上海建工推矩形盾構

文‖上海國資記者 陳怡璇

成立合資公司不僅為技術合作搭建平臺，而且形成資金紐帶，也為項目產業化發展積累經驗

10月12日，由上海建工機施集團自主研制的中國首臺大斷面矩形盾構機，在上海虹橋臨空園區10-3、11-3地塊地下連接通道工程建設中迎來首次推進任務，這也是全國范圍內超大截面矩形盾構機的首次推進，該設備已申請國家專利達30項。

“研發大型矩形盾構機，一直是機施集團多年來的夢想，是企業應對市場需求的及時反映，也是提升國內自主知識產權的迫切要求。而此次與市政設計總院、同濟大學等多家單位的合作模式，則是‘產學研用’相結合的體現，為機施集團未來的地下空間戰略奠定了合作基礎和發展動力。”上海建工機施集團資深總工程師、副總裁吳欣之對《上海國資》表示。

開發

矩形盾構機之所以能夠由上海建工機施集團率先研制完成，有必然性。

1990年上海建工開始致力于地鐵隧道工程。20余年期間，機施集團不僅積累了隧道施工的經驗，而且工程技術人員長期從事盾構機的檢修和保養工作，已對盾構機的結構十分熟悉，機施集團早有自主研發盾構機的意圖和專業人才。

此外，伴隨城市交通立體化和地下空間互聯互通的發展，隧道施工的難度逐漸提升，地下管線的保護要求越來越高。另一方面，地下空間資源寶貴。如果用傳統的圓形盾構機開挖，截面的利用率不高，造成空心資源的浪費。”吳欣之解釋，矩形盾構施工可使空間利用率提升20%以上。

2003年，上海建工開始考慮用矩形隧道來代替圓隧道，提升空間資源利用率，并滿足淺覆土的要求，與日本小松（中國）投資有限公司合作，在上海率先開發了一臺矩形頂管機，也是一種隧道掘進機。不過與矩形盾構機相比，矩形頂管機工藝簡單、尺度較小，6.25米*4.36米的截面，由6個刀盤組成。由于是合資開發，專利開發技術共同擁有。

2004年在3個月的時間里，機施集團用矩形頂管機順利實施了浦電路地下人行通道，而地面交通并未受到任何影響。此后，在諸多地鐵車站的通道、陸家嘴中心區域地下空間開發等項目中均以矩形頂管機推進。

2007年，機施集團在原有矩形頂管機的基礎上進行改進，開發了6.91米*4.2米截面的矩形頂管，將糾偏等新技術工藝加入。這臺由機施集團完全自主研發，為后來的矩形盾構奠定了基礎。

2010年后，市場需求發生較快變化，截面口徑變大、推進距離拉長，原有的矩形頂管截面面積不足且只適用于直線推進無法彎曲，推進長度至多不超過100米，無法滿足市場需要，頂管機需要改成盾構機。

工程技術創新是有風險的，尤其是施工工程絕不容許失敗。如果地下盾構機在推進的半途中損壞，則整個地下隧道線將面臨報廢。為了保險起見，機施集團決定采用先行試點的辦法。

當時，虹橋會展中心與商務區核心區的一條28米長的地下連接通道正值開挖，然而這一地下通道掩埋了十幾根管線。如果用傳統的開挖方法，管線搬遷的費用約近千萬，且不包括開挖后對地面交通和城市管理的干擾和影響。機施集團決定抓住這一機會，采用“非開挖”的方式，嘗試研發矩形盾構機。

“在做矩形盾構前期，我們與日本小松和德國海瑞克都曾接觸過，寄希望于合作的方式降低風險。但由于工期、價格和知識產權的問題，未能談成。”負責設備開發工作的上海機施集團副總裁黃毅對《上海國資》表示，日本小松表示投資額需超過1億元，且要求所有知識產權都歸于日方。基于此前矩形頂管機的經驗，機施集團決定自主牽頭設計，目前矩形盾構機全部部件均為國產。

2012年9月份，機施集團開始組建團隊開展設備和施工技術的探討；2013年3月份，機施集團內部董事會決定上馬項目，4月上報上海建工集團，5月份建工集團批復項目并決定投資。

設備走在施工前面，盾構機的管片設計和拼裝系統是最大的難題。2013年年初，按照方案開始細化包括拼裝機在內的設備研發工作。據黃毅介紹，單單設備研發就分成了機械組、電氣組、掘進管理系統組。

經過設備方案的反復試驗和選件調整等工作，2013年5、6月份完成技術突破，最終研制出鋼結構與混凝土結合的管片設計以及現場拼裝系統，改變了過去整環加工的方式，分為六片管片，以精密預制和環環預拼的方式最終滿足了制作要求，極大地節約了成本。

“回看當時的會議紀要，差不多有100份，每一個星期至少開一次例會討論設備技術。我們不知道‘天高地厚’，當時提出了一年內完成管片設計和拼裝系統。即使按照當時日本的成熟技術，也需要一年半到兩年的時間，壓力很大。”黃毅表示。

