文／矯 陽(yáng)

大型盾構(gòu)機(jī)制造工藝復(fù)雜，其自主化程度反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度。應(yīng)用于北京東六環(huán)改造工程的“京華號(hào)”集多項(xiàng)大盾構(gòu)高難精尖技術(shù)于一身，整機(jī)長(zhǎng)150米、直徑達(dá)16米級(jí)，刷新了國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的直徑紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)盾構(gòu)機(jī)研發(fā)制造水平的又一次躍升。

2月22日，在北京市重點(diǎn)工程北京東六環(huán)改造工程西線隧道現(xiàn)場(chǎng)，“京華號(hào)”盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)地下最低點(diǎn)59米。

盾構(gòu)機(jī)是專(zhuān)門(mén)用于隧道掘進(jìn)的工程機(jī)械，是名副其實(shí)的大國(guó)重器，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽(yù)。它猶如一條鋼鐵穿山甲，能在山間、水底和城市地下鉆出一條條隧道，既高效，又安全。

2020年9月27日，由中國(guó)鐵建股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)鐵建）研制的國(guó)產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)“京華號(hào)”，在湖南長(zhǎng)沙成功下線。這臺(tái)盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長(zhǎng)150米，直徑達(dá)16米級(jí)，總重量4300噸，是我國(guó)迄今研制的最大直徑盾構(gòu)機(jī)。近年來(lái)，中國(guó)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，自主研發(fā)不同型號(hào)的盾構(gòu)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)盾構(gòu)機(jī)從無(wú)到有、從進(jìn)口到出口、從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

量身定制 開(kāi)挖斷面超200平方米

由首發(fā)集團(tuán)投資建設(shè)的北京東六環(huán)改造工程全長(zhǎng)約16公里，其隧道盾構(gòu)段約7.4公里，共設(shè)計(jì)了兩條隧道，每條隧道三層，開(kāi)挖斷面超過(guò)200平方米，是一般地鐵隧道的5倍，為整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵性控制工程。

完成這樣一項(xiàng)超級(jí)工程，需要一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，而且必須是超大直徑。

一臺(tái)大型盾構(gòu)機(jī)，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(jī)械等眾多學(xué)科，制造工藝復(fù)雜，其自主化程度直接反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度。

較之常規(guī)直徑、大直徑盾構(gòu)機(jī)，15米級(jí)以上超大直徑盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)集成更復(fù)雜，加工制造更困難，可靠性要求更高，工程應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)更大，一直是國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用的薄弱領(lǐng)域。

北京東六環(huán)改造工程西線隧道掘進(jìn)，將面臨50多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源。地上風(fēng)險(xiǎn)源密集、地下空間環(huán)境復(fù)雜。針對(duì)項(xiàng)目所處的特殊地理地質(zhì)條件，中鐵十四局集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中鐵十四局）與中國(guó)鐵建重工集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱鐵建重工）聯(lián)合多所高校院所，依托以往應(yīng)用成熟的常規(guī)直徑、大直徑盾構(gòu)機(jī)自主設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)，以及系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)和加工制造技術(shù)，開(kāi)始了共同研發(fā)首個(gè)國(guó)產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)的歷程，并將其命名為“京華號(hào)”。

聚力攻關(guān) 突破多項(xiàng)高精尖技術(shù)

如何讓超龐大的盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度制造和智能化施工，是研制“京華號(hào)”面臨的最大挑戰(zhàn)。而且，在保證盾構(gòu)機(jī)功能優(yōu)越的同時(shí)，還要確保運(yùn)輸?shù)谋憬菪院徒?jīng)濟(jì)性?！皩⒊蟪氐亩軜?gòu)機(jī)部件，分解成合理的體積和重量，是生產(chǎn)設(shè)計(jì)面臨的另一大難題。”中鐵十四局大盾構(gòu)專(zhuān)家陳鵬說(shuō)，此外，北京東六環(huán)改造工程地質(zhì)主要為富水高密砂層，盾構(gòu)機(jī)需要在該地層中獨(dú)頭掘進(jìn)7.4公里，工程對(duì)盾構(gòu)機(jī)的可靠性及工程適應(yīng)性要求非常高。

設(shè)計(jì)之初，研發(fā)團(tuán)隊(duì)詳細(xì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)盾構(gòu)組裝能力、各種運(yùn)輸方式的能力，并借助三維建模優(yōu)勢(shì)，在充分考慮結(jié)構(gòu)可靠性和生產(chǎn)可行性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸能力，量身設(shè)計(jì)出了“京華號(hào)”。

“盾體分為前中盾和盾尾兩大部分。前中盾共分為10塊，盾尾分為4塊，刀盤(pán)分為1個(gè)中心塊、6個(gè)刀箱和6個(gè)小邊塊，最大分塊重量?jī)H250噸，符合現(xiàn)有起吊和運(yùn)輸要求?！辫F建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院副院長(zhǎng)張帥坤說(shuō)。

