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钟晴|国产最大直径土压平衡盾构机下线 地下蛟龙完美逆袭

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国产最大直径土压平衡盾构机下线 “地下蛟龙”完美逆袭
我国研制的具有完全自主知识产权的最大直径土压平衡盾构机“锦绣号”近日下线 ， 因其刀盘涂装是一只怀抱嫩竹的大熊猫 ， 被网友称为“最萌大国重器”“功夫熊猫” 。
盾构机 ， 即使用盾构法的全断面隧道掘进机 ， 与敞开式施工法相对 ， 在掘进的同时构建隧道之“盾”(支撑管片) ， 是当前主流的隧道施工机械 ， 多用于地铁和高铁建设 ， 有“工程机械之王”“地下蛟龙”“吃土神器”之称 。
十几年前 ， 我国在这一领域还受制于人 ， 完全依赖进口 。 如今 ， 我们完美逆袭 。 不过 ， 作为这款盾构机的总设计师 ， 中国铁建重工集团股份有限公司掘进机研究设计院“85后”工程师钟晴却并没有因创造了新的纪录而“松一口气” 。 这几天 ， 他一边忙着协调验收 ， 确保“锦绣号”零问题发运；一边忙着总结整理 ， 因为在他心里 ， “盾构机的研发仍任重而道远 ， 最多的还是沉甸甸责任” 。
“锦绣号”到底有多大 ， 有哪些特点 ， 如何工作？我国在盾构机研制上又是如何实现逆袭的？采访人员带您一起探访——
刷新纪录：开挖直径12.79米 ， 长135米体积约是大火箭“胖五”的15倍
“锦绣号”有多高？“如果‘躺’着放 ， 大约四层楼高 ， 12.79米 。 ”面对采访人员的询问 ， 钟晴形象地说 。
据介绍 ， 盾构机这种重型机械是可以一次完成隧道施工的“吃土神器” ， 集传感、液压、信息技术、机电技术于一体 ， 具有隧道开挖、出渣、衬砌、导向等功能 。 通常情况下 ， 以盾构直径(由刀盘直径决定)来区分大小 。 这也就意味着 ， 这台“吃土神器”开过后 ， 将形成一个直径为12.79米的隧道 ， 可容纳两辆高铁并行 。
“锦绣号”不仅高 ， 而且长达135米、重达3000吨 。 用钟晴的话说 ， 如果把它竖起来 ， 大概有45层楼那么高 。 与“腰围”直径5米、“身高”57米的大火箭“胖五”相比 ， 体积约是“胖五”的15倍 。
同样是由铁建重工研制 ， 去年9月下线、前不久在北京东六环改造工程开启地下穿越之旅的“京华号” ， 最大开挖直径达16.07米、整机长150米、总重达4300吨 ， 也被称为国产最大直径盾构机 。 与国产最大直径土压平衡盾构机“锦绣号”相比 ， 这两个“最大”到底有何区别？
原来 ， 盾构机主要应用于开挖面不能自稳的软土及复合地层 ， 分为土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机及双模式盾构机三类 。 泥水平衡盾构机以泥浆为主要介质平衡隧道开挖面地层压力 ， 通过泥浆输送系统出渣 ， 适用于富水高压和地面沉降要求高的隧道施工；土压平衡盾构机则以渣土为主要介质平衡隧道开挖面地层压力 ， 通过螺旋输送机出渣 ， 适用于从粘土、砂土至软硬不均复合地层；双模式盾构机具备两种掘进机模式 。
“京华号”是泥水平衡盾构机 ， 而“锦绣号”则是土压平衡盾构机 。 也就是说 ， 他们分别是各自类别中超大直径盾构机(12米及以上直径的盾构机)的“佼佼者” ， 为国内长大隧道施工提供了有力保障 。
据了解 ， 通常情况下 ， 用于地铁隧道建设的盾构机开挖直径较小 ， 而高铁因为速度快 ， 对隧道直径有着较高的需求 。 “而且如果盾构机开挖直径够大 ， 便可实现‘单洞双线’ ， 不仅利用率高 ， 在经济造价上也更加划算 。 ”钟晴告诉采访人员 ， 这也是他们革新技术、攻坚克难 ， 一次又一次创造新的纪录的动力所在 。
不过 ， 如此庞然大物 ， 在工作时需要的人并不多 。 “通常情况下一个班组8至10人便可搞定 ， 操控室仅需一人 。 ”钟晴说 ， 操控室就相当于车辆的驾驶室 ， 里面有多块屏幕 ， 可实时显示盾构机的运行情况 ， 操作台上还有好几排按钮 ， 用于手动控制盾构机姿态 。
杨博文是“京华号”的“司机” 。 据他介绍 ， 盾构机自动化的“智慧大脑”能够精准地把误差控制在厘米级 ， 他们驾驶员所做的工作 ， 就是要时刻观察运行姿态 ， 一旦自动设备出现问题 ， 就立刻介入进行手动校准 。
量身打造：采用高承压能力的聚氨酯密封技术可承受10巴水土压力 ， 相当于5个成年人站在一个鸡蛋上
“锦绣号”盾构机如同一列火车 ， 以喷涂了“大熊猫”的刀盘为先导 ， 采用八辐臂重型刀盘 ， 配置19寸刀具 。 后面长长的“车厢”被称为台车 ， 布置着主驱动、螺旋输送机等 。
【钟晴|国产最大直径土压平衡盾构机下线 地下蛟龙完美逆袭】“刀盘就相当于人的嘴 ， 刀具就相当于有一口好牙 ， ‘牙齿’内里分工明确 ， 滚刀破岩 ， 切刀吃土 。 这些土会进入俗称的‘土仓’ ， 然后通过螺旋输送机排出 。 ”钟晴告诉采访人员 ， 倘若将隧道内掘出的全部土壤平铺在足球场上 ， 可铺15层楼那么高 。
