盾構機，“百變金剛”本領強

　　日前，國產超大直徑盾構機“江海號”順利始發，建設世界最長水下公路盾構隧道——海太長江隧道。范少文攝

河南鄭州，“帕蒂加朗號”盾構機下線，開挖直徑達15.7米，將出口澳大利亞，這是我國出口的最大直徑盾構機；

上海崇明，“領航號”盾構機掘地潛行，以“有人值守、無人操作”的方式抵達長江江心……

盾構機，全稱為全斷面隧道掘進機，被譽為“工程機械之王”。刀盤直徑從0.5米到超16米，掘進方向從水平到斜向、豎向、拐彎掘進……如今，在中國工程師手里，盾構機成了“百變金剛”，種類繁多、本領高強。

　　掘進方向之變

　　從水平到斜向、豎向、拐彎掘進

過往，盾構機多是水平掘進。今天，中國制造的盾構機不僅能橫著挖，還能斜向上挖、斜向下挖、直線向上挖、直線向下挖。

能爬坡，挖斜井。

說起斜向上挖的盾構機，不得不提全球首臺大直徑會“爬陡坡”的隧道掘進機“永寧號”。

去年9月，“永寧號”順利完成洛寧抽水蓄能電站2號引水斜井的挖掘任務。這是一條坡度達38.742度、全長約873米的斜井。“永寧號”不僅成功爬坡，還取得了月掘進332米、單日最高進尺22.75米的佳績，大幅提升了斜井的施工效率。

能下坡，助采礦。

有了“永寧號”的成功經驗，中鐵裝備研發團隊又開發了全球首臺大傾角下坡掘進礦用隧道掘進機“中鐵1285號”。

眼下，“中鐵1285號”已完成淮北礦業集團臨渙煤礦作業任務。它不僅實現了長距離15度下坡掘進，還成功穿越落差達330米的大斷層，一口氣完成下坡、拐彎等高難度動作。

向下走，挖車庫。

在上海靜安區廣延路一處綠地，占地面積不足300平方米的圍擋內，上海首個垂直掘進（盾構）地下智慧車庫項目正在進行最后的調試。

中鐵十五局項目負責人王文燦告訴記者，與傳統垂直車庫采用明挖法或沉井法施工不同，這個項目使用了全球最大直徑豎井掘進機“夢想號”，驗證了垂直掘進施工工法的可行性。

向上走，挖豎井。

在浙江景寧抽水蓄能電站，國內首臺超大直徑反井鉆機“中鐵1361號”正進行排風豎井施工。從山腳“頂壓向上”前行，“中鐵1361號”通過創新采用“一擴成井”工藝，可實現直徑7米、深度311米的井筒一次性開挖成型。

新的開挖方向，適用于新的應用場景。

“長期以來，盾構機主要用于交通基礎設施建設。隨著我國交通基礎設施逐步完善，盾構機未來的市場在哪里？”中鐵裝備技術中心副主任賀飛坦言，這是企業一直在思考的問題。

水利、水電、煤礦、非煤礦山、城市綜合管廊、停車庫……在中鐵裝備眼中，這些項目均是盾構機大展身手的場景。他們成立多個研發團隊，開展針對性開發，讓盾構機不僅可以多方向開挖，而且具備圓形、方形、馬蹄形、橢圓形等不同形狀的開挖能力，拓展了盾構機的應用場景。

新的開挖方向，代表著更強的研發能力。

每一款新挖掘方向盾構機的問世，都凝聚著一系列技術創新。就拿“永寧號”來說，其爬山模式借鑒了爬山虎的結構，50多名專家開展了歷經數月的研究、設計、試驗，最終決定為“永寧號”加裝前后4組共8條“腿”、16個“腳”，助力其安全“爬上山頂”。

再看“中鐵1361號”，為實現盾構機“頂壓向上”，研發團隊對重載鉆桿、鉆桿一鍵自動化拆卸、多功能變頻主驅動及智能化控制等方面展開針對性設計，做到大直徑豎井一次反拉成井，設備安全、高效、可靠運行。

　　體量身型之變

　　直徑從15米級躍升至16米級

15.4米！2024年1月，“領航號”盾構機下線，成為世界最大直徑高鐵泥水平衡盾構機。

超16.6米！2024年10月，“江海號”盾構機下線，成為我國自主研制的超大直徑盾構機。

國產盾構機，為何直徑越造越大？

“算總賬，大直徑盾構隧道‘性價比’更高。”中鐵十四局盾構專家陳健從兩方面作了詳細介紹——

大直徑隧道，可實現單管多線布設。以前，穿江越海隧道大多設計為單管單線的雙管方案，即上下行分為雙洞。隨著盾構機直徑升級，用單條超大直徑隧道替代傳統雙管，可有效節約地下空間資源。

