掘進方向從水平到斜向、豎向、拐彎掘進，刀盤直徑從0.5米到超16米
盾構(gòu)機，“百變金剛”本領(lǐng)強(產(chǎn)經(jīng)觀察·細看產(chǎn)品七十二變④)
河南鄭州，“帕蒂加朗號”盾構(gòu)機下線，開挖直徑達15.7米，將出口澳大利亞，這是我國出口的最大直徑盾構(gòu)機；
上海崇明，“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機掘地潛行，以“有人值守、無人操作”的方式抵達長江江心……
盾構(gòu)機，全稱為全斷面隧道掘進機，被譽為“工程機械之王”。刀盤直徑從0.5米到超16米，掘進方向從水平到斜向、豎向、拐彎掘進……如今，在中國工程師手里，盾構(gòu)機成了“百變金剛”，種類繁多、本領(lǐng)高強。
掘進方向之變
從水平到斜向、豎向、拐彎掘進
過往，盾構(gòu)機多是水平掘進。今天，中國制造的盾構(gòu)機不僅能橫著挖，還能斜向上挖、斜向下挖、直線向上挖、直線向下挖。
能爬坡，挖斜井。
說起斜向上挖的盾構(gòu)機，不得不提全球首臺大直徑會“爬陡坡”的隧道掘進機“永寧號”。
去年9月，“永寧號”順利完成洛寧抽水蓄能電站2號引水斜井的挖掘任務(wù)。這是一條坡度達38.742度、全長約873米的斜井。“永寧號”不僅成功爬坡，還取得了月掘進332米、單日最高進尺22.75米的佳績，大幅提升了斜井的施工效率。
能下坡，助采礦。
有了“永寧號”的成功經(jīng)驗，中鐵裝備研發(fā)團隊又開發(fā)了全球首臺大傾角下坡掘進礦用隧道掘進機“中鐵1285號”。
眼下，“中鐵1285號”已完成淮北礦業(yè)集團臨渙煤礦作業(yè)任務(wù)。它不僅實現(xiàn)了長距離15度下坡掘進，還成功穿越落差達330米的大斷層，一口氣完成下坡、拐彎等高難度動作。
向下走，挖車庫。
在上海靜安區(qū)廣延路一處綠地，占地面積不足300平方米的圍擋內(nèi)，上海首個垂直掘進(盾構(gòu))地下智慧車庫項目正在進行最后的調(diào)試。
中鐵十五局項目負責(zé)人王文燦告訴記者，與傳統(tǒng)垂直車庫采用明挖法或沉井法施工不同，這個項目使用了全球最大直徑豎井掘進機“夢想號”，驗證了垂直掘進施工工法的可行性。
向上走，挖豎井。
在浙江景寧抽水蓄能電站，國內(nèi)首臺超大直徑反井鉆機“中鐵1361號”正進行排風(fēng)豎井施工。從山腳“頂壓向上”前行，“中鐵1361號”通過創(chuàng)新采用“一擴成井”工藝，可實現(xiàn)直徑7米、深度311米的井筒一次性開挖成型。
新的開挖方向，適用于新的應(yīng)用場景。
“長期以來，盾構(gòu)機主要用于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，盾構(gòu)機未來的市場在哪里？”中鐵裝備技術(shù)中心副主任賀飛坦言，這是企業(yè)一直在思考的問題。
水利、水電、煤礦、非煤礦山、城市綜合管廊、停車庫……在中鐵裝備眼中，這些項目均是盾構(gòu)機大展身手的場景。他們成立多個研發(fā)團隊，開展針對性開發(fā)，讓盾構(gòu)機不僅可以多方向開挖，而且具備圓形、方形、馬蹄形、橢圓形等不同形狀的開挖能力，拓展了盾構(gòu)機的應(yīng)用場景。
新的開挖方向，代表著更強的研發(fā)能力。
每一款新挖掘方向盾構(gòu)機的問世，都凝聚著一系列技術(shù)創(chuàng)新。就拿“永寧號”來說，其爬山模式借鑒了爬山虎的結(jié)構(gòu)，50多名專家開展了歷經(jīng)數(shù)月的研究、設(shè)計、試驗，最終決定為“永寧號”加裝前后4組共8條“腿”、16個“腳”，助力其安全“爬上山頂”。
再看“中鐵1361號”，為實現(xiàn)盾構(gòu)機“頂壓向上”，研發(fā)團隊對重載鉆桿、鉆桿一鍵自動化拆卸、多功能變頻主驅(qū)動及智能化控制等方面展開針對性設(shè)計，做到大直徑豎井一次反拉成井，設(shè)備安全、高效、可靠運行。
體量身型之變
直徑從15米級躍升至16米級
15.4米！2024年1月，“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機下線，成為世界最大直徑高鐵泥水平衡盾構(gòu)機。
超16.6米！2024年10月，“江海號”盾構(gòu)機下線，成為我國自主研制的超大直徑盾構(gòu)機。
國產(chǎn)盾構(gòu)機，為何直徑越造越大？
“算總賬，大直徑盾構(gòu)隧道‘性價比’更高。”中鐵十四局盾構(gòu)專家陳健從兩方面作了詳細介紹——
大直徑隧道，可實現(xiàn)單管多線布設(shè)。以前，穿江越海隧道大多設(shè)計為單管單線的雙管方案，即上下行分為雙洞。隨著盾構(gòu)機直徑升級，用單條超大直徑隧道替代傳統(tǒng)雙管，可有效節(jié)約地下空間資源。
大直徑隧道，還可實現(xiàn)多功能集中布設(shè)。15米級及以上的盾構(gòu)隧道，可構(gòu)建地下立體空間，實現(xiàn)市政道路、軌道交通、綜合管廊同管布設(shè)。這就避免了隧道的重復(fù)開挖，可降低建設(shè)、運營、維護等綜合建造成本。
我國水域廣闊，江河縱橫，各沿江沿海城市對跨越水域、聯(lián)通兩岸、暢通出行有著剛性需求。超大直徑盾構(gòu)機恰可滿足建設(shè)需求。相比橋梁，超大直徑盾構(gòu)隧道在減少航道影響、保護沿岸生態(tài)、應(yīng)對惡劣氣候等方面具有明顯優(yōu)勢。
