“地下蛟龙”领跑记：国产盾构机成为中国制造亮丽名片
近日，记者走进北京东六环入地改造项目(以下简称北京东六环项目)现场，我国迄今研制的最大直径盾构机“京华号”正在这里作业。中铁十四局的建设者操纵着它，在地面30米以下，开挖一条长7.4公里的隧道，同时也检验着我国自主研发盾构机性能和实施工程技术水平。
十几年前，我国盾构机主要依赖进口，甚至盾构施工都难以独立完成。十几年后，我国盾构机从无到有、从进口到出口，实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越。
东六环穿越北京城市副中心核心区，为方便交通、融合城市，建设方提出了大胆的设想：让地上的东六环改走地下。
东六环入地改造设计了两条隧道，每条隧道共三层，开挖断面超过200平方米，是一般地铁隧道的5倍。常规直径的盾构机难以胜任，直径16.07米的“京华号”迎难而上。
这是国内施工中首次应用16米级的国产盾构机。“京华号”始发竖井位于东六环西侧路，由北向南，任务是掘出一条长7.4公里的隧道。
记者沿竖井安全梯向下约30米，便到了盾构机的作业现场。“京华号”长约150米，如一列小火车，5组不同功能的台车依次相连，核心部件集成在“火车头”——1号台车上。顶在最前端的巨大圆形刀盘，在电机驱动下切削土层、石块，隧道由此向前延伸。
隧道管片拼装与掘进、出渣等工序同步。每掘进2米为一个施工循环，工程人员把预制好的管片拼成一个完整圆环，隧道便一次成型。管片拼缝不渗不漏，拼装精度要求极高。要建成这条隧道，需要拼装3600多环，共计36680块管片。
中铁十四局北京东六环项目负责人孙旭涛和记者说，在国内超大直径盾构施工中，“京华号”首次应用了双液注浆技术。与单一的水泥浆相比，由水泥浆和水玻璃配比成双液浆，浆液固结时间从8小时缩短到1小时以内，极大改善了隧道成型效果。
盾构施工是革命性的。有20多年土建经验的北京东六环项目副经理顾传生感慨：“过去，工程队施工靠打眼放炮，挖个隧道特别费劲，噪音大、尘土满天，一天下来，脱下棉口罩，黑乎乎的；现在，作业环境敞亮，操作机器、运输管片、铺设电线，工作高效而有序。”
“每台盾构机都不一样。”中铁十四局大盾构专家陈鹏解释，由于施工的土层、埋深、沉降要求各不相同，没有能包打天下的盾构机。“量身定制”的特点，要求盾构机施工方、制造方和科研单位从一开始就要反复沟通，三方合作贯穿始终。
2020年中标北京东六环项目后，施工方中铁十四局联合制造方铁建重工，仅用6个半月，就完成了盾构机的设计、生产、调试、下线等工作。这体现了我国盾构施工和盾构机研制技术的强大实力，也是我国集中力量办大事制度优势的生动实践。
“与其他盾构机比，除直径更大外，‘京华号’还集成了多年的创新成果，表明我国盾构机研制及盾构实施工程技术日趋成熟。”陈鹏表示。
我国盾构制造起步于1953年，因技术落后而一度停滞。上世纪90年代，我国花巨资引进两台盾构机，用于秦岭铁路隧道建设。此后，基建施工使用盾构机慢慢的变多，但相当长时间内，我国不仅盾构机依赖进口，甚至施工也依靠国外团队。
陈鹏讲述了当年国内盾构施工的情景：要花高价钱请外国工程师调试设备，安装、维修零部件。因为技术实行封锁，不许中方人员靠近，更不用说学习参数计算方式、设备管理理念。
我国技术人员一边施工一边摸索钻研，通过反复操作、维修、保养等，慢慢掌握了盾构施工的基本要领。2007年，陈鹏参加了中标的南京长江隧道工程建设，这是在长江隧道项目中，国内施工团队首次独立使用大直径盾构机施工。之后，我国盾构实施工程技术一日千里，如今多项技术处于国际领先水平。
中国依赖国外盾构机的局面也被打破。一台常规直径盾构机，重量超过3000吨，机、电、液、气、传感等零部件超过3万个。如此多部件集成在一起，如何保证协调运转？这曾令研发人员头疼不已。铁建重工掘进机总厂总工程师孙雪丰说，研制盾构机需要一个庞大的跨学科、跨专业、跨行业的产业技术体系支撑，制造工艺复杂，光设计图纸就有数千张。
