“京華號”盾構(gòu)機(jī)：一路掘進(jìn)，一路創(chuàng)新

文／矯 陽

大型盾構(gòu)機(jī)制造工藝復(fù)雜，其自主化程度反映了一個國家的工業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度。應(yīng)用于北京東六環(huán)改造工程的“京華號”集多項大盾構(gòu)高難精尖技術(shù)于一身，整機(jī)長150米、直徑達(dá)16米級，刷新了國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的直徑紀(jì)錄，標(biāo)志著我國盾構(gòu)機(jī)研發(fā)制造水平的又一次躍升。

2月22日，在北京市重點(diǎn)工程北京東六環(huán)改造工程西線隧道現(xiàn)場，“京華號”盾構(gòu)機(jī)順利通過地下最低點(diǎn)59米。

盾構(gòu)機(jī)是專門用于隧道掘進(jìn)的工程機(jī)械，是名副其實(shí)的大國重器，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽(yù)。它猶如一條鋼鐵穿山甲，能在山間、水底和城市地下鉆出一條條隧道，既高效，又安全。

2020年9月27日，由中國鐵建股份有限公司（以下簡稱中國鐵建）研制的國產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)“京華號”，在湖南長沙成功下線。這臺盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長150米，直徑達(dá)16米級，總重量4300噸，是我國迄今研制的最大直徑盾構(gòu)機(jī)。近年來，中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領(lǐng)域，加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)力度，自主研發(fā)不同型號的盾構(gòu)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了我國盾構(gòu)機(jī)從無到有、從進(jìn)口到出口、從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

量身定制 開挖斷面超200平方米

由首發(fā)集團(tuán)投資建設(shè)的北京東六環(huán)改造工程全長約16公里，其隧道盾構(gòu)段約7.4公里，共設(shè)計了兩條隧道，每條隧道三層，開挖斷面超過200平方米，是一般地鐵隧道的5倍，為整個項目的關(guān)鍵性控制工程。

完成這樣一項超級工程，需要一臺盾構(gòu)機(jī)，而且必須是超大直徑。

一臺大型盾構(gòu)機(jī)，重量超過3000噸，零部件超過3萬個，涉及電氣、光學(xué)、力學(xué)、土木、機(jī)械等眾多學(xué)科，制造工藝復(fù)雜，其自主化程度直接反映了一個國家的工業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度。

較之常規(guī)直徑、大直徑盾構(gòu)機(jī)，15米級以上超大直徑盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)集成更復(fù)雜，加工制造更困難，可靠性要求更高，工程應(yīng)用風(fēng)險更大，一直是國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用的薄弱領(lǐng)域。

北京東六環(huán)改造工程西線隧道掘進(jìn)，將面臨50多個風(fēng)險源。地上風(fēng)險源密集、地下空間環(huán)境復(fù)雜。針對項目所處的特殊地理地質(zhì)條件，中鐵十四局集團(tuán)有限公司（以下簡稱中鐵十四局）與中國鐵建重工集團(tuán)（以下簡稱鐵建重工）聯(lián)合多所高校院所，依托以往應(yīng)用成熟的常規(guī)直徑、大直徑盾構(gòu)機(jī)自主設(shè)計與系統(tǒng)集成技術(shù)，以及系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計和加工制造技術(shù)，開始了共同研發(fā)首個國產(chǎn)最大直徑盾構(gòu)機(jī)的歷程，并將其命名為“京華號”。

聚力攻關(guān) 突破多項高精尖技術(shù)

如何讓超龐大的盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度制造和智能化施工，是研制“京華號”面臨的最大挑戰(zhàn)。而且，在保證盾構(gòu)機(jī)功能優(yōu)越的同時，還要確保運(yùn)輸?shù)谋憬菪院徒?jīng)濟(jì)性。“將超大超重的盾構(gòu)機(jī)部件，分解成合理的體積和重量，是生產(chǎn)設(shè)計面臨的另一大難題。”中鐵十四局大盾構(gòu)專家陳鵬說，此外，北京東六環(huán)改造工程地質(zhì)主要為富水高密砂層，盾構(gòu)機(jī)需要在該地層中獨(dú)頭掘進(jìn)7.4公里，工程對盾構(gòu)機(jī)的可靠性及工程適應(yīng)性要求非常高。

設(shè)計之初，研發(fā)團(tuán)隊詳細(xì)調(diào)研了國內(nèi)盾構(gòu)組裝能力、各種運(yùn)輸方式的能力，并借助三維建模優(yōu)勢，在充分考慮結(jié)構(gòu)可靠性和生產(chǎn)可行性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸能力，量身設(shè)計出了“京華號”。

