“京华号”盾构机：一路掘进，一路创新

文／矫 阳

大型盾构机制造工艺复杂，其自主化程度反映了一个国家的工业技术水平和产业链完善程度。应用于北京东六环改造工程的“京华号”集多项大盾构高难精尖技术于一身，整机长150米、直径达16米级，刷新了国产盾构机的直径纪录，标志着我国盾构机研发制造水平的又一次跃升。

2月22日，在北京市重点工程北京东六环改造工程西线隧道现场，“京华号”盾构机顺利通过地下最低点59米。

盾构机是专门用于隧道掘进的工程机械，是名副其实的大国重器，享有“地下蛟龙”“钢铁穿山甲”的美誉。它犹如一条钢铁穿山甲，能在山间、水底和城市地下钻出一条条隧道，既高效，又安全。

2020年9月27日，由中国铁建股份有限公司（以下简称中国铁建）研制的国产最大直径盾构机“京华号”，在湖南长沙成功下线。这台盾构机整机长150米，直径达16米级，总重量4300吨，是我国迄今研制的最大直径盾构机。近年来，中国铁建聚焦隧道施工、轨道交通等领域，加大关键核心技术攻关力度，自主研发不同型号的盾构机，实现了我国盾构机从无到有、从进口到出口、从“跟跑”到“领跑”的跨越。

量身定制 开挖断面超200平方米

由首发集团投资建设的北京东六环改造工程全长约16公里，其隧道盾构段约7.4公里，共设计了两条隧道，每条隧道三层，开挖断面超过200平方米，是一般地铁隧道的5倍，为整个项目的关键性控制工程。

完成这样一项超级工程，需要一台盾构机，而且必须是超大直径。

一台大型盾构机，重量超过3000吨，零部件超过3万个，涉及电气、光学、力学、土木、机械等众多学科，制造工艺复杂，其自主化程度直接反映了一个国家的工业技术水平和产业链完善程度。

较之常规直径、大直径盾构机，15米级以上超大直径盾构机的系统集成更复杂，加工制造更困难，可靠性要求更高，工程应用风险更大，一直是国产盾构机技术研发和推广应用的薄弱领域。

北京东六环改造工程西线隧道掘进，将面临50多个风险源。地上风险源密集、地下空间环境复杂。针对项目所处的特殊地理地质条件，中铁十四局集团有限公司（以下简称中铁十四局）与中国铁建重工集团（以下简称铁建重工）联合多所高校院所，依托以往应用成熟的常规直径、大直径盾构机自主设计与系统集成技术，以及系统关键零部件设计和加工制造技术，开始了共同研发首个国产最大直径盾构机的历程，并将其命名为“京华号”。

聚力攻关 突破多项高精尖技术

如何让超庞大的盾构机实现高精度制造和智能化施工，是研制“京华号”面临的最大挑战。而且，在保证盾构机功能优越的同时，还要确保运输的便捷性和经济性。“将超大超重的盾构机部件，分解成合理的体积和重量，是生产设计面临的另一大难题。”中铁十四局大盾构专家陈鹏说，此外，北京东六环改造工程地质主要为富水高密砂层，盾构机需要在该地层中独头掘进7.4公里，工程对盾构机的可靠性及工程适应性要求非常高。

设计之初，研发团队详细调研了国内盾构组装能力、各种运输方式的能力，并借助三维建模优势，在充分考虑结构可靠性和生产可行性的基础上，结合实际运输能力，量身设计出了“京华号”。

“盾体分为前中盾和盾尾两大部分。前中盾共分为10块，盾尾分为4块，刀盘分为1个中心块、6个刀箱和6个小边块，最大分块重量仅250吨，符合现有起吊和运输要求。”铁建重工掘进机研究设计院副院长张帅坤说。

面对北京东六环入地工程地层水压高，且盾构掘进距离长、磨损性强等难点，“京华号”对整机的耐磨性及承压性进行了重点设计。

经过数月的艰苦攻关，研发团队针对大盾构开挖、出渣、支护和精密制造等关键设计制造难题，聚力突破了多项大盾构高难精尖技术。

“京华号”刀盘上，有近400个硬质合金的刀头，硬度媲美金刚石，优于国外同类产品。“‘京华号’还首创了综合性常压换刀方案。”陈鹏说，创新研发的伸缩主驱动技术，解决了硬岩地层换刀难题，创新研制的常压换滚刀装置，消除了带压换刀的风险隐患。

2020年9月27日，“京华号”在湖南长沙下线。

同步双液注浆 填补超大直径施工空白

“京华号”一路掘进，一路创新。

城市内盾构隧道施工要下穿地上密集风险源，因此需要将地表变形有效地控制在最小范围内，降低对风险源的影响。“要想控制地层沉降等，最关键的是盾构施工的注浆工艺。”中铁十四局北京东六环项目盾构副经理孙长松说。

常规的盾构隧道施工同步注浆采用的是水泥单液浆，存在凝固时间较长、流失量大、不能及时有效控制管片上浮等缺点。

为此，“京华号”在研发和施工应用中，在国内首创超大直径泥水盾构同步双液注浆技术。“历经3年的探索和实践，经过一年半的方案论证、试验，充分应用了西南交通大学在本领域的前瞻储备和铁建重工的制造经验，取得了阶段性成果。”陈鹏说，“京华号”实现了地面沉降的毫米级控制，确保盾构施工对地面既有建筑的零扰动。

“施工中，与传统浆液相比，‘京华号’浆液固结时间从8小时缩到1小时，并能快速达到有效强度，形成对隧道的加固、地层的支撑。”现场技术研究人员舒计城博士说，目前这一研究国内尚无先例，世界各国也无完全成熟的研究成果。

经中国工程院院士钱七虎等专家论证，“京华号”同步双液注浆技术实践效果显著，科技含量高，属国内首次，填补了我国超大直径泥水盾构隧道同步双液注浆的空白。

截至2022年2月，“京华号”盾构机已掘进至1380环，成型隧道2760米。除首创国内同步双液注浆施工关键技术外，“京华号”还陆续攻克了深基坑施工、盾构浅覆土始发、盾构机高风险吊装、穿越多处敏感建筑物、长距离穿越高致密砂层等11项技术难题。

据悉，依托于北京东六环项目，“京华号”研发团队已经瞄准机器人换刀、盾构机远程驾驶等前沿技术，技术人员正尝试将施工过程与5G技术、智能等相结合，进一步提高盾构施工能力，助力中国大盾构施工技术创新、管理经验迭代升级。

（本文来源：《科技日报》）