2002年，盾构机研制被列入“863计划”，中铁隧道集团牵头。经过多年产学研攻关，于2008年制造出我国首台具有自主知识产权的盾构机。其间，我国盾构技术攻关的队伍日益壮大，有浙江大学、华中科技大学等科研机构，也有铁建重工、北方重工、中交天和等制造厂商。
目前，“京华号”已顺利掘进400多米，盾构机的多项设计指标在施工中得到验证。这在某种程度上预示着我国自主研发的最大直径盾构机总体达到国际领先水平，我国实现了盾构机研制和盾构实施工程技术从“跟跑”到“领跑”的跨越。
制造盾构机，发达国家有上百年历史，我国何以能快速实现追赶？业界专家的答案是：实施工程技术与制造技术相互促进是关键。
以盾构机换刀技术为例。在盾构机掘进中，刀具损坏了怎么办？传统的方式是带压换刀，这需要繁琐的加压进舱、减压出舱等操作，耗时长、费用高，还存在安全风险。在施工全套工艺流程中，技术人员提出常压换刀设想。在南京长江隧道工程中，中铁十四局施工团队联合制造商，调整了盾构机结构，研发并成功试用了第一代常压换刀技术。
2010年，中铁十四局负责施工的南京地铁10号线过江隧道工程，面对复杂的地质和高水压，技术人员联合科研人员重新设计了换刀的结构体系，研发出第二代常压换刀技术——套筒油缸式换刀技术，并首次应用在11米级直径盾构施工中。
换刀技术在工程实践中持续改进创新。在2015年中标的武汉地铁8号线工程掘进中，针对江底不同岩性复合地层的地质条件，中铁十四局施工团队首次开发了滚齿互换式换刀技术，成为第三代常压换刀技术。
据介绍，“京华号”配备的已是第四代常压换刀技术。从带压到常压，逐代优化，这一从实践中反馈研发、不断的提高的换刀技术，如今已成为大盾构研制的常规选项。
“我国盾构施工市场需求大，遇到的地质种类多，能够持续反馈，推动盾构机自主研发快速更新迭代。”陈鹏说，比如，2017年9月我国研制的超大直径盾构机“沅安号”就配置了常压换刀，在新技术应用上，国内盾构机很快赶上了国际一流水平。
丰富多样的基建施工需求，也推动我们国家盾构产品向小微化、巨型化、异形化发展。除大直径泥水平衡盾构机“京华号”外，国产大直径土压平衡盾构机、大直径硬岩盾构机等产品也纷纷下线，开创了一系列隧道新型开挖模式。
盾构机制造水平的提升，反过来为盾构施工应用打开了广阔的市场，在铁路工程、水利工程、城市改造等领域大显身手。
我国盾构装备的跨越发展，带动了配套产业跃升。孙旭涛和记者说，以刀具为例，2015年以前国内盾构机配备的刀具基本靠进口，现在国产化刀具不逊于国际品牌。
有统计显示，国内市场国产盾构机占有率已超过九成，全球市场占有率接近七成。走出去的国产盾构机，成为中国制造的亮丽名片。专家分析，中国精细的管理和施工标准与大型装备一同出口，形成了“中国品牌”。
“就像好的车，需要懂车的人开一样，操作盾构机也是个技术活。”孙旭涛说。2018年8月，苏通长江GIL综合管廊隧道工程贯通，中铁十四局使用的盾构机完好率超过97%，盾构刀盘出水的时候，连下线时涂在盘面的红漆都清晰可见。精细化的管理、维护，令外方赞叹。
凭借过硬的质量和技术，我国盾构机在海外大显身手。如今，在以高标准著称的新加坡市场，中国生产的盾构机在交通建设中留下了身影；意大利公司采购我国盾构机，成功建设了黎巴嫩大贝鲁水工程；在丹麦、法国等国家的地下工程中，中国盾构机也慢慢变得多被运用。
“智能化、自动化是未来盾构技术发展的方向。”陈鹏说，在北京东六环项目上，工程人员正尝试打造智慧工地，施工全套工艺流程与物联网、大数据等结合，实行精细化、流程化、智能化管理，进一步提升我国的盾构施工能力。
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