國產最大直徑土壓平衡盾構機下線 地下蛟龍完美逆襲
國產最大直徑土壓平衡盾構機下線 “地下蛟龍”完美逆襲
我國研製的具有完全自主智慧財產權的最大直徑土壓平衡盾構機“錦繡號”近日下線，因其刀盤涂裝是一隻懷抱嫩竹的大熊貓，被網友稱為“最萌大國重器”“功夫熊貓”。
盾構機，即使用盾構法的全斷面隧道掘進機，與敞開式施工法相對，在掘進的同時構建隧道之“盾”(支撐管片)，是當前主流的隧道施工機械，多用於地鐵和高鐵建設，有“工程機械之王”“地下蛟龍”“吃土神器”之稱。
十幾年前，我國在這一領域還受制於人，完全依賴進口。如今，我們完美逆襲。不過，作為這款盾構機的總設計師，中國鐵建重工集團股份有限公司掘進機研究設計院“85後”工程師鐘晴卻並沒有因創造了新的紀錄而“松一口氣”。這幾天，他一邊忙著協調驗收，確保“錦繡號”零問題發運；一邊忙著總結整理，因為在他心裏，“盾構機的研發仍任重而道遠，最多的還是沉甸甸責任”。
“錦繡號”到底有多大，有哪些特點，如何工作？我國在盾構機研製上又是如何實現逆襲的？記者帶您一起探訪——
刷新紀錄：開挖直徑12.79米，長135米體積約是大火箭“胖五”的15倍
“錦繡號”有多高？“如果‘躺’著放，大約四層樓高，12.79米。”面對記者的詢問，鐘晴形象地說。
據介紹，盾構機這種重型機械是可以一次完成隧道施工的“吃土神器”，集傳感、液壓、資訊技術、機電技術于一體，具有隧道開挖、出渣、襯砌、導向等功能。通常情況下，以盾構直徑(由刀盤直徑決定)來區分大小。這也就意味著，這臺“吃土神器”開過後，將形成一個直徑為12.79米的隧道，可容納兩輛高鐵並行。
“錦繡號”不僅高，而且長達135米、重達3000噸。用鐘晴的話說，如果把它豎起來，大概有45層樓那麼高。與“腰圍”直徑5米、“身高”57米的大火箭“胖五”相比，體積約是“胖五”的15倍。
同樣是由鐵建重工研製，去年9月下線、前不久在北京東六環改造工程開啟地下穿越之旅的“京華號”，最大開挖直徑達16.07米、整機長150米、總重達4300噸，也被稱為國產最大直徑盾構機。與國產最大直徑土壓平衡盾構機“錦繡號”相比，這兩個“最大”到底有何區別？
原來，盾構機主要應用於開挖面不能自穩的軟土及複合地層，分為土壓平衡盾構機、泥水準衡盾構機及雙模式盾構機三類。泥水準衡盾構機以泥漿為主要介質平衡隧道開挖面地層壓力，通過泥漿輸送系統出渣，適用於富水高壓和地面沉降要求高的隧道施工；土壓平衡盾構機則以渣土為主要介質平衡隧道開挖面地層壓力，通過螺旋輸送機出渣，適用於從粘土、砂土至軟硬不均複合地層；雙模式盾構機具備兩種掘進機模式。
“京華號”是泥水準衡盾構機，而“錦繡號”則是土壓平衡盾構機。也就是說，他們分別是各自類別中超大直徑盾構機(12米及以上直徑的盾構機)的“佼佼者”，為國內長大隧道施工提供了有力保障。
據了解，通常情況下，用於地鐵隧道建設的盾構機開挖直徑較小，而高鐵因為速度快，對隧道直徑有著較高的需求。“而且如果盾構機開挖直徑夠大，便可實現‘單洞雙線’，不僅利用率高，在經濟造價上也更加划算。”鐘晴告訴記者，這也是他們革新技術、攻堅克難，一次又一次創造新的紀錄的動力所在。
不過，如此龐然大物，在工作時需要的人並不多。“通常情況下一個班組8至10人便可搞定，操控室僅需一人。”鐘晴說，操控室就相當於車輛的駕駛室，裏面有多塊螢幕，可實時顯示盾構機的運作情況，操作臺上還有好幾排按鈕，用於手動控制盾構機姿態。
楊博文是“京華號”的“司機”。據他介紹，盾構機自動化的“智慧大腦”能夠精準地把誤差控制在釐米級，他們駕駛員所做的工作，就是要時刻觀察運作姿態，一旦自動設備出現問題，就立刻介入進行手動校準。
量身打造：採用高承壓能力的聚氨酯密封技術可承受10巴水土壓力，相當於5個成年人站在一個雞蛋上
“錦繡號”盾構機如同一列火車，以噴塗了“大熊貓”的刀盤為先導，採用八輻臂重型刀盤，配置19寸刀具。後面長長的“車廂”被稱為臺車，佈置著主驅動、螺旋輸送機等。
“刀盤就相當於人的嘴，刀具就相當於有一口好牙，‘牙齒’內裏分工明確，滾刀破岩，切刀吃土。這些土會進入俗稱的‘土倉’，然後通過螺旋輸送機排出。”鐘晴告訴記者，倘若將隧道內掘出的全部土壤平鋪在足球場上，可鋪15層樓那麼高。
