掘进地下城 ——探访大国重器盾构机的前世今生

来源:中国纪检监察报 作者:姜永斌 伍中婷 陈丽 时间:2019-06-14
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生产车间装配中的盾构机。(资料图片)

盾构机刀头。陈丽 摄

图为盾构机模型。伍中婷 摄

既有舞狮舞龙、捏糖人,又有小吃店、书屋,甚至还有麻将桌——电影《流浪地球》里充满生活气息的地下城场景,引发观众对这一神秘空间的无限遐想:如此广阔的地下空间真的能挖掘出来吗?

答案是肯定的。除了科技迷,大多数人对于工程“遁地术”的理解,或许还停留在钻爆技术的年代。比起载人航天、深海探测等领域,同为大国重器的盾构机虽然与人们生活更紧密,却相对低调神秘得多。

盾构机,即使用盾构法的隧道掘进机,与敞开式施工法相对,在掘进的同时构建隧道之“盾”(支撑管片),是当前主流的隧道施工工程机械。近日,记者参加“科幻作家走进新国企”活动,分别赴河南郑州、湖南长沙实地探访中国中铁工程装备集团有限公司(简称“中铁装备”)和中国铁建重工集团有限公司(简称“铁建重工”)的盾构机生产制造环境,感受国产重型装备的强悍实力。

“钢铁巨兽”指哪打哪

中间有预制管片、渣土运送车,头顶有换气风筒、各类水管和粗壮的电缆,左右两边是全电子化主控室和智能控制台——记者沿着闷热、喧噪的施工隧道里步行1.5公里,终于走到了这个“钢铁巨兽”跟前。

这是一台直径4.6米的土压平衡盾构机,正在为郑州城际高铁项目的隧道贯通作业。

中铁装备项目经理万建南告诉记者,盾构机前端“咀嚼吞食”岩石、砂土的刀盘和刀头正在高速旋转,靠向前的推力和刀具旋转的挤压力将岩石挤压破碎。

“刀头将岩石、砂土磨碎后,刀盘转动将渣土通过传送带和轨道运送车向后输送,运输车司机只需要在设备的尾部静静等待渣土的到来。”万建南说。

只需一两名工程师在总控室操作,整台盾构机便通过电力驱动不断向前掘进。开挖的同时,预制管片自动将隧道四壁一圈圈固定起来,再由五六个施工人员拧上管片螺栓,完工时就能拥有一条与盾构机直径等宽的铺设好的隧道。所有人都在坚固盾壳的保护下安全作业,以往隧道施工常见的粉尘、油烟以及爆破后刺鼻的火药味都不复存在。

现场工人说,一个白班12小时,盾构机可以推进10—12米的距离,跟以前打眼放炮的开挖方式相比,堪称神速。

不仅如此,身形庞大的盾构机还有着“亲民”的内秀品格。破坏路面、建筑拆迁、影响居民生活,这些对于盾构施工来说都不会出现。

正如每天乘坐北京地铁10号线的乘客,不会感受到10号线下方仅1.5米的地方,竟然存在一条由盾构机贯穿的京张高铁隧道。更不要说这条长6022米、直径12米多的隧道,还与地铁12号线、15号线交叉穿过,同时下穿7处重要城市道路和88条重要市政管线。即便是如此苛刻的施工要求,盾构机仅用11个月就实现了隧道贯通,与计划图纸误差不超1毫米。

从无到有再到走向世界

前段时间,《从一无所有到世界第一!4分钟看完中国城轨超燃逆袭》在网上“刷屏”。国务院国资委新闻中心官方微博“@国资小新”分享的这段视频,令无数网友“泪目”。

回首上世纪60年代,为了掘进“地下城”,中国老一辈建设者靠人力挖通了新中国第一条地铁。

凿山开矿、修路通车,许多重要的工程都需要挖掘隧道。直到80年代末,国内修建隧道仍主要依靠人工钻爆,不仅耗时耗力,还会遇到塌方、水淹等危险。

到了90年代,北京、上海、广州等大城市开始大龙虎大战APP建设地铁,对新型机械装备的需求也急剧增加。也是在这时,德国、日本、美国的盾构机大量涌入中国。

然而,对进口设备的依赖也带来了许多问题。“一方面,国外厂商的设备无法完全满足国内复杂地质结构的需求;再一个,设备价格很高,技术专家要人家配,检修时还拉警戒线。我们为什么不能自己造?”铁建重工掘进机事业部土压盾构研究所副所长孙雪丰回忆。

盾构机的原型早在19世纪初就已出现。一位法国工程师从啃食甲板的小虫上获得灵感,在隧道内修建很多小隔间,让工人在隔间里挖掘前方的土。

经过一个多世纪的龙虎大战APP,盾构技术不断更新换代。“从纯手工开挖,到半机械化,再到全断面的刀盘,越来越安全,作业人员也越来越少。”孙雪丰说。

凭着一股子韧劲,中国盾构人从零起步,从设计图纸开始自主研发制造国产盾构机。

在中铁装备,记者了解到这样一个故事:1997年,我国斥资6亿元购买德国维尔特公司两台二手敞开式隧道掘进机,用于西康铁路秦岭隧道建设。16年后的2013年,中铁装备反过来收购了德国维尔特公司硬岩掘进机及竖井钻机的知识产权和品牌使用权,成为世界上能独立生产硬岩掘进机并具有自主知识产权的三大企业之一。

