泥水平衡盾構(gòu)機(jī)：高鐵之后的又一張“中國名片”？

曹煦

當(dāng)你面對海灣，慨嘆“欲渡無舟楫”的時(shí)候，也許在深不可見的海底，一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)正在緩緩“蠕動(dòng)”，穿鑿一條通向彼岸的海底隧道。

盾構(gòu)機(jī)集合了機(jī)械、電氣、液壓、傳感、信息、力學(xué)、導(dǎo)向研究等尖端技術(shù)，是一臺(tái)高度精密的工程機(jī)械，有別于敞開式開挖施工，利用它可以實(shí)現(xiàn)在封閉的地底掘進(jìn)的同時(shí)構(gòu)建（鋪設(shè)）隧道。

2017年10月26日，一臺(tái)我國自主設(shè)計(jì)制造的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在鄭州中鐵裝備集團(tuán)成功下線，設(shè)備將應(yīng)用于汕頭海灣隧道項(xiàng)目，這也是迄今為止中國自主研制的最大直徑的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

創(chuàng)新技術(shù)化解盾構(gòu)機(jī)操作風(fēng)險(xiǎn)

《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者在中鐵裝備集團(tuán)看到的這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)長百米，重達(dá)4000噸，其直徑達(dá)到15.03米，足有五層樓高，采用了超高承壓能力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、常壓換刀技術(shù)、伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)技術(shù)、雙氣路壓力控制技術(shù)等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。中鐵高新工業(yè)股份有限公司總工程師唐智奮難掩激動(dòng)地說：“這是中國盾構(gòu)品牌與國外盾構(gòu)品牌的一次頂尖較量。”

最令業(yè)內(nèi)稱道的是，在如此大直徑的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)上搭載常壓換刀技術(shù)，在國內(nèi)尚屬首次。

據(jù)中鐵裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院工程師葉超介紹，盾構(gòu)機(jī)在穿越江底、海灣時(shí)，通常會(huì)在盾構(gòu)開挖面的密封隔艙內(nèi)注入泥水或泥漿（通常為膨潤土懸浮液），通過泥水加壓和外部壓力平衡，以保證開挖面土體的穩(wěn)定，防止坍塌和涌水。而在經(jīng)過一段時(shí)期的掘進(jìn)后，盾構(gòu)機(jī)的滾刀有所磨損，需要施工人員進(jìn)入艙內(nèi)更換才能繼續(xù)掘進(jìn)。此時(shí)，施工人員就處在全氣壓覆蓋的工作環(huán)境中。正常人能耐受氣壓為303.98kPa～405.30kPa，超過這個(gè)限度，將對人體產(chǎn)生不良影響。在壓力環(huán)境下，人體會(huì)出現(xiàn)耳鳴頭暈、血壓升高和血流速度加快等癥狀。

帶壓進(jìn)艙工作極大地提高了工作效率，但安全風(fēng)險(xiǎn)也相伴而來，執(zhí)行相關(guān)操作時(shí)需要慎之又慎。而隨著常壓換刀技術(shù)的出現(xiàn)，這個(gè)問題迎刃而解。中鐵裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院泥水所所長賀開偉解釋說：作業(yè)人員通過中心艙進(jìn)入刀盤內(nèi)部，在拆裝刀具前，刀箱內(nèi)密閉裝置會(huì)放下閘門與外界壓力隔絕，在刀盤內(nèi)形成一個(gè)小的密閉空間，保證施工人員在常壓環(huán)境下就能輕松換下刀具，安全系數(shù)大大提高。

為了配合更換刀具，盾構(gòu)機(jī)上還搭載了伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它能夠在油缸推力作用下讓盾構(gòu)機(jī)刀盤前伸400mm，并在刀盤四周布置了各個(gè)點(diǎn)位，使刀盤能夠像人類關(guān)節(jié)一樣進(jìn)行夾角為0.5度的自由擺動(dòng)，為更換刀具提供預(yù)留空間。

