本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 孙雪丰
演讲实录:

郑州建地铁巨型”土拨鼠”打洞,重500吨值4000万

//www.lmjx.net 2009-8-25 9:24:54 中国路面机械网
今年6月6日,郑州开工建设地铁。8月16日,为郑州地铁挖隧道而“量身定做”的专用大型机械——盾构机(又名“隧道掘进机”)在新乡下线。这是第一台由我省企业生产、具有自主知识产权的盾构机。它体重500吨、身长75米、身价4000万元,一天能打洞36米,换一口“牙齿”需要60多万元。这个将蛰伏在城市地下深处的钢铁“土拨鼠”长的什么样?它是怎么干活的?为什么身价如此不菲……昨天,记者带着这些问题,来到位于新乡的中国中铁隧道集团隧道设备制造公司组装车间,请该公司副总经理张志国给读者揭开河南造盾构机的神秘面纱。

巨型“土拨鼠”身长75米

记:很多读者都是从郑州修地铁才开始知道盾构机的。盾构机到底是什么东西?请你介绍一下?

张:盾构机,又叫隧道掘进机(Tunnel Boring
Machine),是一种用于隧道掘进的专用工程机械,能实现掘进、渣土输送、洞壁支护,并一次开挖隧道成型。现代盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气等多门学科技术。

举个形象的比喻,它就像一只钢铁打造的巨型“土拨鼠”,它在地下经过的地方就会留下一长溜整齐的大洞——地铁隧道。盾构机必须根据地质情况“量体裁衣”设计制造,要求很高。

记:你们公司组装车间正在调试的盾构机就是专供郑州地铁使用的吧?

张:是的,这是第一台由我省企业生产、具有自主知识产权的盾构机。这台为郑州地铁“量身定做”的盾构机已在8月16日下线,调试后将用于郑州地铁中原东路站至紫荆山站区间隧道工程施工。

记:盾构机是地铁施工的利器。很多读者好奇,这个庞然大物身高体重到底是多少?由哪些部分组成?

张:这次为郑州地铁设计的“中国中铁一号”盾构机“身强体壮”,其中刀盘直径是6.28米,有两层楼那么高;总长75米左右,相当于3节火车车厢的长度;总重接近500吨,相当于100只体重5吨的大象。

盾构机主机分为4个部分:刀盘、切口环、支撑环和盾尾,在主机后面还配备5节台车。形象点来说,刀盘就像它的“嘴”,工作起来像旋转的电风扇,每旋转一圈,“嘴”上的“钢牙”就“啃”掉前方的泥土。在后面体内的液压千斤顶每平方厘米约2公斤的推力作用下,盾构机缓慢向前推进,并将切削下来的泥土“吃”进“肚子”,然后由传送带将泥土送到尾部的运输车上,运输车再将泥土拉到隧道开挖口送到地面。

一台盾构机最多挖洞10公里

记:用盾构机挖地铁隧道有什么优势?

张:相对人工开挖隧洞,盾构机施工安全、快速,对周边环境影响小,在繁华城市中心进行地铁施工离不开盾构机。我们生产的第一台盾构机已用于天津地铁的隧道开挖,月均进度达320多米,对地上环境基本没有影响。

这次河南造的盾构机设计最快掘进速度为8厘米/分钟,在郑州软土地层,具有一天掘进24环36米的能力。在同样的地质条件下,用人工浅埋暗挖隧洞施工速度每天仅有2米左右。

这台专为郑州地铁量身定做的盾构机,是国内首台具有自主知识产权的盾构机,能够适应软土、风化岩地层及复合地层。它的关键部件都是全球采购的知名品牌。同时,我们针对郑州地下地层的特点,专门为盾构机设计了准面板式刀盘,整机寿命达到10000小时,一般能掘进7~10公里,造价4000万元。

记:每台盾构机最长能掘进10公里,就需要更换。这是不是太浪费了?

张:盾构机是高投入、高损耗的设备。和刮胡刀一样,胡子太硬,就会把刀磨平了,刮不动了。所以,盾构机也有使用寿命。盾构机最贵的是轴承,造价将近300万,经过一定磨损,轴承就不能再使用了。

“大块头”能咬掉钢筋混凝土

记:盾构机的刀盘看起来很像刮胡刀,上面有刀片,它是怎么工作的?