實際上，為了抓住這一機會，在虹橋臨空的項目中，機施集團采用墊資開發。業主通常按照明挖的正常費用概算，然而不包括臨空地區地下雨水管線的搬遷費用，而最終實際花費除了盾構機投入以外還有工程實施的費用。“我們將區間實施的費用只是作為科研投入，以設備零成本的投入方式參與投標，并為業主節約了管線搬遷的費用。”黃毅介紹。

從設計到安裝調試完成，機施集團花費兩年時間完成矩形盾構機的全部開發工作，參與項目研發的人員約50人左右，而包括其他合作單位更是達到了大約300-400人。

技術實現價值

2013年9月，市政院和機施集團合資成立了上海建工地下工程技術有限公司，不僅為技術合作搭建平臺,而且形成資金紐帶,可謂合作模式的創新，也為項目產業化發展積累了經驗，共贏發展。

上海市機械施工集團有限公司副總裁過浩侃對《上海國資》表示，為了完成矩形盾構的管片設計工作，機施集團牽手市政設計總院，以注資5000萬元成立合資公司，其中市政院部分以其管片設計專利的技術入股的方式，通過有價置換成資本投入，實現了技術價值化。

2013年度市政設計總院以《大截面矩形隧道盾構法施工設備及設計施工關鍵技術研究》項目申報上海市國資委科研項目，國資委給予1000萬項目支持，其中機施集團獲得400萬資金支持。

“矩形隧道作為一個完整項目，單靠某一家企業均無法完成。管片設計和矩形盾構機需要完全匹配，這為設計和施工的結合創造了良好的示范效應。”過浩侃表示，通過工藝的優化和鋼結構的合作研發，最終降低了管片加工成本的10%-20%。

此外，合資公司的成立為今后市場的開拓產生了較大的推動作用。過浩侃表示，市政院與地方政府、業主的項目接洽，將帶動未來機施集團的技術運用。“我們收集到很多類似設備的需求，在那些管線復雜、明挖難以開展等特殊項目中，矩形盾構機的應用便有了市場。”

在項目招投標的過程中，市政院、機施集團采用EPC聯合投標的方式，各自作為設計和施工環節的投標主體，以合資公司作為一個平臺，各自共享業務收益。

“不是以項目合作的模式，而是企業合作的模式。以項目合作為載體只能在短期內有效，但根據市場需求的變化，前瞻性地提出技術創新和設計的新要求，逐漸推進第二期、第三期的研發計劃，實現長效機制的合作。”過浩侃表示。

各盡所能

吳欣之表示，此次試點項目充分體現了產學研用的開發模式，而在“產學研”相結合的過程中，企業始終起到主導作用，是創新的主體。

“首先，作為施工企業，機施集團直面市場、隨時了解市場需求和研發方向，對施工過程的工藝十分熟悉，擁有主導設計的資格，這是施工企業特有的優勢；此外，機施集團的協調能力和資金保障也使得項目得以順利開展；而與學校相比，技術研發的產業化得以落地，企業具備貼近市場的優勢。”吳欣之表示。

此外，發揮各自專長，各盡所能。總集成由機施集團承擔，各家公司則負責不同的系統。

例如，機施集團擁有鋼結構制造、計算機自動化及整體安裝調試技術的優勢，承擔了工藝規劃、總體設計、鋼結構部件設計制造、信息電控系統研發、整體總裝調試的任務。例如，盾構機的截面尺寸、刀盤、螺旋機、空間規劃、設備之間的檢修要求和所有部件的技術參數也由機施集團來確定。

拼裝機則與同濟大學機械和能源工程學院、上海同新機電控制技術有限公司合作研制，充分發揮同濟大學對機電液一體化的專業優勢；中國煤炭科工集團上海有限公司則負責刀盤、螺旋輸送機的設計；環境變形實時監測和地下傳感器24小時數據采集工作則由上海凱盾工程技術有限公司承擔，監測管道變形、地標沉降等情況。

而在產權關系上，機施集團與伙伴企業確定了知識產權的歸屬和劃分原則，即“誰發明歸誰，共同發明歸有關各方”。

“過去產學研的合作模式是不管哪一方發明，最后全部歸于甲方，損害了合作伙伴的積極性。我們則以聯合體的方式，誰發明的專利權歸誰；如果各自均有所參與，則按照百分比劃分。”吳欣之介紹，這為未來與合作單位的穩定合作提供了保障。

地下空間戰略是上海建工機施集團“十三五”規劃的重點。吳欣之表示，首先，地下商業停車設施、共同溝、海綿城市等幾類業務是今后研發的方向。其次，技術上將主攻“非開挖”，適應城市管理和環境保護要求；推進綠色施工，降噪、降塵、減排放，節能、節水、節資源；推動“工業化、機械化、智能化”的智能制造，向更深的地下進軍。