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,它的正式名稱叫做全斷面隧道掘進機,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)復雜、集成度高,也有人把它稱為機械制造皇冠上的明珠。
盾構(gòu)刀具作為盾構(gòu)機的“牙齒”,是盾構(gòu)掘進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,直接影響到盾構(gòu)機的掘進速度、施工成本和工程質(zhì)量。作為吉林省科技進步一等獎獲得者的凌遠科技股份有限公司,多年來通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān),將成果應用于國內(nèi)外數(shù)十個高難度地質(zhì)條件的高強度硬巖隧道或復雜地層隧道項目中,促進我國盾構(gòu)機零部件核心技術(shù)不斷突破。
世界上第一臺盾構(gòu)機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,中國盾構(gòu)機的使用發(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,從國外進口到全球領(lǐng)先,中國盾構(gòu)機逆襲成功。
盾構(gòu)機如今已經(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)機被西方定義為高端科技產(chǎn)物,想要引進一臺盾構(gòu)機,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,拒絕培訓維護人員,賺足了售后的利潤,而且一旦出了故障,維修盾構(gòu)機就會變得非常麻煩。
上世紀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)濟發(fā)展。1997年,為了建設(shè)西康鐵路秦嶺隧道,中國第一次進口了兩臺德國盾構(gòu)機,兩臺二手盾構(gòu)機花了7億元,相比傳統(tǒng)的隧道鉆爆法,盾構(gòu)機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。
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“中鐵一號”。在此基礎(chǔ)上,我國盾構(gòu)機開始井噴式發(fā)展,國內(nèi)盾構(gòu)機行業(yè)開始快速崛起,從此開始替代了進口,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)化率達到90%,中國在盾構(gòu)機領(lǐng)域的發(fā)展速度,比在高鐵和民航客機領(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)機核心技術(shù),一臺盾構(gòu)機包含上萬個零部件,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)機國產(chǎn)化的重要課題。
跟普通機械設(shè)備不同的是,盾構(gòu)機是定制化產(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)、不同應用場景,會有不同的需求?!氨热缟奥咽貙?,對刀具磨損是非常厲害的,所以我們就給裝備配備上合適該地質(zhì)的刀具?!?凌遠科技股份有限公司董事長張凌說。
盾構(gòu)機最關(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)團隊負責人張凌便開始組建技術(shù)團隊進行攻關(guān),致力于研發(fā)、生產(chǎn)國內(nèi)隧道掘進機(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)團隊通過對產(chǎn)品不斷提升和創(chuàng)新,自首批成果應用于磨溝嶺隧道工程掘進試驗后,幾年間,團隊結(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。通過經(jīng)驗積累與分析,將刀圈毛坯的鍛造方式進行改進,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,其使用性能已達到進口刀具的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)團隊對刀圈的材料進行了突破性的改進,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),對刀圈的性能進行模擬分析;利用電渣二次重熔技術(shù),改進原材料的組織,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”,各項性能指標均優(yōu)于進口刀圈,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)與應用的壁壘,就要聯(lián)合。”張凌說。為此,攻關(guān)團隊重新組建,形成了產(chǎn)學研用的專攻技術(shù)團隊,相繼與東北電力大學、吉林大學、中南大學、石家莊鐵道大學等多所高校開展產(chǎn)學研合作,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)定因素進行排查,對進口刀具進行全面分析實驗,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)團隊組建的凌遠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)團隊試驗和刀具裝配工程師對掘進現(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
盾構(gòu)機有著“鋼鐵蛟龍”之稱。盾構(gòu)機挖掘進度直接影響整個工程的進度、施工成本和工程質(zhì)量。作為盾構(gòu)機的“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,導致刀具消耗過大,每次停機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,團隊參與引漢濟渭工程秦嶺隧道項目,涌水、塌方、巖爆、高溫地熱及高強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,當巖石硬度超過130MPa時,刀具消耗量極大,挖掘工作不得已緩慢進行或準備購買進口刀具。團隊在經(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),超過進口滾刀33.67%,及時地解決了施工難題?!皩嶒灲Y(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,服務祖國和人民?!睆埩枵f。
除此之外,團隊承擔著多個國家戰(zhàn)略級TBM/ 盾構(gòu)隧道工程的刀具任務,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)團隊到公司走向市場,20多年來,持續(xù)攻關(guān)成了團隊的一種工作習慣,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,團隊先后創(chuàng)建“吉林省盾構(gòu)與掘進刀具技術(shù)科技創(chuàng)新平臺”“吉林省盾構(gòu)與掘進刀具技術(shù)重點實驗室”和企業(yè)技術(shù)中心,以隧道掘進民族工業(yè)發(fā)展為己任,秉承工匠精神,追求卓越,做強“中國之刃”。