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盾构机:“谁说站在光里的才算英雄”?


发布时间:2023-01-06 10:00

来源: 中国公路

提到大国重器

你能想到什么?

航空母舰、载人飞船、核潜艇?

没错

这些高精尖科技一直让我们引以为傲

但小编第一个想到的是

盾!构!机!

这个庞然重物有几层楼高、上千吨重

它长期服役于地下空间

却默默地为我国隧道建设做着巨大贡献

谁说站在光里的才算英雄?

 

什么是盾构机,分类有哪些?

盾构机是盾构掘进机的简称,是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业于一体的大型施工机械,其前端设有支撑和开挖土体的装置,中段装有顶进所需的千斤顶,尾部装有拼装环片。盾构法是指以盾构机这种施工机械在地面下暗挖隧道的施工方法,隧道掘进、衬砌拼装在钢壳体保护下完成。

▲超大直径泥水平衡盾构机“强国号”。图源:中铁二十二局

欧美国家将全断面隧道掘进机统称为TBM。日本则一般统称为盾构机,细分可称为硬岩隧道掘进机和软地层隧道掘进机。

据中铁装备相关负责人介绍,我国的全断面隧道掘进机按照应用地质条件不同分为硬岩掘进机、土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机。国内习惯把前一种称为(狭义)“TBM”,把后两种简称为(狭义)“盾构机”。该类设备被称为“工程机械之王”,集机械、电气、液压、传感、信息、力学、导向研究等技术于一体。一台盾构机动辄几层楼高,重几千吨,零部件上万个,仅控制系统就有2000多个控制点。

在岩石中开挖隧道的TBM:通常用这类TBM在稳定性良好,中、厚埋深,中、高强度的岩层中掘进长大隧道。这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩,保持掘进的高效率和工程顺利。

在松软地层中掘进隧道的TBM(国内通常称为狭义盾构机):通常用这类TBM在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。这类掘进机所面临的基本问题是空洞、开挖掌子面的稳定、市区地表沉降等。

 

盾构法和盾构机起源于哪里?

最早进行盾构法研究的是法国工程师M.l.布律内尔,他于1825年在英国伦敦泰晤士河下用一个矩形盾构建造了世界上第一条水底隧道。

▲盾构法创始人法国工程师布律内尔。图源:青春中交

1846年,比利时工程师毛瑟就在修建法国到意大利的铁路中设计了一个名为片山机的挖掘机,这被认为是盾构机的鼻祖。

1847年,英国人J.H.格雷特黑德第一次在黏土层和含水砂层中采用气动盾构法施工,为现代化盾构法施工奠定了基础。

此后,德国、日本、法国、苏联等国家把盾构法广泛用于地下铁道和各种大型管道的施工。中国自1953年开始,先后将盾构法用于各种大小隧道和地下工程施工。从简单的人工掘进盾构机发展到今天的全断面隧道机械化掘进的土压平衡式或泥水加压式盾构机已经历了200余年。盾构机发明于法国,发展于日本、德国,壮大于中国。

▲2008年,中国中铁1号盾构机下线。

 

盾构机在我国的发展历程

实际上,中国可追溯到的第一台盾构机的使用是在1963年,但那个时候乃至之后很长一段时间,盾构机在中国都是作为技术验证机的方式存在。

随着我国经济快速发展,进入千禧年的中国到了交通建设重要发展阶段。2009年之前,我国大约有85%的盾构掘进机依赖进口。其中,占据欧洲大半市场份额的德国海瑞克,以产量1670台居世界首位的三菱重工,以及拥有多个品牌的德国维尔特的表现最为抢眼。其中海瑞克就占据国内盾构机市场的70%以上。

作为我国盾构机史上最憋屈的那段时间的亲历者,周文波与谭顺辉怎么都没想到,仅仅不到10年,那些曾经在中国工程师面前趾高气扬的“洋师傅”,现在居然成了要仰望我们的存在。

而他们,后来也成为了中国盾构机两个不同技术领域突破项目的领军人物。

周文波,在地下工程中力学问题的研究、隧道工程智能化研究、国产盾构产业化发展等方面有突出贡献,长期致力于隧道施工领域的技术研究和科技创新工作,尤其在隧道工程施工智能化管理、隧道工程施工技术前瞻性研究、国产盾构(国家863项目)的产业化发展等方面进行了不懈的探索和研究。现任上海隧道工程股份有限公司总裁。

谭顺辉,曾任中铁隧道装备制造有限公司副总经理、总经济师,中铁工程装备集团有限公司党委书记、董事长。

案例一:使用日本进口盾构机

1989年,我国首次将盾构机应用在地铁施工领域。然而真正大规模在城市地铁施工领域使用盾构机是在1994年。当时国家提出构建上海浦东新区,要开挖穿越黄浦江的地铁隧道。为了保证施工安全、提升施工速度,我国首次使用从日本引进了直径为11.22米的泥水平衡盾构机。

然而,日本专家在操作盾构机推进一段距离后突然停下了。原因是根据日本的操作规范,这种类型的盾构施工覆土必须大于10米,但黄浦江里最小的覆土只有7米,这让日本工程师束手无策。而且日本工程师死抠教条,不但不接受中国工程师相应的建议,甚至不允许中国工人接近盾构机的驾驶室和控制中枢。要知道工程每停工一天,就会造成高达一百多万元的损失,这让很多工程人员无计可施,周文波便是其中一位。

最后周文波向指挥部立下军令状,中方也向日本公司提供了免责证明,最终换取了中国技术公关小组前往解决问题的机会,而且最终问题也被周文波带队解决。

 