“盾體分為前中盾和盾尾兩大部分。前中盾共分為10塊，盾尾分為4塊，刀盤分為1個中心塊、6個刀箱和6個小邊塊，最大分塊重量僅250噸，符合現(xiàn)有起吊和運(yùn)輸要求。”鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計院副院長張帥坤說。

面對北京東六環(huán)入地工程地層水壓高，且盾構(gòu)掘進(jìn)距離長、磨損性強(qiáng)等難點(diǎn)，“京華號”對整機(jī)的耐磨性及承壓性進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計。

經(jīng)過數(shù)月的艱苦攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊針對大盾構(gòu)開挖、出渣、支護(hù)和精密制造等關(guān)鍵設(shè)計制造難題，聚力突破了多項大盾構(gòu)高難精尖技術(shù)。

“京華號”刀盤上，有近400個硬質(zhì)合金的刀頭，硬度媲美金剛石，優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。“‘京華號’還首創(chuàng)了綜合性常壓換刀方案。”陳鵬說，創(chuàng)新研發(fā)的伸縮主驅(qū)動技術(shù)，解決了硬巖地層換刀難題，創(chuàng)新研制的常壓換滾刀裝置，消除了帶壓換刀的風(fēng)險隱患。

2020年9月27日，“京華號”在湖南長沙下線。

同步雙液注漿 填補(bǔ)超大直徑施工空白

“京華號”一路掘進(jìn)，一路創(chuàng)新。

城市內(nèi)盾構(gòu)隧道施工要下穿地上密集風(fēng)險源，因此需要將地表變形有效地控制在最小范圍內(nèi)，降低對風(fēng)險源的影響。“要想控制地層沉降等，最關(guān)鍵的是盾構(gòu)施工的注漿工藝。”中鐵十四局北京東六環(huán)項目盾構(gòu)副經(jīng)理孫長松說。

常規(guī)的盾構(gòu)隧道施工同步注漿采用的是水泥單液漿，存在凝固時間較長、流失量大、不能及時有效控制管片上浮等缺點(diǎn)。

為此，“京華號”在研發(fā)和施工應(yīng)用中，在國內(nèi)首創(chuàng)超大直徑泥水盾構(gòu)同步雙液注漿技術(shù)。“歷經(jīng)3年的探索和實(shí)踐，經(jīng)過一年半的方案論證、試驗(yàn)，充分應(yīng)用了西南交通大學(xué)在本領(lǐng)域的前瞻儲備和鐵建重工的制造經(jīng)驗(yàn)，取得了階段性成果。”陳鵬說，“京華號”實(shí)現(xiàn)了地面沉降的毫米級控制，確保盾構(gòu)施工對地面既有建筑的零擾動。

“施工中，與傳統(tǒng)漿液相比，‘京華號’漿液固結(jié)時間從8小時縮到1小時，并能快速達(dá)到有效強(qiáng)度，形成對隧道的加固、地層的支撐。”現(xiàn)場技術(shù)研究人員舒計城博士說，目前這一研究國內(nèi)尚無先例，世界各國也無完全成熟的研究成果。

經(jīng)中國工程院院士錢七虎等專家論證，“京華號”同步雙液注漿技術(shù)實(shí)踐效果顯著，科技含量高，屬國內(nèi)首次，填補(bǔ)了我國超大直徑泥水盾構(gòu)隧道同步雙液注漿的空白。

截至2022年2月，“京華號”盾構(gòu)機(jī)已掘進(jìn)至1380環(huán)，成型隧道2760米。除首創(chuàng)國內(nèi)同步雙液注漿施工關(guān)鍵技術(shù)外，“京華號”還陸續(xù)攻克了深基坑施工、盾構(gòu)淺覆土始發(fā)、盾構(gòu)機(jī)高風(fēng)險吊裝、穿越多處敏感建筑物、長距離穿越高致密砂層等11項技術(shù)難題。

據(jù)悉，依托于北京東六環(huán)項目，“京華號”研發(fā)團(tuán)隊已經(jīng)瞄準(zhǔn)機(jī)器人換刀、盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程駕駛等前沿技術(shù)，技術(shù)人員正嘗試將施工過程與5G技術(shù)、智能等相結(jié)合，進(jìn)一步提高盾構(gòu)施工能力，助力中國大盾構(gòu)施工技術(shù)創(chuàng)新、管理經(jīng)驗(yàn)迭代升級。

（本文來源：《科技日報》）