探訪全球首臺(tái)能爬陡坡的大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)“永寧號(hào)”

穿山打隧 鏗鏘突進(jìn)

2022年8月，“永寧號(hào)”掘進(jìn)機(jī)正式下線。

“永寧號(hào)”掘進(jìn)機(jī)在河南洛寧抽水蓄能電站引水斜井工程作業(yè)。

“一個(gè)地方、一個(gè)企業(yè)，要突破發(fā)展瓶頸、解決深層次矛盾和問題，根本出路在于創(chuàng)新，關(guān)鍵要靠科技力量?！?/p>

2014年5月10日，在中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司盾構(gòu)總裝車間考察時(shí)，習(xí)近平總書記指出：“推動(dòng)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變。”

盾構(gòu)機(jī)，即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，被譽(yù)為“鋼鐵穿山甲”，是開挖隧道的利器。鉆山入地，穿江過海，近年來，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)穿梭在大江南北的工程現(xiàn)場，助力一個(gè)個(gè)高難度項(xiàng)目順利完工。

近日，記者趕赴河南鄭州市，探訪由中國中鐵工業(yè)旗下中鐵裝備集團(tuán)研發(fā)的全球首臺(tái)能爬陡坡的大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)“永寧號(hào)”。從“直來直去”到“能爬陡坡”，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)經(jīng)歷了哪些升級(jí)？攻克了哪些技術(shù)難關(guān)？記者進(jìn)行了采訪。

千噸重的盾構(gòu)機(jī)如何爬上39度的斜坡？從鄭州市區(qū)驅(qū)車3小時(shí)，記者來到河南洛寧抽水蓄能電站一探究竟。

抽水蓄能電站，在電力負(fù)荷低谷時(shí)，利用電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期，再放水至下水庫發(fā)電。洛寧項(xiàng)目中，“永寧號(hào)”要開挖的便是連接上下水庫的引水斜井，起點(diǎn)海拔500米，終點(diǎn)海拔1050米。

由于斜井藏于山體中間，工人們只能從山體外側(cè)先開挖先導(dǎo)隧道，才能到達(dá)斜井起點(diǎn)。去年12月初，貨車載著“永寧號(hào)”的部件，駛?cè)?公里長的先導(dǎo)隧道。到達(dá)起點(diǎn)、組裝完畢后，“永寧號(hào)”開始仰起39度角向上掘進(jìn)。6個(gè)月過去，它已掘進(jìn)265米，建成一段寬7米、傾角約36度的斜井。

沿著工字鋼焊接而成的臺(tái)階一步步往上爬，20多分鐘后，記者一行到達(dá)“永寧號(hào)”底部。在這里，“永寧號(hào)”總設(shè)計(jì)師于慶增介紹了它爬坡的關(guān)鍵訣竅——學(xué)習(xí)“爬山虎”。

“隧道施工時(shí)，傾角越大，盾構(gòu)機(jī)越易下滑，這是個(gè)世界性難題。”于慶增說，此前國外企業(yè)只嘗試過建造直徑4米的小噸位爬坡盾構(gòu)機(jī)。而“永寧號(hào)”直徑7.23米，長122米，自重1500噸，如何做到在斜坡上不往下滑？

從爬山虎的生長中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)得到啟發(fā)。他們?yōu)椤坝缹幪?hào)”設(shè)計(jì)了4組8條“腿”，每條“腿”配備兩只“腳”。8條“腿”精妙配合，輪流前進(jìn)。

光會(huì)爬坡并不夠，“永寧號(hào)”還需定制一套用于斜井隧道的渣石處理系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)水平掘進(jìn)時(shí)，只需用鏟斗將渣石鏟入皮帶機(jī)即可運(yùn)出隧道。但當(dāng)盾構(gòu)機(jī)斜著向上掘進(jìn)時(shí)，渣石不僅會(huì)砸到設(shè)備，還可能在傳送帶上加速滾落，造成碎石飛濺，風(fēng)險(xiǎn)極大。

