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盾構(gòu)機(jī)是專(zhuān)門(mén)用于隧道掘進(jìn)的工程機(jī)械，是名副其實(shí)的大國(guó)重器。中國(guó)鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度，自主研發(fā)不同型號(hào)的盾構(gòu)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)盾構(gòu)機(jī)從無(wú)到有、從進(jìn)口到出口、從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。
直徑達(dá)14.02米，紅藍(lán)相間的圓形刀盤(pán)上，數(shù)百個(gè)白色刀頭組成一道道美麗的弧線(xiàn)。
1月18日，在上海軌道交通市域線(xiàn)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)工程中，國(guó)產(chǎn)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“建勛號(hào)”向前鉆進(jìn)，猶如一條鋼鐵巨龍。
“刀頭由硬度極高的合金組成，是‘鐵齒銅牙’，既能吃軟土，也能啃硬巖。”鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院泥水盾構(gòu)研究所副所長(zhǎng)范瑞強(qiáng)說(shuō)：“光是刀頭相關(guān)技術(shù)，就凝聚著企業(yè)多年來(lái)的科技創(chuàng)新成果。”
鐵建重工是中國(guó)鐵建股份有限公司在工業(yè)制造板塊的核心企業(yè)。近年來(lái)，中國(guó)鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度。“十三五”期間，中國(guó)鐵建獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)17項(xiàng)，新增授權(quán)專(zhuān)利14389件，新增國(guó)家級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)4個(gè)，新增主持國(guó)家科研項(xiàng)目8項(xiàng)、課題26個(gè)。
因地制宜研發(fā)
量身定做產(chǎn)品
盾構(gòu)機(jī)是專(zhuān)門(mén)用于隧道掘進(jìn)的工程機(jī)械，在重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是名副其實(shí)的大國(guó)重器。因?yàn)閾碛写┥酱蚨吹某瑥?qiáng)能力，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽(yù)。
如此重器，如何工作？盾構(gòu)機(jī)在前進(jìn)時(shí)，用刀頭將泥土、巖石碾碎，“吃”進(jìn)肚子里，再通過(guò)專(zhuān)門(mén)的管道運(yùn)送至機(jī)身后方排出。與此同時(shí)，通過(guò)注漿和管片砌襯，為挖好的隧道、地道加固定型，形成永久性結(jié)構(gòu)。“盾”與“構(gòu)”分步進(jìn)行，一條龍作業(yè)。
“一臺(tái)大型盾構(gòu)機(jī)，重量超過(guò)3000噸，零部件超過(guò)3萬(wàn)個(gè)，涉及電氣、光學(xué)、力學(xué)、土木、機(jī)械等眾多學(xué)科，制造工藝復(fù)雜。”范瑞強(qiáng)說(shuō)。
不同工程項(xiàng)目面臨的地質(zhì)條件、隧道規(guī)模大小和施工環(huán)境千差萬(wàn)別，對(duì)設(shè)備選型要求各異，所以盾構(gòu)機(jī)不能批量化生產(chǎn)，需要因地制宜研發(fā)、量身定做產(chǎn)品。這也意味著，每一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都“個(gè)性十足”。
“建勛號(hào)”主要用于上海軌道交通市域線(xiàn)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)工程。聯(lián)絡(luò)線(xiàn)沿線(xiàn)穿越軌道交通、市政公路、橋梁等重要建筑物，對(duì)地表沉降控制精度和環(huán)境保護(hù)要求較高。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)管片砌襯技術(shù)時(shí)，對(duì)隧道底部的大弧形塊，首次采用整體預(yù)制拼裝工藝施工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)箱涵兩側(cè)現(xiàn)澆的工法，提高隧道整體施工速度，確保隧道成型質(zhì)量。
2017年7月，5臺(tái)國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)第一次走向歐洲。面對(duì)超低溫施工環(huán)境，鐵建重工開(kāi)發(fā)了可耐零下30攝氏度低溫的主驅(qū)動(dòng)，增加液壓泵站、變頻器等輔助加熱系統(tǒng)。“工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常考慮的是散熱，但這一次我們給盾構(gòu)機(jī)增加加熱裝置和溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，讓冷熱兩套系統(tǒng)完美兼容。”這5臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的總設(shè)計(jì)師孫雪豐說(shuō)，團(tuán)隊(duì)反復(fù)推導(dǎo)計(jì)算和熱力學(xué)仿真，畫(huà)了800多張系統(tǒng)原理圖和結(jié)構(gòu)圖紙，最終確保油箱內(nèi)液壓油合理升溫，又沒(méi)有影響液壓油的使用性能。
經(jīng)過(guò)多年努力，針對(duì)“超惡劣自然環(huán)境、超風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)條件、超常規(guī)長(zhǎng)大隧道”等不同類(lèi)別的施工場(chǎng)景，鐵建重工研制出一個(gè)個(gè)“身懷絕技”的國(guó)之重器，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
搭建科創(chuàng)平臺(tái)
攻克核心技術(shù)
伴著機(jī)器轟鳴聲，在北京東六環(huán)改造工程建設(shè)中，由鐵建重工研制的“京華號(hào)”正在開(kāi)展地下穿越之旅。這臺(tái)我國(guó)迄今研制的最大直徑盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑達(dá)16米級(jí)，整機(jī)長(zhǎng)150米，總重量4300噸。它的刀盤(pán)上，有近400個(gè)硬質(zhì)合金的刀頭，硬度媲美金剛石。