而这台盾构机之所以刀盘涂装采用熊猫图案、取名“锦绣号” ， 皆因其即将服务的工程是四川首条时速350公里的高速铁路成自高铁的锦绣隧道 。
据了解 ， 一般情况下 ， 每台盾构机的制备均由使用单位下单、研制单位根据工程情况为其量身打造 。
以“锦绣号”为例 。 锦绣隧道为成自高铁关键节点工程 ， 隧道全长3.65公里 ， 盾构区间有2.62公里 ， 且地理环境较为复杂 ， 依次下穿城市主干道和机动车检测站 ， 沿线地面为成都市繁华地带 ， 建构物和既有的铁路分布密集 ， 有一定建设难度 。
“盾构机穿越的地层主要为泥岩 ， 这也是这个工程的难点 。 ”钟晴说 ， 掘进时 ， 这样的地层条件极易造成刀盘结泥饼和主机扭转 。
对此 ， 平均年龄约30岁的年轻团队对“锦绣号”盾构机进行了针对性设计：八辐臂复合式重型刀盘可极大提高设备的结构稳定性和耐磨性 ， 是应对长距离掘进的“重要法宝”；采用单管单路高压水喷射管路 ， 以及增大刀盘中心的开口区域 ， 加强冲洗 ， 有效预防渣土淤积；盾体的底部还加焊高强度合金耐磨条 ， 提高主机防扭能力 。
除此之外 ， 隧道还有一个特点是“深浅不一”——最小覆土厚度不足8米、最大埋深约60米 。
据中铁十四局成自高铁锦绣隧道项目盾构掘进负责人李港介绍 ， 为了应对覆土浅等复杂情况 ， “锦绣号”盾构机增设23个超前注浆孔、28个径向注入口 ， 可加强预先对周围土体注浆加固 ， 径向注入支撑介质 ， 有效控制地面沉降 ， 确保地面建筑不受影响 。 而面对隧道超大埋深带来的极高水土压力 ， “锦绣号”采用高承压能力的聚氨酯密封技术 ， 可承受隧道超大埋深带来的极高水土压力——10巴水土压力 ， 相当于5个成年人站在一个鸡蛋上 。
具体作业时 ， “锦绣号”可同时完成开挖、出渣、衬砌、导向等工序 ， 在掘进过程中实现隧道主体结构一次成型 。 它并不是24小时都在掘进 ， 而是每向前掘进1.8米 ， 就要停下来“休息”一下 。 这个时候 ， 便会启动管片拼装环节 ， 9块管片拼装形成一个完整的圆环 。 管片被放到指定位置后 ， 盾构机的油缸会立马压上 ， 给管片以巨大的推力 ， 这是这个“巨无霸”的力量之源 。
“刀具以及密封类、油脂类材料等是易损耗材料 。 ”钟晴说 ， 每掘进两三百米 ， 工作人员都会对刀具等开展一次检查 ， 如有损坏及时更换 ， 确保作业质效 。
完美逆袭：从依赖进口到自主研发目前国产盾构机已占据国内九成、全球六成以上市场
7月12日 ， 由中国铁建自主研发生产的11米级大直径盾构机“胜利号”在莫斯科完成首条隧道贯通任务 。
这一消息让钟晴和同事们都很高兴 。
这是中企在欧洲首个大直径盾构项目的首条隧道贯通 ， 而“胜利号”也是目前中国出口欧洲的最大直径盾构机 。
“现在我们不仅可以实现盾构机所有零部件的完全自主知识产权 ， 而且还走向了世界 ， 实现了完美逆袭 ， 我们发自心底地感到开心 。 ”钟晴告诉采访人员 。
据了解 ， 上世纪80年代末 ， 国内修建隧道仍主要依靠人工钻爆 ， 不仅耗时耗力 ， 还会遇到塌方、水淹等危险 。 到了90年代 ， 北京、上海、广州等大城市开始大规模建设地铁 ， 对新型机械装备的需求急剧增加 。 当时 ， 国内使用的盾构机全部依赖进口 ， 对方要价“高得离谱” 。 机器坏了 ， 请国外工程师来维修 ， 不仅要求从出发起就开始计算劳务、“漫天要价” ， 而且维修时不允许中国人站在跟前 。
“我们大家都憋着一口气 ， 想在国产盾构机上冲出名堂来 。 ”2008年 ， 我国研发制造出第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机——中国中铁1号 ， 突破国外核心技术封锁 。 经过十多年的探索和研发 ， 中国盾构技术渐渐走在了世界前列 。
采访人员听到这样一个故事：1997年 ， 我国斥资6亿多元购买德国维尔特公司两台敞开式隧道掘进机 ， 用于西康铁路秦岭隧道建设 。 16年后的2013年 ， 国内企业反过来收购了德国维尔特公司硬岩掘进机及竖井钻机的知识产权和品牌使用权 。
全球首台煤矿斜井双模式掘进机、全球首台永磁电机驱动盾构机……如今 ， 在盾构机领域 ， “中国制造”已成为响当当的品牌 ， 不仅满足了90%的国内市场需求 ， 同时大规模开拓国际市场 ， 占据全球六成以上市场份额 。 铁建重工等地下工程装备企业 ， 研制了诸多类型产品 ， 攻克了多项“卡脖子”技术 ， 完成了技术从跟跑到部分领跑、市场份额从配角到主角的历史性转变 。 “锦绣号”的问世 ， 更是进一步巩固了国产隧道掘进技术装备的自主可控能力 。
本报采访人员 王珍

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