怎么辦？設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定，在盾構(gòu)機(jī)里設(shè)計(jì)一個(gè)專門通道，再配上減速裝置，將渣石安全運(yùn)到斜井底部后，再由卡車運(yùn)出。他們不斷優(yōu)化模型，一步步摸準(zhǔn)花崗巖渣石在40度傾角情形下的跌落規(guī)律。經(jīng)過上百次試驗(yàn)，終于找到了最優(yōu)的溜槽截面尺寸、高寬比例、厚度材質(zhì)。

能掘進(jìn)、能爬坡、能出渣，靠電力驅(qū)動(dòng)的“永寧號(hào)”還要應(yīng)對(duì)停電等突發(fā)情況。

一旦停電，普通盾構(gòu)機(jī)只是“趴窩”，無法正常工作，而爬坡盾構(gòu)機(jī)卻可能整體下墜、造成安全危險(xiǎn)。為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了雙重防溜車系統(tǒng)，還為盾構(gòu)機(jī)設(shè)置了安全閘門，防止斷電情況下渣石掉落。

2022年8月正式下線，2022年9月完成測(cè)試，2022年12月進(jìn)場，2023年1月開挖。進(jìn)入洛寧項(xiàng)目施工以來，“永寧號(hào)”表現(xiàn)不俗：最快時(shí)，一天可掘進(jìn)7米；遇到斷層破碎帶，一天可掘進(jìn)5米……“相比傳統(tǒng)的爆破施工法，‘永寧號(hào)’的效率提升了近一倍?！庇趹c增很是自豪。

盾構(gòu)機(jī)往往身形龐大、成本高昂，因此行業(yè)一直遵循一個(gè)原則：樣機(jī)即正品，試用即施工。即使是創(chuàng)新產(chǎn)品，也只能生產(chǎn)一臺(tái)。一旦出廠，就要正式投入使用。

設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、安裝、使用……每一步都無可借鑒，“永寧號(hào)”如何做到“一次成功”？在中國中鐵裝備集團(tuán)深入采訪，記者找到了答案。

求真——沒機(jī)會(huì)進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，就努力創(chuàng)造條件，模擬真實(shí)工況進(jìn)行核心部件實(shí)驗(yàn)。

在中鐵裝備總裝車間一側(cè)，有一個(gè)直徑7米、深20米的大基坑?？蓜e小瞧這個(gè)基坑，光改造費(fèi)用就花費(fèi)上百萬元，只為模擬出“永寧號(hào)”的運(yùn)行工況。

“一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只靠軟件模擬、小樣測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須保證100%安全?！敝需F裝備總工程師賈連輝說，防溜結(jié)構(gòu)核心部件制作完成后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在基坑里進(jìn)行了一個(gè)月的測(cè)試，確保任何極限工況下“永寧號(hào)”都不會(huì)滑溜。

求細(xì)——千噸重、百米長的“大家伙”，身上不少設(shè)備的尺寸卻精確到微米。

滾刀，盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”。要想掘得快，必須“牙口好”?！坝缹幪?hào)”刀盤上共配備了49把滾刀，有200公斤重的大刀，也有155公斤的小刀。

中鐵裝備新鄉(xiāng)生產(chǎn)基地，擁有全球唯一一條盾構(gòu)滾刀裝配檢測(cè)生產(chǎn)線，可將12個(gè)刀具部件自動(dòng)組裝成一把完整的滾刀，并且確保高精度。此后，熔鑄、打磨、淬火、回火、冷卻……歷經(jīng)10多道工序，滾刀才能正式下線。

“每一個(gè)環(huán)節(jié)，都要追求最高品質(zhì)?！敝需F裝備質(zhì)量管理部負(fù)責(zé)人王勁松告訴記者，整個(gè)生產(chǎn)過程，材料的尺寸精確到微米，溫度控制精確到個(gè)位數(shù)，就連熱處理后的滾刀微觀金屬結(jié)構(gòu)，也要用顯微鏡觀察。

