“京華號(hào)”盾構(gòu)機(jī)刀盤正在吊裝下井。馬金波攝
盾構(gòu)機(jī)，號(hào)稱“地下蛟龍”，名副其實(shí)的大國重器。
近日，記者走進(jìn)北京東六環(huán)入地改造項(xiàng)目（以下簡稱北京東六環(huán)項(xiàng)目）現(xiàn)場(chǎng)，我國迄今研制的最大直徑盾構(gòu)機(jī)“京華號(hào)”正在這里作業(yè)。中鐵十四局的建設(shè)者操縱著它，在地面30米以下，開挖一條長7.4公里的隧道，同時(shí)也檢驗(yàn)著我國自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)性能和施工技術(shù)水平。
十幾年前，我國盾構(gòu)機(jī)主要依賴進(jìn)口，甚至盾構(gòu)施工都難以獨(dú)立完成。十幾年后，我國盾構(gòu)機(jī)從無到有、從進(jìn)口到出口，實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
北京東六環(huán)改走地下，盾構(gòu)機(jī)讓7.4公里隧道一次成型
東六環(huán)穿越北京城市副中心核心區(qū)，為方便交通、融合城市，建設(shè)方提出了大膽的設(shè)想：讓地上的東六環(huán)改走地下。
東六環(huán)入地改造設(shè)計(jì)了兩條隧道，每條隧道共三層，開挖斷面超過200平方米，是一般地鐵隧道的5倍。常規(guī)直徑的盾構(gòu)機(jī)難以勝任，直徑16.07米的“京華號(hào)”迎難而上。
這是國內(nèi)施工中首次應(yīng)用16米級(jí)的國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)?！熬┤A號(hào)”始發(fā)豎井位于東六環(huán)西側(cè)路，由北向南，任務(wù)是掘出一條長7.4公里的隧道。
記者沿豎井安全梯向下約30米，便到了盾構(gòu)機(jī)的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?！熬┤A號(hào)”長約150米，如一列小火車，5組不同功能的臺(tái)車依次相連，關(guān)鍵部件集成在“火車頭”——1號(hào)臺(tái)車上。頂在最前端的巨大圓形刀盤，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下切削土層、石塊，隧道由此向前延伸。
隧道管片拼裝與掘進(jìn)、出渣等工序同步。每掘進(jìn)2米為一個(gè)施工循環(huán)，工程人員把預(yù)制好的管片拼成一個(gè)完整圓環(huán)，隧道便一次成型。管片拼縫不滲不漏，拼裝精度要求極高。要建成這條隧道，需要拼裝3600多環(huán)，共計(jì)36680塊管片。
中鐵十四局北京東六環(huán)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人孫旭濤告訴記者，在國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)施工中，“京華號(hào)”首次應(yīng)用了雙液注漿技術(shù)。與單一的水泥漿相比，由水泥漿和水玻璃配比成雙液漿，漿液固結(jié)時(shí)間從8小時(shí)縮短到1小時(shí)以內(nèi)，極大改善了隧道成型效果。
盾構(gòu)施工是革命性的。有20多年土建經(jīng)驗(yàn)的北京東六環(huán)項(xiàng)目副經(jīng)理顧傳生感慨：“過去，工程隊(duì)施工靠打眼放炮，挖個(gè)隧道特別費(fèi)勁，噪音大、塵土滿天，一天下來，脫下棉口罩，黑乎乎的；現(xiàn)在，作業(yè)環(huán)境敞亮，操作機(jī)器、運(yùn)輸管片、鋪設(shè)電線，工作高效而有序?！?/p>
從設(shè)計(jì)到下線，“京華號(hào)”盾構(gòu)機(jī)僅用6個(gè)半月
“每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都不一樣。”中鐵十四局大盾構(gòu)專家陳鵬解釋，由于施工的土層、埋深、沉降要求各不相同，沒有能包打天下的盾構(gòu)機(jī)?！傲可矶ㄖ啤钡奶攸c(diǎn)，要求盾構(gòu)機(jī)施工方、制造方和科研單位從一開始就要反復(fù)溝通，三方合作貫穿始終。
2020年中標(biāo)北京東六環(huán)項(xiàng)目后，施工方中鐵十四局聯(lián)合制造方鐵建重工，僅用6個(gè)半月，就完成了盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、下線等工作。這體現(xiàn)了我國盾構(gòu)施工和盾構(gòu)機(jī)研制技術(shù)的強(qiáng)大實(shí)力，也是我國集中力量辦大事制度優(yōu)勢(shì)的生動(dòng)實(shí)踐。
“與其他盾構(gòu)機(jī)比，除直徑更大外，‘京華號(hào)’還集成了多年的創(chuàng)新成果，表明我國盾構(gòu)機(jī)研制及盾構(gòu)施工技術(shù)日趨成熟?！标慁i表示。
