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盾构:向着“中国设计中国造” 掘进

——国家科技进步一等奖项目“中国盾构”成长记录

发布时间:2013-01-20来源:浙大新闻办作者:周炜浏览次数:123422


    
    “刀盘在空转,机器很烫,怎么办?”
    
    
“吃进去的土运不出来,全结在一起了,怎么办?”
    
    
……
    
    
手镐、钢钎、炸药、小火车运土的隧道施工方法,在中国已经沿用了很多年。20多年前,一种叫“盾构”的大型掘进机械装备开始进入中国。无论是在山间、水底,还是在城市地下,它就像一辆在黑暗中开路的“火车”,头顶直径6.15米以上的大刀盘,削吞土石,又缓缓吐送到身后的传送带上,同时,一块块拱型预制件被转举到需要的位置,拼接成坚固的隧道拱圈,隧道掘进、排土、衬砌一次成型。
    
    
虽说上海隧道公司在“文革”之前已经造出了第一台中国人自己的网格盾构,但距国际先进水平,还有很大差距。这种永远不能标准化生产的现代机械,需要根据具体施工地质环境设计一台,生产一台。那时候,一台进口的普通盾构机价格是上亿人民币。
    
    
“为什么这么贵?因为我们自己没有,不可能随随便便买,中国市场不被国外生产商重视,坏了连修都‘懒得’马上来。况且维修人员来中国待上一天,得付2000-3000美元/天的代价,还常常无功而返。”
    
    
于是,上世纪90年代,浙江大学机电控制工程研究所的杨华勇和魏建华教授常接到陌生电话,它们来自各地的隧道施工现场:干活的“洋盾构”出故障了,“洋专家”应而不至,新配件购而不达,漫无期限的停工等待无论是时间还是资金,都需要巨大的再投入。这种“洋盾构”一统天下、隧道施工受制于人的局面到本世纪终于得到改变。浙江大学与上海隧道工程股份有限公司、中国中铁隧道集团有限公司、中国中铁隧道装备制造有限公司和杭州锅炉集团股份有限公司等龙头企业进行了长期稳定的产学研合作,经过持续12年的盾构关键技术攻关,不仅实现了盾构的“中国设计中国制造”,还实现了“中国制造”与“德国制造”、“日本制造”、“美国制造”的平等国际竞争。
    
    隧道里的“急诊医生”
    
    
上世纪90年代,中国的城市地铁建设率先在北京、上海、广州等地铺开,地铁隧道掘进的工地里,被美国、日本、德国等跨国公司垄断的“洋盾构”赚取着高额的利润。
    
    
浙大机电所的学者们认识盾构,是从诊治“水土不服”的洋盾构开始的。1995年,国家“九五”重点工程西安安康铁路上马了,其咽喉工程秦岭隧道全长18.46公里。国家最大的隧道施工企业中铁隧道是施工方,从德国维尔特公司购买了一台敞开式全断面硬岩掘进机(TBM),当时的中铁,是第一次接触这个集机、电、液、传感、信息技术于一身的现代化的隧道施工装备。中铁当时还没有一个大车间可以安顿这个“巨人”。这个全长256米,刀盘直径为8.8米的大家伙的全部零部件从海关进来后,是在上海的江南造船厂组装的,单台价格超过3.5亿,大家都充满了崇拜和期待。秦岭隧道将要完工的时候,“巨人”病了!电话打到浙大机电所,为什么病?不知道?什么病?也不知道!德国人怎么说?德国人说要换液压装置,新装置两年后到!
    
    
接到电话后的第二天,魏建华老师出发去了秦岭。正值十二月,秦岭白雪皑皑,山道十分的难走。时隔15年,魏老师依然记得,拆出坏了的液压装置后,他是拦了一辆上山接孕妇的救护车才下的山。另两位中铁的工程师,硬是沿着已经打出的隧道,步行穿越18公里,走出大山。此后,魏老师在江南造船厂借车间场地苦修半年,把这个坏了的液压装置修复,巨人才重新又开始掘进。
    
    秦岭隧道于1995年1月18 日正式开工,1999年9月6日如期全线贯通,隧道长度当时国内第一。从此,随着中国进口的“洋盾构”越来越多,坏了的话,想把它的部件请出山洞都是一件十分费力的事。浙大机电所的杨华勇和魏建华教授就成了盾构的临时 “急诊医生”,东家唤西家叫,穿山越岭去看“病”成了他们时常要做的一件事。
    
    
组建盾构“国家队”
    
    
杨华勇和魏建华在“治病”的过程中发现,盾构中很多问题需要研究,于是开始申请国家自然科学基金的面上和杰出青年基金项目,进行科研攻关。1999年,浙大混合班的谢海波考上杨华勇教授的直博生,在课堂上,他第一次听说了“盾构”这个词。杨华勇要求他针对“盾构”做技术调研,调研工作相当困难,因为核心技术掌握在跨国公司而非高校,甚至是已经获得的专利中,许多关键核心技术依然掌握在生产公司高管手中,谢海波只能从专利库中寻找线索,去顺藤摸瓜。
    
