超大型盾構(gòu)機： 我國自主創(chuàng)新的"新名片"

　　有"工程機械之王""地下蛟龍"之稱的盾構(gòu)機（又叫全斷面隧道掘進機）主要用于鐵路、公路、地鐵和水利等基建工程的隧道挖掘。然而長期以來，盾構(gòu)機的核心技術(shù)掌握在國外企業(yè)手中，一臺盾構(gòu)機動輒上億元，甚至數(shù)億元的價格讓許多企業(yè)望洋興嘆。

　　近日，我國最大直徑泥水平衡盾構(gòu)機--"運河號"在北京東六環(huán)改造項目中向著出口端掘進引發(fā)關(guān)注。這款由中交天和機械設備制造有限公司（下稱中交天和）研制的"國之重器"進京后在北京副中心建設項目中發(fā)揮了重要作用。一直以來，包括中交天和在內(nèi)的一大批自主骨干企業(yè)不斷創(chuàng)新，改寫了我國超大型盾構(gòu)機長期依賴進口的歷史。

　　自研技術(shù)趟出一條新路

　　1996年12月18日，北起西安、南到安康的西康鐵路正式修建，其中著名的秦嶺隧道全長18.46公里。在施工中，我國首次引進了兩臺德國盾構(gòu)機進行施工，大大縮短了工期。2002年，為打破我國盾構(gòu)機長期依賴進口的局面，國家將土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研制列入"863計劃"。2002年10月，中鐵隧道集團盾構(gòu)機研發(fā)項目組正式成立；2007年，北方重工集團有限公司與法國NFM公司簽訂并購框架協(xié)議，獲得相關(guān)技術(shù)；2010年中交天和參與研制直徑超過15米的超大型盾構(gòu)機……在國產(chǎn)盾構(gòu)機研發(fā)過程中，華中科技大學、中南大學、上海交通大學、大連理工大學、天津大學、清華大學和西安交通大學等高校相繼加入進來。

　　"我國超大型盾構(gòu)機的許多創(chuàng)新都是被逼出來的！"回憶起國產(chǎn)盾構(gòu)機的研制歷程，中交天和副總經(jīng)理、總工程師周駿對中國知識產(chǎn)權(quán)報記者表示，2010年，中國交通建設集團承接的南京緯三路過江隧道工程需要兩臺開挖直徑超過15米的超大直徑盾構(gòu)機。當時，我國還沒有直徑14米以上的超大型盾構(gòu)機，只能依賴進口?？墒堑聡髽I(yè)一臺設備要價7億元，兩臺盾構(gòu)機要花14億元，而當時整個項目的預算才50億元。

　　"進口設備這么貴，我們的需求又這么大，外國企業(yè)能夠制造，為什么中國人不能自己制造？"時任南京緯三路隧道指揮長、總工程師，現(xiàn)任中交天和黨委書記、董事長的張伯陽對當時窘迫的情況記憶猶新。在此背景下，2010年4月，中交天和在常熟注冊成立，工廠還沒建好，做夢都想造出超大型盾構(gòu)機的中交天和人接下了研發(fā)這兩臺開挖直徑超過15米的超大直徑盾構(gòu)機的研制任務。

　　在研發(fā)過程中，中交天和多次遭到國外的技術(shù)封鎖。管片同步施工搬運系統(tǒng)是超大型盾構(gòu)機的重要組件，當時國際上只有一家德國企業(yè)能夠生產(chǎn)，中交天和起初想直接購買這套組件，不過，當這家企業(yè)知道中交天和在自主研發(fā)盾構(gòu)機后，開出了天價合作費。

　　歷時14個月，420個日日夜夜，6700多張設計圖紙，10萬多個大小零部件，最后匯成了刀盤開挖直徑達15.03米、足有5層樓高、長達130米、重達4800噸的中國首臺泥水氣壓平衡復合式盾構(gòu)機--"天和號"。這臺盾構(gòu)機的成功研發(fā)，不僅為國家節(jié)約支出近8億元，還在國際上首創(chuàng)了多項新技術(shù)，其中刀盤伸縮技術(shù)、氦氧飽和帶壓換刀技術(shù)、長距離掘進刀盤都解決了盾構(gòu)機領域的世界性難題。

　　專利讓"地下蛟龍"游刃有余

　　"運河號"又名"長城號"，開挖直徑達16.07米，整機總長約145米，總重量約4500噸，國產(chǎn)化率95%以上。"'運河號'盾構(gòu)機國產(chǎn)化的背后有近80件專利的支撐，其中包括60件核心專利，另有十多件專利申請，涉及超大直徑盾構(gòu)機光纖磨損檢測、盾尾磨損檢測、綠色環(huán)保管路延長裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤伸縮擺動裝置等。"周駿表示。

　　主軸承有盾構(gòu)機"心臟"之稱，承擔盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)過程中的主要載荷，是刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。盾構(gòu)機在掘進過程中面臨鵝卵石、復合地質(zhì)、泥水地質(zhì)、巖石甚至混合體等復雜的地層，主軸承需承受高速旋轉(zhuǎn)、巨大載荷和強烈溫升。在此情況下，刀盤主軸承的穩(wěn)定性是壓倒一切技術(shù)指標的關(guān)鍵。國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局機械發(fā)明審查部審查員許亭對"運河號"的相關(guān)專利進行梳理分析后發(fā)現(xiàn)，"運河號"主驅(qū)動系統(tǒng)的其中一件代表性專利（公告號：CN213655472U）從以往的需要依托于盾體內(nèi)周和主驅(qū)動外周的聯(lián)動設計來實現(xiàn)伸縮功能，變?yōu)橥ㄟ^一個獨立軸承連接盾體和主驅(qū)動來解決盾構(gòu)主驅(qū)動的伸縮滑動問題，簡化了盾構(gòu)刀盤伸縮功能的設計方案。