经过十多年的探索和研发,中国盾构技术渐渐走在了世界前列,不仅满足90%的国内市场需求,同时大龙虎大战APP开拓国际市场,占到全球市场份额的2/3。与之相对应,截至去年底,中国地铁以5013.3公里的总运营里程排名全球第一,占全球地铁总里程的35.26%。

“地铁、高铁、公路隧道,还有引水隧道,许多国家重点工程都可以用到我们的盾构设备。国外的设备很难再像以前那样轻松进入中国市场。”在孙雪丰看来,国产盾构机在硬岩隧道中挖出的同心圆是世间最美的画面,“比任何花朵都漂亮”。

造全球最好的掘进装备

泥类地质案例、砂类地质案例、砂卵类地质案例……走进中铁装备的地质展览馆,盾构机的各类“牙齿”和它们曾经“咀嚼”过的泥土、砂石陈列在展台上,完美诠释“见招拆招”。

“国内地质条件复杂多样,但对国产掘进设备来说,都不在话下。”中铁装备集团董事长谭顺辉对国产设备颇为自豪。

我国西南地区的硬岩地质十分“难啃”,但在国内最大直径硬岩掘进机“彩云号”面前,仍甘拜下风。据了解,“彩云号”正准备穿越青藏高原南部的高黎贡山、钻过18种岩层及19条断裂带的地层,打造中国乃至亚洲最长的一条铁路山岭隧道。

为了改善滨河大道-罗沙路通道拥堵的交通状况,深圳需要一条双层的机动车隧道,直径15.8米的“春风号”泥水平衡盾构机接受了这项任务。“春风号”拥有高达2.46万吨的强大推力,是我国最大运载火箭“长征五号”的24倍,可以通过加压泥浆平衡水土压力,精准控制地面沉降。

谭顺辉说,除了“彩云号”和“春风号”,中铁装备在异形盾构机研制上也取得了新的突破。全球首台马蹄形盾构机、全球最大矩形盾构机……这些全球领先技术都出自于此。

去年4月,中国工程机械工业协会为中铁装备和铁建重工颁发全断面隧道掘进机特级资质证书,全国仅此两家。

作为国内唯一一家完全依靠自主研发、没有引进国外技术的掘进机企业,铁建重工在长沙拥有全球龙虎大战APP最大的高端地下工程装备制造基地。全球首台煤矿斜井双模式TBM(硬岩掘进机)、全球首台永磁电机驱动盾构机、全球首台护盾式掘锚机、国产首台大直径敞开式TBM……铁建重工自主研发了50余项具有原创性、战略性、颠覆性的国内和全球首台套产品。

如今的盾构机领域,“中国制造”已成为响当当的品牌,国产盾构机出口到法国、意大利、马来西亚、新加坡、印度、中东等国家及地区,赢得全世界工程建设者的赞誉。

向更深地下空间进军

除了挖隧道,盾构机还能做什么?

在中铁装备位于郑州的厂区里,就有一个用组合式矩形盾构机挖掘的地下停车场。据工作人员介绍,地下停车场施工通常采用明挖现浇钢筋混凝土工艺敞开了挖,而用盾构法修筑几乎不影响地面,而且支撑结构都采用预制件,更加快速环保。

“城市龙虎大战APP空间由地面及上部空间向下延伸,是城市龙虎大战APP的必然趋势。”谭顺辉说,越来越多的地下空间开发项目开始走进人们的生活,如地下快速通道、地下科研、地下商场、地下仓储和物流、综合管廊,等等。由于地下工程作业环境带来的高风险性,装配式结构和机械化施工将成为标配。

昨天的科幻已变为今天的现实,而“创造全新的科幻”才是盾构人努力的方向。

有研究表明,城市建成立交桥后,桥周边的商业环境会变差;如果改成地下隧道,道口附近的商业环境反而会变好。所以,单从提升商业环境的角度看,修地下隧道比修桥要好。为此,中铁装备专门成立了地下空间设计研究院,探索地下空间新结构、新工法和新设备,创造新市场,推动企业转型升级。

活动期间,同行的科幻作家和科普作家与大国重器的工程师们脑洞大开,共同探讨未来地下城的样子:过街人行道全部地下化,这样更立体也更安全;像《流浪地球》那样向地下拓展城市,既扩大城市容量又降低能耗。

铁建重工总经理程永亮介绍,当前,盾构机的研究方向是智能化和无人化,即采用人工智能控制掘进设备,实现无人、无灯、无氧环境的隧道掘进。但在未来10到15年,盾构机将朝着长、大、深三方面龙虎大战APP——

盾构机的连续掘进寿命目前是10千米,而将来即便是20多千米宽的琼州海峡也可以一次打通;多建大直径的隧道,缓解城市交通问题;以往地铁隧道深度基本在30米以内,下一步将开发深度在50—100米内的城市地下空间,拓展居民的活动区域。

中国科学技术馆副研究员、科普作家赵洋想得更为长远:“在未来的深空探测和太空资源获取过程中,有没有考虑如何在天体上掘进?”

“在天体上挖掘隧道,现有盾构技术已不是障碍,只不过需要用核能来为盾构机供能,最终能否实现也主要看需求的拉动。”程永亮的回答信心满满。(本报记者 姜永斌 实习记者 伍中婷 陈丽)

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责任编辑:北平

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