    
研究起步了,企业要不要迎难而上?是走自主设计制造之路,还是继续做“施工队”与“加工厂”?当时,业内的质疑相当大,企业积极性高但自信心不足。反对的意见主要集中在三方面:中国劳动力便宜,隧道工程仍可以继续使用爆破和人工开挖方式,盾构的需求不大;中国装备设计制造技术不成熟,价值百万以上的装备故障就很多,能实现上千万的盾构装备自行设计制造?三是施工技术跟不上。一片质疑声中,时任上海大学校长的钱伟长等一批大科学家开始关注盾构对于我国经济和国防建设的重要性,多次给国家领导人写信,呼吁发展盾构的自主研发和生产制造。
    
    
2000年7月,科技部支持下建设部在北京组织了全国第一次针对盾构项目的大学与企业的联合论证,杨华勇是论证专家之一。他的态度很坚定:“企业的事就是国家的事。这是一件应该上升为国家战略的大事,大学和企业联合,才能把这件事做好。”同时,他参与了国家自然科学基金委员会组织专家制定“十五”规划《机械学发展战略研究》撰写,杨华勇在负责执笔撰写部分特别单列章节介绍了盾构的发展,他写道:“盾构设计技术一直被国外垄断,产品长期依赖进口价格居高不下,制约了盾构的应用,延缓了我国城市地铁的快速发展,必须自主研制。”
    
    
2002年,国家“863”计划机器人主题,启动了对盾构项目的支持,企业和高校的力量在盾构这一项目上开始实现融合。杨华勇主持召开了跨地域的全国性技术论证会,北京、杭州、上海、广州,会议开了一个又一个,收集、汇总、分析来自国内外隧道施工现场和设计制造生产第一线的一个个难题,最终凝炼出盾构技术的攻关目标:首先是安全问题,国内外隧道掘进工程,时常发生地面塌陷事故;其次是掘进工效问题,盾构施工经常发生装备关键部件失效,造成工程中断,影响掘进效率;三是导向精度问题,盾构掘进方向跑偏,影响隧道质量。失稳、失效、失准的三大问题,是长期困扰行业的三大国际难题。
    
    
浙大参与盾构的科研团队也逐渐从杨华勇和魏建华两人增加到4位教授、2位副教授和研究生们,杨华勇牵头负责,魏建华负责驱动系统、陈大军负责电控系统,龚国芳负责实验平台,谢海波负责推进系统,刘振宇负责数字仿真……十几年努力持之以恒。
    
    
突破“心脏”封锁
    
    
合作中,浙大的科研团队主要从事电液驱动、推进和控制系统的研发,这是盾构的“心脏”,国外技术封锁最严重的部分,也是盾构隧道工程施工中,出现失稳、失准和失效三大国际难题的根本所在。
    
    
庄欠伟是杨华勇带的第一个“盾构硕士”,现任上海隧道股份国家泥水盾构工程技术研究中心总工程师。2002年,“十五”期间的863项目刚刚启动,由上海隧道和中铁隧道牵头承担 “盾构掘进机刀具及液压驱动关键技术研究及其应用”项目,浙江大学等高校提供技术支撑。庄欠伟领到的第一个作业,就是“找元件”。
    
    
当时,一台德国海瑞克生产的盾构在北京完成工程施工项目后,要再去深圳“服役”,由于施工要求不同,这台盾构被送到上海进行改制。但是,这台盾构只有简短的说明书,为了保密技术,德国厂家还拆掉了液压马达等关键元器件上的所有标牌。怎么修?怎么替换?都不知道。庄欠伟说,“我们从寻找元器件开始,最‘笨’的办法,就是根据形状到网上搜。”
    
    
2004年,浙大研制出了具有自主知识产权的电液驱动和控制系统样机。在此基础上,发明了密封舱压力动态平衡控制技术,能实时监控盾构密封舱的压力,进行多系统协调控制,始终让盾构在一个安全的状态下工作,有效避免了盾构掘进过程中地表的塌陷或隆起,隧道施工的正常掘进得到了基本保障。同时,还实现了盾构速度的快速掘进和姿态的实时精准控制。
    
    
对于新技术,试验台上用得再好都不能说成功了,必须要真刀真枪上场去用。但是施工企业不愿意“冒险”。终于,等来了一个“机会”。上海地铁施工,因为突然停电,一台洋盾构“趴窝”了。杨华勇和魏建华带着自己的宝贝到了现场,先修好了洋的,却换上了土的,一启动,大刀盘开始正常发力,传送带上,削下来的泥沙缓缓地不断地吐出。待使用一切正常,施工方才知道接上去的是“中国造”。
    
