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最大直径盾构机“运河号”始发:中国装备 装备世界
2021-10-12 14:10
  中国战略新兴产业融媒体记者  陈雯
  8月10日,国产最大直径泥水平衡盾构机“运河号”在北京市通州区潞苑北大街顺利始发,“运河号”的启航,标志着北京东六环改造工程进入盾构掘进阶段。另一侧,6月底启动的“京华号”盾构机也同步运行顺利,目前已经实现地下掘进226米。
  “运河号”“京华号”两台盾构机,目前并列为我国自主研发设计制造的最大直径盾构机,最大开挖直径都达到了16.07米,“运河号”整机总长约145米,总重量约4500吨,而刀头涂装红色京剧脸谱的“京华号”整机长150米,总重量4300吨。两台盾构机将同时参与北京东六环改造工程建设,此次隧道掘进是自北向南始发,“京华号”和“运河号”同向施工。
 
  新装备,缝合城市空间
  近年来,随着我国城市化进程的不断深入,城市的地下空间越来越被我们重视,轨道交通、水利设施、公路隧道等地下工程建设作为缝合城市空间的有效手段,正迅猛发展,但地下工程施工往往会受到诸多不确定因素的影响,如复杂的地质环境和难以掌控的施工工况。盾构机是用于地铁、隧道、涵洞挖掘的高端技术装备,盾构法则是应用于城市轨道交通隧道建设中的首选,因此在地下公路、越江隧道、在地铁隧道以及市政管道这一类基建事业中的应用非常广泛。根据中国城市轨道交通协会2020年1月1日发布的统计,2019年中国内地新增城轨运营线路长度共计968.77km,创历史新高。盾构机作为轨道交通建设的主力军,至2019年底市场保有量已超过2500台套,且仍以平均每年300台的速度增长。
  盾构机在各种复杂条件下都能正常施工,还可以避免用爆破的方式挖隧道的危险,它的基本工作原理是用圆柱体的钢组件,沿隧洞轴线边向前推进、边对土壤进行挖掘,护盾对挖掘出的还未衬砌的隧洞段可以起到临时支撑的作用,承受周围土层压力,挡住地下水,保证挖掘、排土、衬砌等作业安全进行。
  技术方面,“京华号”盾构机采用的是更安全、更高效的第三代常压换刀技术,以及包括伸缩主驱动、高效大功率泥水环流系统、高精度开挖面气液独立平衡控制在内的多项高新技术。“运河号”则盾构机首次采用自主研制的全球长距离掘进不换刀技术,可以连续掘进4800米不换刀,极大地降低了工程风险。
  “运河号”和“京华号”都有用到常压换刀技术,中铁十四局东六环改造工程项目部工程部副部长陈建介绍,常压换刀就是在刀盘内部设置一个刀箱,工作人员钻到里面。过去,盾构施工工作环境极其闷热,在盾构施工隧道里,“轰隆隆”机械运作的嘈杂声总是不绝入耳,盾构技术专家的工作条件艰苦。工作人员要进入巨大刀盘后面的气泡舱检修和更换刀头时,需要经过繁琐的加压、减压等过程,还需要在压力环境下操作,常常一换就是一天的时间。现在,“最快40分钟就能轻松更换刀具。”陈建说。
 
  >>2020年9月27日,“京华号”在湖南长沙下线。
 
  打破垄断,市场技术两手抓
  “运河号”和“京华号”的投用,标志着中国超大直径盾构隧道施工依靠国外品牌时代的终结。
  “盾构机,实际上是中国人的‘争气机’!”在中铁自主研制的第1000台盾构机,“粤海14号”下线仪式现场,在盾构机中铁装备党委书记、董事长卓普周感叹道。
  20世纪70年代,日本和英国分别研制出土压平衡盾构机和泥水加压平衡盾构机,是一种可平衡开挖水土压力的新型盾构,也带来了世界盾构掘进技术的飞跃。为了学习先进土压平衡盾构技术,1987年,上海隧道工程股份有限公司在消化吸收国外土压平衡盾构设计制造技术的基础上,成功研制出我国第一台直径为4.35米的加泥式土压平衡盾构。该盾构能够穿越黄浦江底粉沙层,实现了583米的掘进长度。这台盾构机全部采用国产部件构成,在刀盘、刀具材料等方面也取得了一批具有自主知识产权的研究成果,但却是在消化吸收国外技术的基础上研制而成的,存在大量技术问题。