张:盾构机的工作原理与电动剃须刀挺像。盾构机前面有一个圆形刀盘,刀盘上安装有很多刀片,工作时盾构机会在千斤顶的推动下,旋转刀盘并向前推进,可以掘开土层。盾构机的圆柱体组件壳体,对挖掘出的隧洞起着临时支撑作用,然后进行排土、衬砌、壁后灌浆作业。这样,一环一环推进,一天一天深入,长几十公里的地铁通道就挖成了。

记:也可以说,刀盘上的刀具就像它的牙一样,地下土层那么硬,是不是经常需要“换牙”?

张:是不是需要换牙要根据地质土层结构来看,比如在广州,那里的地下岩石结构较多,掘进200米就要换刀。而河南是黄河冲积平原,主要是沙质黏性土,不是很硬,地层压力大概为10~20兆帕。我们给它配的牙都是合金制成的,硬度很高,可以咬30兆帕以下的地层,连钢筋混凝土都能咬下来。换刀频率不好说,要看郑州实际地质构造情况。

记:作为磨损主要部件,盾构机的“牙”是不是很贵?

张:一般镶上崭新的满口“牙齿”需要60多万,而有了这口好“牙”,掘进过程中就能尽量少磨损了。

记:掘进过程中如果遇到地下水怎么办?

张:如果地铁沿线地下水丰富,这些水一旦进入盾构机,将造成无法控制的局面。遇到地下水不用怕,盾构机在掘进的同时还可以往泥水里添加一种特殊的泡沫,能达到土壤改良的效果。这样一来泥浆就变成“果冻”了,不会影响施工。不过这种泡沫挺贵的,每升要十元钱,比汽油价格还贵。

巨型“土拨鼠”身价4000万

记:生产专供郑州地铁的这台盾构机花费了多长时间?什么时候能投入使用?

张:生产花了八个多月。从今年年初就开始投入生产,各个部件生产结束后,组装起来就用了两三个月,8月16日下线;预计本月底把它拆解后运往郑州,再用一个月时间组装,投入施工建设应该在10月份了。

记:这台盾构机造价多少?同配置的国外产品的价位又是多少?

张:为郑州地铁量身打造的这台盾构机造价是人民币4000万元左右。国外相同配置的盾构机要人民币5000万元左右,相比之下,我们河南造的盾构机就便宜了1000万元。

记:造价为什么会这么高?贵在哪儿了?

张:主要是贵在了购买国外元件上。根据地质条件的不同,所用的盾构机种类也有所不同。对于地质条件复杂的,盾构机也相对更精密、技术含量更高。目前,国内能生产盾构机的企业有十几家,但是拥有核心技术的元件还是主要依靠国外进口。平均说来,进口的国外部件占五成或者五成以上。比如,一个大排量的马达售价就是30多万。

郑州建地铁至少要14台盾构机

记:建设郑州地铁大概需要几台盾构机?

张:郑州地铁实验段及一号线大约需要14台盾构机。根据施工需要,由我们来生产5台。

记:研发国产的盾构机花费了很长时间吧?

张:我们拥有一支50人的研发队伍,两名硕士,其余全部是学士。从2000年开始研发,直到去年4月份第一台自主研发的盾构机制造,用了8年时间,前后总共投入了4500多万元的研发经费。

记:那这样500多吨的一个庞然大物,运输起来一定很麻烦吧?

张:是啊,盾构机体态庞大,运输可不容易。运输前,先将刀盘、前盾、中盾、尾盾分别装在大拖车上,通过公路运抵郑州,耗时一两天,仅运费估计就需要30多万元。如果用汽车来起吊,需要340吨到360吨的起重机,如果使用履带式起重机,也得至少用240吨级别的。

河南造盾构机走向全国

记:全国生产盾构机的有十多家企业,河南造的盾构机处在什么水平?

张:生产盾构机在国内算是刚刚开始,目前国产盾构机还是处在推广阶段。国内拥有自主知识产权的有3家,中铁隧道集团隧道设备制造有限公司就是其中之一。这台专供郑州地铁的盾构机,是国家863计划盾构研制取得的最新成果,可以说不仅打破了国外技术垄断,而且在多方面进行了改进,整机性能上有了进一步提升,使国产盾构机能和洋盾构机抗衡。

记:你们现在年生产能力是多少台?现在订单多不多?

