走近“工程機(jī)械之王”：盾構(gòu)“中國(guó)夢(mèng)”的實(shí)現(xiàn)

上世紀(jì)90年代中期。全長(zhǎng)256米、刀盤直徑8.8米，價(jià)值3.5億元人民幣的世界名牌、德國(guó)造“維爾特”硬巖掘進(jìn)機(jī)，在秦嶺隧道施工時(shí)發(fā)生故障。換零件？等兩年。找人修？德國(guó)專家從離家那刻起計(jì)費(fèi)，每天3000美元。從今天回溯10年。科學(xué)家“七年磨一劍”自主研發(fā)出盾構(gòu)“心臟”——液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，想“移植”到德國(guó)產(chǎn)品“海瑞克”身上一試身手，卻屢屢碰壁。首臺(tái)“中國(guó)造”靠譜嗎？施工方打退堂鼓，不肯給新系統(tǒng)通電，多次溝通無(wú)果，科學(xué)家發(fā)脾氣撂電話。故事或?qū)⒃诖岁┤欢?。撂下電話的是中?guó)工程院院士、浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授楊華勇。無(wú)奈之余，他只好準(zhǔn)備“給國(guó)家打報(bào)告說(shuō)項(xiàng)目做不下去了”。誰(shuí)料峰回路轉(zhuǎn)。第二天，施工方——中鐵隧道集團(tuán)有限公司有關(guān)負(fù)責(zé)人意外松口：“可以通電!”于是，盾構(gòu)“中國(guó)夢(mèng)”的故事翻開(kāi)新篇。2009年，天津地鐵3號(hào)線營(yíng)口道至和平路標(biāo)段，首臺(tái)國(guó)產(chǎn)復(fù)合盾構(gòu)——“中鐵1號(hào)”以日掘進(jìn)22.8米的速度在“督軍街”——赤峰道下潛行。它靜悄悄經(jīng)過(guò)建筑史上的奇葩、全球獨(dú)一無(wú)二的“瓷房子”（現(xiàn)值98億），穿過(guò)張學(xué)良、段祺瑞等名人故居，幾乎檢測(cè)不到地表沉降。同一年，國(guó)產(chǎn)直徑11.22米的“進(jìn)越號(hào)”首臺(tái)泥水盾構(gòu)為上海世博會(huì)重大配套工程——打浦路隧道復(fù)線畫了個(gè)完美的弧度：380米的最小轉(zhuǎn)彎半徑刷新世界紀(jì)錄。2012年，楊華勇及其產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)的“盾構(gòu)裝備自主設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，將國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)攬入懷中。國(guó)家褒獎(jiǎng)的背后，是2009年至2011年新增產(chǎn)值62.83億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)10.21億元，創(chuàng)造稅收4.25億元。靈感源自船蛀打孔有“工程機(jī)械之王”、“移動(dòng)式掘進(jìn)工廠”之稱的盾構(gòu)機(jī)，其設(shè)計(jì)靈感源自小小的船蛀。1818年，僑居英國(guó)的法籍工程師布魯諾爾看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被靈感眷顧，構(gòu)建了盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)施工的原理，發(fā)明了敞開(kāi)式手掘盾構(gòu)原型。泰晤士河成了布魯諾爾的“試驗(yàn)田”。始于1825年，在經(jīng)歷了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)十足“高大上”。集土木、材料、機(jī)械、電壓、液壓、信息、控制等技術(shù)之大成。它是在護(hù)盾鋼筒結(jié)構(gòu)掩護(hù)下，能夠連續(xù)、同步實(shí)現(xiàn)切削、排碴、襯砌等隧道一體化掘進(jìn)作業(yè)的高端裝備?；叵肷鲜兰o(jì)六七十年代開(kāi)挖隧道的經(jīng)典場(chǎng)面：炸藥開(kāi)道，千余人赤膊揮汗，鎬锨鍬鋤齊上陣，扁擔(dān)肩扛加手推車一趟趟運(yùn)土，“工效低、事故多、傷亡大。”楊華勇說(shuō)，坐火車過(guò)秦嶺或襄渝線，在每個(gè)長(zhǎng)點(diǎn)兒的隧道口幾乎都看得到當(dāng)年施工人員長(zhǎng)眠的墳頭。而由刀盤刀具系統(tǒng)、刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)與密封艙系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)和導(dǎo)向糾偏系統(tǒng)組成的現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)，工作起來(lái)“一氣呵成”。先將后配套拖車和設(shè)備調(diào)入基坑后部，安裝始發(fā)液壓缸和始發(fā)反力托架，再將盾首吊入始發(fā)井，調(diào)整始發(fā)位置和姿態(tài)。始發(fā)液壓缸推動(dòng)盾構(gòu)進(jìn)行初始掘進(jìn)，期間測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋盾構(gòu)姿態(tài)，確保其按預(yù)設(shè)方向和軌跡掘進(jìn)。