  由于不掌握核心技术,设备需要外国专家远渡重洋进行检修。昂贵的进口成本,低效的设备维护,耗时的跨国沟通,中国在盾构机的应用上处处受制于人,严重影响着中国基建的效率和发展。1996年12月,我国修建秦岭隧道,花费了7亿元采购了两台德国的二手盾构机,不久后就面临了维修难题,还要担负高达每日万元的外国专家咨询费用。
  通过盾构机的产业化能否解决成本方面的困难呢?盾构机行业的企业开始分为三类。第一类是国内的装备制造企业,此类企业技术水平和制造基础比较好,在自身原有的装备制造基础上通过技术开发进入盾构机领域的企业。第二类是由外资控股的中外合资企业或外国独资企业,如德国海瑞克、日本三菱。第三类是具有施工总包能力的企业转型升级后新组建的装备制造公司。在很长一段时间内,我国国内盾构产业的慢慢扩大了规模,似乎是初见成效。但实际上,生产企业以与外企合资且以代工为主的合资企业为主,一般采用外国控股,由国内合作方负责市场和制造的形式与中国的地方政府合作,核心技术仍然主要集中在德国、日本和美国。合作过程有将近70%-80%的利润属于外商,而且一旦工程项目完结,就会面临外商撤走,徒留无技术、无生产能力的盾构厂空壳,更没有市场需求了。
  2006年2月13日,国务院正式发布《关于加快振兴装备制造业的若干意见》,为加快装备制造业的振兴提出了指导性意见,明确将盾构机列入加快研制的规划当中。2010年10月18日,国务院颁布《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,提出要强化科技创新,提升产业核心竞争力,全断面隧道掘进机被列入战略性新兴产业的概念。
  在国家产业政策的推动下,国内许多重型机械制造企业纷纷开始进入盾构机制造领域,中国盾构机产品开始在国内外舞台上小试身手。经过多年的消化吸收,国内盾构机企业不断发展壮大,外资企业的市场份额在不断缩小。
  国外盾构机制造企业经过长期的实践,已经积累起盾构机模拟试验方法和系统的经验数据。而我国由于幅员辽阔,地质复杂,各个地区的地质条件有很大差别,而且技术起步较晚,工程实践机会较少,无法积累足够的经验数据,在施工过程中经常遇到各种问题,比如刀具严重磨损、因河卵石过大而无法顺利排除等。其中,关键部件的制造难度是最大的,比如刀具,刀具布置数量多少、高度多少、刀间距多少、盘开口率多少,都需要研究和测试。光弄清楚刀具问题,中国就用了将近5年的时间。直到2008年,我国第一台拥有自主知识产权的盾构机成功下线。如今,国产盾构机打破了国外的技术和市场垄断,拉低了同类产品价格的40%。
  2008年4月25日,我国的第一台拥有自主知识产权的复合式盾构机“中铁一号”在河南新乡正式下线。我国的盾构机实现了从无到有的历史性跨越。
  2013年12月,中铁装备成功研制了超大断面矩形盾构,首次将矩形盾构用于城市下穿隧道和地下停车场的施工;2016年10月,“蒙华号”应用项目荣获2018年世界隧道协会“科技项目创新奖”,标志着中国在异形盾构领域处于世界领先水平;2018年,国内首台联络通道盾构机在宁波轨道交通3号线鄞南区间工程成功应用。
  2019年12月4日,两台大直径土压平衡盾构机乘着巨大货轮远渡重洋向法国驶去,面对曾经垄断盾构机技术的法国,我们也终于扬眉吐气了一次。
 
  盾构:寿命有限,技术无限