张:我们目前有两条同时生产的生产线,年生产能力是20台。眼下正在扩建厂房,再扩建3条生产线,届时将可以达到5台生产线同时运作。

眼下国内地铁建设正在日益升温,盾构机的市场需求很大,我们目前已经接了10个订单,其中郑州5台、西安2台、北京3台,这还不包括和成都联合生产的一台。订单全部完成大概要到明年的6月份。

2005年6月起,杭州、沈阳、哈尔滨、成都、南京、西安、郑州等城市相继加入开建地铁的行列。据不完全统计,2010年,我国有13座城市新建轨道交通26条,总长度为1200公里,投入施工的盾构机将达100台。可以说,盾构机搭上了开往春天的地铁。

2015年前,国内将需要盾构机300台左右,这是一个将近200亿的大市场。盾构机市场在国内刚刚起步,可以说,我们五十年都不愁没有活干。

本期演讲嘉宾

经过多年的探索和研发,中国盾构走在了世界前列,不仅满足了国内需求,同时也开始大规模开拓国际市场。从依赖进口到走出国门,中国盾构如何让“钢铁穿山甲”通达四方?中国铁建重工集团掘进机事业部土压盾构研究所副所长,工艺技术部部长孙雪丰为大家带来演讲《从零起步,跻身世界之强的“钢铁穿山甲”》。

孙雪丰

我是孙雪丰,是中国铁建重工集团掘进机事业部的一名工程师,我主要做的是盾构机的研发设计工作。

中国铁建重工集团掘进机事业部

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土压盾构研究所副所长、工艺技术部部长

大家不一定见过盾构机,但是它们跟我们的生活息息相关:我们的公路、铁路和地铁隧道,很多都是用盾构机来开挖的。它们形状不一,大小、功能也各不相同;它们像钢铁穿山甲一样,所经之处就会形成一条长长的隧道。

中国盾构:从零起步,

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跻身世界之强的“钢铁穿山甲”

给大家看一张照片,这是我们在常德用到的盾构机,是不是很漂亮?我们中学有一篇课文叫《桃花源记》,照片中这个盾构机叫最美“桃花”。这个照片可能颠覆了大家的一个印象——地下工程机械都是傻大黑粗的。实际上,我们也可以把它做得很漂亮。它不仅颜值高,而且也很厉害,一天能够掘进几十米。

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在没有盾构机以前,我们开挖隧道和地洞都是靠人工。在抗日战争时期,我们八路军联合当地老百姓,在华北地区藏兵千百万。他们当时开挖隧道,就是一锹土、一锄头地把土开挖下来,然后再用土兜把它给运出去。

孙雪丰采访视频:

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凿山开矿、修路通车,许多重要的工程都需要挖掘隧道。

再到我们北京修建地铁一号线的时候,采用是矿山法施工——也就是大家所理解的爆破。大家看一下这个工作面,它的环境是不是很差,是不是很危险?而且工作效率也很低,一天只能开挖几米。

在一百多年前,人们还没大型的机械设备,只能通过手工和人力等非常简单的方式进行挖掘,不仅耗时耗力,还会遇到塌方、水淹等危险。

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19世纪初,一位法国工程师从啃食甲板的小虫身上获得灵感,修建了一个11.4米长,6.8米高的匣子,里面做了很多小隔间,工人就可以在隔间里挖掘前方的土。

那么盾构机是怎么产生的?19世纪初,英国要从伦敦的泰晤士河底下修建一条隧道。但是这个隧道如果直接开挖的话,很容易塌方;人在底下施工的话,就会被淹没。当时修建隧道的重任落在法国工程师布鲁诺尔(Marc
Isambard
Brunel)的身上,他左思右想都没有结果;直到有一天,他在轮船上看到船蛆在轮船甲板上钻洞,从中得到灵感,设计了世界上第一代盾构机。

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后人在第一代盾构机的基础上不停地进行升级,由人工开挖逐渐到机械开挖,到现在,盾构机都是一个全断面的刀盘。现在的盾构机也从最初的铁匣子,变成了巨大的“钢铁穿山甲”。

“初代盾构机”示意图。图片来源:tunnelling.cn

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“这就是我们最初盾构机的原型。”在谈到盾构机的发明历史时,中国铁建重工集团掘进机事业部土压盾构研究所副所长孙雪丰这样说道。

这是目前世界上最大的一台盾构机,直径有17.5米,相当于七层楼这么高。

经过一个多世纪的发展,盾构机技术已是日新月异,“从纯手工开挖,到半机械化,再到全断面的刀盘,越来越安全,作业人员也越来越少,工人的劳动强度越来越低。”

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我们再看一下“钢铁穿山甲”是怎么工作的。前面的圆盘叫刀盘,相当于穿山甲的嘴,就是靠它来把前面的土壤和岩石开挖下来。然后这个刀盘的后面,有螺旋输送机和皮带输送机,它们是穿山甲的肠胃,把渣土运输出去。螺旋输送机的四周有蓝色的推进油缸,它是穿山甲的腿,这些腿顶在管片上面,把我们整个机器推着前进。