　　在盾構(gòu)機地下掘進的過程中，不僅要有一顆強大的"心臟"，更需要武裝"牙齒"，啃下復雜的地況。這副"牙齒"就是它的刀盤。一般情況下，在砂卵石地層超大直徑盾構(gòu)機平均每掘進200米需進行刀具更換。"運河號"首創(chuàng)了長距離掘進不換刀技術(shù)，可實現(xiàn)連續(xù)掘進4800米不換刀。為解決相關(guān)技術(shù)難題，中交天和進行技術(shù)研發(fā)并提交了與"運河號"刀盤系統(tǒng)相關(guān)的專利申請。其中代表性專利（公告號：CN210289784U）采用氣壓輔助掘進減小盾構(gòu)機掘進時的負載，通過氣壓逼退地下水，保證同步注漿質(zhì)量，有效降低土倉內(nèi)渣土量，提高渣土流動性，同時切削下來的渣土快速進入土倉內(nèi)，減輕了開挖面和土倉內(nèi)渣土對刀盤及刀具的磨損，可避免刀盤結(jié)泥餅，提高掘進效率。

　　為了實時關(guān)注著這只"地下蛟龍"的工作狀態(tài)，工程師們?yōu)槎軜?gòu)機設計了一雙智慧的"眼睛"，這雙"眼睛"就是它的監(jiān)控管理系統(tǒng)。中交天和的專利（公開號：CN101148989A）提出一種盾構(gòu)掘進機本地及遠程監(jiān)控方法，可實時、準確、全面地反映盾構(gòu)機主要機構(gòu)的運行狀態(tài)，并可結(jié)合遠程網(wǎng)絡技術(shù)，進行網(wǎng)絡瀏覽和監(jiān)控，方便進行盾構(gòu)機的管理和維護。

　　有了一雙智慧的"眼睛"，工程師們又為它配置了強健的"四肢"，這"四肢"就是它的推進裝置。"運河號"的代表性專利（公告號：CN210033439U）提出一種盾構(gòu)機的可自動糾偏的推進裝置，其利用彈簧力的作用，在推進狀態(tài)下靴板與管片自動貼合，推進油缸回縮時，靴板自動復位，沒有其他的液壓閥、液壓油缸等控制元件，尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低、易維護。

　　一副健康的"腸胃"讓"運河號"不但能把活兒干得干凈漂亮，而且可延長使用壽命，這副"腸胃"就是它的泥水循環(huán)系統(tǒng)。在該技術(shù)領域，中交天和的專利（公開號：CN110966010A）提出一種可調(diào)密度的泥水土壓雙模式盾構(gòu)機。該技術(shù)能有效結(jié)合土壓平衡系統(tǒng)和泥水平衡系統(tǒng)，針對不同地層地質(zhì)，進行泥水和土壓模式切換，實現(xiàn)復雜地質(zhì)下的高效掘進。

　　不僅如此，中交天和目前還掌握著超大直徑盾構(gòu)機創(chuàng)抗浮技術(shù)、光纖磨損檢測、盾尾磨損檢測、管片自動化拼裝、同步掘進、智慧化遠程安全監(jiān)控管理、管片自動化拼裝技術(shù)、綠色環(huán)保管路延長裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤伸縮擺動裝置等諸多創(chuàng)新技術(shù)，并且在相關(guān)技術(shù)領域都進行了有效的專利布局。

　　走出國門打造創(chuàng)新名片

　　2018年3月13日，孟加拉國卡納普里河河底隧道用超大直徑盾構(gòu)機下線儀式如期舉行，這場慶典被視為中國盾構(gòu)機發(fā)展歷程中的里程碑事件，終結(jié)了海外超大直徑盾構(gòu)機市場一直為國外壟斷的局面。同年9月29日，中國出口海外最大直徑盾構(gòu)機下線，后來該盾構(gòu)機服務于東南亞第一條最高時速達350公里的高鐵--印度尼西亞雅萬高鐵1號隧道。

　　2020年，我國機械行業(yè)年銷售收入突破7600億元，包括盾構(gòu)機、混凝土機械、壓路機、推土機等在內(nèi)的一大批工程機械產(chǎn)品產(chǎn)量躍居世界首位，我國作為世界工程機械制造大國的地位更加穩(wěn)固。"隨著我國經(jīng)濟發(fā)展維度更寬，層次更深，基礎設施建設呈現(xiàn)多樣性、大型化、高效化、個性化趨勢，激勵了企業(yè)新材料、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的創(chuàng)新與應用，使工程機械滿足了不斷變化的市場需求，國內(nèi)市場工程機械自給率2020年高達96%以上。"中國工程機械工業(yè)協(xié)會會長蘇子孟表示。

　　"十余年來，我們實現(xiàn)了從國產(chǎn)首臺超大直徑盾構(gòu)機--'天和號'橫空出世，到孟加拉國卡納普里河河底隧道及印度尼西亞雅萬高鐵用超大直徑盾構(gòu)機走出國門，到'振興號'超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機在揚子江底79米水深處前行，再到中國最大直徑盾構(gòu)機'長城號'的歷史性跨越。"張伯陽表示。

　　"未來，中交天和將堅持走自主研發(fā)、科技創(chuàng)新之路，秉持做大做強中國盾構(gòu)機的初心，堅持原始創(chuàng)新，不斷提升我國工程機械的創(chuàng)新水平。"中交天和黨委副書記、總經(jīng)理張英明表示。(記者 陳景秋)

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