“可以說，這臺(tái)設(shè)備的出現(xiàn)，成功破解了我國在大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)方面存在的‘技術(shù)創(chuàng)新能力弱、關(guān)鍵部件受制于人、集成產(chǎn)品可靠性低、產(chǎn)業(yè)鏈高端缺位的技術(shù)瓶頸。”中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司董事長譚順輝止不住內(nèi)心興奮地說。

打破國外壟斷，

為我國節(jié)省采購費(fèi)用近一個(gè)億

在譚順輝興奮的背后，是此類超大直徑盾構(gòu)機(jī)市場長期被國外品牌壟斷的現(xiàn)狀。此前，國內(nèi)隧道建設(shè)項(xiàng)目，如崇明島越江隧道、南京長江隧道等，需要用到超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，但由于缺乏研制技術(shù)，多采用德國盾構(gòu)品牌。

為了改變處處受制于人的局面，中鐵裝備技術(shù)研發(fā)人員開始了一段學(xué)習(xí)、追趕的艱辛跋涉。他們首先選擇應(yīng)用于普通地鐵隧道的6m直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)尋求突破。2015年，中鐵裝備首臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“中鐵152號(hào)”下線，應(yīng)用于武漢地鐵6號(hào)線右線（武勝關(guān)—琴臺(tái)站）區(qū)間，盾構(gòu)機(jī)一路破除重重障礙，克服了地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地下管線密布等一系列施工難題，成功穿越漢江江底，其掘進(jìn)速度、掘進(jìn)效能均超過了在左線作業(yè)的國外品牌盾構(gòu)機(jī)，顯示出國產(chǎn)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)良好的性能。

此后，中鐵裝備自主研制的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)又先后在南昌贛江、北京望京隧道取得成功，還出口到新加坡，在湯申線地鐵項(xiàng)目上繼續(xù)優(yōu)異的表現(xiàn)。

有了這一基礎(chǔ)，中鐵裝備將研發(fā)目標(biāo)轉(zhuǎn)向10m級(jí)的超大直徑盾構(gòu)機(jī)。2015年，佛莞城際獅子洋隧道項(xiàng)目開建。為了抓住這個(gè)難得的實(shí)踐機(jī)會(huì)，中鐵裝備嘗試與國外盾構(gòu)品牌聯(lián)合研制。在聯(lián)合研制的過程中，中鐵裝備研發(fā)人員積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，最終促成了應(yīng)用于汕頭海灣隧道項(xiàng)目的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的誕生。

技術(shù)可控顯著提升了民族自主品牌的市場話語權(quán)。譚順輝告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者，這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的出現(xiàn)，填補(bǔ)了國內(nèi)關(guān)于超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)研制的空白，為我國盾構(gòu)機(jī)采購費(fèi)用直接節(jié)省了近一個(gè)億，同時(shí)也徹底打破了國外盾構(gòu)廠商在此領(lǐng)域的壟斷。

“國之重器”需要與時(shí)俱進(jìn)

在汕頭城市規(guī)劃中，汕頭海灣隧道是2020年前將建成的4條跨海通道之一。作為聯(lián)系汕頭南北兩岸的重要通道，其承擔(dān)著城區(qū)擴(kuò)容提質(zhì)和城市功能升級(jí)的重要作用。

該項(xiàng)目還是國內(nèi)首條八度地震區(qū)超大直徑海底盾構(gòu)隧道，同時(shí)也是目前國內(nèi)綜合難度最大的大直徑盾構(gòu)法海底隧道。

據(jù)了解，超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)具有對周邊環(huán)境影響小、工廠化作業(yè)程度高、地面沉降控制精度高、安全快速的特點(diǎn)，是目前我國跨江越海隧道施工的主要形式，也是“中國制造2025”規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的高端裝備。

