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探訪全球首臺能爬陡坡的大直徑硬巖掘進機“永寧號”

穿山打隧 鏗鏘突進

2022年8月，“永寧號”掘進機正式下線。

“永寧號”掘進機在河南洛寧抽水蓄能電站引水斜井工程作業。

“一個地方、一個企業，要突破發展瓶頸、解決深層次矛盾和問題，根本出路在于創新，關鍵要靠科技力量。”

2014年5月10日，在中鐵工程裝備集團有限公司盾構總裝車間考察時，習近平總書記指出：“推動中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變。”

盾構機，即全斷面隧道掘進機，被譽為“鋼鐵穿山甲”，是開挖隧道的利器。鉆山入地，穿江過海，近年來，國產盾構機穿梭在大江南北的工程現場，助力一個個高難度項目順利完工。

近日，記者趕赴河南鄭州市，探訪由中國中鐵工業旗下中鐵裝備集團研發的全球首臺能爬陡坡的大直徑硬巖掘進機“永寧號”。從“直來直去”到“能爬陡坡”，國產盾構機經歷了哪些升級？攻克了哪些技術難關？記者進行了采訪。

千噸重的盾構機如何爬上39度的斜坡？從鄭州市區驅車3小時，記者來到河南洛寧抽水蓄能電站一探究竟。

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

由于斜井藏于山體中間，工人們只能從山體外側先開挖先導隧道，才能到達斜井起點。去年12月初，貨車載著“永寧號”的部件，駛入4公里長的先導隧道。到達起點、組裝完畢后，“永寧號”開始仰起39度角向上掘進。6個月過去，它已掘進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階一步步往上爬，20多分鐘后，記者一行到達“永寧號”底部。在這里，“永寧號”總設計師于慶增介紹了它爬坡的關鍵訣竅——學習“爬山虎”。

“隧道施工時，傾角越大，盾構機越易下滑，這是個世界性難題。”于慶增說，此前國外企業只嘗試過建造直徑4米的小噸位爬坡盾構機。而“永寧號”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，設計團隊得到啟發。他們為“永寧號”設計了4組8條“腿”，每條“腿”配備兩只“腳”。8條“腿”精妙配合，輪流前進。

光會爬坡并不夠，“永寧號”還需定制一套用于斜井隧道的渣石處理系統。盾構機水平掘進時，只需用鏟斗將渣石鏟入皮帶機即可運出隧道。但當盾構機斜著向上掘進時，渣石不僅會砸到設備，還可能在傳送帶上加速滾落，造成碎石飛濺，風險極大。

怎么辦？設計團隊決定，在盾構機里設計一個專門通道，再配上減速裝置，將渣石安全運到斜井底部后，再由卡車運出。他們不斷優化模型，一步步摸準花崗巖渣石在40度傾角情形下的跌落規律。經過上百次試驗，終于找到了最優的溜槽截面尺寸、高寬比例、厚度材質。

能掘進、能爬坡、能出渣，靠電力驅動的“永寧號”還要應對停電等突發情況。

一旦停電，普通盾構機只是“趴窩”，無法正常工作，而爬坡盾構機卻可能整體下墜、造成安全危險。為此，設計團隊研發了雙重防溜車系統，還為盾構機設置了安全閘門，防止斷電情況下渣石掉落。

2022年8月正式下線，2022年9月完成測試，2022年12月進場，2023年1月開挖。進入洛寧項目施工以來，“永寧號”表現不俗：最快時，一天可掘進7米；遇到斷層破碎帶，一天可掘進5米……“相比傳統的爆破施工法，‘永寧號’的效率提升了近一倍。”于慶增很是自豪。

盾構機往往身形龐大、成本高昂，因此行業一直遵循一個原則：樣機即正品，試用即施工。即使是創新產品，也只能生產一臺。一旦出廠，就要正式投入使用。

設計、制造、調試、安裝、使用……每一步都無可借鑒，“永寧號”如何做到“一次成功”？在中國中鐵裝備集團深入采訪，記者找到了答案。

求真——沒機會進行整機測試，就努力創造條件，模擬真實工況進行核心部件實驗。

在中鐵裝備總裝車間一側，有一個直徑7米、深20米的大基坑。可別小瞧這個基坑，光改造費用就花費上百萬元，只為模擬出“永寧號”的運行工況。

“一種全新的結構設計，只靠軟件模擬、小樣測試遠遠不夠，必須保證100%安全。”中鐵裝備總工程師賈連輝說，防溜結構核心部件制作完成后，設計團隊在基坑里進行了一個月的測試，確保任何極限工況下“永寧號”都不會滑溜。

求細——千噸重、百米長的“大家伙”，身上不少設備的尺寸卻精確到微米。

滾刀，盾構機的“牙齒”。要想掘得快，必須“牙口好”。“永寧號”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。

中鐵裝備新鄉生產基地，擁有全球唯一一條盾構滾刀裝配檢測生產線，可將12個刀具部件自動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10多道工序，滾刀才能正式下線。

“每一個環節，都要追求最高品質。”中鐵裝備質量管理部負責人王勁松告訴記者，整個生產過程，材料的尺寸精確到微米，溫度控制精確到個位數，就連熱處理后的滾刀微觀金屬結構，也要用顯微鏡觀察。

