“京華號”盾構機刀盤正在吊裝下井。
馬金波攝
盾構機，號稱“地下蛟龍”，名副其實的大國重器。
近日，記者走進北京東六環入地改造專案(以下簡稱北京東六環專案)現場，我國迄今研製的最大直徑盾構機“京華號”正在這裡作業。中鐵十四局的建設者操縱著它，在地面30米以下，開挖一條長7.4公里的隧道，同時也檢驗著我國自主研發盾構機效能和施工技術水平。
十幾年前，我國盾構機主要依賴進口，甚至盾構施工都難以獨立完成。十幾年後，我國盾構機從無到有、從進口到出口，實現了從“跟跑”到“領跑”的跨越。
北京東六環改走地下，盾構機讓7.4公里隧道一次成型
東六環穿越北京城市副中心核心區，為方便交通、融合城市，建設方提出了大膽的設想：讓地上的東六環改走地下。
東六環入地改造設計了兩條隧道，每條隧道共三層，開挖斷面超過200平方米，是一般地鐵隧道的5倍。常規直徑的盾構機難以勝任，直徑16.07米的“京華號”迎難而上。
這是國內施工中首次應用16米級的國產盾構機。“京華號”始發豎井位於東六環西側路，由北向南，任務是掘出一條長7.4公里的隧道。
記者沿豎井安全梯向下約30米，便到了盾構機的作業現場。“京華號”長約150米，如一列小火車，5組不同功能的臺車依次相連，關鍵部件整合在“火車頭”——1號臺車上。頂在最前端的巨大圓形刀盤，在電機驅動下切削土層、石塊，隧道由此向前延伸。
隧道管片拼裝與掘進、出渣等工序同步。每掘進2米為一個施工迴圈，工程人員把預製好的管片拼成一個完整圓環，隧道便一次成型。管片拼縫不滲不漏，拼裝精度要求極高。要建成這條隧道，需要拼裝3600多環，共計36680塊管片。
中鐵十四局北京東六環專案負責人孫旭濤告訴記者，在國內超大直徑盾構施工中，“京華號”首次應用了雙液注漿技術。與單一的水泥漿相比，由水泥漿和水玻璃配比成雙液漿，漿液固結時間從8小時縮短到1小時以內，極大改善了隧道成型效果。
盾構施工是革命性的。有20多年土建經驗的北京東六環專案副經理顧傳生感慨：“過去，工程隊施工靠打眼放炮，挖個隧道特別費勁，噪音大、塵土滿天，一天下來，脫下棉口罩，黑乎乎的；現在，作業環境敞亮，操作機器、運輸管片、鋪設電線，工作高效而有序。”
從設計到下線，“京華號”盾構機僅用6個半月
“每臺盾構機都不一樣。”中鐵十四局大盾構專家陳鵬解釋，由於施工的土層、埋深、沉降要求各不相同，沒有能包打天下的盾構機。“量身定製”的特點，要求盾構機施工方、製造方和科研單位從一開始就要反覆溝通，三方合作貫穿始終。
2020年中標北京東六環專案後，施工方中鐵十四局聯合制造方鐵建重工，僅用6個半月，就完成了盾構機的設計、生產、除錯、下線等工作。這體現了我國盾構施工和盾構機研製技術的強大實力，也是我國集中力量辦大事制度優勢的生動實踐。
“與其他盾構機比，除直徑更大外，‘京華號’還集成了多年的創新成果，表明我國盾構機研製及盾構施工技術日趨成熟。”陳鵬表示。
我國盾構製造起步於1953年，因技術落後而一度停滯。上世紀90年代，我國花巨資引進兩臺盾構機，用於秦嶺鐵路隧道建設。此後，基建施工使用盾構機越來越多，但相當長時間內，我國不僅盾構機依賴進口，甚至施工也依靠國外團隊。
陳鵬講述了當年國內盾構施工的情景：要花高價錢請外國工程師除錯裝置，安裝、維修零部件。因為技術實行封鎖，不許中方人員靠近，更不用說學習引數計算方法、裝置管理理念。
我國技術人員一邊施工一邊摸索鑽研，透過反覆操作、維修、保養等，慢慢掌握了盾構施工的基本要領。2007年，陳鵬參加了中標的南京長江隧道工程建設，這是在長江隧道專案中，國內施工團隊首次獨立使用大直徑盾構機施工。之後，我國盾構施工技術一日千里，如今多項技術處於國際領先水平。
中國依賴國外盾構機的局面也被打破。一臺常規直徑盾構機，重量超過3000噸，機、電、液、氣、感測等零部件超過3萬個。如此多部件整合在一起，如何保證協調運轉？這曾令研發人員頭疼不已。鐵建重工掘進機總廠總工程師孫雪豐說，研製盾構機需要一個龐大的跨學科、跨專業、跨行業的產業技術體系支撐，製造工藝複雜，光設計圖紙就有數千張。
