具有里程碑意义的中国中铁集团自主研制的第一千台盾构机于9月29日在郑州中铁工程装备集团有限公司下线,而就在两天前,中国迄今研制的最大直径盾构机——“京华号”超大直径盾构机,于9月27日在中国铁建重工集团长沙第一产业园下线。该盾构机整机长150米,总重量4,300吨,最大开挖直径达16.07米,系中国企业首次成功实现16米级超大直径盾构机的工业制造。

中国迄今研制的最大直径盾构机“京华号”9月底在湖南长沙下线。(微博@人民科技君)

“上天有神舟,下海有蛟龙,入地有盾构”,20世纪初时中国的盾构机还在看西方的脸色,现在中国已成为全球知名的盾构行业领先者,最近3年盾构机产销量更是坐稳了世界第一的位置,这背后究竟发生些了什么?

中国的盾构机之困

盾构机全称盾构隧道掘进机,其设计理念于18世纪由英国人提出,当下已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。业界通常将12米及以上直径的盾构机划分为超大直径盾构机,超大直径盾构机集机械、电气、液压、信息、传感、光学等尖端技术于一体,对设备的可靠性要求极高。

盾构施工法明显区别于敞开式施工法,掘进机在掘进的同时可构建隧道支撑性管片,它具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响,以及在水下开挖时不影响地面交通等优势。

作为隧道掘进的专用工程机械,现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术等于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术。因其技术附加值高、制造工艺复杂,早前国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。

中国于1953年开始采用盾构进行隧道修建,晚了国外128年。在2009年之前,中国大约有85%的盾构掘进机依赖进口,其中拥有欧洲大半市场份额的德国海瑞克就占据大陆盾构机市场70%以上。1997年,中国在修建西康铁路秦岭隧道时,从德国维尔特公司引进了第一台隧道掘进设备,当年买两台机器就花去了中国人7个亿。

发达国家垄断着技术和市场,中国没有任何议价权,外国专家的“售后服务”时薪高达600到800欧元(1欧元约合1.17美元),且在检修时还要拉起警戒线,以防中国人靠近观看。“花钱还要看脸色”,饱尝卡脖子之苦的中国人被逼无奈从设计图纸起步,在毫无经验的背景下,开始摸索制造自己的盾构机。

但这中间有太多技术难题需要攻克,仅以刀具为例,就涉及到刀具布置数量、高度、刀间距、刀盘开口率等,而且在实操工作中,盾构机还会碰上花岗岩、石灰岩,以及硬土、软土、淤泥、粉质粘土等不同地质施工环境的考验……这些,都需要配不同的刀具,做出最优的设计。回看历史,中国人仅仅为了攻克刀具难题,就耐住寂寞花了近5年的时间。

从“花钱还要看脸色”到盾构大国

长期一段时间以来,中国盾构机企业在设计、研发、制造上都与国际同类企业差距明显,中国国家科技部2002年在将盾构技术研究列入“863”计划,将攻克盾构机难题列入国家层面的行动。

依托于“十五”期间中国“863”计划项目,上海隧道在2004年研制出中国大陆首台全自主设计、具有知识保产权的土压平衡盾构机“先行号”样机。该样机在切削刀盘驱动系统、推进系统、拼装机系统、同步注浆控制系统、盾尾密封系统、自动控制系统等关键技术进行了技术创新,实现了中国盾构从有到优的突破。

两年之后,拥有33项技术专利的“先行2号”盾构机在上海制造安装完成并正式下线,其价格较之同等日本产品低三分之一,国产化率达到约70%,打破了“洋盾构”独霸中国市场的局面,但“先行2号”那时的开挖直径限于6.34米。

2008年年4月,由中铁隧道集团隧道设备制造公司牵头,浙江大学、华中科技大学等参与研制的首台中国国产复合盾构“中国中铁1号”下线,该机国产率65%,填补了中国在复合盾构制作领域的空白。

