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    最大直徑盾構機“運河號”始發:中國裝備 裝備世界
    2021-10-12 14:10
      中國戰略新興產業融媒體記者  陳雯
      8月10日,國產最大直徑泥水平衡盾構機“運河號”在北京市通州區潞苑北大街順利始發,“運河號”的啟航,標志著北京東六環改造工程進入盾構掘進階段。另一側,6月底啟動的“京華號”盾構機也同步運行順利,目前已經實現地下掘進226米。
      “運河號”“京華號”兩臺盾構機,目前并列為我國自主研發設計制造的最大直徑盾構機,最大開挖直徑都達到了16.07米,“運河號”整機總長約145米,總重量約4500噸,而刀頭涂裝紅色京劇臉譜的“京華號”整機長150米,總重量4300噸。兩臺盾構機將同時參與北京東六環改造工程建設,此次隧道掘進是自北向南始發,“京華號”和“運河號”同向施工。
     
      新裝備,縫合城市空間
      近年來,隨著我國城市化進程的不斷深入,城市的地下空間越來越被我們重視,軌道交通、水利設施、公路隧道等地下工程建設作為縫合城市空間的有效手段,正迅猛發展,但地下工程施工往往會受到諸多不確定因素的影響,如復雜的地質環境和難以掌控的施工工況。盾構機是用于地鐵、隧道、涵洞挖掘的高端技術裝備,盾構法則是應用于城市軌道交通隧道建設中的首選,因此在地下公路、越江隧道、在地鐵隧道以及市政管道這一類基建事業中的應用非常廣泛。根據中國城市軌道交通協會2020年1月1日發布的統計,2019年中國內地新增城軌運營線路長度共計968.77km,創歷史新高。盾構機作為軌道交通建設的主力軍,至2019年底市場保有量已超過2500臺套,且仍以平均每年300臺的速度增長。
      盾構機在各種復雜條件下都能正常施工,還可以避免用爆破的方式挖隧道的危險,它的基本工作原理是用圓柱體的鋼組件,沿隧洞軸線邊向前推進、邊對土壤進行挖掘,護盾對挖掘出的還未襯砌的隧洞段可以起到臨時支撐的作用,承受周圍土層壓力,擋住地下水,保證挖掘、排土、襯砌等作業安全進行。
      技術方面,“京華號”盾構機采用的是更安全、更高效的第三代常壓換刀技術,以及包括伸縮主驅動、高效大功率泥水環流系統、高精度開挖面氣液獨立平衡控制在內的多項高新技術?!斑\河號”則盾構機首次采用自主研制的全球長距離掘進不換刀技術,可以連續掘進4800米不換刀,極大地降低了工程風險。
      “運河號”和“京華號”都有用到常壓換刀技術,中鐵十四局東六環改造工程項目部工程部副部長陳建介紹,常壓換刀就是在刀盤內部設置一個刀箱,工作人員鉆到里面。過去,盾構施工工作環境極其悶熱,在盾構施工隧道里,“轟隆隆”機械運作的嘈雜聲總是不絕入耳,盾構技術專家的工作條件艱苦。工作人員要進入巨大刀盤后面的氣泡艙檢修和更換刀頭時,需要經過繁瑣的加壓、減壓等過程,還需要在壓力環境下操作,常常一換就是一天的時間?,F在,“最快40分鐘就能輕松更換刀具?!标惤ㄕf。
     
      >>2020年9月27日,“京華號”在湖南長沙下線。
     
      打破壟斷,市場技術兩手抓
      “運河號”和“京華號”的投用,標志著中國超大直徑盾構隧道施工依靠國外品牌時代的終結。
      “盾構機,實際上是中國人的‘爭氣機’!”在中鐵自主研制的第1000臺盾構機,“粵海14號”下線儀式現場,在盾構機中鐵裝備黨委書記、董事長卓普周感嘆道。