我國盾構(gòu)制造起步于1953年，因技術(shù)落后而一度停滯。上世紀(jì)90年代，我國花巨資引進(jìn)兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，用于秦嶺鐵路隧道建設(shè)。此后，基建施工使用盾構(gòu)機(jī)越來越多，但相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，我國不僅盾構(gòu)機(jī)依賴進(jìn)口，甚至施工也依靠國外團(tuán)隊(duì)。
陳鵬講述了當(dāng)年國內(nèi)盾構(gòu)施工的情景：要花高價(jià)錢請(qǐng)外國工程師調(diào)試設(shè)備，安裝、維修零部件。因?yàn)榧夹g(shù)實(shí)行封鎖，不許中方人員靠近，更不用說學(xué)習(xí)參數(shù)計(jì)算方法、設(shè)備管理理念。
我國技術(shù)人員一邊施工一邊摸索鉆研，通過反復(fù)操作、維修、保養(yǎng)等，慢慢掌握了盾構(gòu)施工的基本要領(lǐng)。2007年，陳鵬參加了中標(biāo)的南京長江隧道工程建設(shè)，這是在長江隧道項(xiàng)目中，國內(nèi)施工團(tuán)隊(duì)首次獨(dú)立使用大直徑盾構(gòu)機(jī)施工。之后，我國盾構(gòu)施工技術(shù)一日千里，如今多項(xiàng)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
中國依賴國外盾構(gòu)機(jī)的局面也被打破。一臺(tái)常規(guī)直徑盾構(gòu)機(jī)，重量超過3000噸，機(jī)、電、液、氣、傳感等零部件超過3萬個(gè)。如此多部件集成在一起，如何保證協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)？這曾令研發(fā)人員頭疼不已。鐵建重工掘進(jìn)機(jī)總廠總工程師孫雪豐說，研制盾構(gòu)機(jī)需要一個(gè)龐大的跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨行業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系支撐，制造工藝復(fù)雜，光設(shè)計(jì)圖紙就有數(shù)千張。
2002年，盾構(gòu)機(jī)研制被列入“863計(jì)劃”，中鐵隧道集團(tuán)牽頭。經(jīng)過多年產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)，于2008年制造出我國首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)。其間，我國盾構(gòu)技術(shù)攻關(guān)的隊(duì)伍日益壯大，有浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，也有鐵建重工、北方重工、中交天和等制造廠商。
目前，“京華號(hào)”已順利掘進(jìn)400多米，盾構(gòu)機(jī)的多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在施工中得到驗(yàn)證。這意味著我國自主研發(fā)的最大直徑盾構(gòu)機(jī)總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，我國實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)研制和盾構(gòu)施工技術(shù)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
逐代優(yōu)化，盾構(gòu)機(jī)常壓換刀技術(shù)歷經(jīng)四代
制造盾構(gòu)機(jī)，發(fā)達(dá)國家有上百年歷史，我國何以能快速實(shí)現(xiàn)追趕？業(yè)界專家的答案是：施工技術(shù)與制造技術(shù)相互促進(jìn)是關(guān)鍵。
專家表示，盾構(gòu)機(jī)研制技術(shù)的不斷優(yōu)化，更多來自施工的持續(xù)反饋。
以盾構(gòu)機(jī)換刀技術(shù)為例。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中，刀具損壞了怎么辦？傳統(tǒng)的方式是帶壓換刀，這需要繁瑣的加壓進(jìn)艙、減壓出艙等操作，耗時(shí)長、費(fèi)用高，還存在安全風(fēng)險(xiǎn)。在施工過程中，技術(shù)人員提出常壓換刀設(shè)想。在南京長江隧道工程中，中鐵十四局施工團(tuán)隊(duì)聯(lián)合制造商，調(diào)整了盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)，研發(fā)并成功試用了第一代常壓換刀技術(shù)。
2010年，中鐵十四局負(fù)責(zé)施工的南京地鐵10號(hào)線過江隧道工程，面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)和高水壓，技術(shù)人員聯(lián)合科研人員重新設(shè)計(jì)了換刀的結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)出第二代常壓換刀技術(shù)——套筒油缸式換刀技術(shù)，并首次應(yīng)用在11米級(jí)直徑盾構(gòu)施工中。
