掘進(jìn),一路向前——中國盾構(gòu)機(jī)走向世界始末

2023-11-09 09:30:43 來源: 科技日?qǐng)?bào) 作者: 矯陽 劉莉 李坤

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科技日?qǐng)?bào)記者 矯陽 策劃 劉莉 李坤

20多年來,自主創(chuàng)新的中國盾構(gòu)機(jī)從蹣跚學(xué)步,到一路向前掘進(jìn),再到跨入世界先進(jìn)行列,實(shí)現(xiàn)了完美逆襲。中國盾構(gòu)機(jī)品種越來越多,功能更強(qiáng)大,正成為暢銷海外的“新國貨”。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至目前,中國盾構(gòu)機(jī)訂單總數(shù)超過5000臺(tái),已出廠超過4500臺(tái),出口海外約40個(gè)國家和地區(qū)。

11月7日,在中國中鐵工程裝備集團(tuán)(以下簡稱中鐵裝備)鄭州總裝車間,已通過客戶驗(yàn)收的“中鐵912號(hào)”“中鐵913號(hào)”盾構(gòu)機(jī)正被加緊拆裝,即將被發(fā)往新加坡。

此前不久,世界首臺(tái)綠色盾構(gòu)機(jī)“中鐵1237號(hào)”從這里下線,它搭載了連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)、快速換模技術(shù)等,將出口意大利,被用于西西里島高鐵隧道建設(shè)。

這只是近年來我國盾構(gòu)機(jī)大量出口的縮影。截至2023年,中國盾構(gòu)機(jī)在全球市場占比達(dá)70%。

1995年,我國首次引進(jìn)德國盾構(gòu)機(jī)。20多年來,自主創(chuàng)新的中國盾構(gòu)機(jī)從蹣跚學(xué)步,到一路向前掘進(jìn),再到跨入世界先進(jìn)行列,實(shí)現(xiàn)了完美逆襲。

世界首臺(tái)礦用小轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)機(jī)“貴能1號(hào)”下線。受訪者供圖

鉆爆與TBM,兩個(gè)“拳頭”應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

盾構(gòu)機(jī)是目前最先進(jìn)的隧道開挖裝備,俗稱“鋼鐵穿山甲”,集機(jī)、電、液、信息、人工智能等高技術(shù)于一身,具有數(shù)萬個(gè)零部件。盾構(gòu)機(jī)分兩種,一種用于軟土軟巖隧道,另一種用于硬巖隧道,又名TBM(硬巖掘進(jìn)機(jī))。

全世界的隧道工程,一半以上使用盾構(gòu)機(jī)施工。

中國工程院院士孫永?;貞浾f,初識(shí)隧道掘進(jìn)機(jī),源于上世紀(jì)五十年代的教科書。

上世紀(jì)五十年代,距盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道原理的提出,已過去120余年。而中國工程技術(shù)人員對(duì)隧道施工的認(rèn)知,仍停留于鉆爆法。

用鉆爆法施工,需要在掌子面鉆孔、裝炸藥,然后點(diǎn)火、跑到角落躲好,起爆后,要迅速將支撐拱架和混凝土運(yùn)至新開洞面進(jìn)行支護(hù),再用運(yùn)輸工具把破碎的巖石運(yùn)出去。

鉆爆法經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng),但掘進(jìn)速度慢。直到現(xiàn)在,一條斷面直徑10米的隧道,采用鉆爆法施工,平均月掘進(jìn)僅100米。

還有沒有更好的隧道施工法?

18世紀(jì)末,法國工程師布魯諾爾從船蛆鉆洞現(xiàn)象中獲得靈感,提出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道原理。船蛆是種蛤,頭部有外殼,鉆穿木板時(shí),會(huì)分泌液體涂在孔壁上,形成堅(jiān)韌的保護(hù)殼,抵抗木板潮濕后的膨脹,以防被壓扁。

1825年,在倫敦泰晤士河下方,布魯諾爾修建了世界第一條盾構(gòu)機(jī)法隧道,隨后盾構(gòu)機(jī)被逐漸改進(jìn),并在歐洲得到廣泛使用。

“盾構(gòu)機(jī)工作原理,是用一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)組件沿隧道軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行掘進(jìn)?!敝袊需F高級(jí)專家,原中鐵裝備黨委書記、董事長李建斌解釋說,鋼結(jié)構(gòu)組件的殼體稱“盾殼”,對(duì)挖掘出、未襯砌的隧道段起臨時(shí)支護(hù)作用,承受周圍土層的土壓、地下水壓,并擋住地下水。