“鋼鐵蚯蚓”吞土吐石。在刀盤擠壓和刀具切削作用下，刀盤前方土體和巖石被切割破碎，沿刀盤開(kāi)口進(jìn)入密封艙，再經(jīng)螺旋輸送機(jī)排至輸送帶，而后到達(dá)盾構(gòu)機(jī)尾的礦車，運(yùn)至隧道口提升至地表，管片也可由礦車運(yùn)送到盾構(gòu)機(jī)靠近刀盤的前部分。在切削土體時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)盾首前進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到一環(huán)管片寬度時(shí)停止，盾構(gòu)進(jìn)行管片拼裝。管片運(yùn)至拼裝機(jī)后部，拼裝機(jī)后退取管片，再回到盾體內(nèi)部進(jìn)行拼裝，管片環(huán)與環(huán)之間錯(cuò)開(kāi)襯砌，一環(huán)管片分為六片，分別按照上述步驟進(jìn)行拼裝。拼裝完畢后進(jìn)行同步注漿，推進(jìn)機(jī)構(gòu)繼續(xù)向前。在直徑6~15米的大型隧道施工現(xiàn)場(chǎng)完成如此復(fù)雜的流程，需要多少人？答案是：每班組僅需12人。“急診醫(yī)生”要當(dāng)設(shè)計(jì)師浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授龔國(guó)芳給《瞭望東方周刊》講了個(gè)故事：1995年，中鐵隧道集團(tuán)有限公司從德國(guó)購(gòu)買了一臺(tái)敞開(kāi)式全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，用于國(guó)家“九五”重點(diǎn)工程西安安康鐵路“咽喉”秦嶺隧道的開(kāi)挖。價(jià)格超過(guò)3.5億元的一堆零部件在江南造船廠合體，成為全長(zhǎng)256米、刀盤直徑8.8米的“巨龍”。工程接近尾聲時(shí)機(jī)器“罷工”，德國(guó)專家說(shuō)要更換液壓裝置，可新裝置要兩年后才能到。施工方把求助電話打到了浙江大學(xué)。次日，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的魏建華教授出發(fā)去了秦嶺，拆出“生病”的液壓裝置。魏建華攔了一輛上山接孕婦的救護(hù)車才得以下山，而另兩位中鐵隧道集團(tuán)的工程師硬是沿著已經(jīng)打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皚皚的大山。魏建華“閉關(guān)”半年，終于將液壓裝置修復(fù)，德國(guó)巨龍的“心臟”重新起搏?？蒲腥藛T被迫穿山入林做盾構(gòu)“急診醫(yī)生”，其時(shí)代大背景是經(jīng)濟(jì)駛?cè)肟燔嚨赖闹袊?guó)已經(jīng)拉開(kāi)基建大幕——公路、鐵路、地鐵、水利工程接連上馬，城市化建設(shè)迅速推進(jìn)。但國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)的自主研發(fā)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能支撐市場(chǎng)對(duì)盾構(gòu)的巨大需求。于是“洋盾構(gòu)”唱起主角。1990年，上海地鐵1號(hào)線用的是七臺(tái)“法國(guó)造”；1996年二號(hào)線開(kāi)工，七臺(tái)不夠，又從法國(guó)引進(jìn)兩臺(tái)。同年，延安東路隧道南線工程1300米圓形主隧道，用的是日本造直徑11.22米泥水盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。2001年后，廣州、南京、深圳、北京、天津先后從德、日引進(jìn)14臺(tái)直徑6.14米~6.34米的土壓平衡盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)地鐵隧道50千米。“盾構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)一直被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，高昂的價(jià)格制約了盾構(gòu)的應(yīng)用，延緩了我國(guó)城市地鐵的發(fā)展，自主研制勢(shì)在必行。”楊華勇表示。經(jīng)濟(jì)賬更能說(shuō)明問(wèn)題：?jiǎn)蝺r(jià)4000萬(wàn)至6000萬(wàn)元人民幣的地鐵盾構(gòu)機(jī)，單臺(tái)平均壽命10~15公里，一條地鐵線路有時(shí)需20臺(tái)盾構(gòu)同時(shí)施工。而處于基礎(chǔ)建設(shè)期的中國(guó)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的需求占全球50%以上。未來(lái)十年，中國(guó)還將建設(shè)隧道超過(guò)一萬(wàn)公里，新增盾構(gòu)機(jī)超過(guò)1000臺(tái)，拉動(dòng)直接投資超過(guò)一萬(wàn)億元。2000年7月，在科技部863計(jì)劃支持下，建設(shè)部在北京組織了全國(guó)第一次針對(duì)盾構(gòu)裝備研制的大學(xué)與企業(yè)的聯(lián)合論證會(huì)。“這是一件應(yīng)該上升為國(guó)家戰(zhàn)略的大事。”作為論證專家之一的楊華勇說(shuō)。