文/ 本刊記者 鄭茂典

城市地下交通線路工程大直徑盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)機(jī)，它的正式名稱叫做全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，平時大家可能很少見到它，因為它一般都在地下或是山洞里工作，是建造地鐵、鐵路、公路、隧道等的利器。因為系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高，也有人把它稱為機(jī)械制造皇冠上的明珠。

盾構(gòu)刀具作為盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，是盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、施工成本和工程質(zhì)量。作為吉林省科技進(jìn)步一等獎獲得者的凌遠(yuǎn)科技股份有限公司，多年來通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，將成果應(yīng)用于國內(nèi)外數(shù)十個高難度地質(zhì)條件的高強(qiáng)度硬巖隧道或復(fù)雜地層隧道項目中，促進(jìn)我國盾構(gòu)機(jī)零部件核心技術(shù)不斷突破。

在掘進(jìn)中逆襲

世界上第一臺盾構(gòu)機(jī)是法國工程師布魯諾爾發(fā)明的。直到1953年，中國才引入第一臺盾構(gòu)機(jī)，中國盾構(gòu)機(jī)的使用發(fā)展歷史只有不足70年，但是如今全世界都爭相搶購中國盾構(gòu)機(jī)，從國外進(jìn)口到全球領(lǐng)先，中國盾構(gòu)機(jī)逆襲成功。

盾構(gòu)機(jī)如今已經(jīng)被中國做到了“白菜價”，讓西方痛失了又一個可以賺錢的神器，以前盾構(gòu)機(jī)被西方定義為高端科技產(chǎn)物，想要引進(jìn)一臺盾構(gòu)機(jī)，往往需要花費幾千萬美元。為了防止中國掌握核心技術(shù)，拒絕出售生產(chǎn)線，拒絕培訓(xùn)維護(hù)人員，賺足了售后的利潤，而且一旦出了故障，維修盾構(gòu)機(jī)就會變得非常麻煩。

上世紀(jì)90年代末，中國城鎮(zhèn)化開始起步，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速。中國是地大物博的國家，國內(nèi)有很多城市需要建設(shè)地鐵，挖掘隧道，用基建助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展。1997年，為了建設(shè)西康鐵路秦嶺隧道，中國第一次進(jìn)口了兩臺德國盾構(gòu)機(jī)，兩臺二手盾構(gòu)機(jī)花了7億元，相比傳統(tǒng)的隧道鉆爆法，盾構(gòu)機(jī)施工不僅效率大幅提升，而且施工過程安全性大大提高。但是，在享受安全高效的同時，我國也不得不接受高昂的設(shè)備費用，和并不順暢的售后服務(wù)。

直到2008年，通過我國科研人員的不懈努力，研發(fā)出中國第一臺盾構(gòu)機(jī)“中鐵一號”。在此基礎(chǔ)上，我國盾構(gòu)機(jī)開始井噴式發(fā)展，國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)行業(yè)開始快速崛起，從此開始替代了進(jìn)口，轉(zhuǎn)而使用國產(chǎn)設(shè)備。

從0到1，從完全不能生產(chǎn)到如今國產(chǎn)化率達(dá)到90%，中國在盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展速度，比在高鐵和民航客機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展速度還要快。之所以國產(chǎn)產(chǎn)品能完全取代國外產(chǎn)品，主要還是因為掌握了盾構(gòu)機(jī)核心技術(shù)，一臺盾構(gòu)機(jī)包含上萬個零部件，比如刀具和主軸承，刀具刀盤的設(shè)計研發(fā)，一直是盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化的重要課題。

跟普通機(jī)械設(shè)備不同的是，盾構(gòu)機(jī)是定制化產(chǎn)品，每一臺設(shè)備都需要結(jié)合實際的工程單獨設(shè)計，不同的地質(zhì)、不同應(yīng)用場景，會有不同的需求?！氨热缟奥咽貙樱瑢Φ毒吣p是非常厲害的，所以我們就給裝備配備上合適該地質(zhì)的刀具?！?凌遠(yuǎn)科技股份有限公司董事長張凌說。

在應(yīng)用中攻關(guān)

盾構(gòu)機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)是它前部作為磨損件的刀具。這些刀具要滿足高硬度、高韌性、高強(qiáng)度等特點，其生產(chǎn)技術(shù)曾長時間被德國“卡脖子”，想更換只能購買德國的配套產(chǎn)品。2002年攻關(guān)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張凌便開始組建技術(shù)團(tuán)隊進(jìn)行攻關(guān)，致力于研發(fā)、生產(chǎn)國內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）配件。

在研制的初期，刀圈選材為行業(yè)普遍采用的H13鋼材作為原材料，采用傳統(tǒng)的自由鍛造工藝，同時采用傳統(tǒng)的方式對刀圈進(jìn)行熱處理，致使鍛造后的刀圈毛坯尺寸不規(guī)則，加工余量大，制造成本極高。技術(shù)團(tuán)隊通過對產(chǎn)品不斷提升和創(chuàng)新，自首批成果應(yīng)用于磨溝嶺隧道工程掘進(jìn)試驗后，幾年間，團(tuán)隊結(jié)合工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)、平行產(chǎn)品對比，不斷提升產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。通過經(jīng)驗積累與分析，將刀圈毛坯的鍛造方式進(jìn)行改進(jìn)，由傳統(tǒng)的自由鍛造改為輥鍛方式，并且優(yōu)化了熱處理工藝，其使用性能已達(dá)到進(jìn)口刀具的90%以上。雖然在刀圈質(zhì)量上有很大的提升，但刀圈毛坯重量仍然較大，成本沒有明顯降低。