“盾”,即“保護(hù)”,指盾殼;“構(gòu)”,即“構(gòu)筑”,指管片拼裝。

一句話,即在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)、出渣、襯砌等作業(yè)。

依據(jù)地質(zhì)條件,盾構(gòu)機(jī)有土壓、泥水平衡等類型;依據(jù)隧道大小,分不同直徑。

上世紀(jì)八十年代,中國大地上,激蕩著改革開放的春風(fēng)。

不斷涌現(xiàn)的新技術(shù),引起黨中央、國務(wù)院的關(guān)注。中國鐵路高層領(lǐng)導(dǎo)也在思考如何使鐵路隧道施工趕上或接近世界水平。

1987年,時(shí)任鐵道部副部長的孫永福,在考察由意大利公司承建的甘肅引大入秦水利工程時(shí),看到國外掘進(jìn)機(jī)月掘進(jìn)高達(dá)1300米的速度,大為贊賞。

幾年后,建設(shè)秦嶺隧道時(shí),對(duì)于是否引進(jìn)世界上最先進(jìn)的TBM,當(dāng)時(shí)爭議很大。

1993年9月,原鐵道部在北京召開專家論證會(huì)。有專家認(rèn)為,相比鉆爆法,隧道掘進(jìn)機(jī)造價(jià)太高;引進(jìn)隧道掘進(jìn)機(jī),以后推廣應(yīng)用也很困難。在總結(jié)發(fā)言時(shí),孫永福明確表示:“以往我們熟悉鉆爆法,這只是一個(gè)拳頭;今后如果掌握了TBM技術(shù),我們就有兩個(gè)拳頭來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)?!睂O永福認(rèn)為,在熟練掌握TBM技術(shù)后,可以提高效率,降低造價(jià)。

要提高中國鐵路建設(shè)水平,必須吸收世界上的先進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過充分科學(xué)論證,中國鐵路高層做出重大決策,秦嶺隧道引進(jìn)TBM施工,同時(shí)主導(dǎo)選型設(shè)計(jì)。

盾構(gòu)機(jī)是典型的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的特殊產(chǎn)品,需要量身定制。針對(duì)西康鐵路秦嶺隧道的需要,原鐵道部組織設(shè)計(jì)、制造、施工方面的專家,確定了引進(jìn)TBM的主要技術(shù)要求——單線電氣化鐵路,敞開式TBM刀盤直徑8.8米,單價(jià)3.5億元。

世界最大直徑硬巖盾構(gòu)機(jī)在格魯吉亞KK公路項(xiàng)目中得以應(yīng)用。 受訪者供圖

秦嶺隧道,鍛煉培養(yǎng)出一批專家

1997年7月,全長256米的德國TBM運(yùn)抵秦嶺隧道,經(jīng)安裝調(diào)試后,投入使用。

“使用TBM修建秦嶺隧道時(shí),不論是對(duì)TBM的選型、設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試、操作、掘進(jìn)、診斷、維護(hù),還是對(duì)不同地質(zhì)條件下TBM穿越關(guān)鍵技術(shù),大家都非常陌生?!敝袊こ淘涸菏慷艔┝蓟貞浾f。

對(duì)秦嶺隧道TBM核心硬件和軟件技術(shù),德國維爾特公司禁止中方技術(shù)人員接近。這是因?yàn)?,?dāng)時(shí)中國已研發(fā)出直徑為4.35米、專門克服軟土地基的泥水式土壓平衡盾構(gòu)機(jī),以及國內(nèi)第一臺(tái)半斷面插刀盾構(gòu)機(jī)。

“他們把中國當(dāng)作極具潛力的競爭對(duì)手,始終心懷戒備?!敝需F裝備總經(jīng)理張志國說。

然而,作為推動(dòng)引進(jìn)TBM的決策者,孫永福目標(biāo)十分清晰,那就是“我們引進(jìn)TBM后,一定要盡快實(shí)現(xiàn)配件國產(chǎn)化,然后實(shí)現(xiàn)整機(jī)國產(chǎn)化”。

