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【海瑞克】中国盾构是怎样“炼”成的?

杨华勇,著名流体传动与控制领域专家,中国工程院院士,中国机械工程学会流体传动及控制分会名誉主任,现任浙江大学机械工程学院院长、高端装备研究院院长。在国家自然科学基金、“863”计划和973计划支持下,杨华勇组建了稳定的产学研团队,突破了盾构压力稳定性控制、载荷顺应性设计和姿态预测性纠偏等关键技术,攻克了掘进机掘进过程失稳、失效、失准三大国际难题,研发出土压、泥水和复合三大类盾构样机,走完了研究—设计—制造—工程—产业化的全部过程,实现了盾构机“中国设计—中国制造—中国品牌”的跨越式发展,使我国进入盾构技术先进国家行列。

“飞天有神舟,潜海有蛟龙,追风有高铁,入地有盾构”,我国在关键技术领域取得的多项重大突破令人振奋。盾构机是一种全断面隧道掘进机。“盾构”之“盾”,是指在一段钢筒的保护下,完成隧道掘进与排渣,而“构”则是指在掘进、排渣的同时,用预制混凝土管片,构建起隧道的坚实壁面。因此,盾构机被称为“世界工程机械之王”,广泛应用于地铁和高铁、公路、市政、水电等隧道工程建设。

盾构机是一个国家综合制造能力的体现,是名副其实的大国重器。然而,由于不掌握核心技术,在很长一段时间内,我国的盾构机只能依赖进口,一旦设备出现故障就只能停工,花高价请国外工程师来维修,每天都要承受近百万元的损失。2006年,国务院正式将盾构机的研制列入16项重大技术装备之一。2008年,我国第一台拥有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机正式下线。2017年,中国盾构机的产销量攀升至全球第一,在国际上越来越多的工程项目、施工现场,都可以看到中国盾构机作业的雄姿。从无到有,从模仿学习到与外国知名品牌同台竞技,短短10多年,中国盾构机完成了看似不可能的跨越。

盾构为什么是大国重器?

盾构是一个非常复杂的机电液装备,是把一个移动的工厂搬到地下去,它在一个钢筒里,同时完成掘进、排渣和衬砌,把分散的流程集成在一起,同时完成。目前为止,盾构直径最大达到17米,这样一台装备最贵的要超过5亿元人民币,所以这是一个大国重器,是大家都关注的一个焦点。

我国目前是全球使用盾构装备最多的国家,因为我国处在工业化的后期,同时处在城市化的中期,所以有大量隧道的需求。各种隧道施工都离不开盾构,我们预计在未来的15年内,中国的高铁密度还会增加1倍,也就是说从现在的3.5万公里增加到7万公里;我们的高速公路也会延伸,网络的密度还会增加,因为县县都希望通高速。还有南水北调、西气东输、市政管线、国防工程、水利工程等隧道的施工,都离不开盾构装备。目前我们在用的盾构超过3000台,现在整个杭州有300台盾构在施工,因为杭州在迎接亚运会,所以市场需求非常旺盛,也很庞大。

中国也能自主设计制造盾构

十几年前,我国还不能自主设计盾构,当时我们是完全依赖国外的装备,从欧洲、美国、日本引进各种品牌的盾构。国外的盾构在中国各个城市做地铁施工的时候,也发生各种各样的事故,地面塌陷、房屋倾斜也很多。当年我们解决不了装备的故障或者事故都要依赖国外的专家。我就亲身经历过一次,2001年在广州,德国一个海瑞克盾构在运行掘进过程中遇到故障,只能停工,整个工程都在等待德国来的一个专家。我当时也好奇,想看看德国的专家水平有多高。我们等了很久,等我看到德国专家的时候,很诧异,因为我见到的是一个26岁的来自哥伦比亚的工程师,而这个工程师只是在台北工作过2年以后,被德国海瑞克公司聘任为现场工程师,到了大陆就变成了专家。从他离开家门开始计算,每天要付3000美金的服务费,而他在整个维修过程当中,不允许当地的工程师介入。