此后，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊對刀圈的材料進(jìn)行了突破性的改進(jìn)，并研發(fā)出了新型FSD、WG系列高耐磨、高硬性、高韌性材料，通過接近真實服役工況的數(shù)字化模擬分析技術(shù)，對刀圈的性能進(jìn)行模擬分析；利用電渣二次重熔技術(shù)，改進(jìn)原材料的組織，通過萬噸級高壓近凈成形技術(shù)，將刀圈毛坯一次鍛壓成形；最后通過真空熱處理技術(shù)，結(jié)合以特殊的過程熱處理工藝，真正提高了刀圈的核心性能，既“硬”又“韌”，各項性能指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口刀圈，同時大幅度降低了刀圈的制造成本。

“技術(shù)攻關(guān)不能單打獨斗，要各自發(fā)揮優(yōu)勢，懂研發(fā)的不懂工程，懂工程的不懂研發(fā)，要解決研發(fā)與應(yīng)用的壁壘，就要聯(lián)合?！睆埩枵f。為此，攻關(guān)團(tuán)隊重新組建，形成了產(chǎn)學(xué)研用的專攻技術(shù)團(tuán)隊，相繼與東北電力大學(xué)、吉林大學(xué)、中南大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)等多所高校開展產(chǎn)學(xué)研合作，結(jié)合多年施工案例、大量一手工況數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有刀具存在的不穩(wěn)定因素進(jìn)行排查，對進(jìn)口刀具進(jìn)行全面分析實驗，研制出性能更穩(wěn)定、破巖效果更優(yōu)異的刀具產(chǎn)品。

2014年，由研發(fā)團(tuán)隊組建的凌遠(yuǎn)科技股份有限公司正式成立。為加快技術(shù)研發(fā)，公司陸續(xù)購入成套的高精尖現(xiàn)代化生產(chǎn)和實驗設(shè)備，通過技術(shù)團(tuán)隊試驗和刀具裝配工程師對掘進(jìn)現(xiàn)場刀具失效的監(jiān)測記錄，對刀具關(guān)鍵部件刀圈的改進(jìn)作出深入研究，研發(fā)出一套創(chuàng)造性的核心技術(shù)，并以此為依托，承擔(dān)起了吉林省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目。

水利工程引水隧道小直徑TBM刀盤出洞

在減量中提質(zhì)

盾構(gòu)機(jī)有著“鋼鐵蛟龍”之稱。盾構(gòu)機(jī)挖掘進(jìn)度直接影響整個工程的進(jìn)度、施工成本和工程質(zhì)量。作為盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，每天多挖掘一米，都是在節(jié)約成本，縮短挖掘時間，如果刀具“質(zhì)”不提高，就會產(chǎn)生非正常磨損，導(dǎo)致刀具消耗過大，每次停機(jī)換刀具就要至少耽誤兩個小時，所以刀具的質(zhì)量、穩(wěn)定性尤為重要。

2016年，團(tuán)隊參與引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧道項目，涌水、塌方、巖爆、高溫地?zé)峒案邚?qiáng)度硬巖等諸多困難因素疊加，構(gòu)成隧道施工的世界級難題。施工中由于巖石強(qiáng)度高、石英含量非常高、節(jié)理發(fā)育程度低，同時巖爆沖擊危害強(qiáng)，當(dāng)巖石硬度超過130MPa時，刀具消耗量極大，挖掘工作不得已緩慢進(jìn)行或準(zhǔn)備購買進(jìn)口刀具。團(tuán)隊在經(jīng)過地質(zhì)勘探報告分析后，拿出研發(fā)的拳頭產(chǎn)品在秦嶺隧道現(xiàn)場做實裝互換對比試驗，與美國某知名滾刀比較磨耗率等關(guān)鍵性能績效參數(shù)，超過進(jìn)口滾刀33.67%，及時地解決了施工難題。“實驗結(jié)束后，王夢恕院士很欣慰，他說刀具雖然是整個隧道建設(shè)中小之又小的一個部件，但這證明了我們科研團(tuán)隊為隧道工程配套而努力的結(jié)果，他的最大愿望就是讓我國擁有世界一流的隧道產(chǎn)業(yè)工程配套能力，服務(wù)祖國和人民。”張凌說。

除此之外，團(tuán)隊承擔(dān)著多個國家戰(zhàn)略級TBM/ 盾構(gòu)隧道工程的刀具任務(wù)，如云南大瑞鐵路工程、川藏線鐵路林芝段色季拉山隧道工程、滇中引水工程、南水北調(diào)工程、珠三角水資源配置優(yōu)化工程、海外“一帶一路”項目如尼泊爾喜馬拉雅山巴瑞巴貝引水隧道工程、以色列特拉維夫紅線項目、格魯吉亞高加索山脈KK公路隧道工程、斯里蘭卡上依拉黑運(yùn)河引水隧道工程等等。與大多數(shù)裝備公司不同，“我們專門喜歡啃硬骨頭，別人干不了的我們來，別人干不動的我們上，我們不求項目數(shù)量，但力求我們參與的每個項目都以‘質(zhì)’取勝?！睆埩枵f。

從初創(chuàng)團(tuán)隊到公司走向市場，20多年來，持續(xù)攻關(guān)成了團(tuán)隊的一種工作習(xí)慣，以科技創(chuàng)新驅(qū)動生產(chǎn)力，追求核心技術(shù)全自主，而試驗檢測能力是保證技術(shù)主動權(quán)牢固自主掌控的關(guān)鍵。在這一堅定的基本理念的驅(qū)動下，團(tuán)隊先后創(chuàng)建“吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)科技創(chuàng)新平臺”“吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點實驗室”和企業(yè)技術(shù)中心，以隧道掘進(jìn)民族工業(yè)發(fā)展為己任，秉承工匠精神，追求卓越，做強(qiáng)“中國之刃”。