掘進(jìn)方向從水平到斜向、豎向、拐彎掘進(jìn)，刀盤(pán)直徑從0.5米到超16米
盾構(gòu)機(jī)，“百變金剛”本領(lǐng)強(qiáng)(產(chǎn)經(jīng)觀察·細(xì)看產(chǎn)品七十二變④)
河南鄭州，“帕蒂加朗號(hào)”盾構(gòu)機(jī)下線，開(kāi)挖直徑達(dá)15.7米，將出口澳大利亞，這是我國(guó)出口的最大直徑盾構(gòu)機(jī)；
上海崇明，“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)掘地潛行，以“有人值守、無(wú)人操作”的方式抵達(dá)長(zhǎng)江江心……
盾構(gòu)機(jī)，全稱(chēng)為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”。刀盤(pán)直徑從0.5米到超16米，掘進(jìn)方向從水平到斜向、豎向、拐彎掘進(jìn)……如今，在中國(guó)工程師手里，盾構(gòu)機(jī)成了“百變金剛”，種類(lèi)繁多、本領(lǐng)高強(qiáng)。
掘進(jìn)方向之變
從水平到斜向、豎向、拐彎掘進(jìn)
過(guò)往，盾構(gòu)機(jī)多是水平掘進(jìn)。今天，中國(guó)制造的盾構(gòu)機(jī)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(shuō)起斜向上挖的盾構(gòu)機(jī)，不得不提全球首臺(tái)大直徑會(huì)“爬陡坡”的隧道掘進(jìn)機(jī)“永寧號(hào)”。
去年9月，“永寧號(hào)”順利完成洛寧抽水蓄能電站2號(hào)引水斜井的挖掘任務(wù)。這是一條坡度達(dá)38.742度、全長(zhǎng)約873米的斜井?！坝缹幪?hào)”不僅成功爬坡，還取得了月掘進(jìn)332米、單日最高進(jìn)尺22.75米的佳績(jī)，大幅提升了斜井的施工效率。
能下坡，助采礦。
有了“永寧號(hào)”的成功經(jīng)驗(yàn)，中鐵裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)了全球首臺(tái)大傾角下坡掘進(jìn)礦用隧道掘進(jìn)機(jī)“中鐵1285號(hào)”。
眼下，“中鐵1285號(hào)”已完成淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦作業(yè)任務(wù)。它不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離15度下坡掘進(jìn)，還成功穿越落差達(dá)330米的大斷層，一口氣完成下坡、拐彎等高難度動(dòng)作。
向下走，挖車(chē)庫(kù)。
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(gè)垂直掘進(jìn)(盾構(gòu))地下智慧車(chē)庫(kù)項(xiàng)目正在進(jìn)行最后的調(diào)試。
中鐵十五局項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王文燦告訴記者，與傳統(tǒng)垂直車(chē)庫(kù)采用明挖法或沉井法施工不同，這個(gè)項(xiàng)目使用了全球最大直徑豎井掘進(jìn)機(jī)“夢(mèng)想號(hào)”，驗(yàn)證了垂直掘進(jìn)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(guó)內(nèi)首臺(tái)超大直徑反井鉆機(jī)“中鐵1361號(hào)”正進(jìn)行排風(fēng)豎井施工。從山腳“頂壓向上”前行，“中鐵1361號(hào)”通過(guò)創(chuàng)新采用“一擴(kuò)成井”工藝，可實(shí)現(xiàn)直徑7米、深度311米的井筒一次性開(kāi)挖成型。
新的開(kāi)挖方向，適用于新的應(yīng)用場(chǎng)景。
“長(zhǎng)期以來(lái)，盾構(gòu)機(jī)主要用于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，盾構(gòu)機(jī)未來(lái)的市場(chǎng)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(wèn)題。
水利、水電、煤礦、非煤礦山、城市綜合管廊、停車(chē)庫(kù)……在中鐵裝備眼中，這些項(xiàng)目均是盾構(gòu)機(jī)大展身手的場(chǎng)景。他們成立多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展針對(duì)性開(kāi)發(fā)，讓盾構(gòu)機(jī)不僅可以多方向開(kāi)挖，而且具備圓形、方形、馬蹄形、橢圓形等不同形狀的開(kāi)挖能力，拓展了盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。
新的開(kāi)挖方向，代表著更強(qiáng)的研發(fā)能力。
每一款新挖掘方向盾構(gòu)機(jī)的問(wèn)世，都凝聚著一系列技術(shù)創(chuàng)新。就拿“永寧號(hào)”來(lái)說(shuō)，其爬山模式借鑒了爬山虎的結(jié)構(gòu)，50多名專(zhuān)家開(kāi)展了歷經(jīng)數(shù)月的研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，最終決定為“永寧號(hào)”加裝前后4組共8條“腿”、16個(gè)“腳”，助力其安全“爬上山頂”。
再看“中鐵1361號(hào)”，為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“頂壓向上”，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)重載鉆桿、鉆桿一鍵自動(dòng)化拆卸、多功能變頻主驅(qū)動(dòng)及智能化控制等方面展開(kāi)針對(duì)性設(shè)計(jì)，做到大直徑豎井一次反拉成井，設(shè)備安全、高效、可靠運(yùn)行。
體量身型之變
直徑從15米級(jí)躍升至16米級(jí)
15.4米！2024年1月，“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)下線，成為世界最大直徑高鐵泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。
超16.6米！2024年10月，“江海號(hào)”盾構(gòu)機(jī)下線，成為我國(guó)自主研制的超大直徑盾構(gòu)機(jī)。
國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，為何直徑越造越大？
“算總賬，大直徑盾構(gòu)隧道‘性價(jià)比’更高?！敝需F十四局盾構(gòu)專(zhuān)家陳健從兩方面作了詳細(xì)介紹——
大直徑隧道，可實(shí)現(xiàn)單管多線布設(shè)。以前，穿江越海隧道大多設(shè)計(jì)為單管單線的雙管方案，即上下行分為雙洞。隨著盾構(gòu)機(jī)直徑升級(jí)，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(shí)現(xiàn)多功能集中布設(shè)。15米級(jí)及以上的盾構(gòu)隧道，可構(gòu)建地下立體空間，實(shí)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(kāi)挖，可降低建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等綜合建造成本。