一場引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的攻堅(jiān)戰(zhàn),在秦嶺打響。

為管好、用好這臺(tái)世界最先進(jìn)的TBM,原鐵道部組織施工及有關(guān)科研單位和院校,共同開展科技攻關(guān)。

作為學(xué)術(shù)帶頭人,時(shí)任石家莊鐵道學(xué)院工程機(jī)械系主任杜彥良組成科研團(tuán)隊(duì),承擔(dān)了原鐵道部有關(guān)TBM掘進(jìn)技術(shù)、監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)、不良地質(zhì)施工技術(shù)等一系列科研課題。僅翻譯整理,杜彥良與科研團(tuán)隊(duì)就完成了1500萬字的技術(shù)文件。

時(shí)任中鐵十八局工程指揮長魏賢坤,在赴瑞士費(fèi)爾區(qū)那隧道學(xué)習(xí)后,撰寫出2萬多字的《費(fèi)爾區(qū)那隧道施工考察報(bào)告》,對(duì)秦嶺隧道TBM施工起到了重要參考作用。

中鐵隧道局組成了10人的科技攻關(guān)小組,平均年齡30歲。在TBM組裝過程中,科技攻關(guān)小組多次排除各種復(fù)雜電氣故障,修復(fù)各類電氣元部件。在掘進(jìn)過程中,科技攻關(guān)小組針對(duì)廠家設(shè)計(jì)上的不合理問題,多次向德國專家提出修正意見,并被采納。

直徑432毫米的大推力盤形滾刀刀圈經(jīng)常損壞,需要更換。我國科研單位聯(lián)合攻關(guān),采用一種低合金結(jié)構(gòu)鋼刀。經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),在磨損率和使用壽命方面,其與德國維爾特公司產(chǎn)品持平,但價(jià)格要低1/3。

一系列TBM施工技術(shù)及部分后配套零部件國產(chǎn)化等難題的攻克,使秦嶺隧道掘進(jìn)高歌猛進(jìn),創(chuàng)造了最高月掘進(jìn)528米的紀(jì)錄,平均機(jī)時(shí)利用率45%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際40%的平均水平。

1999年9月6日,秦嶺隧道貫通。

“秦嶺隧道開創(chuàng)性的工作和科研成果,為我國后續(xù)其他TBM工程的實(shí)施奠定了重要的基礎(chǔ),鍛煉培養(yǎng)了一批TBM專家、工程師和技術(shù)人員?!倍艔┝颊f。

秦嶺隧道成功引進(jìn)TBM的實(shí)踐,點(diǎn)燃了我國企業(yè)研發(fā)、制造和推廣應(yīng)用隧道掘進(jìn)機(jī)的熊熊烈火。以中鐵裝備、中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱鐵建重工)和中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司(以下簡稱中交天河)為代表的一大批具有競爭力的盾構(gòu)機(jī)制造企業(yè),陸續(xù)誕生。

造“國字號(hào)”,趕超“洋盾構(gòu)機(jī)”

用“洋盾構(gòu)機(jī)”有甜頭,但越往后問題越多。

機(jī)器維修保養(yǎng)時(shí)不許中方參加,還拉警戒線;維修進(jìn)度中方說了不算,完全取決于外方……

“圖紙有問題!”一次,在加工進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)一個(gè)簡單拖車鋼結(jié)構(gòu)件時(shí),中方指出了其中的錯(cuò)誤。

外方設(shè)計(jì)人員開出天價(jià)服務(wù)條件,要求負(fù)責(zé)所有差旅食宿,每天咨詢費(fèi)600美元。

沒有核心技術(shù)就沒有話語權(quán)。

2000年初,中鐵隧道局做出超前的、具有重大意義的決定——造中國人自己的盾構(gòu)機(jī)!

