有“工程機械之王”“地下蛟龍”之稱(chēng)的盾構機（又叫全斷面隧道掘進(jìn)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(cháng)期以來(lái)，盾構機的核心技術(shù)掌握在國外企業(yè)手中，一臺盾構機動(dòng)輒上億元，甚至數億元的價(jià)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機——“運河號”在北京東六環(huán)改造項目中向著(zhù)出口端掘進(jìn)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(chēng)中交天和）研制的“國之重器”進(jìn)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(lái)，包括中交天和在內的一大批自主骨干企業(yè)不斷創(chuàng )新，改寫(xiě)了我國超大型盾構機長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)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(zhù)名的秦嶺隧道全長(cháng)18.46公里。在施工中，我國首次引進(jìn)了兩臺德國盾構機進(jìn)行施工，大大縮短了工期。2002年，為打破我國盾構機長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面，國家將土壓平衡盾構關(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(guò)15米的超大型盾構機……在國產(chǎn)盾構機研發(fā)過(guò)程中，華中科技大學(xué)、中南大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校相繼加入進(jìn)來(lái)。
“我國超大型盾構機的許多創(chuàng )新都是被逼出來(lái)的！”回憶起國產(chǎn)盾構機的研制歷程，中交天和副總經(jīng)理、總工程師周駿對中國知識產(chǎn)權報記者表示，2010年，中國交通建設集團承接的南京緯三路過(guò)江隧道工程需要兩臺開(kāi)挖直徑超過(guò)15米的超大直徑盾構機。當時(shí)，我國還沒(méi)有直徑14米以上的超大型盾構機，只能依賴(lài)進(jìn)口?？墒堑聡髽I(yè)一臺設備要價(jià)7億元，兩臺盾構機要花14億元，而當時(shí)整個(gè)項目的預算才50億元。
“進(jìn)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(shí)任南京緯三路隧道指揮長(cháng)、總工程師，現任中交天和黨委書(shū)記、董事長(cháng)的張伯陽(yáng)對當時(shí)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(chǎng)還沒(méi)建好，做夢(mèng)都想造出超大型盾構機的中交天和人接下了研發(fā)這兩臺開(kāi)挖直徑超過(guò)15米的超大直徑盾構機的研制任務(wù)。
在研發(fā)過(guò)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是超大型盾構機的重要組件，當時(shí)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(mǎi)這套組件，不過(guò)，當這家企業(yè)知道中交天和在自主研發(fā)盾構機后，開(kāi)出了天價(jià)合作費。
歷時(shí)14個(gè)月，420個(gè)日日夜夜，6700多張設計圖紙，10萬(wàn)多個(gè)大小零部件，最后匯成了刀盤(pán)開(kāi)挖直徑達15.03米、足有5層樓高、長(cháng)達130米、重達4800噸的中國首臺泥水氣壓平衡復合式盾構機——“天和號”。這臺盾構機的成功研發(fā)，不僅為國家節約支出近8億元，還在國際上首創(chuàng )了多項新技術(shù)，其中刀盤(pán)伸縮技術(shù)、氦氧飽和帶壓換刀技術(shù)、長(cháng)距離掘進(jìn)刀盤(pán)都解決了盾構機領(lǐng)域的世界性難題。
專(zhuān)利讓“地下蛟龍”游刃有余
“運河號”又名“長(cháng)城號”，開(kāi)挖直徑達16.07米，整機總長(cháng)約145米，總重量約4500噸，國產(chǎn)化率95%以上?！啊\河號’盾構機國產(chǎn)化的背后有近80件專(zhuān)利的支撐，其中包括60件核心專(zhuān)利，另有十多件專(zhuān)利申請，涉及超大直徑盾構機光纖磨損檢測、盾尾磨損檢測、綠色環(huán)保管路延長(cháng)裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤(pán)伸縮擺動(dòng)裝置等?！敝茯E表示。
主軸承有盾構機“心臟”之稱(chēng)，承擔盾構機運轉過(guò)程中的主要載荷，是刀盤(pán)驅動(dòng)系統的關(guān)鍵部件。盾構機在掘進(jìn)過(guò)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、巨大載荷和強烈溫升。在此情況下，刀盤(pán)主軸承的穩定性是壓倒一切技術(shù)指標的關(guān)鍵。國家知識產(chǎn)權局專(zhuān)利局機械發(fā)明審查部審查員許亭對“運河號”的相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行梳理分析后發(fā)現，“運河號”主驅動(dòng)系統的其中一件代表性專(zhuān)利（公告號：CN213655472U）從以往的需要依托于盾體內周和主驅動(dòng)外周的聯(lián)動(dòng)設計來(lái)實(shí)現伸縮功能，變?yōu)橥ㄟ^(guò)一個(gè)獨立軸承連接盾體和主驅動(dòng)來(lái)解決盾構主驅動(dòng)的伸縮滑動(dòng)問(wèn)題，簡(jiǎn)化了盾構刀盤(pán)伸縮功能的設計方案。
