫和云計(jì)算中心，有效解決智能控制問題。”中國中鐵裝備集團(tuán)總工程師賈連輝相信，在不遠(yuǎn)的未來，無人值守、智能掘進(jìn)將變成現(xiàn)實(shí)。

——開拓新場景，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)刺枴钡V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”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”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。”中國中鐵黨委書記、董事長陳云表示，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。

《 人民日報(bào) 》（ 2024年05月06日 02 版）