      20世紀70年代,日本和英國分別研制出土壓平衡盾構機和泥水加壓平衡盾構機,是一種可平衡開挖水土壓力的新型盾構,也帶來了世界盾構掘進技術的飛躍。為了學習先進土壓平衡盾構技術,1987年,上海隧道工程股份有限公司在消化吸收國外土壓平衡盾構設計制造技術的基礎上,成功研制出我國第一臺直徑為4.35米的加泥式土壓平衡盾構。該盾構能夠穿越黃浦江底粉沙層,實現了583米的掘進長度。這臺盾構機全部采用國產部件構成,在刀盤、刀具材料等方面也取得了一批具有自主知識產權的研究成果,但卻是在消化吸收國外技術的基礎上研制而成的,存在大量技術問題。
      由于不掌握核心技術,設備需要外國專家遠渡重洋進行檢修。昂貴的進口成本,低效的設備維護,耗時的跨國溝通,中國在盾構機的應用上處處受制于人,嚴重影響著中國基建的效率和發展。1996年12月,我國修建秦嶺隧道,花費了7億元采購了兩臺德國的二手盾構機,不久后就面臨了維修難題,還要擔負高達每日萬元的外國專家咨詢費用。
      通過盾構機的產業化能否解決成本方面的困難呢?盾構機行業的企業開始分為三類。第一類是國內的裝備制造企業,此類企業技術水平和制造基礎比較好,在自身原有的裝備制造基礎上通過技術開發進入盾構機領域的企業。第二類是由外資控股的中外合資企業或外國獨資企業,如德國海瑞克、日本三菱。第三類是具有施工總包能力的企業轉型升級后新組建的裝備制造公司。在很長一段時間內,我國國內盾構產業的慢慢擴大了規模,似乎是初見成效。但實際上,生產企業以與外企合資且以代工為主的合資企業為主,一般采用外國控股,由國內合作方負責市場和制造的形式與中國的地方政府合作,核心技術仍然主要集中在德國、日本和美國。合作過程有將近70%-80%的利潤屬于外商,而且一旦工程項目完結,就會面臨外商撤走,徒留無技術、無生產能力的盾構廠空殼,更沒有市場需求了。
      2006年2月13日,國務院正式發布《關于加快振興裝備制造業的若干意見》,為加快裝備制造業的振興提出了指導性意見,明確將盾構機列入加快研制的規劃當中。2010年10月18日,國務院頒布《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》,提出要強化科技創新,提升產業核心競爭力,全斷面隧道掘進機被列入戰略性新興產業的概念。
      在國家產業政策的推動下,國內許多重型機械制造企業紛紛開始進入盾構機制造領域,中國盾構機產品開始在國內外舞臺上小試身手。經過多年的消化吸收,國內盾構機企業不斷發展壯大,外資企業的市場份額在不斷縮小。
      國外盾構機制造企業經過長期的實踐,已經積累起盾構機模擬試驗方法和系統的經驗數據。而我國由于幅員遼闊,地質復雜,各個地區的地質條件有很大差別,而且技術起步較晚,工程實踐機會較少,無法積累足夠的經驗數據,在施工過程中經常遇到各種問題,比如刀具嚴重磨損、因河卵石過大而無法順利排除等。其中,關鍵部件的制造難度是最大的,比如刀具,刀具布置數量多少、高度多少、刀間距多少、盤開口率多少,都需要研究和測試。光弄清楚刀具問題,中國就用了將近5年的時間。直到2008年,我國第一臺擁有自主知識產權的盾構機成功下線。如今,國產盾構機打破了國外的技術和市場壟斷,拉低了同類產品價格的40%。
      2008年4月25日,我國的第一臺擁有自主知識產權的復合式盾構機“中鐵一號”在河南新鄉正式下線。我國的盾構機實現了從無到有的歷史性跨越。
      2013年12月,中鐵裝備成功研制了超大斷面矩形盾構,首次將矩形盾構用于城市下穿隧道和地下停車場的施工;2016年10月,“蒙華號”應用項目榮獲2018年世界隧道協會“科技項目創新獎”,標志著中國在異形盾構領域處于世界領先水平;2018年,國內首臺聯絡通道盾構機在寧波軌道交通3號線鄞南區間工程成功應用。
      2019年12月4日,兩臺大直徑土壓平衡盾構機乘著巨大貨輪遠渡重洋向法國駛去,面對曾經壟斷盾構機技術的法國,我們也終于揚眉吐氣了一次。
     
      盾構:壽命有限,技術無限
