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

盾構機，“百變金剛”本領強

日前，國產(chǎn)超大直徑盾構機“江海號”順利始發(fā)，建設世界最長水下公路盾構隧道——海太長江隧道。范少文攝

河南鄭州，“帕蒂加朗號”盾構機下線，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機;

上海崇明，“領航號”盾構機掘地潛行，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，盾構機成了“百變金剛”，種類繁多、本領高強。

掘進方向之變

從水平到斜向、豎向、拐彎掘進

過往，盾構機多是水平掘進。今天，中國制造的盾構機不僅能橫著挖，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。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。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)地下智慧車庫項目正在進行最后的調試。

中鐵十五局項目負責人王文燦告訴記者，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，適用于新的應用場景。

“長期以來，盾構機主要用于交通基礎設施建設。隨著我國交通基礎設施逐步完善，盾構機未來的市場在哪里?”中鐵裝備技術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，拓展了盾構機的應用場景。

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機的問世，都凝聚著一系列技術創(chuàng)新。就拿“永寧號”來說，其爬山模式借鑒了爬山虎的結構，50多名專家開展了歷經(jīng)數(shù)月的研究、設計、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、多功能變頻主驅動及智能化控制等方面展開針對性設計，做到大直徑豎井一次反拉成井，設備安全、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，“領航號”盾構機下線，成為世界最大直徑高鐵泥水平衡盾構機。

超16.6米!2024年10月，“江海號”盾構機下線，成為我國自主研制的超大直徑盾構機。

國產(chǎn)盾構機，為何直徑越造越大?

“算總賬，大直徑盾構隧道‘性價比’更高。”中鐵十四局盾構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。以前，穿江越海隧道大多設計為單管單線的雙管方案，即上下行分為雙洞。隨著盾構機直徑升級，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。15米級及以上的盾構隧道，可構建地下立體空間，實現(xiàn)市政道路、軌道交通、綜合管廊同管布設。這就避免了隧道的重復開挖，可降低建設、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。超大直徑盾構機恰可滿足建設需求。相比橋梁，超大直徑盾構隧道在減少航道影響、保護沿岸生態(tài)、應對惡劣氣候等方面具有明顯優(yōu)勢。

不過，直徑越大，盾構機制造的難度就越大。

“盾構機直徑超過15米后，隨著開挖直徑增大，不良地質可能引起呈冪級增長的隧道災難，給盾構機的結構強度、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”，才能推動盾構機前行，而6米級盾構機僅需16組。千斤頂數(shù)量越多，同步控制難度越大，但對盾構機而言，推進系統(tǒng)任何微小的不同步，都會導致盾體“卡殼”或軸線偏移。

此外，類似刀盤驅動軸承等關鍵核心部件，都需要采用新材料、新結構、新設計，才能滿足應用需求。賀飛表示，對15米級以上超大直徑盾構機，直徑每增加1米，都會對盾構機的結構設計、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)權的15米級超大直徑泥水平衡盾構機“中鐵306號”成功下線，首次打破國外對大直徑盾構機的壟斷。

此后，從開挖直徑15.8米的“春風號”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)超大直徑盾構機實現(xiàn)了從“跟隨”到“引領”的躍變。

“目前，我國已在超大直徑盾構機的研制和應用領域實現(xiàn)新跨越，形成了超大直徑盾構機全產(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機更智能、更綠色。

走進“領航號”盾構機駕駛室，屏幕上跳動的各項數(shù)據(jù)，實時反饋當前設備掘進狀態(tài)，盾構機長只監(jiān)測、不操作。這是因為研發(fā)團隊為“領航號”這個“金剛鉆”裝上了“千里眼”和“智慧腦”。

“傳統(tǒng)盾構施工就像盲人走路，由于無法100%了解周圍地質情況，施工過程中安全風險較高。”中鐵裝備“領航號”盾構機主設計師廖兆錦說。為此，“領航號”搭載超前地質預報系統(tǒng)，可對刀盤前方10米到40米的地質條件進行精準探測，智能感知系統(tǒng)也可對地質條件進行實時分析，保證盾構正常掘進。

“智慧腦”則讓“領航號”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，施工效率和質量提高了，我們還能實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)及工程潛在風險，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，世界首臺綠色盾構機“中鐵1237號”順利始發(fā)，開挖直徑為9.16米、設備長度約135米、總重達1900噸。

何為綠色盾構?“我們?yōu)槎軜嫏C搭載了智能系統(tǒng)，通過對盾構掘進過程中各系統(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”主設計師曹書磊說。

此外，該盾構機還采用了節(jié)能智造工藝和先進除塵技術，可減少粉塵排放;搭載連續(xù)掘進、快速換模等技術，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，代表著國際市場對中國綠色盾構的認可。

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雜工況上持續(xù)發(fā)力，推動盾構機研發(fā)向智能化、綠色化邁進，不斷攀登盾構機技術制高點。”中國中鐵黨委書記、董事長陳文健表示。(記者 李心萍)

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