随着铁路、公路、地铁、水利、海底隧道等大量基础设施的建设,我国对盾构机的需求至今占到了全球60%以上。我国幅员辽阔,地质条件又极其复杂,盾构机使用遇到的问题是世界上最多最难的,诸多不同地质条件下的施工技术难题急需突破,而核心技术的缺失、高昂的成本,让我国在相当长的时期内,在盾构机的使用上,处处受制于人,自主研发和生产盾构机成为摆在我们面前别无选择的唯一出路。

2007年我们研制了中国首台套复合式土压平衡盾构,这是从头到尾都由我国自主设计制造的,当时研制完成了,在河南新乡的车间里面放了一年,我们找不到工地来验证国产的首台套设备。

谁都不愿意第一个吃螃蟹,每一条地铁线都很关键,我们早期做科研的时候,科研体系都支持,但是在施工体系,建委、地铁公司、施工队谁也不愿意第一个来试用。因为现在每一个打隧道的班组,他们的业绩和收入完全以每天掘进的量来判断,所以任何人都不敢去作决策。

后来有一个机会,我们这台盾构跟德国盾构一起在天津一个老城区掘进。这一条线上的地面结构是老城区,有很多古建筑,其中包括张学良故居和有名的瓷房子、一个博物馆。尤其这个瓷房子,它造价很高,保费也非常高。盾构掘进隧道要在瓷房子下面穿过,如果地表下沉量控制不好,这样一座建筑就会产生裂痕,赔偿金会很多,所以当时大家非常紧张。结果几个月施工下来,我们的设备安全穿过这些文物古建筑,地表的下沉量完全优于国外同等的盾构,这台盾构一战成名。后来,制造这台盾构的中铁工程装备集团有限公司一下就拿到了8台的订单,我们国产化的盾构批量生产就开始起步。

最近10年,中国掀起城市化高潮,地铁盾构需求很大。目前国内有多个城市在建地铁,有地质很复杂的,像广州、深圳、成都、青岛、重庆等。现在各大工程,只要有隧道工程,都是我国自主设计制造的盾构完成的。现在高铁在延伸,高铁增加密度,有很多长的隧道,都用我国自己的设备。不到10年时间,中国成长为盾构设计制造的世界强国。从进口盾构到开始批量出口盾构,我们自主设计制造的盾构到了五大洲24个国家,不仅到了发展中国家,去了“一带一路”沿线国家和东南亚国家,而且也进入欧洲国家,实现了盾构装备的逆袭。

中国盾构的新技术与未来

中国盾构机的设计制造和施工技术已经达到国际水平,甚至在有的领域实现了超越。中国盾构机走出国门,并不是单一的出口大型装备,而是将“大型装备、施工技术、精细管理、中国标准、中国品牌”集中打包“走出去”,这是中国装备制造的一个历史性跨越。

下一步我们在研究新的技术来实现领跑,朝信息化、无人化和智能化方向发展。我们用最先进的虚拟现实技术就是VR和AR技术,不管是设计人员,还是生产工程师、装配人员,包括售后服务、维修保养以及操作盾构的司机都可以用最先进的虚拟样机,就是从VR虚拟的整个盾构施工和硬岩掘进的全过程,来看在不同地质条件下,如果遇到故障,遇到意想不到的情况,应该如何来处理。我们也在运用华为的5G技术来做盾构的整个监控系统,让涉及设计、制造、生产、运维到整个产业链配套的各个环节都共享数据。

在运维过程,现在需要智能化的数据系统来支撑,所以我们正在打造这样的系统。因为大量的盾构开始出口,尤其在疫情波及全世界的情况下,很多服务的工程师派不到位,这就需要现场的数据及时反馈到总部,我们正在加速打造这样的智能感知采集和决策系统。我们也应用AI人工智能技术来管理大量的数据,及时地反馈和支撑前端的司机来作决策。

我们不仅要实现样机的研发,而且也在慢慢补齐自己的产业链。盾构大直径的轴承,我们想把设计制造放在中国;大排量的液压柱塞泵以及减速器、控制器,这些关键的零部件也要留在中国,这个产业链在中国更安全,争取把盾构产业打造成中国制造一张新的金名片。

责任编辑: 鲁达

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