中国盾构机的设计研发

　　如何从零起步到逐步摆脱进口依赖如何实现自主研发并向自动化智能化前行

　　3月12日央视十套《科幻地带》播出《穿山遁地“钢铁侠”》聚焦盾构机制造及施工技术的发展

　　而在这段曲折而振奋的发展历程中园区企业铁建重工也是重要参与者和助力者之一

　　一起来看看吧~

　　盾构机是隧道施工的重要装备，我国盾构机产业是如何从无到有，一步步打破国外垄断的?面对各种工程难题，科技工作者又将如何一次次完成技术突破?

盾构机研发制造的“国产”突破

　　在北京通州区一处道路改造工程中，地下30多米的深处，一台巨大的盾构机正在掘地前行，它就是整机长150米，总重量4300吨，最大开挖直径达16.07米的盾构机——“京华号”。

　　这台16米级盾构机依托信息化手段打造智慧工地，顺利穿越京哈铁路、北京城市副中心综合交通枢纽等重大风险源后，沉降控制2毫米以内，为同类型盾构施工积累了宝贵经验，并创国产超大直径盾构隧道施工奇迹。

　　可是在20多年前，我国还不具备这种大型设备的制造研发以及施工能力，面对国外盾构机制造技术的垄断，国产盾构机将如何实现创新与跨越?

　　2007年，铁建重工刘飞香团队瞄准盾构机这一国内研发空白，立志要造出中国人自己的“地下航母”。那时，大学刚毕业的张帅坤就来到了刘飞香团队，成为了国产盾构机研发团队的主力。

　　铁建重工掘进机研究设计院副院长张帅坤：

我们之前用国外的产品，吃过苦，也受过气，它这个不但价格昂贵，而且配件供应不及时，服务也跟不上。当时我们就想，如果说我们没有掌握自己的核心技术的话，那么中国的地下工程建设必然受制于人。

　　2008年冬天，研发团队就住进了工棚，“铁皮屋”设施简陋，四面漏风，而冬天的南方没有暖气，湿冷很严重，他们所有人都裹着棉服工作。

　　铁建重工掘进机研究设计院副院长张帅坤：

当时我们是完全没有依靠外国人，也没有购买他们的图纸。我们可以说是完全从零开始，我们所有的图纸都是自己摸索着画。但是大家都攒着一股劲，就是不能被外国人看扁。可是研发任务却没有大家想象的简单。跟普通机械设备不同，盾构机是定制化产品，每一台设备都需要结合实际的工程单独设计，不同的地质、不同的施工队伍会有不同的需求，并且盾构机制造工艺复杂，以盾构机换刀技术为例，在盾构机掘进中，刀具损坏如何更换，高压换刀还是带压换刀，这些都是研发团队需要攻克的难题。

　　就在研发团队以为研发任务要止步于此时，我国技术人员通过工程实践积累了诸多盾构机设计和使用的经验，他们将相关信息和资料传到研发团队手中，为我国盾构机的研发带来了新的契机。

　　铁建重工掘进机研究设计院副院长张帅坤：

中国的盾构技术之所以这么多年发展这么快，它主要是得益于我们有大量的工程实践。我们的所有的技术的进步都是和现场的工程应用分不开的，我们都是和施工单位一起来共同研发。

　　2010年，研发团队经过近三年的技术攻关，研制出了首台土压平衡盾构机——“开路先锋19号”，它的开挖直径为6.28米，国产化率达到87%。这台盾构机一下线就被用于北京地铁工程，月开挖进度达600多米，远超国外的同类型盾构机。它的出现让原本均价在1.5亿元人民币左右的洋盾构，在中国直接降价30%。国产盾构机初战告捷，但它还只是一种小型盾构机，而盾构设备的直径越大，制造的难度系数就呈几何级增加。

　　所以从那以后，我国盾构机的研发，一度比较缓慢，直到2015年才进入一个新的发展阶段。

“国产”一次次破解工程难题

　　在这之后，面对京沈高铁望京隧道施工过程中会产生大量渣土和废浆等地质特点和技术难点，我国盾构机研发人员经过一段时间的攻关后，在2016年，总长87米，总重量1900吨，10.6米超大断面隧道施工盾构机下线。这台机器应用了新型材料和工艺，实现了零渗漏、零排放、零污染。这是自2010年之后，我国国产盾构机又一次获得成功。

　　2016年10月，面对常德沅江隧道复杂多变的地层需要不停地更换不同的刀具的需求，第三代常压换刀技术，首次应用到中国国产大直径盾构机上。“沅安号”下线后，使得国产盾构设备在全断面卵石、硬塑粘土等极端地质条件下，实现了平均月掘进300米，最大月掘进380米的效率，达到了进口同类设备的高水平。2019年7月，常德沅江隧道顺利贯通，标志着我国水下盾构隧道掘进机制造达到了世界先进水平。自此，国产大直径盾构机逐渐代替进口设备，成为大直径盾构施工装备的主力军。

　　2017年我国盾构机首次出口到欧洲，打破了国外盾构机企业对高端市场的垄断。我国盾构机研发虽然起步较晚，但科技工作者仅花了十多年时间，就在与盾构机强国的同台竞争中脱颖而出。随着技术的发展，科技工作者的目光不再止于地下，而是投向的大海。

　　2020年，我国为进一步支持粤港澳大湾区和广东自贸区的建设，开始建设深江铁路。面对盾构机需要在海底进行洞内原位拆解的难题，研发人员将双盾壳应用到“深江1号”盾构机上，以应对海底洞内接收的特殊工况。这在国内盾构机行业尚属首次，大大提高了盾构机在海底超高水压下的适应能力。

　　而在面对城市地下超大直径隧道施工沉降控制难题时，中国铁建重工集团、中铁十四局集团联合研制出了16米级超大直径盾构机——“京华号”。2020年，京华号在湖南长沙下线。为了保证将地质沉降控制在毫米级别，以钱七虎院士为首的专家团队，依托东六环改造工程进行大量室内外试验，从注浆材料遴选、浆液配比、物理特性等方面开展研究。经过三年多的努力，创新研究新的同步双液注浆工艺，成功为这次地下改造工程提供了技术支持。由于运用同步双液注浆技术，“京华号”成功下穿多个地上风险源，地表沉降始终控制在两毫米以内，有效解决了超大直径泥水盾构施工过程中的管片上浮和沉降问题。这一技术成果的实现填补了我国超大直径泥水盾构隧道同步双液注浆研究的空白。

智慧大脑加持掘进快速高效

　　二十余年来，穿山遁地的“钢铁侠”逐渐实现了“水陆两栖”的自主化。但是由于我国地质情况复杂，各项工程会面临很多突发状况，为解决这一问题，他们决定给盾构机装上聪明的“大脑”——管控中心。这一套技术的核心优势是通过大数据和盾智云平台，实现从盾构机到项目公司总部、智能监控指挥中心的三级联通。

　　如今重达上千吨的盾构机在“智慧大脑”的加持下，更加快速、高效地挖掘一条条地铁、高铁、公路等隧道。

　　我国盾构机的发展历程是我国工业由人力向着自主化、现代化、机械化迈进的一个缩影。盾构机的一次次改进，是一个国家机械设计能力和工业创新能力的体现。

　　飞天有神舟，潜海有蛟龙，追风有高铁，入地有盾构。相信在未来，更加先进智能的盾构机，将会更高效地服务于我国的基建行业，让万千天堑变通途。