但再堅(jiān)硬的刀頭也會(huì)被磨損。鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院副院長(zhǎng)暨智勇介紹，盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的地方往往在地下幾十米。過(guò)去只能采取帶壓換刀的方式，即由專(zhuān)業(yè)的施工人員到刀盤(pán)背部，手動(dòng)更換一個(gè)個(gè)刀頭。帶壓的感覺(jué)，就像在深海潛水，人體內(nèi)部需要承受相應(yīng)的壓力，具有一定的危險(xiǎn)系數(shù)。因此，為了保證施工人員安全，必須在帶壓換刀開(kāi)展前準(zhǔn)備充足，構(gòu)建好穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。“也就是說(shuō)，以前盾構(gòu)機(jī)每往前掘進(jìn)200米，就需要‘修整’一周。”暨智勇說(shuō)，為此，鐵建重工和中南大學(xué)等高校合作，搭建了基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用研究試驗(yàn)平臺(tái)這一省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)，研發(fā)出常壓換刀技術(shù)，大幅提高了換刀效率。“如今，工作人員鉆進(jìn)刀盤(pán)后方的箱體，將刀頭抽回箱體，泄壓后直接更換，換刀只需要四五十分鐘。”暨智勇說(shuō)。
“過(guò)去刀盤(pán)刀具長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，交貨時(shí)間也不可控。現(xiàn)在，我們?cè)谠囼?yàn)平臺(tái)上不斷測(cè)試性能和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出適合不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)機(jī)刀具，實(shí)現(xiàn)了‘卡脖子’技術(shù)的突破。”鐵建重工科技發(fā)展研究院院長(zhǎng)廖金軍說(shuō)，目前，包括極硬巖滾刀在內(nèi)的各品類(lèi)盾構(gòu)刀具，已能做到完全國(guó)產(chǎn)化。
中國(guó)鐵建不斷加強(qiáng)科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)。目前全系統(tǒng)擁有國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)23個(gè)、省部級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)122個(gè)。“十三五”期間，鐵建重工面向國(guó)家戰(zhàn)略、重大工程、通用市場(chǎng)需求，承擔(dān)和參與國(guó)家級(jí)科技項(xiàng)目30余項(xiàng)，聚焦攻克關(guān)鍵核心技術(shù)過(guò)百項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)“卡脖子”技術(shù)的創(chuàng)新突破和部分領(lǐng)跑。
從跟跑到領(lǐng)跑
從配角到主角
巨大的圓形刀盤(pán)上，一只懷抱嫩竹的大熊貓占據(jù)“C位”……這是被網(wǎng)友稱(chēng)為“最萌大國(guó)重器”的“錦繡號(hào)”盾構(gòu)機(jī)，也是一臺(tái)國(guó)產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，正在參與成（都）自（貢）高鐵錦繡隧道建設(shè)。其最大的特點(diǎn)，在于高承壓能力。
原來(lái)，錦繡隧道“深淺不一”，最小覆土厚度不足8米，而最大埋深則達(dá)到60米。為了應(yīng)對(duì)覆土淺和沿線(xiàn)地面多建構(gòu)物的復(fù)雜情況，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為盾構(gòu)機(jī)增設(shè)23個(gè)超前注漿孔、28個(gè)徑向注入口，可預(yù)先對(duì)周?chē)馏w注漿加固，徑向注入支撐介質(zhì)，有效控制地面沉降，確保地面建筑不受影響。
“面對(duì)極高的水土壓力，‘錦繡號(hào)’采用了具有高承壓能力的聚氨酯密封技術(shù)，可承受10巴水土壓力，相當(dāng)于用一個(gè)雞蛋支撐5個(gè)成年人的重量。”鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院土壓盾構(gòu)研究所工程師鐘晴說(shuō)。
同時(shí)，“錦繡號(hào)”是我國(guó)迄今研制的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，進(jìn)一步鞏固了國(guó)產(chǎn)隧道掘進(jìn)技術(shù)裝備的自主可控能力。
時(shí)間倒回10多年前，盾構(gòu)機(jī)技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，“洋品牌”盾構(gòu)機(jī)幾乎占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，價(jià)格高昂。2010年，鐵建重工研制出國(guó)產(chǎn)首臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到87%。這一重大突破，讓均價(jià)1.5億元的洋盾構(gòu)被迫降價(jià)30%。
經(jīng)過(guò)10多年發(fā)展，國(guó)產(chǎn)品牌盾構(gòu)機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上。以鐵建重工為代表的國(guó)內(nèi)地下工程裝備企業(yè)，技術(shù)從跟跑到部分領(lǐng)跑，市場(chǎng)份額從配角到主角。
不過(guò)，創(chuàng)新過(guò)程中仍有一些需要攻克的問(wèn)題。鐵建重工黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)劉飛香介紹，產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈中的每一環(huán)都至關(guān)重要，只有供應(yīng)鏈穩(wěn)定才能保證生產(chǎn)、確保供應(yīng)。
“我們的首要任務(wù)，仍是把產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新進(jìn)行到底，堅(jiān)持差異化、高端化的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品戰(zhàn)略。”劉飛香說(shuō)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)要進(jìn)一步完善產(chǎn)品型譜，滿(mǎn)足細(xì)分領(lǐng)域不同場(chǎng)景的施工需求；要加強(qiáng)行業(yè)共性技術(shù)研究，積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定修訂，在關(guān)鍵領(lǐng)域形成以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