求嚴(yán)——每一名參與者都對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量終身負(fù)責(zé)。

一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，設(shè)計(jì)圖紙超1萬張，零部件超2萬個(gè)，工序達(dá)上百道，要想一次成功，每個(gè)環(huán)節(jié)都不能“掉鏈子”。

為此，中鐵裝備建立了包括質(zhì)量預(yù)防、過程管理、質(zhì)量約束、質(zhì)量改進(jìn)在內(nèi)的質(zhì)量制度體系，實(shí)施質(zhì)量“一票否決制”、工序?qū)嵜坪腿?jí)檢驗(yàn)制，把質(zhì)量貫穿設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全過程。

“每道工序都可追溯，每次操作都實(shí)名記錄，每名參與者都終身負(fù)責(zé)?！辟Z連輝說，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已成為中鐵裝備人心中的“硬杠杠”。

2008年，我國第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)——“中鐵1號(hào)”下線?！吧a(chǎn)一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品和盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)化是兩個(gè)概念。產(chǎn)業(yè)鏈上下游精誠合作、共同成長，讓我們迎來從量變到質(zhì)變的飛躍?！敝需F裝備總經(jīng)理張志國說，這次研發(fā)“永寧號(hào)”，從啟動(dòng)立項(xiàng)到設(shè)備下線只花了兩年時(shí)間。

15年攻堅(jiān)克難，中鐵裝備攜手上下游800家合作伙伴，將整機(jī)零部件國產(chǎn)化率一步步提高到90%以上，形成22項(xiàng)國際領(lǐng)先技術(shù)。一項(xiàng)項(xiàng)新技術(shù)新工藝新設(shè)備，令人備受鼓舞——

先看動(dòng)力源。

電機(jī)，驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)的力量?！坝缹幪?hào)”能“啃”下花崗巖，靠的是刀盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾刀對(duì)硬巖進(jìn)行擠壓，使巖石破碎剝落，實(shí)現(xiàn)向前掘進(jìn)。

“‘永寧號(hào)’的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，正是8組國產(chǎn)350千瓦電機(jī)?！睆堉緡f。早在2015年，中鐵裝備就開始聯(lián)合國內(nèi)電機(jī)廠家共同開發(fā)國產(chǎn)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。經(jīng)過一輪輪技術(shù)交流、修改方案、樣機(jī)研制，成功生產(chǎn)出首臺(tái)110千瓦主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

此后，中鐵裝備積極尋找合適項(xiàng)目進(jìn)行搭載試用，推動(dòng)國產(chǎn)電機(jī)在常規(guī)地鐵盾構(gòu)機(jī)、大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)、礦用硬巖掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備上先后落地。以用代測(cè)，不斷反饋數(shù)據(jù)，多次優(yōu)化升級(jí)，國內(nèi)電機(jī)廠家技術(shù)越發(fā)成熟，電機(jī)功率不斷升級(jí)，相繼開發(fā)出200千瓦、250千瓦、300千瓦等不同功率產(chǎn)品。

再看減速器。

盾構(gòu)機(jī)上的電機(jī)轉(zhuǎn)速極快，每分鐘2000多轉(zhuǎn)，不過，盾構(gòu)機(jī)刀盤卻要轉(zhuǎn)得“夠慢”，每分鐘低至1.5轉(zhuǎn)。巨大的轉(zhuǎn)速落差，得靠減速器來實(shí)現(xiàn)。

在中國機(jī)械科學(xué)研究總院鄭州機(jī)械研究所有限公司，記者見到了為盾構(gòu)機(jī)配套的減速器?！皽p速器原理很簡單，就是靠齒輪改變扭矩，實(shí)現(xiàn)降速增扭。不過，如何把齒輪做得更小、更精、更耐用卻是個(gè)難題?！编嵵輽C(jī)械研究所有限公司高級(jí)工程師張祥儒說。

