直徑達14.02米，紅藍相間的圓形刀盤(pán)上，數百個(gè)白色刀頭組成一道道美麗的弧線(xiàn)。
1月18日，在上海軌道交通市域線(xiàn)機場(chǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)工程中，國產(chǎn)超大直徑泥水平衡盾構機“建勛號”向前鉆進(jìn)，猶如一條鋼鐵巨龍。
“刀頭由硬度極高的合金組成，是‘鐵齒銅牙’，既能吃軟土，也能啃硬巖。”鐵建重工掘進(jìn)機研究設計院泥水盾構研究所副所長(cháng)范瑞強說(shuō)：“光是刀頭相關(guān)技術(shù)，就凝聚著(zhù)企業(yè)多年來(lái)的科技創(chuàng )新成果。”
鐵建重工是中國鐵建股份有限公司在工業(yè)制造板塊的核心企業(yè)。近年來(lái)，中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度。“十三五”期間，中國鐵建獲得國家科學(xué)技術(shù)獎17項，新增授權專(zhuān)利14389件，新增國家級創(chuàng )新平臺4個(gè)，新增主持國家科研項目8項、課題26個(gè)。
因地制宜研發(fā) 量身定做產(chǎn)品
盾構機是專(zhuān)門(mén)用于隧道掘進(jìn)的工程機械，在重大基礎設施建設領(lǐng)域應用廣泛，是名副其實(shí)的大國重器。因為擁有穿山打洞的超強能力，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽(yù)。
如此重器，如何工作?盾構機在前進(jìn)時(shí)，用刀頭將泥土、巖石碾碎，“吃”進(jìn)肚子里，再通過(guò)專(zhuān)門(mén)的管道運送至機身后方排出。與此同時(shí)，通過(guò)注漿和管片砌襯，為挖好的隧道、地道加固定型，形成永久性結構。“盾”與“構”分步進(jìn)行，一條龍作業(yè)。
“一臺大型盾構機，重量超過(guò)3000噸，零部件超過(guò)3萬(wàn)個(gè)，涉及電氣、光學(xué)、力學(xué)、土木、機械等眾多學(xué)科，制造工藝復雜。”范瑞強說(shuō)。
不同工程項目面臨的地質(zhì)條件、隧道規模大小和施工環(huán)境千差萬(wàn)別，對設備選型要求各異，所以盾構機不能批量化生產(chǎn)，需要因地制宜研發(fā)、量身定做產(chǎn)品。這也意味著(zhù)，每一臺盾構機都“個(gè)性十足”。
“建勛號”主要用于上海軌道交通市域線(xiàn)機場(chǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)工程。聯(lián)絡(luò )線(xiàn)沿線(xiàn)穿越軌道交通、市政公路、橋梁等重要建筑物，對地表沉降控制精度和環(huán)境保護要求較高。研發(fā)團隊在設計管片砌襯技術(shù)時(shí)，對隧道底部的大弧形塊，首次采用整體預制拼裝工藝施工，代替傳統箱涵兩側現澆的工法，提高隧道整體施工速度，確保隧道成型質(zhì)量。
2017年7月，5臺國產(chǎn)盾構機第一次走向歐洲。面對超低溫施工環(huán)境，鐵建重工開(kāi)發(fā)了可耐零下30攝氏度低溫的主驅動(dòng)，增加液壓泵站、變頻器等輔助加熱系統。“工業(yè)產(chǎn)品設計通?？紤]的是散熱，但這一次我們給盾構機增加加熱裝置和溫度在線(xiàn)監測系統，讓冷熱兩套系統完美兼容。”這5臺盾構機的總設計師孫雪豐說(shuō)，團隊反復推導計算和熱力學(xué)仿真，畫(huà)了800多張系統原理圖和結構圖紙，最終確保油箱內液壓油合理升溫，又沒(méi)有影響液壓油的使用性能。
經(jīng)過(guò)多年努力，針對“超惡劣自然環(huán)境、超風(fēng)險地質(zhì)條件、超常規長(cháng)大隧道”等不同類(lèi)別的施工場(chǎng)景，鐵建重工研制出一個(gè)個(gè)“身懷絕技”的國之重器，在行業(yè)內處于領(lǐng)先地位。
搭建科創(chuàng )平臺 攻克核心技術(shù)
伴著(zhù)機器轟鳴聲，在北京東六環(huán)改造工程建設中，由鐵建重工研制的“京華號”正在開(kāi)展地下穿越之旅。這臺我國迄今研制的最大直徑盾構機，開(kāi)挖直徑達16米級，整機長(cháng)150米，總重量4300噸。它的刀盤(pán)上，有近400個(gè)硬質(zhì)合金的刀頭，硬度媲美金剛石。
