泥水平衡盾構機：高鐵之后的又一張“中國名片”？

曹煦

當你面對海灣，慨嘆“欲渡無舟楫”的時候，也許在深不可見的海底，一臺盾構機正在緩緩“蠕動”，穿鑿一條通向彼岸的海底隧道。

盾構機集合了機械、電氣、液壓、傳感、信息、力學、導向研究等尖端技術，是一臺高度精密的工程機械，有別于敞開式開挖施工，利用它可以實現在封閉的地底掘進的同時構建（鋪設）隧道。

2017年10月26日，一臺我國自主設計制造的泥水平衡盾構機在鄭州中鐵裝備集團成功下線，設備將應用于汕頭海灣隧道項目，這也是迄今為止中國自主研制的最大直徑的泥水平衡盾構機。

創新技術化解盾構機操作風險

《中國經濟周刊》記者在中鐵裝備集團看到的這臺盾構機長百米，重達4000噸，其直徑達到15.03米，足有五層樓高，采用了超高承壓能力系統集成設計、常壓換刀技術、伸縮擺動式主驅動技術、雙氣路壓力控制技術等多項創新技術。中鐵高新工業股份有限公司總工程師唐智奮難掩激動地說：“這是中國盾構品牌與國外盾構品牌的一次頂尖較量。”

最令業內稱道的是，在如此大直徑的泥水平衡盾構機上搭載常壓換刀技術，在國內尚屬首次。

據中鐵裝備集團設計研究總院工程師葉超介紹，盾構機在穿越江底、海灣時，通常會在盾構開挖面的密封隔艙內注入泥水或泥漿（通常為膨潤土懸浮液），通過泥水加壓和外部壓力平衡，以保證開挖面土體的穩定，防止坍塌和涌水。而在經過一段時期的掘進后，盾構機的滾刀有所磨損，需要施工人員進入艙內更換才能繼續掘進。此時，施工人員就處在全氣壓覆蓋的工作環境中。正常人能耐受氣壓為303.98kPa～405.30kPa，超過這個限度，將對人體產生不良影響。在壓力環境下，人體會出現耳鳴頭暈、血壓升高和血流速度加快等癥狀。

帶壓進艙工作極大地提高了工作效率，但安全風險也相伴而來，執行相關操作時需要慎之又慎。而隨著常壓換刀技術的出現，這個問題迎刃而解。中鐵裝備集團設計研究總院泥水所所長賀開偉解釋說：作業人員通過中心艙進入刀盤內部，在拆裝刀具前，刀箱內密閉裝置會放下閘門與外界壓力隔絕，在刀盤內形成一個小的密閉空間，保證施工人員在常壓環境下就能輕松換下刀具，安全系數大大提高。

為了配合更換刀具，盾構機上還搭載了伸縮擺動式主驅動技術，它能夠在油缸推力作用下讓盾構機刀盤前伸400mm，并在刀盤四周布置了各個點位，使刀盤能夠像人類關節一樣進行夾角為0.5度的自由擺動，為更換刀具提供預留空間。

“可以說，這臺設備的出現，成功破解了我國在大直徑泥水平衡盾構機方面存在的‘技術創新能力弱、關鍵部件受制于人、集成產品可靠性低、產業鏈高端缺位的技術瓶頸。”中鐵工程裝備集團有限公司董事長譚順輝止不住內心興奮地說。

打破國外壟斷，

為我國節省采購費用近一個億

在譚順輝興奮的背后，是此類超大直徑盾構機市場長期被國外品牌壟斷的現狀。此前，國內隧道建設項目，如崇明島越江隧道、南京長江隧道等，需要用到超大直徑泥水平衡盾構機，但由于缺乏研制技術，多采用德國盾構品牌。

為了改變處處受制于人的局面，中鐵裝備技術研發人員開始了一段學習、追趕的艱辛跋涉。他們首先選擇應用于普通地鐵隧道的6m直徑泥水平衡盾構機尋求突破。2015年，中鐵裝備首臺泥水平衡盾構機“中鐵152號”下線，應用于武漢地鐵6號線右線（武勝關—琴臺站）區間，盾構機一路破除重重障礙，克服了地質環境復雜、地下管線密布等一系列施工難題，成功穿越漢江江底，其掘進速度、掘進效能均超過了在左線作業的國外品牌盾構機，顯示出國產泥水平衡盾構機良好的性能。

此后，中鐵裝備自主研制的泥水平衡盾構機又先后在南昌贛江、北京望京隧道取得成功，還出口到新加坡，在湯申線地鐵項目上繼續優異的表現。

有了這一基礎，中鐵裝備將研發目標轉向10m級的超大直徑盾構機。2015年，佛莞城際獅子洋隧道項目開建。為了抓住這個難得的實踐機會，中鐵裝備嘗試與國外盾構品牌聯合研制。在聯合研制的過程中，中鐵裝備研發人員積累了大量寶貴的經驗，最終促成了應用于汕頭海灣隧道項目的泥水平衡盾構機的誕生。