大直徑隧道，還可實現多功能集中布設。15米級及以上的盾構隧道，可構建地下立體空間，實現市政道路、軌道交通、綜合管廊同管布設。這就避免了隧道的重復開挖，可降低建設、運營、維護等綜合建造成本。

我國水域廣闊，江河縱橫，各沿江沿海城市對跨越水域、聯通兩岸、暢通出行有著剛性需求。超大直徑盾構機恰可滿足建設需求。相比橋梁，超大直徑盾構隧道在減少航道影響、保護沿岸生態、應對惡劣氣候等方面具有明顯優勢。

不過，直徑越大，盾構機制造的難度就越大。

“盾構機直徑超過15米后，隨著開挖直徑增大，不良地質可能引起呈冪級增長的隧道災難，給盾構機的結構強度、控制精度、材料疲勞等提出更高需求。”賀飛說。

就拿推進系統來說，15米級以上盾構機，其承受的水土壓力可達5巴以上，因此需要30組以上液壓千斤頂同時“發力”，才能推動盾構機前行，而6米級盾構機僅需16組。千斤頂數量越多，同步控制難度越大，但對盾構機而言，推進系統任何微小的不同步，都會導致盾體“卡殼”或軸線偏移。

此外，類似刀盤驅動軸承等關鍵核心部件，都需要采用新材料、新結構、新設計，才能滿足應用需求。賀飛表示，對15米級以上超大直徑盾構機，直徑每增加1米，都會對盾構機的結構設計、密封承壓、出渣處理等提出新挑戰，“每一次升級都絕非易事”。

攻克技術難點，成果接踵而至。2017年10月，我國首臺具有自主知識產權的15米級超大直徑泥水平衡盾構機“中鐵306號”成功下線，首次打破國外對大直徑盾構機的壟斷。

此后，從開挖直徑15.8米的“春風號”到直徑16.07米的“京華號”，再到直徑超16.6米的“江海號”，國產超大直徑盾構機實現了從“跟隨”到“引領”的躍變。

“目前，我國已在超大直徑盾構機的研制和應用領域實現新跨越，形成了超大直徑盾構機全產業鏈能力。”賀飛說。

　　操作方式之變

　　從人工駕駛到自動掘進

目前，我國國產盾構機已占據全球市場近七成份額。中國工程師正努力讓盾構機更智能、更綠色。

走進“領航號”盾構機駕駛室，屏幕上跳動的各項數據，實時反饋當前設備掘進狀態，盾構機長只監測、不操作。這是因為研發團隊為“領航號”這個“金剛鉆”裝上了“千里眼”和“智慧腦”。

“傳統盾構施工就像盲人走路，由于無法100%了解周圍地質情況，施工過程中安全風險較高。”中鐵裝備“領航號”盾構機主設計師廖兆錦說。為此，“領航號”搭載超前地質預報系統，可對刀盤前方10米到40米的地質條件進行精準探測，智能感知系統也可對地質條件進行實時分析，保證盾構正常掘進。

“智慧腦”則讓“領航號”擁有了智能分析和自主判斷的能力。在長達14.25千米的隧道里，它可以不借助任何“幫手”即完成獨頭掘進，實現了“有人值守、無人操作”狀態下毫米級的掘進精度。“有了智能系統助力，施工效率和質量提高了，我們還能實時監測設備運行狀態及工程潛在風險，確保工程平穩推進。”中鐵隧道局崇太長江隧道項目副總工程師傅博偉說。

再看綠色化。

2024年7月23日，世界首臺綠色盾構機“中鐵1237號”順利始發，開挖直徑為9.16米、設備長度約135米、總重達1900噸。

何為綠色盾構？“我們為盾構機搭載了智能系統，通過對盾構掘進過程中各系統的自動智能管理，自主達到掘進效率和能源消耗的最佳匹配，實現綠色節能。”“中鐵1237號”主設計師曹書磊說。

此外，該盾構機還采用了節能智造工藝和先進除塵技術，可減少粉塵排放；搭載連續掘進、快速換模等技術，可使得掘進效率大幅提升，節能減排效果顯著。

目前，“中鐵1237號”已出口意大利，用于意大利西西里島高速鐵路隧道建設，代表著國際市場對中國綠色盾構的認可。

穿山海、暢通途；“啃”巖石、鉆山體；遁地行，拓空間……“下一步，我們將在更大掘進直徑、更快掘進速度、更深掘進深度和更復雜工況上持續發力，推動盾構機研發向智能化、綠色化邁進，不斷攀登盾構機技術制高點。”中國中鐵黨委書記、董事長陳文健表示。（記者 李心萍）