隨著超大斷面隧道已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)一種極具代表性的隧道形式，超大直徑盾構(gòu)得到了越來越多的重視與應(yīng)用，可以預(yù)見盾構(gòu)直徑的紀(jì)錄也會(huì)被不斷突破與超越。據(jù)中國中鐵副總裁、總工程師劉輝介紹，中國中鐵目前中標(biāo)了國內(nèi)最大直徑盾構(gòu)隧道――深圳春風(fēng)隧道項(xiàng)目，目前中鐵裝備正在加緊研制為該項(xiàng)目量身定制的直徑15.8m的超大盾構(gòu)機(jī)，設(shè)備將于明年出廠。

即便已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)制造技術(shù)的領(lǐng)先地位，研發(fā)者依然不敢有絲毫懈怠。與盾構(gòu)機(jī)打了幾十年交道的中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司董事長譚順輝對《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者表示，“十幾年前，隧道施工急需的盾構(gòu)機(jī)主要依賴于國外進(jìn)口的景象，至今依然時(shí)時(shí)令我們警醒。中國需要‘國之重器，更需要在不同時(shí)期與時(shí)俱進(jìn)的‘國之重器，拓展未來升級(jí)與發(fā)展的空間。唯如此，‘國之重器才不會(huì)衰落。”

譚順輝坦言，以理念轉(zhuǎn)型帶動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以優(yōu)質(zhì)服務(wù)贏得市場先機(jī)，賦予裝備以智能化、綠色化、服務(wù)化、高端化元素，這是中國制造邁向國際的最優(yōu)路徑。

專家點(diǎn)評

流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域?qū)＜摇⒅袊こ淘涸菏織钊A勇：中國盾構(gòu)機(jī)技術(shù)會(huì)出口到更多國家

10多年前，我國使用的盾構(gòu)機(jī)基本上都是外國產(chǎn)品。如今，盾構(gòu)機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，而且不斷進(jìn)行創(chuàng)新和探索，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展。

中鐵裝備現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品整體技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)，個(gè)別技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)領(lǐng)先，所以到目前為止在中國市場上占有率最高，在全球市場上也位居前列。

這次中鐵裝備自主研制的目前國內(nèi)最大直徑的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的成功下線，將為智能盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造奠定基礎(chǔ)，而且該盾構(gòu)機(jī)有著良好的發(fā)展前景和市場空間。當(dāng)前國內(nèi)許多大的工程建設(shè)，如上海崇明島大規(guī)模開發(fā)，都需要這樣的設(shè)備。隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，這樣的技術(shù)會(huì)出口到更多國家，或?qū)⒊蔀槔^高鐵之后又一張引人注目的“中國名片”。

國內(nèi)最大直徑盾構(gòu)機(jī)有助于中國挑戰(zhàn)更多的世界級(jí)工程

中鐵裝備集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院泥水所所長 賀開偉

于直徑達(dá)到國內(nèi)最大，這給泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程帶來不小的難度。汕頭海灣隧道項(xiàng)目海底地質(zhì)復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)主要穿越淤泥質(zhì)土、淤泥、淤泥混沙、砂層及三段基巖凸起。三段基巖凸起最大高度約6m，累計(jì)長度約182m，局部巖石強(qiáng)度高達(dá)210MPa。這對盾構(gòu)機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)性和可靠性提出了更高的要求，而且涉及材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等多學(xué)科綜合積淀的技術(shù)。

這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)攻關(guān)突破了多項(xiàng)核心技術(shù)，在刀盤監(jiān)測、磨損監(jiān)測、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等方面取得重大創(chuàng)新，可以說是一臺(tái)高度智能化的盾構(gòu)機(jī)，它增設(shè)有形象化風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，可以對盾構(gòu)機(jī)出渣量、泥水艙壓力、氣墊艙壓力及液位、盾構(gòu)姿態(tài)、有害氣體等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)處理。

這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的出現(xiàn)填補(bǔ)了該領(lǐng)域國內(nèi)的空白，不僅能夠引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)，也將推動(dòng)施工單位掌握更多技術(shù)和能力，滿足未來城市交通路網(wǎng)的建設(shè)需求，也有助于國家挑戰(zhàn)更多的世界級(jí)工程。