盾构机挖掘隧道现场。供图:孙雪丰

十几年前,中国不能够自主研发制造盾构机。从2000年开始,中国开始新一轮的地铁、铁路和公路的大规模建设,这时候我们需要大量的盾构设备。

二十世纪九十年代,中国的北京上海广州等大城市,要开始大规模建设地铁,对盾构机的需求也急剧增加,德国、日本、美国的设备开始大规模涌入中国。

当时就需要大量从国外进口。中国如果没有自己的盾构机,那么工程建设的进度就得不到保障,技术也受制于人。

然而,对国外设备的依赖也带来了许多问题。“国外一些设备厂商做的设备不能够完全满足我们的需求,再一个它的设备价格很高,所以我们开始自己来设计制造设备,自主研发制造我们国产的盾构机。”

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经过十多年的探索和研发,中国盾构渐渐走在了世界前列,不仅满足了国内需求,同时也开始大规模开拓国际市场。

首先,国外的设备,非常昂贵。左边的第一张图的盾构机用于秦岭隧道建设,是当时中国最贵的一台设备,花费了3.5亿人民币的外汇。

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第二,国外的设备,研发设计人员多在海外,对中国的工程地质不是很了解,不能够根据我们的工程地质进行一些针对性的设计。比如右上第二张图,是用于广州地铁建设的一台盾构机。广州有一种特殊的土层叫“红层”,特别黏。所以盾构机的刀盘非常容易堵住,就没法前进。

国产盾构机。供图:孙雪丰

第三,国外的设备,生产周期特别长。他们要签订合同以后,才开始准备原材料——所以说一台地铁盾构机,它的生产周期从签订合同到交付,总共需要12个月。而我们现在需要多久呢?只需要5到6个月。

中国设计的盾构机越来越高效,也越来越人性化。孙雪丰提到,“我们的设备多考虑一点,使用就会更加方便一点。”

第四,进口的设备,售后很差。我们设备在掘进过程中遇到问题,得聘请国外的工程师过来解决。但是售后周期很长,费用也很高——工程师从国外出发,就要开始计算费用,每天要1200欧元。如果需要国外的工程师长期驻守在工地,就要给他提供高档的酒店餐饮。用在秦岭隧道的这台设备,我们当时想请国外工程师到我们项目上,那行,你先得帮他建一个标准游泳池,这是他们生活的必需品。

如今,国产盾构机已经广泛应用到许多工程中。“地铁高铁公路隧道,还有引水隧道,甚至一些国防工程都可以用到我们的盾构设备。国外的设备很难再像以前那样轻松进入中国市场。”

所以说,中国如果要大规模地开展地铁建设,要实现中国速度,我们必须要研发制造自己的盾构机。

在孙雪丰看来,盾构机在硬岩隧道中开挖出的同心圆是世间最美的画面,“比任何花朵都漂亮”。

我非常幸运,毕业以后就来到了我所工作的中国铁建重工集团。那时候,国产盾构机的研发才刚刚起步。

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岩石掘进开挖面同心圆。供图:孙雪丰

这个是我们研制的第一台复合式土压平衡盾构机,用在长沙地铁2号线建设。当时我进我们单位的时候,厂房还没有建好,我们就一边搞建设,一边搞研发,待在一个铁皮房子里面,冬天很冷,夏天很热。

5月19日,欢迎来军事博物馆,听孙雪丰老师聊聊中国自主研发盾构机的故事。

很幸运,我们没有购买国外的图纸,凭借自己摸索画图,画了十多万张图纸,制造出了我们第一台盾构机。

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但是制造出第一台盾构机,才是刚刚起步。大家都知道,我们中国地大物博,工程地质复杂多样。单一类型的盾构机不能适应所有工程地质掘进。

供图:孙雪丰

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城市大部分都是软土软岩地层,适合用盾构机掘进。但是在一些特殊的地方,比如说重庆,地底下是坚硬的岩层;如果用盾构机掘进,刀具就很容易磕坏。所以我们给它设计了一台硬岩适用的掘进机,业内叫做TBM。再比如右边,这个设备我们叫“顶管机”——它的设备比较短,可以看作是一台迷你版的盾构机,它适合在短距离隧道(比如城市里的过街通道)的地层掘进。

针对三种不同的地质,我设计了三台不同的盾构机。但是如果两种地层碰到一起了怎么办?