而這臺盾構機之所以刀盤涂裝採用熊貓圖案、取名“錦繡號”，皆因其即將服務的工程是四川首條時速350公里的高速鐵路成自高鐵的錦繡隧道。
據了解，一般情況下，每台盾構機的製備均由使用單位下單、研製單位根據工程情況為其量身打造。
以“錦繡號”為例。錦繡隧道為成自高鐵關鍵節點工程，隧道全長3.65公里，盾構區間有2.62公里，且地理環境較為複雜，依次下穿城市主幹道和機動車檢測站，沿線地面為成都市繁華地帶，建構物和既有的鐵路分佈密集，有一定建設難度。
“盾構機穿越的地層主要為泥岩，這也是這個工程的難點。”鐘晴說，掘進時，這樣的地層條件極易造成刀盤結泥餅和主機扭轉。
對此，平均年齡約30歲的年輕團隊對“錦繡號”盾構機進行了針對性設計：八輻臂複合式重型刀盤可極大提高設備的結構穩定性和耐磨性，是應對長距離掘進的“重要法寶”；採用單管單路高壓水噴射管路，以及增大刀盤中心的開口區域，加強沖洗，有效預防渣土淤積；盾體的底部還加焊高強度合金耐磨條，提高主機防扭能力。
除此之外，隧道還有一個特點是“深淺不一”——最小覆土厚度不足8米、最大埋深約60米。
據中鐵十四局成自高鐵錦繡隧道項目盾構掘進負責人李港介紹，為了應對覆土淺等複雜情況，“錦繡號”盾構機增設23個超前注漿孔、28個徑向注入口，可加強預先對周圍土體注漿加固，徑向注入支撐介質，有效控制地面沉降，確保地面建築不受影響。而面對隧道超大埋深帶來的極高水土壓力，“錦繡號”採用高承壓能力的聚氨酯密封技術，可承受隧道超大埋深帶來的極高水土壓力——10巴水土壓力，相當於5個成年人站在一個雞蛋上。
具體作業時，“錦繡號”可同時完成開挖、出渣、襯砌、導向等工序，在掘進過程中實現隧道主體結構一次成型。它並不是24小時都在掘進，而是每向前掘進1.8米，就要停下來“休息”一下。這個時候，便會啟動管片拼裝環節，9塊管片拼裝形成一個完整的圓環。管片被放到指定位置後，盾構機的油缸會立馬壓上，給管片以巨大的推力，這是這個“巨無霸”的力量之源。
“刀具以及密封類、油脂類材料等是易損耗材料。”鐘晴說，每掘進兩三百米，工作人員都會對刀具等開展一次檢查，如有損壞及時更換，確保作業質效。
完美逆襲：從依賴進口到自主研發目前國產盾構機已佔據國內九成、全球六成以上市場
7月12日，由中國鐵建自主研發生產的11米級大直徑盾構機“勝利號”在莫斯科完成首條隧道貫通任務。
這一消息讓鐘晴和同事們都很高興。
這是中企在歐洲首個大直徑盾構項目的首條隧道貫通，而“勝利號”也是目前中國出口歐洲的最大直徑盾構機。
“現在我們不僅可以實現盾構機所有零部件的完全自主智慧財產權，而且還走向了世界，實現了完美逆襲，我們發自心底地感到開心。”鐘晴告訴記者。
據了解，上世紀80年代末，國內修建隧道仍主要依靠人工鑽爆，不僅耗時耗力，還會遇到塌方、水淹等危險。到了90年代，北京、上海、廣州等大城市開始大規模建設地鐵，對新型機械裝備的需求急劇增加。當時，國內使用的盾構機全部依賴進口，對方要價“高得離譜”。機器壞了，請國外工程師來維修，不僅要求從出發起就開始計算勞務、“漫天要價”，而且維修時不允許中國人站在跟前。
“我們大家都憋著一口氣，想在國產盾構機上衝出名堂來。”2008年，我國研發製造出第一台具有自主智慧財產權的複合式土壓平衡盾構機——中國中鐵1號，突破國外核心技術封鎖。經過十多年的探索和研發，中國盾構技術漸漸走在了世界前列。
記者聽到這樣一個故事：1997年，我國斥資6億多元購買德國維爾特公司兩台敞開式隧道掘進機，用於西康鐵路秦嶺隧道建設。16年後的2013年，國內企業反過來收購了德國維爾特公司硬岩掘進機及豎井鑽機的智慧財產權和品牌使用權。
全球首臺煤礦斜井雙模式掘進機、全球首臺永磁電機驅動盾構機……如今，在盾構機領域，“中國製造”已成為響噹噹的品牌，不僅滿足了90%的國內市場需求，同時大規模開拓國際市場，佔據全球六成以上市場份額。鐵建重工等地下工程裝備企業，研製了諸多類型產品，攻克了多項“卡脖子”技術，完成了技術從跟跑到部分領跑、市場份額從配角到主角的歷史性轉變。“錦繡號”的問世，更是進一步鞏固了國產隧道掘進技術裝備的自主可控能力。
本報記者 王珍
