走近“工程機械之王”：盾構“中國夢”的實現

上世紀90年代中期。全長256米、刀盤直徑8.8米，價值3.5億元人民幣的世界名牌、德國造“維爾特”硬巖掘進機，在秦嶺隧道施工時發生故障。換零件？等兩年。找人修？德國專家從離家那刻起計費，每天3000美元。從今天回溯10年。科學家“七年磨一劍”自主研發出盾構“心臟”——液壓驅動和控制系統，想“移植”到德國產品“海瑞克”身上一試身手，卻屢屢碰壁。首臺“中國造”靠譜嗎？施工方打退堂鼓，不肯給新系統通電，多次溝通無果，科學家發脾氣撂電話。故事或將在此戛然而止。撂下電話的是中國工程院院士、浙江大學流體動力與機電國家重點實驗室教授楊華勇。無奈之余，他只好準備“給國家打報告說項目做不下去了”。誰料峰回路轉。第二天，施工方——中鐵隧道集團有限公司有關負責人意外松口：“可以通電!”于是，盾構“中國夢”的故事翻開新篇。2009年，天津地鐵3號線營口道至和平路標段，首臺國產復合盾構——“中鐵1號”以日掘進22.8米的速度在“督軍街”——赤峰道下潛行。它靜悄悄經過建筑史上的奇葩、全球獨一無二的“瓷房子”（現值98億），穿過張學良、段祺瑞等名人故居，幾乎檢測不到地表沉降。同一年，國產直徑11.22米的“進越號”首臺泥水盾構為上海世博會重大配套工程——打浦路隧道復線畫了個完美的弧度：380米的最小轉彎半徑刷新世界紀錄。2012年，楊華勇及其產學研團隊的“盾構裝備自主設計制造關鍵技術及產業化”項目，將國家科學技術進步一等獎攬入懷中。國家褒獎的背后，是2009年至2011年新增產值62.83億元，實現利潤10.21億元，創造稅收4.25億元。靈感源自船蛀打孔有“工程機械之王”、“移動式掘進工廠”之稱的盾構機，其設計靈感源自小小的船蛀。1818年，僑居英國的法籍工程師布魯諾爾看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被靈感眷顧，構建了盾構法隧道掘進施工的原理，發明了敞開式手掘盾構原型。泰晤士河成了布魯諾爾的“試驗田”。始于1825年，在經歷了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。現代盾構機十足“高大上”。集土木、材料、機械、電壓、液壓、信息、控制等技術之大成。它是在護盾鋼筒結構掩護下，能夠連續、同步實現切削、排碴、襯砌等隧道一體化掘進作業的高端裝備。回想上世紀六七十年代開挖隧道的經典場面：炸藥開道，千余人赤膊揮汗，鎬锨鍬鋤齊上陣，扁擔肩扛加手推車一趟趟運土，“工效低、事故多、傷亡大。”楊華勇說，坐火車過秦嶺或襄渝線，在每個長點兒的隧道口幾乎都看得到當年施工人員長眠的墳頭。而由刀盤刀具系統、刀盤旋轉驅動系統、螺旋輸送機與密封艙系統、推進系統、管片拼裝系統、后配套系統和導向糾偏系統組成的現代盾構機，工作起來“一氣呵成”。先將后配套拖車和設備調入基坑后部，安裝始發液壓缸和始發反力托架，再將盾首吊入始發井，調整始發位置和姿態。始發液壓缸推動盾構進行初始掘進，期間測量系統實時反饋盾構姿態，確保其按預設方向和軌跡掘進。“鋼鐵蚯蚓”吞土吐石。在刀盤擠壓和刀具切削作用下，刀盤前方土體和巖石被切割破碎，沿刀盤開口進入密封艙，再經螺旋輸送機排至輸送帶，而后到達盾構機尾的礦車，運至隧道口提升至地表，管片也可由礦車運送到盾構機靠近刀盤的前部分。在切削土體時，推進機構推動盾首前進，當推進距離達到一環管片寬度時停止，盾構進行管片拼裝。管片運至拼裝機后部，拼裝機后退取管片，再回到盾體內部進行拼裝，管片環與環之間錯開襯砌，一環管片分為六片，分別按照上述步驟進行拼裝。拼裝完畢后進行同步注漿，推進機構繼續向前。在直徑6~15米的大型隧道施工現場完成如此復雜的流程，需要多少人？答案是：每班組僅需12人。“急診醫生”要當設計師浙江大學流體動力與機電國家重點實驗室教授龔國芳給《瞭望東方周刊》講了個故事：1995年，中鐵隧道集團有限公司從德國購買了一臺敞開式全斷面硬巖掘進機，用于國家“九五”重點工程西安安康鐵路“咽喉”秦嶺隧道的開挖。價格超過3.5億元的一堆零部件在江南造船廠合體，成為全長256米、刀盤直徑8.8米的“巨龍”。工程接近尾聲時機器“罷工”，德國專家說要更換液壓裝置，可新裝置要兩年后才能到。施工方把求助電話打到了浙江大學。次日，重點實驗室的魏建華教授出發去了秦嶺，拆出“生病”的液壓裝置。魏建華攔了一輛上山接孕婦的救護車才得以下山，而另兩位中鐵隧道集團的工程師硬是沿著已經打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皚皚的大山。魏建華“閉關”半年，終于將液壓裝置修復，德國巨龍的“心臟”重新起搏。科研人員被迫穿山入林做盾構“急診醫生”，其時代大背景是經濟駛入快車道的中國已經拉開基建大幕——公路、鐵路、地鐵、水利工程接連上馬，城市化建設迅速推進。但國內對盾構的自主研發水平，遠遠不能支撐市場對盾構的巨大需求。于是“洋盾構”唱起主角。1990年，上海地鐵1號線用的是七臺“法國造”；1996年二號線開工，七臺不夠，又從法國引進兩臺。同年，延安東路隧道南線工程1300米圓形主隧道，用的是日本造直徑11.22米泥水盾構掘進機。2001年后，廣州、南京、深圳、北京、天津先后從德、日引進14臺直徑6.14米~6.34米的土壓平衡盾構和復合盾構機，掘進地鐵隧道50千米。“盾構設計技術一直被國外壟斷，產品長期依賴進口，高昂的價格制約了盾構的應用，延緩了我國城市地鐵的發展，自主研制勢在必行。”楊華勇表示。經濟賬更能說明問題：單價4000萬至6000萬元人民幣的地鐵盾構機，單臺平均壽命10~15公里，一條地鐵線路有時需20臺盾構同時施工。而處于基礎建設期的中國對盾構機的需求占全球50%以上。未來十年，中國還將建設隧道超過一萬公里，新增盾構機超過1000臺，拉動直接投資超過一萬億元。2000年7月，在科技部863計劃支持下，建設部在北京組織了全國第一次針對盾構裝備研制的大學與企業的聯合論證會。“這是一件應該上升為國家戰略的大事。”作為論證專家之一的楊華勇說。