面對(duì)北京東六環(huán)入地工程地層水壓高，且盾構(gòu)掘進(jìn)距離長(zhǎng)、磨損性強(qiáng)等難點(diǎn)，“京華號(hào)”對(duì)整機(jī)的耐磨性及承壓性進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)數(shù)月的艱苦攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)大盾構(gòu)開(kāi)挖、出渣、支護(hù)和精密制造等關(guān)鍵設(shè)計(jì)制造難題，聚力突破了多項(xiàng)大盾構(gòu)高難精尖技術(shù)。

“京華號(hào)”刀盤(pán)上，有近400個(gè)硬質(zhì)合金的刀頭，硬度媲美金剛石，優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。“‘京華號(hào)’還首創(chuàng)了綜合性常壓換刀方案。”陳鵬說(shuō)，創(chuàng)新研發(fā)的伸縮主驅(qū)動(dòng)技術(shù)，解決了硬巖地層換刀難題，創(chuàng)新研制的常壓換滾刀裝置，消除了帶壓換刀的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2020年9月27日，“京華號(hào)”在湖南長(zhǎng)沙下線。

同步雙液注漿 填補(bǔ)超大直徑施工空白

“京華號(hào)”一路掘進(jìn)，一路創(chuàng)新。

城市內(nèi)盾構(gòu)隧道施工要下穿地上密集風(fēng)險(xiǎn)源，因此需要將地表變形有效地控制在最小范圍內(nèi)，降低對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的影響?！耙肟刂频貙映两档?，最關(guān)鍵的是盾構(gòu)施工的注漿工藝?！敝需F十四局北京東六環(huán)項(xiàng)目盾構(gòu)副經(jīng)理孫長(zhǎng)松說(shuō)。

常規(guī)的盾構(gòu)隧道施工同步注漿采用的是水泥單液漿，存在凝固時(shí)間較長(zhǎng)、流失量大、不能及時(shí)有效控制管片上浮等缺點(diǎn)。

為此，“京華號(hào)”在研發(fā)和施工應(yīng)用中，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)超大直徑泥水盾構(gòu)同步雙液注漿技術(shù)?！皻v經(jīng)3年的探索和實(shí)踐，經(jīng)過(guò)一年半的方案論證、試驗(yàn)，充分應(yīng)用了西南交通大學(xué)在本領(lǐng)域的前瞻儲(chǔ)備和鐵建重工的制造經(jīng)驗(yàn)，取得了階段性成果?！标慁i說(shuō)，“京華號(hào)”實(shí)現(xiàn)了地面沉降的毫米級(jí)控制，確保盾構(gòu)施工對(duì)地面既有建筑的零擾動(dòng)。

“施工中，與傳統(tǒng)漿液相比，‘京華號(hào)’漿液固結(jié)時(shí)間從8小時(shí)縮到1小時(shí)，并能快速達(dá)到有效強(qiáng)度，形成對(duì)隧道的加固、地層的支撐?！爆F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)研究人員舒計(jì)城博士說(shuō)，目前這一研究國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，世界各國(guó)也無(wú)完全成熟的研究成果。

經(jīng)中國(guó)工程院院士錢(qián)七虎等專(zhuān)家論證，“京華號(hào)”同步雙液注漿技術(shù)實(shí)踐效果顯著，科技含量高，屬國(guó)內(nèi)首次，填補(bǔ)了我國(guó)超大直徑泥水盾構(gòu)隧道同步雙液注漿的空白。

截至2022年2月，“京華號(hào)”盾構(gòu)機(jī)已掘進(jìn)至1380環(huán)，成型隧道2760米。除首創(chuàng)國(guó)內(nèi)同步雙液注漿施工關(guān)鍵技術(shù)外，“京華號(hào)”還陸續(xù)攻克了深基坑施工、盾構(gòu)淺覆土始發(fā)、盾構(gòu)機(jī)高風(fēng)險(xiǎn)吊裝、穿越多處敏感建筑物、長(zhǎng)距離穿越高致密砂層等11項(xiàng)技術(shù)難題。

據(jù)悉，依托于北京東六環(huán)項(xiàng)目，“京華號(hào)”研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)瞄準(zhǔn)機(jī)器人換刀、盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程駕駛等前沿技術(shù)，技術(shù)人員正嘗試將施工過(guò)程與5G技術(shù)、智能等相結(jié)合，進(jìn)一步提高盾構(gòu)施工能力，助力中國(guó)大盾構(gòu)施工技術(shù)創(chuàng)新、管理經(jīng)驗(yàn)迭代升級(jí)。

（本文來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》）