国产盾构机“百变”显身手

今年以来，中铁工程装备集团有限公司（以下简称“中铁装备”）创新步伐不断提速。7月30日，世界最大直径高铁盾构机“领航号”成功穿越长江水域，实现崇太长江隧道水域段盾构隧道贯通，为高铁时速350公里“穿江不减速”奠定基础。

盾构机，全称为全断面隧道掘进机，被誉为“工程机械之王”。自2008年突破国外垄断、研制出首台拥有自主知识产权的盾构机以来，中铁装备针对行业痛点，加大研发投入，着力构建产学研用协同创新生态，逐步实现从单一产品制造向系统解决方案提供商转型。

“我们始终以推动我国地下工程装备产业发展和提升施工质效为使命，坚持以自主创新为抓手，不断进入技术‘无人区’。”中铁装备党委书记、董事长林军科介绍，目前，公司已形成土压、泥水、复合式盾构机及硬岩掘进机等全系列产品矩阵，广泛服务于公路、铁路、地铁、水利及矿山等重大工程。

拓展新场景

曾经，盾构机在人们心中是城市地铁的“穿山甲”。随着一个个新场景不断涌现，盾构机早已走出轨道交通领域，变身为在水利、能源、矿山等广阔舞台上大显身手的“百变金刚”。

“应用场景创新，是技术创新的最大驱动力。我们不再只盯着传统城轨领域，而是把目光投向更深、更远的地下空间。”中铁装备技术中心副主任、重大专项院执行院长孙志洪说。

沿着引江补汉工程施工支洞下行百米，直径12米的“江汉领航号”硬岩掘进机正在作业。操作室里，盾构机主司机郑东旭紧盯屏幕，手指轻推操纵杆。“由于岩层硬度高、地质复杂，这个‘大家伙’是专门为工程量身定制的。”他告诉记者。

引江补汉工程输水线路总长194.7公里，是加快构建国家水网主骨架和大动脉的标志性工程。该工程整条隧洞深埋于群山之下，最大埋深达1230米，高地应力、高外水压力及多重断层叠加，施工难度很大。全线共投入10台12米级超大直径盾构机，其中,中铁装备投入6台。针对复杂地质挑战，中铁装备为每台设备量身定制了智能地质预报、刀具实时监测和掘进参数自适应调节系统，并采用超前钻探与高水压密封技术，以应对各种难题。

水网是保障国家水安全的重要基础和支撑。面对不同地域复杂地质条件，中铁装备研制的盾构机作为“开路先锋”，全力保障地下输水网络建设。在环北部湾水资源配置工程现场，超15台盾构机集群作战，开辟“地下水源”；海拔4000米的拉萨旁多引水工程项目中，“拉萨旁多引水号”持续向前……

隧道掘进与深部开采结合，为矿产资源开发带来变革。“相较于传统爆破作业，盾构机可实现连续开采，大幅提升效率、降低成本，还能有效减少井下作业人员，从根源上降低安全风险，实现深地资源开发智能化、安全化。”中铁装备矿山事业部总工程师肖威说。

中铁装备针对不同矿种、不同地质条件开发专用机型，助推资源开发更加高效、安全、绿色。在湖北宜安联合实业有限责任公司麻坪磷矿，非煤矿山斜井掘进机创新应用多项先进技术，实现从“盲挖”到“可视透明化”的转变；在山东莱州，两台深井矿用硬岩掘进机深入瑞海金矿千米处稳定作业，为矿产资源开采打通关键通道。

“如今，国产矿用掘进机不仅解决了采掘失衡痛点，还把工人从高风险掌子面解放出来，助力深部矿产资源高效开采，提升资源开发效益。”肖威说。

多角度掘进

以往，盾构机只能“直来直去”水平掘进。如今，中铁装备制造的盾构机实现多角度掘进施工，不仅能横着挖，还能斜向上、斜向下、垂直向上、垂直向下掘进，开创了隧道施工全新模式。