在盾構機地下掘進(jìn)的過(guò)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(pán)。一般情況下，在砂卵石地層超大直徑盾構機平均每掘進(jìn)200米需進(jìn)行刀具更換?！斑\河號”首創(chuàng )了長(cháng)距離掘進(jìn)不換刀技術(shù)，可實(shí)現連續掘進(jìn)4800米不換刀。為解決相關(guān)技術(shù)難題，中交天和進(jìn)行技術(shù)研發(fā)并提交了與“運河號”刀盤(pán)系統相關(guān)的專(zhuān)利申請。其中代表性專(zhuān)利（公告號：CN210289784U）采用氣壓輔助掘進(jìn)減小盾構機掘進(jìn)時(shí)的負載，通過(guò)氣壓逼退地下水，保證同步注漿質(zhì)量，有效降低土倉內渣土量，提高渣土流動(dòng)性，同時(shí)切削下來(lái)的渣土快速進(jìn)入土倉內，減輕了開(kāi)挖面和土倉內渣土對刀盤(pán)及刀具的磨損，可避免刀盤(pán)結泥餅，提高掘進(jìn)效率。
為了實(shí)時(shí)關(guān)注著(zhù)這只“地下蛟龍”的工作狀態(tài)，工程師們?yōu)槎軜嫏C設計了一雙智慧的“眼睛”，這雙“眼睛”就是它的監控管理系統。中交天和的專(zhuān)利（公開(kāi)號：CN101148989A）提出一種盾構掘進(jìn)機本地及遠程監控方法，可實(shí)時(shí)、準確、全面地反映盾構機主要機構的運行狀態(tài)，并可結合遠程網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )瀏覽和監控，方便進(jìn)行盾構機的管理和維護。
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(jìn)裝置?！斑\河號”的代表性專(zhuān)利（公告號：CN210033439U）提出一種盾構機的可自動(dòng)糾偏的推進(jìn)裝置，其利用彈簧力的作用，在推進(jìn)狀態(tài)下靴板與管片自動(dòng)貼合，推進(jìn)油缸回縮時(shí)，靴板自動(dòng)復位，沒(méi)有其他的液壓閥、液壓油缸等控制元件，尺寸緊湊，結構簡(jiǎn)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(cháng)使用壽命，這副“腸胃”就是它的泥水循環(huán)系統。在該技術(shù)領(lǐng)域，中交天和的專(zhuān)利（公開(kāi)號：CN110966010A）提出一種可調密度的泥水土壓雙模式盾構機。該技術(shù)能有效結合土壓平衡系統和泥水平衡系統，針對不同地層地質(zhì)，進(jìn)行泥水和土壓模式切換，實(shí)現復雜地質(zhì)下的高效掘進(jìn)。
不僅如此，中交天和目前還掌握著(zhù)超大直徑盾構機創(chuàng )抗浮技術(shù)、光纖磨損檢測、盾尾磨損檢測、管片自動(dòng)化拼裝、同步掘進(jìn)、智慧化遠程安全監控管理、管片自動(dòng)化拼裝技術(shù)、綠色環(huán)保管路延長(cháng)裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤(pán)伸縮擺動(dòng)裝置等諸多創(chuàng )新技術(shù)，并且在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了有效的專(zhuān)利布局。
走出國門(mén)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機下線(xiàn)儀式如期舉行，這場(chǎng)慶典被視為中國盾構機發(fā)展歷程中的里程碑事件，終結了海外超大直徑盾構機市場(chǎng)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機下線(xiàn)，后來(lái)該盾構機服務(wù)于東南亞第一條最高時(shí)速達350公里的高鐵——印度尼西亞雅萬(wàn)高鐵1號隧道。
2020年，我國機械行業(yè)年銷(xiāo)售收入突破7600億元，包括盾構機、混凝土機械、壓路機、推土機等在內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固?！半S著(zhù)我國經(jīng)濟發(fā)展維度更寬，層次更深，基礎設施建設呈現多樣性、大型化、高效化、個(gè)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(mǎn)足了不斷變化的市場(chǎng)需求，國內市場(chǎng)工程機械自給率2020年高達96%以上?！敝袊こ虣C械工業(yè)協(xié)會(huì )會(huì )長(cháng)蘇子孟表示。
“十余年來(lái)，我們實(shí)現了從國產(chǎn)首臺超大直徑盾構機——‘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(wàn)高鐵用超大直徑盾構機走出國門(mén)，到‘振興號’超大直徑泥水平衡盾構機在揚子江底79米水深處前行，再到中國最大直徑盾構機‘長(cháng)城號’的歷史性跨越?！睆埐?yáng)表示。
“未來(lái)，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?！敝薪惶旌忘h委副書(shū)記、總經(jīng)理張英明表示。
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