但再堅硬的刀頭也會(huì )被磨損。鐵建重工掘進(jìn)機研究設計院副院長(cháng)暨智勇介紹，盾構機作業(yè)的地方往往在地下幾十米。過(guò)去只能采取帶壓換刀的方式，即由專(zhuān)業(yè)的施工人員到刀盤(pán)背部，手動(dòng)更換一個(gè)個(gè)刀頭。帶壓的感覺(jué)，就像在深海潛水，人體內部需要承受相應的壓力，具有一定的危險系數。因此，為了保證施工人員安全，必須在帶壓換刀開(kāi)展前準備充足，構建好穩定的作業(yè)環(huán)境。“也就是說(shuō)，以前盾構機每往前掘進(jìn)200米，就需要‘修整’一周。”暨智勇說(shuō)，為此，鐵建重工和中南大學(xué)等高校合作，搭建了基礎技術(shù)和應用研究試驗平臺這一省級科技創(chuàng )新平臺，研發(fā)出常壓換刀技術(shù)，大幅提高了換刀效率。“如今，工作人員鉆進(jìn)刀盤(pán)后方的箱體，將刀頭抽回箱體，泄壓后直接更換，換刀只需要四五十分鐘。”暨智勇說(shuō)。
“過(guò)去刀盤(pán)刀具長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，交貨時(shí)間也不可控?，F在，我們在試驗平臺上不斷測試性能和數據，設計出適合不同地質(zhì)結構的盾構機刀具，實(shí)現了‘卡脖子’技術(shù)的突破。”鐵建重工科技發(fā)展研究院院長(cháng)廖金軍說(shuō)，目前，包括極硬巖滾刀在內的各品類(lèi)盾構刀具，已能做到完全國產(chǎn)化。
中國鐵建不斷加強科技創(chuàng )新平臺建設。目前全系統擁有國家級科技創(chuàng )新平臺23個(gè)、省部級科技創(chuàng )新平臺122個(gè)。“十三五”期間，鐵建重工面向國家戰略、重大工程、通用市場(chǎng)需求，承擔和參與國家級科技項目30余項，聚焦攻克關(guān)鍵核心技術(shù)過(guò)百項，實(shí)現“卡脖子”技術(shù)的創(chuàng )新突破和部分領(lǐng)跑。
從跟跑到領(lǐng)跑 從配角到主角
巨大的圓形刀盤(pán)上，一只懷抱嫩竹的大熊貓占據“C位”……這是被網(wǎng)友稱(chēng)為“最萌大國重器”的“錦繡號”盾構機，也是一臺國產(chǎn)土壓平衡盾構機，正在參與成(都)自(貢)高鐵錦繡隧道建設。其最大的特點(diǎn)，在于高承壓能力。
原來(lái)，錦繡隧道“深淺不一”，最小覆土厚度不足8米，而最大埋深則達到60米。為了應對覆土淺和沿線(xiàn)地面多建構物的復雜情況，研發(fā)團隊為盾構機增設23個(gè)超前注漿孔、28個(gè)徑向注入口，可預先對周?chē)馏w注漿加固，徑向注入支撐介質(zhì)，有效控制地面沉降，確保地面建筑不受影響。
“面對極高的水土壓力，‘錦繡號’采用了具有高承壓能力的聚氨酯密封技術(shù)，可承受10巴水土壓力，相當于用一個(gè)雞蛋支撐5個(gè)成年人的重量。”鐵建重工掘進(jìn)機研究設計院土壓盾構研究所工程師鐘晴說(shuō)。
同時(shí)，“錦繡號”是我國迄今研制的具有完全自主知識產(chǎn)權的最大直徑土壓平衡盾構機，進(jìn)一步鞏固了國產(chǎn)隧道掘進(jìn)技術(shù)裝備的自主可控能力。
時(shí)間倒回10多年前，盾構機技術(shù)長(cháng)期被國外壟斷，“洋品牌”盾構機幾乎占據了國內市場(chǎng)，價(jià)格高昂。2010年，鐵建重工研制出國產(chǎn)首臺復合式土壓平衡盾構機，設備國產(chǎn)化率達到87%。這一重大突破，讓均價(jià)1.5億元的洋盾構被迫降價(jià)30%。
經(jīng)過(guò)10多年發(fā)展，國產(chǎn)品牌盾構機在國內市場(chǎng)占有率達90%以上。以鐵建重工為代表的國內地下工程裝備企業(yè)，技術(shù)從跟跑到部分領(lǐng)跑，市場(chǎng)份額從配角到主角。
不過(guò)，創(chuàng )新過(guò)程中仍有一些需要攻克的問(wèn)題。鐵建重工黨委書(shū)記、董事長(cháng)劉飛香介紹，產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈中的每一環(huán)都至關(guān)重要，只有供應鏈穩定才能保證生產(chǎn)、確保供應。
“我們的首要任務(wù)，仍是把產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng )新進(jìn)行到底，堅持差異化、高端化的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品戰略。”劉飛香說(shuō)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，國內企業(yè)要進(jìn)一步完善產(chǎn)品型譜，滿(mǎn)足細分領(lǐng)域不同場(chǎng)景的施工需求;要加強行業(yè)共性技術(shù)研究，積極參與國際標準制定修訂，在關(guān)鍵領(lǐng)域形成以自主知識產(chǎn)權為主導的技術(shù)標準體系。(王云娜)