    
“十五”期间,我国国产的第一台达到国际先进水平的土压平衡盾构是上海隧道工程股份有限公司制造的。该公司盾构制造分公司总经理张闵庆说,“我们是‘超额’达到了“十五”863项目的要求,完成了一台整机的自主设计和制造。这台命名为“先行号”的盾构在上海地铁施工中‘试掘’了一个标段隧道工程,非常成功。虽然当时‘863’给的任务是做分系统技术,但我们认为一些好的技术只有在实际施工中真正用过才知道好不好,所以一开始就做了整机样机。
    
    “国字号”上马
    
    
进入“十一五”,盾构项目从最初的消化吸收和技术攻关,迈入了“跨越发展”的新阶段。863计划继续支持,973计划及时跟上,目标是集成创新。“制造盾构,一开始我们最害怕的就是做出来的东西 ‘貌似神不似’。在大学的帮助下,‘看不见摸不着’的那部分技术被攻克的时候,我们终于有信心做接下来的事了。”中铁隧道集团有限公司总工程师洪开荣说。
    
    
2009年,天津地铁3号线施工,要从地下穿过天津地铁3号线营口道——和平站标段,地面上,是建筑史上的无价之宝、全球独一无二的建筑——“瓷房子”。整个建筑价值连城,是一碰就碎的“瓷娃娃”。加之地处天津市中心,距步行街只有数十米,盾构要求能够不带一点动静地从下面穿越,对盾构密封舱压力平衡和施工技术都提出了严峻考验。领受这项考验的是中铁隧道集团研制的“中国中铁一号”——国内第一台复合式盾构。“铁人”和项目部工程师们的表现勘称完美,业主和监理单位实时检测结果表明,局部地表变形小于2mm,地面建筑完好无损。
    
    
正因为这次成功的实践,中铁隧道一下子拿到了8台盾构新订单,此后不久,这家从前国家隧道施工的“大佬”,开始独立孵化出一个“中铁装备”公司,专门设计制造盾构设备,目前订单已经超过108台。
    
    
2009年9月9日,随着直径为11.22米的“进越号”盾构慢慢驶入位于上海日晖港畔的接收井,新建的打浦路隧道复线宣告全线贯通。这台由上海隧道股份和浙江大学等联合研制的首台国产大直径泥水平衡盾构,完美实现了它的第一次掘进---它在黄浦江底实现了半径380米的转弯,画出了一道完美弧线,创造了同类大型泥水平衡盾构最小转弯半径的世界新纪录。盾构掘进过程中,近距离穿越了打浦路老隧道备用车道,垂直净距离只有4.8米。尽管江中段陡坡的最大坡度达到了4.8,但“进越号”依然优雅地完成了长距离下穿500米长的污水南干线等一系列高难度动作,登陆浦西后穿越了日晖港的防汛墙,又安全地穿过了大楼桩基群和复杂地下管线。
    
    
“浙大学者们针对盾构地下作业‘失准’的国际难题,提出的姿态预测纠偏的方法很有用。”张闽庆说,“我们企业是负责产的部分,大学负责学研部分即基础理论的研究、尤其是设计方法的研究。这些方法和新思路设计对我们具体的系统与部件的集成和元器件的研制起到了很好的作用,支撑了产的部分完成,最终完成产品的全部系统,整机性能完全达到隧道施工的要求。”
    
    
盾构项目成果入选“十五”、“十一五”我国工程技术的重大成果展。看到这一可喜成果,上海市政府下了文件:不再进口盾构。政府的信任是企业发展的最好支撑。上隧因由此一下子拿到40多台盾构订单。据了解,在迎接世博会的地铁工程中,上隧设计制造的盾构已经占到了所有盾构的30%以上。
    
    
持续14年的校企合作中,高校和企业围绕盾构“三失”难题,攻克了压力稳定性、载荷顺应性、姿态协调性三大关键技术,形成了从盾构刀盘刀具、盾体、推进、管片拼装系统、驱动系统、导向纠偏系统到后配套的成套的设计制造能力,完成了土压、复合和泥水三种类型多种型号系列产品的研制。这些研究成果已用在全国超过四家盾构整机龙头生产企业,实现了盾构装备自主设计和产业化批量生产与应用,陆续建成了上海、郑州、重庆、西安等多个盾构产业化生产基地。与全球主要盾构制造商德国海瑞克、日本三菱的产品相比,主要技术指标达到同等水平,同等条件下,个别性能指标优于国外盾构。国产盾构优越的性价比令其迅速的获得市场认可:2009—2011年所生产的盾构达132台,已经广泛应用于香港、北京、上海、广州、天津、重庆、杭州、郑州、南京、大连、西安等26个城市,并出口新加坡、印度、马来西亚、泰国等国家,在300多个地铁、公路、铁路、水利与国防等各类隧道工程施工中得到应用。2011年,国产盾构已占当年新增盾构的61%。预计2015年可占国内新增市场的75%以上。
    