首要的是找到合適的合金鋼。經(jīng)過多年不懈努力，中國寶武成功研制出符合要求的新型合金鋼，為高功率高密度減速器的誕生奠定了基礎(chǔ)。

此后，鄭州機(jī)械研究所有限公司利用60余年的研究積淀，在滲碳、離子滲氮、感應(yīng)淬火等方面不斷創(chuàng)新工藝，有效提高了高功率密度減速器齒輪的承載能力和可靠度?！艾F(xiàn)在，我們的減速機(jī)可以正常工作1萬個(gè)小時(shí)無故障，與國外同工況減速器持平?！睆埾槿逭f，國產(chǎn)減速器最初只能給直徑9米級(jí)以下的小口徑盾構(gòu)機(jī)配套，如今已可以給12米級(jí)以上的超大直徑盾構(gòu)機(jī)配套。

最后看刀盤。

刀盤，分為滾刀、刀圈、軸承和密封。經(jīng)過多年研發(fā)升級(jí)，中鐵裝備的滾刀系列產(chǎn)品市場占有率國內(nèi)第一，還成功出口海外。刀圈，卻一度讓企業(yè)感到頭疼。早期，國產(chǎn)刀圈韌性較差、硬度偏高，異常失效的概率高于進(jìn)口刀圈。為了補(bǔ)足短板，中鐵裝備決定從基礎(chǔ)研究開始投入。2013年，他們與清華大學(xué)、東北大學(xué)等高校組建產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)聯(lián)合體，一道鉆研高純凈耐磨鋼的生產(chǎn)工藝。“作為整機(jī)廠商，我們經(jīng)驗(yàn)豐富，能提供掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息。與高校合作，把理論搞透了，實(shí)踐才能跟上?！睆堉緡f。

攻克一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，中鐵裝備對(duì)盾構(gòu)技術(shù)的認(rèn)識(shí)持續(xù)深化，盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品譜系日益壯大：

看形狀，不僅能挖圓形隧道，矩形、馬蹄形也不在話下。特別是矩形盾構(gòu)機(jī)，開創(chuàng)了過街隧道開挖新模式。

看場景，從最初只能挖地鐵，到能挖大埋深、長距離的硬巖隧道，再到礦山、水電站，應(yīng)用場景更加豐富。

看施工，從只能水平前進(jìn)，到能豎向挖掘，再到能水平S形連續(xù)轉(zhuǎn)彎、大傾角斜坡向上，本領(lǐng)越發(fā)高強(qiáng)。

在海拔4700米的青藏高原上，硬巖掘進(jìn)機(jī)“雪域先鋒號(hào)”，已經(jīng)工作了一年多；在被譽(yù)為“地質(zhì)博物館”的大瑞鐵路高黎貢山隧道，敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)“彩云號(hào)”鏗鏘突進(jìn)；在格魯吉亞一條公路隧道施工現(xiàn)場，世界最大直徑全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)“高加索號(hào)”已掘進(jìn)突破6000米……2008年以來，中鐵裝備隧道掘進(jìn)機(jī)訂單超過1600臺(tái)，安全掘進(jìn)里程超4000公里，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷德國、法國、意大利、新加坡等30多個(gè)國家和地區(qū)。

“中國中鐵將瞄準(zhǔn)世界科技前沿，在更大掘進(jìn)直徑、更快掘進(jìn)速度、更深掘進(jìn)深度和更復(fù)雜工況上持續(xù)發(fā)力，不斷攀登掘進(jìn)機(jī)技術(shù)制高點(diǎn)，推動(dòng)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變?！敝袊需F黨委書記、董事長陳云表示。（人民日?qǐng)?bào)記者 李心萍，部分圖片為編者所加）