2009年9月,一台直径为11.22米的具有自主知识产权的大直径泥水盾构“进越号”成功贯穿上海打浦路隧道复线工程,这也被视为标志中国进入了具备大直径泥水盾构自主设计、制造和施工技术的盾构大国行列。

为适应快速城市化和大铁路网建设的需要,2015年11月14日,由中国铁建重工集团和中铁十六局集团合作研发的中国国产首台铁路大直径盾构机在长沙下线。

该大直径盾构机适用于多种复杂地层,开挖直径8.8米,总长100米,每台售价比进口同类产品便宜约2,000万元人民币(1元人民币约合0.15美元),拥有完全自主知识产权,打破了西方在该领域近一个世纪的技术垄断,填补了中国铁路大直径盾构机自主品牌的空白。

2017年10月26日,直径15.03米,长百米,重达4,000吨的泥水平衡盾构机在中铁装备盾构总装车间正式下线,时为中国自主设计制造的最大直径泥水平衡盾构机,亦填补了中国在超大直径泥水平衡盾构机研制方面的空白。

2018年3月13日,由中国自主研发的出口国际市场的超大直径盾构机,在中交天和机械设备制造有限公司总装车间下线。此盾构机刀盘直径12.12米、长94米、重2,200余吨,用于中国在海外最大的盾构公路隧道项目——孟加拉国卡纳普里河底隧道工程。

该盾构机也由此成为南亚地区投入使用的最大直径盾构机,在这之前,国际上隧道开凿过程中所使用的超大直径盾构机基本为西方垄断,无一台为中国制造。

2019年8月在河南郑州下线的2台直径5.81米的土压平衡盾构机,其后应用于丹麦哥本哈根瑟特瑞根(Cityringen)环线项目,这也是中国自主研制的盾构机首次出口北欧国家。

此次,中国的研发团队依托以往应用成熟的常规直径、大直径盾构机总体自主设计与系统集成技术,以及系统关键零部件设计和加工制造技术,最终攻克了针对北京东六环改造工程建设所需的16米级超大直径盾构机研制技术。

实际上,步入2020年下半年后,在超大直径盾构机研制领域,中国铁建重工集团已经出厂了两台15米级超大直径盾构机,分别用于杭州艮山东路、下沙路隧道工程建设。

中国高端装备制造悄然发力

北京东六环改造工程位于京哈高速至潞苑北大街区间,全线分为直接加宽段和入地改造段,路线全长16公里。全线设置主线隧道2座,长9,160米,其中盾构段长7,338米。从前期地质考察来看,该隧道需穿越砂土、富水高致密砂层、粉土及黏性土交互层等复杂地质,工程面临超大直径、超长距离、超深覆土、超敏感环境等诸多施工难点,这无疑对中国的盾构制造又发出了新的挑战。

从公开报道来看,已于9月27日下线的“京华号”配置了常压换刀、伸缩主驱动、超大直径重载管片高效倒运及拼装技术、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等多项核心技术;同时创新搭载了管环收敛测量、管环平整度检测、管环选型、自动盾尾间隙测量、同步双液注浆、三通闭塞器换管等系统装置,使高强度、高风险、高污染的隧道掘进作业转变成了相对安全、高效的绿色施工模式。

当下,中国已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,也催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标志性、创新性盾构产品在中国的面世。

继成功实现16米级超大直径盾构机的工业制造后,中国工程院院士杨华勇向媒体表示,“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”。

中共领导人习近平在多个场合强调了中国要“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”,官方也希望到2049年中共执政100周年之际,中国能崛起为“超级工业大国”。实际上,中国高端装备制造近年来不断抢占世界级技术制高点,仅盾构行业,已有50多台盾构/TBM(全断面隧道掘进机)设备先后出口新加坡、阿联酋、意大利、法国等19个国家和地区,不断为全球地下空间开发建设贡献着“中国智慧和中国方案”。

2017年、2018年、2019年连续三年产销量居世界第一,同时也是中国高端装备制造悄然发力海外市场的展现。诸多迹象显示,“中国制造2025”早已不仅仅只是一句口号。

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