求嚴——每一名參與者都對產品質量終身負責。

一臺盾構機，設計圖紙超1萬張，零部件超2萬個，工序達上百道，要想一次成功，每個環節都不能“掉鏈子”。

為此，中鐵裝備建立了包括質量預防、過程管理、質量約束、質量改進在內的質量制度體系，實施質量“一票否決制”、工序實名制和三級檢驗制，把質量貫穿設計、制造、服務全過程。

“每道工序都可追溯，每次操作都實名記錄，每名參與者都終身負責。”賈連輝說，質量標準已成為中鐵裝備人心中的“硬杠杠”。

2008年，我國第一臺擁有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構機——“中鐵1號”下線。“生產一臺盾構機產品和盾構機產業化是兩個概念。產業鏈上下游精誠合作、共同成長，讓我們迎來從量變到質變的飛躍。”中鐵裝備總經理張志國說，這次研發“永寧號”，從啟動立項到設備下線只花了兩年時間。

15年攻堅克難，中鐵裝備攜手上下游800家合作伙伴，將整機零部件國產化率一步步提高到90%以上，形成22項國際領先技術。一項項新技術新工藝新設備，令人備受鼓舞——

先看動力源。

電機，驅動刀盤旋轉的力量。“永寧號”能“啃”下花崗巖，靠的是刀盤旋轉帶動滾刀對硬巖進行擠壓，使巖石破碎剝落，實現向前掘進。

“‘永寧號’的主驅動電機，正是8組國產350千瓦電機。”張志國說。早在2015年，中鐵裝備就開始聯合國內電機廠家共同開發國產主驅動電機。經過一輪輪技術交流、修改方案、樣機研制，成功生產出首臺110千瓦主驅動電機。

此后，中鐵裝備積極尋找合適項目進行搭載試用，推動國產電機在常規地鐵盾構機、大直徑泥水盾構機、礦用硬巖掘進機等設備上先后落地。以用代測，不斷反饋數據，多次優化升級，國內電機廠家技術越發成熟，電機功率不斷升級，相繼開發出200千瓦、250千瓦、300千瓦等不同功率產品。

再看減速器。

盾構機上的電機轉速極快，每分鐘2000多轉，不過，盾構機刀盤卻要轉得“夠慢”，每分鐘低至1.5轉。巨大的轉速落差，得靠減速器來實現。

在中國機械科學研究總院鄭州機械研究所有限公司，記者見到了為盾構機配套的減速器。“減速器原理很簡單，就是靠齒輪改變扭矩，實現降速增扭。不過，如何把齒輪做得更小、更精、更耐用卻是個難題。”鄭州機械研究所有限公司高級工程師張祥儒說。

首要的是找到合適的合金鋼。經過多年不懈努力，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。

此后，鄭州機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、感應淬火等方面不斷創新工藝，有效提高了高功率密度減速器齒輪的承載能力和可靠度。“現在，我們的減速機可以正常工作1萬個小時無故障，與國外同工況減速器持平。”張祥儒說，國產減速器最初只能給直徑9米級以下的小口徑盾構機配套，如今已可以給12米級以上的超大直徑盾構機配套。

最后看刀盤。

刀盤，分為滾刀、刀圈、軸承和密封。經過多年研發升級，中鐵裝備的滾刀系列產品市場占有率國內第一，還成功出口海外。刀圈，卻一度讓企業感到頭疼。早期，國產刀圈韌性較差、硬度偏高，異常失效的概率高于進口刀圈。為了補足短板，中鐵裝備決定從基礎研究開始投入。2013年，他們與清華大學、東北大學等高校組建產學研攻關聯合體，一道鉆研高純凈耐磨鋼的生產工藝。“作為整機廠商，我們經驗豐富，能提供掘進參數、地質數據等基礎信息。與高校合作，把理論搞透了，實踐才能跟上。”張志國說。

攻克一個個技術難關，中鐵裝備對盾構技術的認識持續深化，盾構機產品譜系日益壯大：

看形狀，不僅能挖圓形隧道，矩形、馬蹄形也不在話下。特別是矩形盾構機，開創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，應用場景更加豐富。

看施工，從只能水平前進，到能豎向挖掘，再到能水平S形連續轉彎、大傾角斜坡向上，本領越發高強。

在海拔4700米的青藏高原上，硬巖掘進機“雪域先鋒號”，已經工作了一年多；在被譽為“地質博物館”的大瑞鐵路高黎貢山隧道，敞開式硬巖掘進機“彩云號”鏗鏘突進；在格魯吉亞一條公路隧道施工現場，世界最大直徑全斷面硬巖掘進機“高加索號”已掘進突破6000米……2008年以來，中鐵裝備隧道掘進機訂單超過1600臺，安全掘進里程超4000公里，產品遠銷德國、法國、意大利、新加坡等30多個國家和地區。

“中國中鐵將瞄準世界科技前沿，在更大掘進直徑、更快掘進速度、更深掘進深度和更復雜工況上持續發力，不斷攀登掘進機技術制高點，推動中國制造向中國創造轉變。”中國中鐵黨委書記、董事長陳云表示。（人民日報記者 李心萍，部分圖片為編者所加）