技術可控顯著提升了民族自主品牌的市場話語權。譚順輝告訴《中國經濟周刊》記者，這臺盾構機的出現，填補了國內關于超大直徑泥水平衡盾構機研制的空白，為我國盾構機采購費用直接節省了近一個億，同時也徹底打破了國外盾構廠商在此領域的壟斷。

“國之重器”需要與時俱進

在汕頭城市規劃中，汕頭海灣隧道是2020年前將建成的4條跨海通道之一。作為聯系汕頭南北兩岸的重要通道，其承擔著城區擴容提質和城市功能升級的重要作用。

該項目還是國內首條八度地震區超大直徑海底盾構隧道，同時也是目前國內綜合難度最大的大直徑盾構法海底隧道。

據了解，超大直徑泥水平衡盾構機具有對周邊環境影響小、工廠化作業程度高、地面沉降控制精度高、安全快速的特點，是目前我國跨江越海隧道施工的主要形式，也是“中國制造2025”規劃中重點發展的高端裝備。

隨著超大斷面隧道已經成為行業內一種極具代表性的隧道形式，超大直徑盾構得到了越來越多的重視與應用，可以預見盾構直徑的紀錄也會被不斷突破與超越。據中國中鐵副總裁、總工程師劉輝介紹，中國中鐵目前中標了國內最大直徑盾構隧道――深圳春風隧道項目，目前中鐵裝備正在加緊研制為該項目量身定制的直徑15.8m的超大盾構機，設備將于明年出廠。

即便已經占據了國內盾構機制造技術的領先地位，研發者依然不敢有絲毫懈怠。與盾構機打了幾十年交道的中鐵工程裝備集團有限公司董事長譚順輝對《中國經濟周刊》記者表示，“十幾年前，隧道施工急需的盾構機主要依賴于國外進口的景象，至今依然時時令我們警醒。中國需要‘國之重器，更需要在不同時期與時俱進的‘國之重器，拓展未來升級與發展的空間。唯如此，‘國之重器才不會衰落?！?/p>

譚順輝坦言，以理念轉型帶動結構轉型，以優質服務贏得市場先機，賦予裝備以智能化、綠色化、服務化、高端化元素，這是中國制造邁向國際的最優路徑。

專家點評

流體傳動與控制領域專家、中國工程院院士楊華勇：中國盾構機技術會出口到更多國家

10多年前，我國使用的盾構機基本上都是外國產品。如今，盾構機不僅實現了國產化，而且不斷進行創新和探索，引領了行業發展。

中鐵裝備現在的盾構機產品整體技術水平達到了國際先進，個別技術指標達到了技術領先，所以到目前為止在中國市場上占有率最高，在全球市場上也位居前列。

這次中鐵裝備自主研制的目前國內最大直徑的泥水平衡盾構機的成功下線，將為智能盾構機的設計制造奠定基礎，而且該盾構機有著良好的發展前景和市場空間。當前國內許多大的工程建設，如上海崇明島大規模開發，都需要這樣的設備。隨著“一帶一路”倡議的推進，這樣的技術會出口到更多國家，或將成為繼高鐵之后又一張引人注目的“中國名片”。

國內最大直徑盾構機有助于中國挑戰更多的世界級工程

中鐵裝備集團設計研究總院泥水所所長 賀開偉

于直徑達到國內最大，這給泥水平衡盾構機的設計制造過程帶來不小的難度。汕頭海灣隧道項目海底地質復雜，盾構機主要穿越淤泥質土、淤泥、淤泥混沙、砂層及三段基巖凸起。三段基巖凸起最大高度約6m，累計長度約182m，局部巖石強度高達210MPa。這對盾構機的地質適應性和可靠性提出了更高的要求，而且涉及材料學、機械學、力學、結構學等多學科綜合積淀的技術。

這臺盾構機攻關突破了多項核心技術，在刀盤監測、磨損監測、地質超前預報等方面取得重大創新，可以說是一臺高度智能化的盾構機，它增設有形象化風險管理系統，可以對盾構機出渣量、泥水艙壓力、氣墊艙壓力及液位、盾構姿態、有害氣體等進行實時監控，以便對出現的問題進行及時處理。

這臺盾構機的出現填補了該領域國內的空白，不僅能夠引領行業技術，也將推動施工單位掌握更多技術和能力，滿足未來城市交通路網的建設需求，也有助于國家挑戰更多的世界級工程。