    搭在企业的试验台
    
    “我们是为企业服务,为行业服务的。”这是杨华勇常挂在嘴边的一句话。和企业10多年的交道中,杨华勇所带领的浙大科研团队采取了“一竿子到底”的企业内部“服务”方式:和决策层谈要做什么事、需要什么资源,和执行层讨论怎么做事,还要和具体操作的一线技术人员谈怎么操作才执行得好。由于盾构需要根据不同的地质条件,对各个不同的系统进行量体裁衣式的设计,因此需要多学科专业人员的交叉努力,杨华勇从自己带领的机电团队和机械系开始,通过973项目的运行机制与浙大控制系和建工学院的教授们合作,希望对盾构整个产业链都提供力所能及的技术服务,学研的合作伙伴扩大到了华中科技大学、中南大学、上海交通大学、大连理工大学、天津大学、清华大学和西安交通大学另外七所院校包括机械、土木、力学和控制四个一级学科的不同学者。中国铁建重工集团等大型企业也加入成为紧密型的研发合作伙伴,产学研的协同创新研究道路将越走越宽广。
    
    隧道施工现场,遇到夏天气温会飙升到40摄氏度以上;液压泵的轰鸣声在狭小的地下空间里震天动地,人和人说话靠喊才能勉强听清,液压油怪异的味道充斥着整个空间,艰苦的条件让一般人难以驻足。即便如此,浙大的老师和同学还会发自肺腑地说:“和企业合作是很有好处的。”高校进行的研究课题,一个个都来自真刀真枪的企业现场。
    
    浙大在玉泉校区建起了“全断面隧道掘进推进系统试验台”,这个试验台和工程实际的盾构近似,师生们可以在这里试验在不同地质条件下,盾构液压推进系统姿态控制的不同方案。此外,学校还把试验台搭到了企业,“浙大研制”试验台已覆盖了国内盾构的龙头企业。在上海隧道工程股份有限公司,浙大作为技术股东单位参与国家泥水盾构工程技术研究中心的建设。在河南郑州的中铁盾构及掘进技术国家重点实验室,浙大电液控制平台,用来验证新控制技术的可靠性和调整方向的灵活度。在沈阳北方重工集团,由浙大负责总体方案设计的全球最大最全盾构实验平台即将启用。
    
    “大学必须要全方位介入,合作才能持久有效。高校离开企业研究就落不了地,成果会封在实验室里;同时企业没有高校就只能做跟踪,企业需要高校的支撑才能实现跨越。”杨华勇说。
    
    
魏建华说:“和中铁的上上下下合作了十五六个年头,我最佩服的就是他们的干劲。”有一句话让魏老师记住了很多年:在自主研发的液压电控装置没地方一展身手的时候,中铁隧道局的老局长郭陕云说:“给我用!我肯定敢用。我们两把手镐也挖出了这么多隧道,我们不怕。”
    
    永不终止的联合
    
    2012年1月6日,在中铁隧道装备公司的车间里,两台为马来西亚吉隆坡的地铁设计制造的盾构已完成最后测试,正在拆装打包,准备发运。我国自主设计制造的盾构产品已经小批量出口新加坡、印度、马来西亚、泰国和香港等国家与地区。
    
    “以前我们是一个施工企业,现在转型为制造企业。从2008年第一台复合盾构下线以后,三年多的时间,我们拿到了108台的订单,占了40%国内市场。”中国中铁隧道装备制造有限公司总经理韩亚丽说,“现在和国外企PK的底气越来越足。”“马来西亚政府采购招标的时候,我们和国外知名的企业PK,业主一开始看我们是中国企业,没什么信心,但是他们在现场听完我们关于产品的设计和技术的陈述后,他们态度变了,握着拳说,我们很有信心。这样的底气,是大学给我们的。”在最近成都刚刚进行的政府招标中,中铁装备又拿到了6台订单,而盾构“巨头”德国海瑞克只拿到3台。
    
    当前,中国早已成为隧道建设大国,杨华勇介绍说,“未来十年,我国还将新建隧道超过1万公里,需要新增盾构超过1千台,拉动相关直接投资1万亿以上。我国是盾构需求最大的国家,已占全球市场的60%。大学和企业的产学研合作还在继续‘掘进’。目前,产学研协同创新团队正在向硬岩和超大直径掘进机进发,新的机型将比我国现有盾构的产品更大、更长、具有更强的破岩能力,将更多适用于西部多岩地区的隧道掘进。
    
    (周炜)
    
    
视频:盾构:地下空间的“开路先锋”
    
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