  从2008年第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机下线,到如今盾构订单超过1200台、出厂1000台、出口21个国家和地区,成为世界知名的中国盾构行业领先者,中国盾构机产业积累了丰富的经验,也爆发出前所未有的发展机遇。
  在提高我国盾构制造业自主研发能力的过程中,加强制造业企业与教育部门的合作已成为一条重要的发展路径。盾构制造企业通过与其它装备制造企业、高等院校和施工企业共同组成研发中心,对重点研发难题进行攻关,尤其要特别重视关键零部件及配套设备的开发与应用,从而实现在产品研究开发上的突破,提高盾构制造企业的自主设计能力和竞争能力,逐步形成完整的高品质的产业链。
  另外,盾构机的“再制造”也被列上了日程。据了解,“京华号”的“寿命”是10公里。不过,在完成此次7公里多的任务后,它将回厂大修,对关键部件进行检查,更换易磨损部件后,会继续应用到下一个工程。一般情况下,盾构机在推进6-8公里之后,基本上就达到了设计寿命。在国外,当盾构机达到设计寿命后,一般有两种再利用的途径,一种是由盾构机设备制造商进行返修,返修后的盾构机和新盾构机的质保和性能是一样的,而且可以根据新的工程要求进行技术指标的更改,以适应新的项目要求;另一种途径是由施工方自己完成改造。2014年,国家工信部下发了《关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》,鼓励开展盾构机、燃气轮机、专用生产装备等高附加值大型成套设备及关键零部件再制造;并在2015年发布了《工业和信息化部办公厅关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》,明确将盾构机列入第二批再制造试点项目。
  目前,国内主要盾构机生产企业有中铁装备、中国铁建重工集团、辽宁三三、北方重工、中交天和机械、中船重工等。经过多年引进消化吸收国外的盾构施工技术,国内盾构机生产企业已形成集研发设计、技术服务、加工制造、组装调试、施工反馈、修造翻新、营销租赁于一体的盾构机产业链,逐步实现了我国盾构机产业向自主化、国产化的高端行业发展。
  但盾构机的自动化、智能化的进展情况如何呢?近年来,我国的盾构自动化技术得到了极大程度的发展,盾构机掘进的智能化水平也呈现出逐年上升的良好趋势,但是,从综合情况来看,我国盾构机的自动控制技术仍然处于起步阶段,许多操作仍然依赖于人工控制。
  随着盾构机在地铁、电力、电信、地下管廊、海底隧道、岩石隧道等更多领域得到应用,对盾构机技术的要求也越来越高,盾构机不仅要适应长距离、大直径和大深度的施工要求,还要在高压条件下完成施工,更要具备克服复杂施工条件的能力,而同时,提高掘进速度和掘进效率,提高施工安全性,以及提高空间利用率等也对盾构机提出了更高要求。因此,能够适应多种地质条件和土层结构的复合式盾构机、超大型和微小型盾构机是未来的发展趋势。另外,盾构机的机器人化,即采用类似机器人控制技术也是其未来的发展方向。如今我们的盾构机在保证开挖、输送等传统作业的同时,还具备了测量、导向和纠偏等几种新型功能。可以期待,长距离、高速掘进施工,一机多用的创新技术,以及新结构、新形式、新概念的盾构机将会不断推出。
  中国是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家诞生了中国最大直径泥水平衡盾构机、世界首台马蹄形盾构机、世界最大直径硬岩掘进机等一系列产品,并不断向世界最大、世界最小、世界首台发起冲锋,刷新中国高度。“中国盾构下一步将挑战18米直径的世界纪录,一个盾构机就有6层楼那么高。”中国工程院院士杨华勇说。
  END
  来源:本刊原创文章
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