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比如在广州到佛山的一段城际铁路建设中,有一条六公里的隧道——前面的400多米是软土,中间的4公里是硬岩,再出来又变到软土。怎么办?我们聪明的工程师把盾构机和TBM的功能结合在一起,就像给穿山甲设计了两套牙齿、两套肠胃。它根据地形的变化,可以自由地切换。

经过这些年的探索与实践,我们完成了从适应单一地层到适应复合地层的突破。

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近段时间,我又做了一些新的尝试。这个是我们给上海设计的一批盾构机,这些盾构机具备一定的“思考”能力。我为什么做这件事呢?大家可能没有进过隧道,所以可能不了解——隧道底下温度很高,有40多度,还很潮湿,里面的工作环境很苦闷。

怎么让我们的作业人员能够解放出来呢?是不是可以少人化,甚至无人化?普通的盾构机都是人下达指令,然后盾构机来掘进;而我们这批盾构机,它前面有传感器,所以能够根据前面地层的变化自主调整设定参数,实现了从人工操作到人工监管的突破。

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随着国产技术的飞速发展,我们现在的盾构技术不仅仅能够满足国内需求,还渐渐走出了国门。

比如2017年,我们中国在莫斯科拿到了第一个地铁项目,需要五台盾构机。大家知道,我们北京在建设地铁一号线的时候,有一批苏联的老专家过来援助我们;现在我们回到莫斯科,相当于学生到师傅家给老师讲课,压力很大。

当时,这样的重任落在我和我的团队的身上。接到任务之后,我第一时间就飞莫斯科去当地调研,结果发现,难度比我预想的还要大。

为什么?

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第一,莫斯科的温度很低,一年的冰冻期有六个月,所以盾构机要适应零下30度的低温。

第二,莫斯科具有很复杂的工程地质条件。盾构机的转弯半径特别小,掘进的时候坡度很大,然后还有40米以上的富水深埋地层;再一个,它要穿越既有的一些车站——在国内遇到这样一个难题,就需要请专家过来援助,在莫斯科我们一下碰到了四五个。

第三,他们的施工习惯也不一样。莫斯科有80年的地铁建设经验,如何让我们的盾构机满足他们的习惯,就需要我们进行深入考量。

第四,标准体系也不同。我们采用的是国标,而他们有自己的标准。如何让我们的设备符合当地的法律法规,是中国设备走出去的必经之路。

为这五台盾构机,我们特地开展了一些针对性的设计:我们研发了能够耐零下30度低温的主驱动系统,给设备做了很多加热的装置——普通设备大部分都做冷却,而这个设备我们给它做了加热装置,这样的设计应该还是第一次。

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这个设备研发出来以后,深受当地人喜欢。他们用俄罗斯家喻户晓的一部电视剧叫《爸爸的女儿们》其中五个女儿的名字来命名。这个设备到了当地之后,也觉得非常好。现在五台设备,有三台已经贯通了,并且创造了俄罗斯每天最高掘进35米的记录。

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回想十多年前,我们的设备完全依赖进口,到今天,我们中国的设备已经占据了国内市场90%的份额,并且占据全球三分之二以上的市场。可以非常自豪地说,中国已经成为全球高端地下工程装备的第一军团。

但是创新的步伐永不止步,我们会一直并且将来要继续引领技术前进的步伐。

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比如说我们已经成功研发出来的常压换刀技术。这东西为什么这么重要呢?因为盾构机在掘进的时候,是靠牙齿来咬前面前方的岩土;时间长了之后,牙齿容易崩掉。我们普通的盾构机,工人都是在进到前方的土体里面进行换刀,水压很高,非常危险。我们设计了这种常压换刀的技术之后,人可以进到刀盘的结构里面去,由高压变成常压——这样我们的作业人员就可以很安全。

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又比如说我们正在研发的隧道智能拼装机器人技术——这个就是让机器来代替人去进行管片的拼装和TBM的钢拱架安装。在我们TBM掘进过程中,后方的岩体非常容易坍落,人拼装钢拱架就非常危险。我们用机器来代替人,就可以减轻他们的劳动强度,从而让我们的隧道施工更加安全、更加高效。

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21世纪是地下空间开发的世纪,我们盾构机研发会更加蓬勃——比如说我们在进行的超大竖井掘进机,还有面向川藏铁路设计的超级掘进机。

向未知的地层掘进,充满挑战,但是我乐在其中。谢谢。

演讲嘉宾孙雪丰:《中国盾构:从零起步,跻身世界之强的“钢铁穿山甲”》

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