走近“工程机械之王”:盾构“中国梦”的实现

2014-07-07 | 发布者:柴喜男 | 来自瞭望东方周刊

   上世纪90年代中期。全长256米、刀盘直径8.8米,价值3.5亿元人民币的世界名牌、德国造“维尔特”硬岩掘进机,在秦岭隧道施工时发生故障。换零件?等两年。找人修?德国专家从离家那刻起计费,每天3000美元。


  从今天回溯10年。科学家“七年磨一剑”自主研发出盾构“心脏”——液压驱动和控制系统,想“移植”到德国产品“海瑞克”身上一试身手,却屡屡碰壁。首台“中国造”靠谱吗?施工方打退堂鼓,不肯给新系统通电,多次沟通无果,科学家发脾气撂电话。


  故事或将在此戛然而止。撂下电话的是中国工程院院士、浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授杨华勇。无奈之余,他只好准备“给国家打报告说项目做不下去了”。


  谁料峰回路转。第二天,施工方——中铁隧道集团有限公司有关负责人意外松口:“可以通电!”于是,盾构“中国梦”的故事翻开新篇。


  2009年,天津地铁3号线营口道至和平路标段,首台国产复合盾构——“中铁1号”以日掘进22.8米的速度在“督军街”——赤峰道下潜行。它静悄悄经过建筑史上的奇葩、全球独一无二的“瓷房子”(现值98亿),穿过张学良、段祺瑞等名人故居,几乎检测不到地表沉降。


  同一年,国产直径11.22米的“进越号”首台泥水盾构为上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线画了个完美的弧度:380米的最小转弯半径刷新世界纪录。
  2012年,杨华勇及其产学研团队的“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”项目,将国家科学技术进步一等奖揽入怀中。


  国家褒奖的背后,是2009年至2011年新增产值62.83亿元,实现利润10.21亿元,创造税收4.25亿元。


  灵感源自船蛀打孔


  有“工程机械之王”、“移动式掘进工厂”之称的盾构机,其设计灵感源自小小的船蛀。


  1818年,侨居英国的法籍工程师布鲁诺尔看到船蛀在船板上蛀孔,再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被灵感眷顾,构建了盾构法隧道掘进施工的原理,发明了敞开式手掘盾构原型。


  泰晤士河成了布鲁诺尔的“试验田”。始于1825年,在经历了五次以上特大洪水后,直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。


  现代盾构机十足“高大上”。集土木、材料、机械、电压、液压、信息、控制等技术之大成。它是在护盾钢筒结构掩护下,能够连续、同步实现切削、排碴、衬砌等隧道一体化掘进作业的高端装备。


  回想上世纪六七十年代开挖隧道的经典场面:炸药开道,千余人赤膊挥汗,镐锨锹锄齐上阵,扁担肩扛加手推车一趟趟运土,“工效低、事故多、伤亡大。”杨华勇说,坐火车过秦岭或襄渝线,在每个长点儿的隧道口几乎都看得到当年施工人员长眠的坟头。


  而由刀盘刀具系统、刀盘旋转驱动系统、螺旋输送机与密封舱系统、推进系统、管片拼装系统、后配套系统和导向纠偏系统组成的现代盾构机,工作起来“一气呵成”。


  先将后配套拖车和设备调入基坑后部,安装始发液压缸和始发反力托架,再将盾首吊入始发井,调整始发位置和姿态。始发液压缸推动盾构进行初始掘进,期间测量系统实时反馈盾构姿态,确保其按预设方向和轨迹掘进。


  “钢铁蚯蚓”吞土吐石。在刀盘挤压和刀具切削作用下,刀盘前方土体和岩石被切割破碎,沿刀盘开口进入密封舱,再经螺旋输送机排至输送带,而后到达盾构机尾的矿车,运至隧道口提升至地表,管片也可由矿车运送到盾构机靠近刀盘的前部分。


  在切削土体时,推进机构推动盾首前进,当推进距离达到一环管片宽度时停止,盾构进行管片拼装。管片运至拼装机后部,拼装机后退取管片,再回到盾体内部进行拼装,管片环与环之间错开衬砌,一环管片分为六片,分别按照上述步骤进行拼装。拼装完毕后进行同步注浆,推进机构继续向前。


  在直径6~15米的大型隧道施工现场完成如此复杂的流程,需要多少人?答案是:每班组仅需12人。


  “急诊医生”要当设计师


  浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授龚国芳给《瞭望东方周刊》讲了个故事:1995年,中铁隧道集团有限公司从德国购买了一台敞开式全断面硬岩掘进机,用于国家“九五”重点工程西安安康铁路“咽喉”秦岭隧道的开挖。
 

  价格超过3.5亿元的一堆零部件在江南造船厂合体,成为全长256米、刀盘直径8.8米的“巨龙”。工程接近尾声时机器“罢工”,德国专家说要更换液压装置,可新装置要两年后才能到。


  施工方把求助电话打到了浙江大学。次日,重点实验室的魏建华教授出发去了秦岭,拆出“生病”的液压装置。魏建华拦了一辆上山接孕妇的救护车才得以下山,而另两位中铁隧道集团的工程师硬是沿着已经打出的隧道,步行穿越18公里,走出白雪皑皑的大山。


  魏建华“闭关”半年,终于将液压装置修复,德国巨龙的“心脏”重新起搏。
  科研人员被迫穿山入林做盾构“急诊医生”,其时代大背景是经济驶入快车道的中国已经拉开基建大幕——公路、铁路、地铁、水利工程接连上马,城市化建设迅速推进。但国内对盾构的自主研发水平,远远不能支撑市场对盾构的巨大需求。
 

  于是“洋盾构”唱起主角。1990年,上海地铁1号线用的是七台“法国造”;1996年二号线开工,七台不够,又从法国引进两台。同年,延安东路隧道南线工程1300米圆形主隧道,用的是日本造直径11.22米泥水盾构掘进机。2001年后,广州、南京、深圳、北京、天津先后从德、日引进14台直径6.14米~6.34米的土压平衡盾构和复合盾构机,掘进地铁隧道50千米。


  “盾构设计技术一直被国外垄断,产品长期依赖进口,高昂的价格制约了盾构的应用,延缓了我国城市地铁的发展,自主研制势在必行。”杨华勇表示。


  经济账更能说明问题:单价4000万至6000万元人民币的地铁盾构机,单台平均寿命10~15公里,一条地铁线路有时需20台盾构同时施工。


  而处于基础建设期的中国对盾构机的需求占全球50%以上。未来十年,中国还将建设隧道超过一万公里,新增盾构机超过1000台,拉动直接投资超过一万亿元。
 

  2000年7月,在科技部863计划支持下,建设部在北京组织了全国第一次针对盾构装备研制的大学与企业的联合论证会。“这是一件应该上升为国家战略的大事。”作为论证专家之一的杨华勇说。

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