超大型盾構(gòu)機(jī)： 我國(guó)自主創(chuàng)新的"新名片"

　　有"工程機(jī)械之王""地下蛟龍"之稱的盾構(gòu)機(jī)（又叫全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）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(zhǎng)期以來(lái)，盾構(gòu)機(jī)的核心技術(shù)掌握在國(guó)外企業(yè)手中，一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)動(dòng)輒上億元，甚至數(shù)億元的價(jià)格讓許多企業(yè)望洋興嘆。

　　近日，我國(guó)最大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)--"運(yùn)河號(hào)"在北京東六環(huán)改造項(xiàng)目中向著出口端掘進(jìn)引發(fā)關(guān)注。這款由中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司（下稱中交天和）研制的"國(guó)之重器"進(jìn)京后在北京副中心建設(shè)項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。一直以來(lái)，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(guó)超大型盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期依賴進(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，其中著名的秦嶺隧道全長(zhǎng)18.46公里。在施工中，我國(guó)首次引進(jìn)了兩臺(tái)德國(guó)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，大大縮短了工期。2002年，為打破我國(guó)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，國(guó)家將土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研制列入"863計(jì)劃"。2002年10月，中鐵隧道集團(tuán)盾構(gòu)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目組正式成立；2007年，北方重工集團(tuán)有限公司與法國(guó)NFM公司簽訂并購(gòu)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(gòu)機(jī)……在國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)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(guó)超大型盾構(gòu)機(jī)的許多創(chuàng)新都是被逼出來(lái)的！"回憶起國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的研制歷程，中交天和副總經(jīng)理、總工程師周駿對(duì)中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者表示，2010年，中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)承接的南京緯三路過(guò)江隧道工程需要兩臺(tái)開(kāi)挖直徑超過(guò)15米的超大直徑盾構(gòu)機(jī)。當(dāng)時(shí)，我國(guó)還沒(méi)有直徑14米以上的超大型盾構(gòu)機(jī)，只能依賴進(jìn)口?？墒堑聡?guó)企業(yè)一臺(tái)設(shè)備要價(jià)7億元，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)要花14億元，而當(dāng)時(shí)整個(gè)項(xiàng)目的預(yù)算才50億元。

　　"進(jìn)口設(shè)備這么貴，我們的需求又這么大，外國(guó)企業(yè)能夠制造，為什么中國(guó)人不能自己制造？"時(shí)任南京緯三路隧道指揮長(zhǎng)、總工程師，現(xiàn)任中交天和黨委書記、董事長(zhǎng)的張伯陽(yáng)對(duì)當(dāng)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(cè)成立，工廠還沒(méi)建好，做夢(mèng)都想造出超大型盾構(gòu)機(jī)的中交天和人接下了研發(fā)這兩臺(tái)開(kāi)挖直徑超過(guò)15米的超大直徑盾構(gòu)機(jī)的研制任務(wù)。

　　在研發(fā)過(guò)程中，中交天和多次遭到國(guó)外的技術(shù)封鎖。管片同步施工搬運(yùn)系統(tǒng)是超大型盾構(gòu)機(jī)的重要組件，當(dāng)時(shí)國(guó)際上只有一家德國(guó)企業(yè)能夠生產(chǎn)，中交天和起初想直接購(gòu)買這套組件，不過(guò)，當(dāng)這家企業(yè)知道中交天和在自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)后，開(kāi)出了天價(jià)合作費(fèi)。

　　歷時(shí)14個(gè)月，420個(gè)日日夜夜，6700多張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙，10萬(wàn)多個(gè)大小零部件，最后匯成了刀盤開(kāi)挖直徑達(dá)15.03米、足有5層樓高、長(zhǎng)達(dá)130米、重達(dá)4800噸的中國(guó)首臺(tái)泥水氣壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)--"天和號(hào)"。這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的成功研發(fā)，不僅為國(guó)家節(jié)約支出近8億元，還在國(guó)際上首創(chuàng)了多項(xiàng)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(zhǎng)距離掘進(jìn)刀盤都解決了盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域的世界性難題。

　　專利讓"地下蛟龍"游刃有余

　　"運(yùn)河號(hào)"又名"長(zhǎng)城號(hào)"，開(kāi)挖直徑達(dá)16.07米，整機(jī)總長(zhǎng)約145米，總重量約4500噸，國(guó)產(chǎn)化率95%以上。"'運(yùn)河號(hào)'盾構(gòu)機(jī)國(guó)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(qǐng)，涉及超大直徑盾構(gòu)機(jī)光纖磨損檢測(cè)、盾尾磨損檢測(cè)、綠色環(huán)保管路延長(zhǎng)裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤伸縮擺動(dòng)裝置等。"周駿表示。