不過，直徑越大，盾構(gòu)機制造的難度就越大。
“盾構(gòu)機直徑超過15米后，隨著開挖直徑增大，不良地質(zhì)可能引起呈冪級增長的隧道災(zāi)難，給盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)強度、控制精度、材料疲勞等提出更高需求。”賀飛說。
就拿推進系統(tǒng)來說，15米級以上盾構(gòu)機，其承受的水土壓力可達5巴以上，因此需要30組以上液壓千斤頂同時“發(fā)力”，才能推動盾構(gòu)機前行，而6米級盾構(gòu)機僅需16組。千斤頂數(shù)量越多，同步控制難度越大，但對盾構(gòu)機而言，推進系統(tǒng)任何微小的不同步，都會導(dǎo)致盾體“卡殼”或軸線偏移。
此外，類似刀盤驅(qū)動軸承等關(guān)鍵核心部件，都需要采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計，才能滿足應(yīng)用需求。賀飛表示，對15米級以上超大直徑盾構(gòu)機，直徑每增加1米，都會對盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封承壓、出渣處理等提出新挑戰(zhàn)，“每一次升級都絕非易事”。
攻克技術(shù)難點，成果接踵而至。2017年10月，我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的15米級超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機“中鐵306號”成功下線，首次打破國外對大直徑盾構(gòu)機的壟斷。
此后，從開挖直徑15.8米的“春風(fēng)號”到直徑16.07米的“京華號”，再到直徑超16.6米的“江海號”，國產(chǎn)超大直徑盾構(gòu)機實現(xiàn)了從“跟隨”到“引領(lǐng)”的躍變。
“目前，我國已在超大直徑盾構(gòu)機的研制和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新跨越，形成了超大直徑盾構(gòu)機全產(chǎn)業(yè)鏈能力。”賀飛說。
操作方式之變
從人工駕駛到自動掘進
目前，我國國產(chǎn)盾構(gòu)機已占據(jù)全球市場近七成份額。中國工程師正努力讓盾構(gòu)機更智能、更綠色。
走進“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機駕駛室，屏幕上跳動的各項數(shù)據(jù)，實時反饋當(dāng)前設(shè)備掘進狀態(tài)，盾構(gòu)機長只監(jiān)測、不操作。這是因為研發(fā)團隊為“領(lǐng)航號”這個“金剛鉆”裝上了“千里眼”和“智慧腦”。
“傳統(tǒng)盾構(gòu)施工就像盲人走路，由于無法100%了解周圍地質(zhì)情況，施工過程中安全風(fēng)險較高。”中鐵裝備“領(lǐng)航號”盾構(gòu)機主設(shè)計師廖兆錦說。為此，“領(lǐng)航號”搭載超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，可對刀盤前方10米到40米的地質(zhì)條件進行精準(zhǔn)探測，智能感知系統(tǒng)也可對地質(zhì)條件進行實時分析，保證盾構(gòu)正常掘進。
“智慧腦”則讓“領(lǐng)航號”擁有了智能分析和自主判斷的能力。在長達14.25千米的隧道里，它可以不借助任何“幫手”即完成獨頭掘進，實現(xiàn)了“有人值守、無人操作”狀態(tài)下毫米級的掘進精度。“有了智能系統(tǒng)助力，施工效率和質(zhì)量提高了，我們還能實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)及工程潛在風(fēng)險，確保工程平穩(wěn)推進。”中鐵隧道局崇太長江隧道項目副總工程師傅博偉說。
再看綠色化。
2024年7月23日，世界首臺綠色盾構(gòu)機“中鐵1237號”順利始發(fā)，開挖直徑為9.16米、設(shè)備長度約135米、總重達1900噸。
何為綠色盾構(gòu)？“我們?yōu)槎軜?gòu)機搭載了智能系統(tǒng)，通過對盾構(gòu)掘進過程中各系統(tǒng)的自動智能管理，自主達到掘進效率和能源消耗的最佳匹配，實現(xiàn)綠色節(jié)能。”“中鐵1237號”主設(shè)計師曹書磊說。
此外，該盾構(gòu)機還采用了節(jié)能智造工藝和先進除塵技術(shù)，可減少粉塵排放；搭載連續(xù)掘進、快速換模等技術(shù)，可使得掘進效率大幅提升，節(jié)能減排效果顯著。
目前，“中鐵1237號”已出口意大利，用于意大利西西里島高速鐵路隧道建設(shè)，代表著國際市場對中國綠色盾構(gòu)的認可。
穿山海、暢通途；“啃”巖石、鉆山體；遁地行，拓空間……“下一步，我們將在更大掘進直徑、更快掘進速度、更深掘進深度和更復(fù)雜工況上持續(xù)發(fā)力，推動盾構(gòu)機研發(fā)向智能化、綠色化邁進，不斷攀登盾構(gòu)機技術(shù)制高點。”中國中鐵黨委書記、董事長陳文健表示。(人民日報 記者 李心萍)