案例二:使用德国进口盾构机

1997年,国家修建西康铁路需要穿过秦岭,单纯靠人工的话,不仅要花费大量的物力、财力,并且还会随时面临洞口坍塌的可能。同年7月,我国向德国公司定制了两台TBM盾构机,除去其每台3亿美元的单价,若加上后续服务费及安装维修费,足足支付了7亿美元。

然而在施工过程中问题频出,德国公司并不信任在场的中国工程师,连换刀头这样的工作都不允许中国工人接近,还要在周围拉出封锁线。

作为国家选中服务这两台盾构机的第一批技术员,谭顺辉被国家不惜重金送到德国学习了半年,但回来德方却不让他们接触这台盾构机的核心技术。

更令人气愤的是,在安装过程中,谭顺辉发现了德国工程师在图纸上的错误,但德方的回复却说,向德国公司每提一个问题就要交1万美元。为了解决问题,中方指挥部不得不向德国公司额外支付了20万美元,并由他们的工程师从德国飞到中国处理本身由他们失误造成的问题。

当时德国专家严守8小时工作制,甚至从走出家门就开始计算费用,每小时的工资就达到了600到800欧元,周末绝不加班,设备出现问题后只能等到工作日解决,而这样的大工程停工一天就会损失几百万元人民币。

德方工程师曾在私下场合傲慢地表示,“再给中国工程师100年也玩不转盾构机”。这几乎成为当时所有铁路建设工程师心中最大的耻辱。

德国工程师的打脸来得非常快。由于错误估计了秦岭山石的特性,盾构机刀盘上使用的大推力滚刀刀圈经常损坏。一开始德国公司还以工程进度过快为由强词夺理,但在中方指挥部列出的详实数据面前,最终败下阵来,不得不答应由中方指挥部组织工程师攻关,找到解决办法。

当时铁道部认为这是一个了解盾构机并产生配套技术的好机会,于是组织中铁隧道工程局、中铁十八局、中铁一院,以及有关科研单位和院校,共同努力展开相应科研工作。

最终针对这个问题,联合攻关小组找到了解决方案,生产了有我国自主知识产权的盾构机刀头,并改变了刀刃的截面形态。后期现场施工实验可以看出,在磨准率和使用寿命方面,我国研制的产品都超过德国公司的原配产品,关键价格只是德国公司产品价格的1/3。

因为刀头是损耗品,仅刀头国产化一件事就为整个项目施工节省了近3000万美元的开支。通过此次秦岭隧道对德国TBM盾构机的使用和后续维护中技术参与,初步锻炼了国内对盾构机研发力量的组织,振奋了我国企业研发、制造、应用隧道盾构机的信心。

 

我国盾构机发展历程

  • 2008.04

依托国家863计划,由中铁隧道集团牵头、浙江大学、华中科技大学、天津大学参与研制的中国首台复合盾构——中国中铁1号,成功地实现了从“造中国人自己的盾构”到“造中国最好的盾构”技术突破。

  • 2008.12

在上海打浦路复线隧道工地,1台由上海隧道工程有限公司牵头,联合浙江大学、中铁隧道集团,成功研制的具有完全自主知识产权的国产大直径泥水平衡盾构(11.22米)始发。

  • 2020.09

位于河南郑州的中国中铁工程装备集团盾构总装车间内,一台直径8.64米的土压平衡盾构机(粤海14号)正式下线。这是中国中铁自主研制的第1000台盾构机。这一天,车间标语“造中国人自己的盾构,造中国最好的盾构,造世界最好的盾构”显得格外醒目。

  • 2021.04

从中铁工程装备集团有限公司获悉,在法国大巴黎地铁16号线2标段上,由该公司自主研制的“中铁777号”日前顺利始发,这标志着中国盾构机成功首秀盾构机发明国。

  • 2021.08

在北京东六环改造工程施工现场,盾构机“运河号”成功始发,开始掘进。这台盾构机开挖直径达16.07米,是我国迄今研制具有完全自主知识产权的最大直径泥水平衡盾构机。

  • 2022.04

我国首台全国产3米级主轴承盾构机“中铁872号”破土而出。

  • 2022.12

上海机场联络线工程11标项目首次实现盾构机掘进由“人工为主、智能为辅”到“智能为主、人工为辅”的产品迭代和技术升级,标志着我国盾构隧道智能建造技术已达到世界领先水平。该项目所使用超大直径气压泥水平衡盾构机“虹浦号”,已掘进隧道3000多米,创造了超大直径盾构机月度掘进650米的全国最高纪录以及单日掘进16环、32米的世界新纪录。

“上天有神舟,下海有蛟龙,入地有盾构”。作为“入地”利器,盾构机在某种程度上代表一国基建实力,是大国建设必不可少的核心装备。从自力更生、自主研发,到走出国门、成为亮眼的中国名片,再到突破关键技术、让民族盾装上“中国芯”,中国盾构人一路走来,着实不易。12载春秋,中铁1号到1000号,见证了以中铁装备为代表的中国企业艰苦攻关的奋斗史,更见证了国产盾构从无到有、从有到优、从优到强的逆袭历程。

▲中国首台超大直径盾构机“天和号”,直径15.03米,用于南京纬山路过江通道项目。

历史和实践证明,技术封锁、产品垄断,只会让我们更强大。只有掌握核心技术和关键零部件,才不会受制于人。

为中国盾构人点赞!

(责任编辑:休鱼)



关键词: 站在,盾构,隧道,中国,德国,中铁,我国,施工,工程师,工程

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