自2002年起,科技部連續(xù)將盾構(gòu)機(jī)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)列入“863”計(jì)劃。

為建設(shè)上海地鐵2號(hào)線,上海市政府決定,采用自主研制盾構(gòu)機(jī)。

中鐵隧道局與上海隧道工程股份有限公司,各自組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),依托上海地鐵2號(hào)線工程,分別承擔(dān)“863”計(jì)劃盾構(gòu)機(jī)項(xiàng)目課題研發(fā)。

一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)零部件超過2萬個(gè),單是控制系統(tǒng)就有2000多個(gè)控制點(diǎn)。

李建斌帶領(lǐng)中鐵隧道局項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),以“掌握設(shè)備設(shè)計(jì)理念,掌握核心技術(shù),做自主研發(fā)”為目標(biāo),深入隧道現(xiàn)場,一根根管子排查,一個(gè)個(gè)元器件核對(duì)。比較參數(shù)、核實(shí)數(shù)據(jù)、查閱資料,經(jīng)常奮戰(zhàn)到凌晨。

寶劍鋒從磨礪出,梅花香自苦寒來。

經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān),研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究出了具有寬泛地質(zhì)適應(yīng)性盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具合金鋼的熱處理方法、盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)與刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成技術(shù)等,并展開示范性應(yīng)用。

2004年10月,中國首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地鐵土壓平衡盾構(gòu)機(jī)——“先行號(hào)”樣機(jī),在上海地鐵二號(hào)線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)掘進(jìn),打破了此前“洋盾構(gòu)機(jī)”壟斷地鐵施工的局面,隨后陸續(xù)應(yīng)用于中國多個(gè)城市地鐵項(xiàng)目建設(shè)。2006年,該產(chǎn)品被列入國家重點(diǎn)新產(chǎn)品,并榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

中國盾構(gòu)人乘勢而上,發(fā)力新領(lǐng)域。

完成“先行號(hào)”關(guān)鍵技術(shù)研究后,在“863”計(jì)劃支撐下,中鐵隧道局與上海隧道工程股份有限公司再接再厲,又相繼完成了砂礫復(fù)雜地層關(guān)鍵技術(shù)研究、復(fù)合式土壓平衡及大直徑泥水平衡等盾構(gòu)機(jī)的研制與應(yīng)用。

2008年,中國盾構(gòu)機(jī)成果再現(xiàn)。4月,我國自主研制的首臺(tái)復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)橫空出世,命名為“中國中鐵1號(hào)”,并在天津地鐵三號(hào)線施工項(xiàng)目成功應(yīng)用;12月,上海打浦路復(fù)線隧道工地,一臺(tái)直徑為11.22米的國產(chǎn)大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“進(jìn)越號(hào)”靜待發(fā)力。

作為自主創(chuàng)新跨越發(fā)展的標(biāo)志性成果,“進(jìn)越號(hào)”成功入選“十一五”國家重大科技成就展。從此,中國步入了具備大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)自主設(shè)計(jì)、制造和施工技術(shù)的盾構(gòu)大國行列。

2012年,“盾構(gòu)機(jī)裝備自主設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”科研項(xiàng)目,榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

創(chuàng)新步履從未停止。

圓形盾構(gòu)機(jī),便于刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一,技術(shù)較成熟,而矩形盾構(gòu)機(jī),由于刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)難,尚沒有較大直徑的盾構(gòu)機(jī)。李建斌團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一年多艱苦研發(fā),攻克了異形盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一的難題,于2013年研制成功了當(dāng)時(shí)世界上最大斷面的矩形盾構(gòu)機(jī),并成功應(yīng)用于鄭州市中州大道下穿隧道工程。2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上,由中鐵裝備牽頭申報(bào)的“異形全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目,榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

造世界最好的盾構(gòu)機(jī),向海外進(jìn)發(fā)

2012年,馬來西亞為建設(shè)MRT(捷運(yùn)線)項(xiàng)目,計(jì)劃向歐洲公司采購10臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。中鐵裝備獲悉后,下決心借此機(jī)會(huì),將中國盾構(gòu)機(jī)推向馬來西亞。

“無論怎么介紹,馬來西亞業(yè)主都無動(dòng)于衷?!崩罱ū笳f,因?yàn)橹袊軜?gòu)沒有一單海外應(yīng)用的實(shí)例。

中鐵裝備沒有放棄,他們將馬來西亞業(yè)主邀請(qǐng)到中國實(shí)地參觀。

“中國的盾構(gòu)機(jī)發(fā)展速度令人驚奇!我們看到了中鐵裝備的制造能力,中鐵裝備制造的盾構(gòu),被廣泛應(yīng)用在中國知名大城市,性能非常好!”通過參觀一個(gè)又一個(gè)成功案例,馬來西亞業(yè)主被深深折服。