　　主軸承有盾構(gòu)機(jī)"心臟"之稱，承擔(dān)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的主要載荷，是刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中面臨鵝卵石、復(fù)合地質(zhì)、泥水地質(zhì)、巖石甚至混合體等復(fù)雜的地層，主軸承需承受高速旋轉(zhuǎn)、巨大載荷和強(qiáng)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(biāo)的關(guān)鍵。國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械發(fā)明審查部審查員許亭對(duì)"運(yùn)河號(hào)"的相關(guān)專利進(jìn)行梳理分析后發(fā)現(xiàn)，"運(yùn)河號(hào)"主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其中一件代表性專利（公告號(hào)：CN213655472U）從以往的需要依托于盾體內(nèi)周和主驅(qū)動(dòng)外周的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮功能，變?yōu)橥ㄟ^(guò)一個(gè)獨(dú)立軸承連接盾體和主驅(qū)動(dòng)來(lái)解決盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的伸縮滑動(dòng)問(wèn)題，簡(jiǎn)化了盾構(gòu)刀盤伸縮功能的設(shè)計(jì)方案。

　　在盾構(gòu)機(jī)地下掘進(jìn)的過(guò)程中，不僅要有一顆強(qiáng)大的"心臟"，更需要武裝"牙齒"，啃下復(fù)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(jī)平均每掘進(jìn)200米需進(jìn)行刀具更換。"運(yùn)河號(hào)"首創(chuàng)了長(zhǎng)距離掘進(jìn)不換刀技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(yùn)河號(hào)"刀盤系統(tǒng)相關(guān)的專利申請(qǐng)。其中代表性專利（公告號(hào)：CN210289784U）采用氣壓輔助掘進(jìn)減小盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的負(fù)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(cāng)內(nèi)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(cāng)內(nèi)，減輕了開(kāi)挖面和土倉(cāng)內(nèi)渣土對(duì)刀盤及刀具的磨損，可避免刀盤結(jié)泥餅，提高掘進(jìn)效率。

　　為了實(shí)時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)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(kāi)號(hào)：CN101148989A）提出一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映盾構(gòu)機(jī)主要機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并可結(jié)合遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽和監(jiān)控，方便進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的管理和維護(hù)。

　　有了一雙智慧的"眼睛"，工程師們又為它配置了強(qiáng)健的"四肢"，這"四肢"就是它的推進(jìn)裝置。"運(yùn)河號(hào)"的代表性專利（公告號(hào)：CN210033439U）提出一種盾構(gòu)機(jī)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(fù)位，沒(méi)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(jiǎn)單可靠、成本低、易維護(hù)。

　　一副健康的"腸胃"讓"運(yùn)河號(hào)"不但能把活兒干得干凈漂亮，而且可延長(zhǎng)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(lǐng)域，中交天和的專利（公開(kāi)號(hào)：CN110966010A）提出一種可調(diào)密度的泥水土壓雙模式盾構(gòu)機(jī)。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(duì)不同地層地質(zhì)，進(jìn)行泥水和土壓模式切換，實(shí)現(xiàn)復(fù)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超大直徑盾構(gòu)機(jī)創(chuàng)抗浮技術(shù)、光纖磨損檢測(cè)、盾尾磨損檢測(cè)、管片自動(dòng)化拼裝、同步掘進(jìn)、智慧化遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理、管片自動(dòng)化拼裝技術(shù)、綠色環(huán)保管路延長(zhǎng)裝置、泥水分層逆洗循環(huán)技術(shù)、刀盤伸縮擺動(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)行了有效的專利布局。

　　走出國(guó)門打造創(chuàng)新名片

　　2018年3月13日，孟加拉國(guó)卡納普里河河底隧道用超大直徑盾構(gòu)機(jī)下線儀式如期舉行，這場(chǎng)慶典被視為中國(guó)盾構(gòu)機(jī)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(jī)市場(chǎng)一直為國(guó)外壟斷的局面。同年9月29日，中國(guó)出口海外最大直徑盾構(gòu)機(jī)下線，后來(lái)該盾構(gòu)機(jī)服務(wù)于東南亞第一條最高時(shí)速達(dá)350公里的高鐵--印度尼西亞雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道。

　　2020年，我國(guó)機(jī)械行業(yè)年銷售收入突破7600億元，包括盾構(gòu)機(jī)、混凝土機(jī)械、壓路機(jī)、推土機(jī)等在內(nèi)的一大批工程機(jī)械產(chǎn)品產(chǎn)量躍居世界首位，我國(guó)作為世界工程機(jī)械制造大國(guó)的地位更加穩(wěn)固。"隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展維度更寬，層次更深，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈現(xiàn)多樣性、大型化、高效化、個(gè)性化趨勢(shì)，激勵(lì)了企業(yè)新材料、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的創(chuàng)新與應(yīng)用，使工程機(jī)械滿足了不斷變化的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)工程機(jī)械自給率2020年高達(dá)96%以上。"中國(guó)工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)蘇子孟表示。

　　"十余年來(lái)，我們實(shí)現(xiàn)了從國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超大直徑盾構(gòu)機(jī)--'天和號(hào)'橫空出世，到孟加拉國(guó)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(gòu)機(jī)走出國(guó)門，到'振興號(hào)'超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在揚(yáng)子江底79米水深處前行，再到中國(guó)最大直徑盾構(gòu)機(jī)'長(zhǎng)城號(hào)'的歷史性跨越。"張伯陽(yáng)表示。

　　"未來(lái)，中交天和將堅(jiān)持走自主研發(fā)、科技創(chuàng)新之路，秉持做大做強(qiáng)中國(guó)盾構(gòu)機(jī)的初心，堅(jiān)持原始創(chuàng)新，不斷提升我國(guó)工程機(jī)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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