日前，国产超大直径盾构机“江海号”顺利始发，建设世界最长水下公路盾构隧道——海太长江隧道。范少文摄
盾构机，全称为全断面隧道掘进机，被誉为“工程机械之王”。刀盘直径从0.5米到超16米，掘进方向从水平到斜向、竖向、拐弯掘进……如今，在中国工程师手里，盾构机成了“百变金刚”，种类繁多、本领高强。
过往，盾构机多是水平掘进。今天，中国制造的盾构机不仅能横着挖，还能斜向上挖、斜向下挖、直线向上挖、直线向下挖。
去年9月，“永宁号”顺利完成洛宁抽水蓄能电站2号引水斜井的挖掘任务。这是一条坡度达38.742度、全长约873米的斜井。“永宁号”不仅成功爬坡，还取得了月掘进332米、单日最高进尺22.75米的佳绩，大幅提升了斜井的施工效率。
有了“永宁号”的成功经验，中铁装备研发团队又开发了全球首台大倾角下坡掘进矿用隧道掘进机“中铁1285号”。
眼下，“中铁1285号”已完成淮北矿业集团临涣煤矿作业任务。它不仅实现了长距离15度下坡掘进，还成功穿越落差达330米的大断层，一口气完成下坡、拐弯等高难度动作。
在上海静安区广延路一处绿地，占地面积不足300平方米的围挡内，上海首个垂直掘进（盾构）地下智慧车库项目正在进行最后的调试。
中铁十五局项目负责人王文灿告诉记者，与传统垂直车库采用明挖法或沉井法施工不同，这个项目使用了全球最大直径竖井掘进机“梦想号”，验证了垂直掘进施工工法的可行性。
在浙江景宁抽水蓄能电站，国内首台超大直径反井钻机“中铁1361号”正进行排风竖井施工。从山脚“顶压向上”前行，“中铁1361号”通过创新采用“一扩成井”工艺，可实现直径7米、深度311米的井筒一次性开挖成型。
“长期以来，盾构机主要用于交通基础设施建设。随着我国交通基础设施逐步完善，盾构机未来的市场在哪里？”中铁装备技术中心副主任贺飞坦言，这是企业一直在思考的问题。
水利、水电、煤矿、非煤矿山、城市综合管廊、停车库……在中铁装备眼中，这些项目均是盾构机大展身手的场景。他们成立多个研发团队，开展针对性开发，让盾构机不仅可以多方向开挖，而且具备圆形、方形、马蹄形、椭圆形等不同形状的开挖能力，拓展了盾构机的应用场景。
每一款新挖掘方向盾构机的问世，都凝聚着一系列技术创新。就拿“永宁号”来说，其爬山模式借鉴了爬山虎的结构，50多名专家开展了历经数月的研究、设计、试验，最终决定为“永宁号”加装前后4组共8条“腿”、16个“脚”，助力其安全“爬上山顶”。
再看“中铁1361号”，为实现盾构机“顶压向上”，研发团队对重载钻杆、钻杆一键自动化拆卸、多功能变频主驱动及智能化控制等方面展开针对性设计，做到大直径竖井一次反拉成井，设备安全、高效、可靠运行。
大直径隧道，可实现单管多线布设。以前，穿江越海隧道大多设计为单管单线的双管方案，即上下行分为双洞。随着盾构机直径升级，用单条超大直径隧道替代传统双管，可有效节约地下空间资源。
大直径隧道，还可实现多功能集中布设。15米级及以上的盾构隧道，可构建地下立体空间，实现市政道路、轨道交通、综合管廊同管布设。这就避免了隧道的重复开挖，可降低建设、运营、维护等综合建造成本。
我国水域广阔，江河纵横，各沿江沿海城市对跨越水域、联通两岸、畅通出行有着刚性需求。超大直径盾构机恰可满足建设需求。相比桥梁，超大直径盾构隧道在减少航道影响、保护沿岸生态、应对恶劣气候等方面具有明显优势。
“盾构机直径超过15米后，随着开挖直径增大，不良地质可能引起呈幂级增长的隧道灾难，给盾构机的结构强度、控制精度、材料疲劳等提出更高需求。”贺飞说。
就拿推进系统来说，15米级以上盾构机，其承受的水土压力可达5巴以上，因此需要30组以上液压千斤顶同时“发力”，才能推动盾构机前行，而6米级盾构机仅需16组。千斤顶数量越多，同步控制难度越大，但对盾构机而言，推进系统任何微小的不同步，都会导致盾体“卡壳”或轴线偏移。
此外，类似刀盘驱动轴承等关键核心部件，都需要采用新材料、新结构、新设计，才能满足应用需求。贺飞表示，对15米级以上超大直径盾构机，直径每增加1米，都会对盾构机的结构设计、密封承压、出渣处理等提出新挑战，“每一次升级都绝非易事”。
攻克技术难点，成果接踵而至。2017年10月，我国首台具有自主知识产权的15米级超大直径泥水平衡盾构机“中铁306号”成功下线，首次打破国外对大直径盾构机的垄断。
此后，从开挖直径15.8米的“春风号”到直径16.07米的“京华号”，再到直径超16.6米的“江海号”，国产超大直径盾构机实现了从“跟随”到“引领”的跃变。
“目前，我国已在超大直径盾构机的研制和应用领域实现新跨越，形成了超大直径盾构机全产业链能力。”贺飞说。
走进“领航号”盾构机驾驶室，屏幕上跳动的各项数据，实时反馈当前设备掘进状态，盾构机长只监测、不操作。这是因为研发团队为“领航号”这个“金刚钻”装上了“千里眼”和“智慧脑”。
“传统盾构施工就像盲人走路，由于无法100%了解周围地质情况，施工过程中安全风险较高。”中铁装备“领航号”盾构机主设计师廖兆锦说。为此，“领航号”搭载超前地质预报系统，可对刀盘前方10米到40米的地质条件进行精准探测，智能感知系统也可对地质条件进行实时分析，保证盾构正常掘进。
“智慧脑”则让“领航号”拥有了智能分析和自主判断的能力。在长达14.25千米的隧道里，它可以不借助任何“帮手”即完成独头掘进，实现了“有人值守、无人操作”状态下毫米级的掘进精度。“有了智能系统助力，施工效率和质量提高了，我们还能实时监测设备运行状态及工程潜在风险，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。
2024年7月23日，世界首台绿色盾构机“中铁1237号”顺利始发，开挖直径为9.16米、设备长度约135米、总重达1900吨。
何为绿色盾构？“我们为盾构机搭载了智能系统，通过对盾构掘进过程中各系统的自动智能管理，自主达到掘进效率和能源消耗的最佳匹配，实现绿色节能。”“中铁1237号”主设计师曹书磊说。
此外，该盾构机还采用了节能智造工艺和先进除尘技术，可减少粉尘排放；搭载连续掘进、快速换模等技术，可使得掘进效率大幅提升，节能减排效果显著。
目前，“中铁1237号”已出口意大利，用于意大利西西里岛高速铁路隧道建设，代表着国际市场对中国绿色盾构的认可。
穿山海、畅通途；“啃”岩石、钻山体；遁地行，拓空间……“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，推动盾构机研发向智能化、绿色化迈进，不断攀登盾构机技术制高点。”中国中铁党委书记、董事长陈文健表示。（本报记者 李心萍）
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