2012年,“中鐵50號(hào)”出口馬來西亞,成為中國盾構(gòu)機(jī)走向海外第一單。通過針對(duì)性設(shè)計(jì),提升設(shè)備性能,使馬來西亞一條隧道的貫通提前了43天,創(chuàng)造了當(dāng)?shù)囟軜?gòu)施工紀(jì)錄,由此奠定了中國造盾構(gòu)機(jī)的海外聲譽(yù)。

隨后,中鐵裝備又敲開了以高標(biāo)準(zhǔn)著稱的新加坡、意大利等30多個(gè)國家和地區(qū)的市場。

中國盾構(gòu)人明白,只有不斷提升技術(shù)水平,才能走得更遠(yuǎn)。

新加坡湯申東海岸線T221標(biāo)段人行過道,需要矩形設(shè)計(jì),中鐵裝備憑借自主研發(fā)的矩形盾構(gòu)機(jī),獲得了這一訂單。2017年3月27日,在新加坡第三屆城市地下空間和隧道大會(huì)上,新加坡陸路交通局湯申東海岸線負(fù)責(zé)人在報(bào)告中,分享了中鐵裝備矩形盾構(gòu)式頂管機(jī)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)這一創(chuàng)新產(chǎn)品贊不絕口。

中國盾構(gòu)機(jī)品種越來越多,功能更強(qiáng)大。

超大直徑,能轉(zhuǎn)彎,會(huì)爬坡,耐極寒……這些“中國品牌”盾構(gòu)機(jī),正成為暢銷海外的“新國貨”。

2017年7月3日,碧空萬里,艷陽高照,在鐵建重工總部長沙,世界首臺(tái)挑戰(zhàn)極寒天氣的盾構(gòu)機(jī)“瑪利亞號(hào)”下線。這是專為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構(gòu)施工而設(shè)計(jì)的。

上世紀(jì)五六十年代,蘇聯(lián)地鐵專家?guī)椭袊?guī)劃設(shè)計(jì)了第一條地鐵——北京地鐵1號(hào)線。如今,昔日的“學(xué)生”要到俄羅斯修地鐵,很多俄羅斯人難免發(fā)出質(zhì)疑。鐵建重工真誠邀請(qǐng)了俄羅斯專家到中國考察。在北京地鐵8號(hào)線工地,俄羅斯政府和建設(shè)單位考察團(tuán)成員驚嘆于“中國制造”和“中國建設(shè)”的高水平,“眼見為實(shí)”的親身體驗(yàn),徹底打消了他們此前的疑問和顧慮。

2017年6月8日,中國盾構(gòu)機(jī)擁有了進(jìn)入俄羅斯市場的合格證。

為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構(gòu)施工難題,鐵建重工研發(fā)了5臺(tái)直徑為6.25米的盾構(gòu)機(jī),并以俄羅斯家喻戶曉的熱播劇《爸爸的女兒們》中5個(gè)女兒命名,分別為瑪利亞、達(dá)利亞、耶甫蓋寧、加麗娜和波麗娜,從2018年6月至2019年1月,5臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在莫斯科西南部完成掘進(jìn)始發(fā)。

2018年11月13日,北京,國家博物館?!皞ゴ蟮淖兏铩獞c祝改革開放40周年大型展覽”開展。“加麗娜號(hào)”土壓平衡盾構(gòu)機(jī),作為掘進(jìn)機(jī)行業(yè)唯一代表,入選此次展覽。

潮平兩岸闊,風(fēng)正一帆懸。

2014年5月10日,習(xí)近平總書記在河南考察中鐵工程裝備集團(tuán)時(shí)提出,推動(dòng)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變。

中國科研人員以自身的豪情,踐行著“三個(gè)轉(zhuǎn)變”,使中國大盾構(gòu)機(jī)從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強(qiáng),逆襲成為在世界上響當(dāng)當(dāng)?shù)摹爸袊放啤薄?/p>

最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至目前,中國盾構(gòu)機(jī)訂單總數(shù)超過5000臺(tái),已出廠超過4500臺(tái),出口海外約40個(gè)國家和地區(qū)。

“中國盾構(gòu)機(jī)百花盛開的春天已經(jīng)來臨,中國盾構(gòu)機(jī)大國的地位已經(jīng)確立,中國盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)國的地位正在確立!”對(duì)中國大盾構(gòu)機(jī)發(fā)展的光輝歷程,中國工程院院士、2018年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者錢七虎說。

責(zé)任編輯: 王倩