我國(guó)水域廣闊，江河縱橫，各沿江沿海城市對(duì)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(jī)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(hù)沿岸生態(tài)、應(yīng)對(duì)惡劣氣候等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
不過(guò)，直徑越大，盾構(gòu)機(jī)制造的難度就越大。
“盾構(gòu)機(jī)直徑超過(guò)15米后，隨著開(kāi)挖直徑增大，不良地質(zhì)可能引起呈冪級(jí)增長(zhǎng)的隧道災(zāi)難，給盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、控制精度、材料疲勞等提出更高需求?！辟R飛說(shuō)。
就拿推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，15米級(jí)以上盾構(gòu)機(jī)，其承受的水土壓力可達(dá)5巴以上，因此需要30組以上液壓千斤頂同時(shí)“發(fā)力”，才能推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前行，而6米級(jí)盾構(gòu)機(jī)僅需16組。千斤頂數(shù)量越多，同步控制難度越大，但對(duì)盾構(gòu)機(jī)而言，推進(jìn)系統(tǒng)任何微小的不同步，都會(huì)導(dǎo)致盾體“卡殼”或軸線偏移。
此外，類(lèi)似刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(jì)，才能滿足應(yīng)用需求。賀飛表示，對(duì)15米級(jí)以上超大直徑盾構(gòu)機(jī)，直徑每增加1米，都會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封承壓、出渣處理等提出新挑戰(zhàn)，“每一次升級(jí)都絕非易事”。
攻克技術(shù)難點(diǎn)，成果接踵而至。2017年10月，我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的15米級(jí)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“中鐵306號(hào)”成功下線，首次打破國(guó)外對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)的壟斷。
此后，從開(kāi)挖直徑15.8米的“春風(fēng)號(hào)”到直徑16.07米的“京華號(hào)”，再到直徑超16.6米的“江海號(hào)”，國(guó)產(chǎn)超大直徑盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)了從“跟隨”到“引領(lǐng)”的躍變。
“目前，我國(guó)已在超大直徑盾構(gòu)機(jī)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(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈能力。”賀飛說(shuō)。
操作方式之變
從人工駕駛到自動(dòng)掘進(jìn)
目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)已占據(jù)全球市場(chǎng)近七成份額。中國(guó)工程師正努力讓盾構(gòu)機(jī)更智能、更綠色。
走進(jìn)“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)駕駛室，屏幕上跳動(dòng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前設(shè)備掘進(jìn)狀態(tài)，盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)只監(jiān)測(cè)、不操作。這是因?yàn)檠邪l(fā)團(tuán)隊(duì)為“領(lǐng)航號(hào)”這個(gè)“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(wú)法100%了解周?chē)刭|(zhì)情況，施工過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)較高。”中鐵裝備“領(lǐng)航號(hào)”盾構(gòu)機(jī)主設(shè)計(jì)師廖兆錦說(shuō)。為此，“領(lǐng)航號(hào)”搭載超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可對(duì)刀盤(pán)前方10米到40米的地質(zhì)條件進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，智能感知系統(tǒng)也可對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)。
“智慧腦”則讓“領(lǐng)航號(hào)”擁有了智能分析和自主判斷的能力。在長(zhǎng)達(dá)14.25千米的隧道里，它可以不借助任何“幫手”即完成獨(dú)頭掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了“有人值守、無(wú)人操作”狀態(tài)下毫米級(jí)的掘進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工程潛在風(fēng)險(xiǎn)，確保工程平穩(wěn)推進(jìn)。”中鐵隧道局崇太長(zhǎng)江隧道項(xiàng)目副總工程師傅博偉說(shuō)。
再看綠色化。
2024年7月23日，世界首臺(tái)綠色盾構(gòu)機(jī)“中鐵1237號(hào)”順利始發(fā)，開(kāi)挖直徑為9.16米、設(shè)備長(zhǎng)度約135米、總重達(dá)1900噸。
何為綠色盾構(gòu)？“我們?yōu)槎軜?gòu)機(jī)搭載了智能系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中各系統(tǒng)的自動(dòng)智能管理，自主達(dá)到掘進(jìn)效率和能源消耗的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能?！薄爸需F1237號(hào)”主設(shè)計(jì)師曹書(shū)磊說(shuō)。
此外，該盾構(gòu)機(jī)還采用了節(jié)能智造工藝和先進(jìn)除塵技術(shù)，可減少粉塵排放；搭載連續(xù)掘進(jìn)、快速換模等技術(shù)，可使得掘進(jìn)效率大幅提升，節(jié)能減排效果顯著。
目前，“中鐵1237號(hào)”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(guó)際市場(chǎng)對(duì)中國(guó)綠色盾構(gòu)的認(rèn)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(jìn)直徑、更快掘進(jìn)速度、更深掘進(jìn)深度和更復(fù)雜工況上持續(xù)發(fā)力，推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)研發(fā)向智能化、綠色化邁進(jìn)，不斷攀登盾構(gòu)機(jī)技術(shù)制高點(diǎn)?！敝袊?guó)中鐵黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)陳文健表示。(人民日?qǐng)?bào) 記者 李心萍)