      從2008年第一臺具有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構機下線,到如今盾構訂單超過1200臺、出廠1000臺、出口21個國家和地區,成為世界知名的中國盾構行業領先者,中國盾構機產業積累了豐富的經驗,也爆發出前所未有的發展機遇。
      在提高我國盾構制造業自主研發能力的過程中,加強制造業企業與教育部門的合作已成為一條重要的發展路徑。盾構制造企業通過與其它裝備制造企業、高等院校和施工企業共同組成研發中心,對重點研發難題進行攻關,尤其要特別重視關鍵零部件及配套設備的開發與應用,從而實現在產品研究開發上的突破,提高盾構制造企業的自主設計能力和競爭能力,逐步形成完整的高品質的產業鏈。
      另外,盾構機的“再制造”也被列上了日程。據了解,“京華號”的“壽命”是10公里。不過,在完成此次7公里多的任務后,它將回廠大修,對關鍵部件進行檢查,更換易磨損部件后,會繼續應用到下一個工程。一般情況下,盾構機在推進6-8公里之后,基本上就達到了設計壽命。在國外,當盾構機達到設計壽命后,一般有兩種再利用的途徑,一種是由盾構機設備制造商進行返修,返修后的盾構機和新盾構機的質保和性能是一樣的,而且可以根據新的工程要求進行技術指標的更改,以適應新的項目要求;另一種途徑是由施工方自己完成改造。2014年,國家工信部下發了《關于進一步做好機電產品再制造試點示范工作的通知》,鼓勵開展盾構機、燃氣輪機、專用生產裝備等高附加值大型成套設備及關鍵零部件再制造;并在2015年發布了《工業和信息化部辦公廳關于進一步做好機電產品再制造試點示范工作的通知》,明確將盾構機列入第二批再制造試點項目。
      目前,國內主要盾構機生產企業有中鐵裝備、中國鐵建重工集團、遼寧三三、北方重工、中交天和機械、中船重工等。經過多年引進消化吸收國外的盾構施工技術,國內盾構機生產企業已形成集研發設計、技術服務、加工制造、組裝調試、施工反饋、修造翻新、營銷租賃于一體的盾構機產業鏈,逐步實現了我國盾構機產業向自主化、國產化的高端行業發展。
      但盾構機的自動化、智能化的進展情況如何呢?近年來,我國的盾構自動化技術得到了極大程度的發展,盾構機掘進的智能化水平也呈現出逐年上升的良好趨勢,但是,從綜合情況來看,我國盾構機的自動控制技術仍然處于起步階段,許多操作仍然依賴于人工控制。
      隨著盾構機在地鐵、電力、電信、地下管廊、海底隧道、巖石隧道等更多領域得到應用,對盾構機技術的要求也越來越高,盾構機不僅要適應長距離、大直徑和大深度的施工要求,還要在高壓條件下完成施工,更要具備克服復雜施工條件的能力,而同時,提高掘進速度和掘進效率,提高施工安全性,以及提高空間利用率等也對盾構機提出了更高要求。因此,能夠適應多種地質條件和土層結構的復合式盾構機、超大型和微小型盾構機是未來的發展趨勢。另外,盾構機的機器人化,即采用類似機器人控制技術也是其未來的發展方向。如今我們的盾構機在保證開挖、輸送等傳統作業的同時,還具備了測量、導向和糾偏等幾種新型功能??梢云诖?,長距離、高速掘進施工,一機多用的創新技術,以及新結構、新形式、新概念的盾構機將會不斷推出。
      中國是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家誕生了中國最大直徑泥水平衡盾構機、世界首臺馬蹄形盾構機、世界最大直徑硬巖掘進機等一系列產品,并不斷向世界最大、世界最小、世界首臺發起沖鋒,刷新中國高度?!爸袊軜嬒乱徊綄⑻魬?8米直徑的世界紀錄,一個盾構機就有6層樓那么高?!敝袊こ淘涸菏織钊A勇說。
      END
      來源:本刊原創文章
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