能爬坡，挖斜井。今年6月30日，国网新源河南洛宁抽水蓄能电站全面投产。建设过程中，面对坡度达38.742度、全长近千米的引水斜井，由中铁装备研制的硬岩掘进机“永宁号”借鉴“爬山虎”结构，加装了前后4组共8条“腿”、16只“脚”，不仅成功爬坡，还破解了大倾角防“溜车”和出渣等难题。

垂直走，挖竖井。今年1月30日，中铁装备与中铁隧道局联合研制的世界最大直径竖井掘进机“启明号”在崇太长江隧道2号竖井开挖到底，实现当月始发、当月完成掘进任务，成功解决“看不见、测不准”等施工难题，推动竖井施工向“井下无人化、井上少人化”跨越。在浙江景宁抽水蓄能电站，中铁装备研制的超大直径反井钻机“中铁1361号”采用“一扩成井”工艺，实现直径7米、深度311米的排风竖井一次性开挖成形。

掘进方向的改变，推动应用场景持续拓展。中铁装备副总工程师贺飞告诉记者：“公司正针对多个场景开展更多定制化研发，让盾构机能适应圆形、方形、马蹄形等不同断面开挖需求。”

智能化升级

面向未来，盾构机正朝着智能化、无人化演进。如果说多角度掘进拓展了盾构机的“筋骨”，那么智能化则赋予了盾构机思考的“大脑”与感知的“神经”。中铁装备构建起“算力—算法—数据—平台—应用”全链路智能体系，依托盾构机远程指挥中心，打通“现场感知—数据传输—云端处理—智能决策—远程执行”全链条，形成覆盖盾构机全生命周期的智能管控体系。

走进“领航号”盾构机驾驶室，屏幕上跳动的数据实时反馈掘进状态，主司机日常只需监测、无需操作。这得益于中铁装备研发团队为这台盾构机装上了“千里眼”和“智慧脑”。

“传统盾构施工就像盲人走路，因无法完全掌握地质情况，安全风险较高。”“领航号”主设计师廖兆锦介绍，为此，“领航号”搭载超前地质预报系统，可对刀盘前方10米至40米的地质条件精准探测，如同配备了一副“透视镜”。智能感知系统则实时分析地质，自动调整掘进参数，确保设备始终安全运行。在隧道里，“领航号”不借助任何“帮手”完成独头掘进，实现“有人值守、无人操作”状态下的毫米级精度。

“有了智能系统，施工效率和质量提高了，我们还能实时监测潜在风险，确保工程平稳推进。”中铁隧道局崇太长江隧道项目副总工程师傅博伟说。

传统盾构机“一生一径”，从出厂到“退役”，开挖直径是固定的。在广州芳白城际施工现场，由中铁装备研制的原位连续可变径盾构机“变径一号”首试首用，改变了这一固有模式。

“变径一号”盾构机直径可在8.83米至12.45米范围内自由伸缩，解决了地铁站台与区间隧道不同截面的施工难题。传统施工中，站台与区间需采用不同工法，涉及大量征拆和开挖工作井作业。而“变径一号”在区间以小口径开挖，邻近车站时“小变大”完成站台施工，随后再“大变小”继续区间掘进，实现一条线路连续作业。

“有了可变径盾构机，施工人员可先挖通地铁站台层保证线路贯通，待地面拆迁手续完成后，再建设站厅层和出入口，大大压缩了工期。”中铁装备掘进机研究院副院长袁文征告诉记者，这一突破背后，是多刀梁同步伸缩、狭小空间自动变径拼装等多项首创技术的集成，为全球地下工程提供了绿色、安全、集约的新型建造方案。

“下一步，我们将在更大掘进直径、更快掘进速度、更深掘进深度和更复杂工况上持续发力，推动盾构机向智能化、绿色化迈进，不断攀登技术制高点。”林军科说。（经济日报记者 夏先清 杨子佩）