2002年，盾構機研製被列入“863計劃”，中鐵隧道集團牽頭。經過多年產學研攻關，於2008年製造出我國首臺具有自主智慧財產權的盾構機。其間，我國盾構技術攻關的隊伍日益壯大，有浙江大學、華中科技大學等科研機構，也有鐵建重工、北方重工、中交天和等製造廠商。
目前，“京華號”已順利掘進400多米，盾構機的多項設計指標在施工中得到驗證。這意味著我國自主研發的最大直徑盾構機總體達到國際先進水平，我國實現了盾構機研製和盾構施工技術從“跟跑”到“領跑”的跨越。
逐代最佳化，盾構機常壓換刀技術歷經四代
製造盾構機，發達國家有上百年曆史，我國何以能快速實現追趕？業界專家的答案是：施工技術與製造技術相互促進是關鍵。
專家表示，盾構機研製技術的不斷最佳化，更多來自施工的持續反饋。
以盾構機換刀技術為例。在盾構機掘進中，刀具損壞了怎麼辦？傳統的方式是帶壓換刀，這需要繁瑣的加壓進艙、減壓出艙等操作，耗時長、費用高，還存在安全風險。在施工過程中，技術人員提出常壓換刀設想。在南京長江隧道工程中，中鐵十四局施工團隊聯合制造商，調整了盾構機結構，研發併成功試用了第一代常壓換刀技術。
2010年，中鐵十四局負責施工的南京地鐵10號線過江隧道工程，面對複雜的地質和高水壓，技術人員聯合科研人員重新設計了換刀的結構體系，研發出第二代常壓換刀技術——套筒油缸式換刀技術，並首次應用在11米級直徑盾構施工中。
換刀技術在工程實踐中持續改進創新。在2015年中標的武漢地鐵8號線工程掘進中，針對江底不同巖性複合地層的地質條件，中鐵十四局施工團隊首次開發了滾齒互換式換刀技術，成為第三代常壓換刀技術。
據介紹，“京華號”配備的已是第四代常壓換刀技術。從帶壓到常壓，逐代最佳化，這一從實踐中反饋研發、不斷提升的換刀技術，如今已成為大盾構研製的常規選項。
“我國盾構施工市場需求大，遇到的地質種類多，能夠持續反饋，推動盾構機自主研發快速更新迭代。”陳鵬說，比如，2017年9月我國研製的超大直徑盾構機“沅安號”就配置了常壓換刀，在新技術應用上，國內盾構機很快趕上了國際一流水平。
豐富多樣的基建施工需求，也推動我國盾構產品向小微化、巨型化、異形化發展。除大直徑泥水平衡盾構機“京華號”外，國產大直徑土壓平衡盾構機、大直徑硬巖盾構機等產品也紛紛下線，開創了一系列隧道新型開挖模式。
盾構機制造水平的提升，反過來為盾構施工應用打開了廣闊的市場，在鐵路工程、水利工程、城市改造等領域大顯身手。
國產盾構機走出去，成為中國製造的亮麗名片
我國盾構裝備的跨越發展，帶動了配套產業躍升。孫旭濤告訴記者，以刀具為例，2015年以前國內盾構機配備的刀具基本靠進口，現在國產化刀具不遜於國際品牌。
有統計顯示，國內市場國產盾構機佔有率已超過九成，全球市場份額接近七成。走出去的國產盾構機，成為中國製造的亮麗名片。專家分析，中國精細的管理和施工標準與大型裝備一同出口，形成了“中國品牌”。
“就像好的車，需要懂車的人開一樣，操作盾構機也是個技術活。”孫旭濤說。2018年8月，蘇通長江GIL綜合管廊隧道工程貫通，中鐵十四局使用的盾構機完好率超過97%，盾構刀盤出水的時候，連下線時塗在盤面的紅漆都清晰可見。精細化的管理、維護，令外方讚歎。
憑藉過硬的質量和技術，我國盾構機在海外大顯身手。如今，在以高標準著稱的新加坡市場，中國生產的盾構機在交通建設中留下了身影；義大利公司採購我國盾構機，成功建設了黎巴嫩大貝魯特供水工程；在丹麥、法國等國家的地下工程中，中國盾構機也越來越多被運用。
“智慧化、自動化是未來盾構技術發展的方向。”陳鵬說，在北京東六環專案上，工程人員正嘗試打造智慧工地，施工過程與物聯網、大資料等結合，實行精細化、流程化、智慧化管理，進一步提高我國的盾構施工能力。