換刀技術(shù)在工程實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新。在2015年中標(biāo)的武漢地鐵8號(hào)線工程掘進(jìn)中，針對(duì)江底不同巖性復(fù)合地層的地質(zhì)條件，中鐵十四局施工團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了滾齒互換式換刀技術(shù)，成為第三代常壓換刀技術(shù)。
據(jù)介紹，“京華號(hào)”配備的已是第四代常壓換刀技術(shù)。從帶壓到常壓，逐代優(yōu)化，這一從實(shí)踐中反饋研發(fā)、不斷提升的換刀技術(shù)，如今已成為大盾構(gòu)研制的常規(guī)選項(xiàng)。
“我國盾構(gòu)施工市場(chǎng)需求大，遇到的地質(zhì)種類多，能夠持續(xù)反饋，推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)自主研發(fā)快速更新迭代?！标慁i說，比如，2017年9月我國研制的超大直徑盾構(gòu)機(jī)“沅安號(hào)”就配置了常壓換刀，在新技術(shù)應(yīng)用上，國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)很快趕上了國際一流水平。
豐富多樣的基建施工需求，也推動(dòng)我國盾構(gòu)產(chǎn)品向小微化、巨型化、異形化發(fā)展。除大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“京華號(hào)”外，國產(chǎn)大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、大直徑硬巖盾構(gòu)機(jī)等產(chǎn)品也紛紛下線，開創(chuàng)了一系列隧道新型開挖模式。
盾構(gòu)機(jī)制造水平的提升，反過來為盾構(gòu)施工應(yīng)用打開了廣闊的市場(chǎng)，在鐵路工程、水利工程、城市改造等領(lǐng)域大顯身手。
國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)走出去，成為中國制造的亮麗名片
我國盾構(gòu)裝備的跨越發(fā)展，帶動(dòng)了配套產(chǎn)業(yè)躍升。孫旭濤告訴記者，以刀具為例，2015年以前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)配備的刀具基本靠進(jìn)口，現(xiàn)在國產(chǎn)化刀具不遜于國際品牌。
有統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)市場(chǎng)國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)占有率已超過九成，全球市場(chǎng)份額接近七成。走出去的國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，成為中國制造的亮麗名片。專家分析，中國精細(xì)的管理和施工標(biāo)準(zhǔn)與大型裝備一同出口，形成了“中國品牌”。
“就像好的車，需要懂車的人開一樣，操作盾構(gòu)機(jī)也是個(gè)技術(shù)活?！睂O旭濤說。2018年8月，蘇通長江GIL綜合管廊隧道工程貫通，中鐵十四局使用的盾構(gòu)機(jī)完好率超過97%，盾構(gòu)刀盤出水的時(shí)候，連下線時(shí)涂在盤面的紅漆都清晰可見。精細(xì)化的管理、維護(hù)，令外方贊嘆。
憑借過硬的質(zhì)量和技術(shù)，我國盾構(gòu)機(jī)在海外大顯身手。如今，在以高標(biāo)準(zhǔn)著稱的新加坡市場(chǎng)，中國生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)在交通建設(shè)中留下了身影；意大利公司采購我國盾構(gòu)機(jī)，成功建設(shè)了黎巴嫩大貝魯特供水工程；在丹麥、法國等國家的地下工程中，中國盾構(gòu)機(jī)也越來越多被運(yùn)用。
“智能化、自動(dòng)化是未來盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的方向?！标慁i說，在北京東六環(huán)項(xiàng)目上，工程人員正嘗試打造智慧工地，施工過程與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等結(jié)合，實(shí)行精細(xì)化、流程化、智能化管理，進(jìn)一步提高我國的盾構(gòu)施工能力。（喻思南 李美華）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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