盾构机
，
也在进化！

前段时间
，
世界首台掘爆机“翔龙号”在武汉江夏下线
。


这个70米长400吨重的“钢铁巨兽”
，
融合了掘进法与钻爆法两大主流工法
，
一举解决了困扰隧道施工行业多年的大难题
。


从概念到图纸
，
从样机到下线
，
“翔龙号”完全由中国团队自主完成
。


中国大国重器
，
开始引领世界
。


中国有句话
，
遇河搭桥
，
逢山开路
。


以前说逢山开路
，
开的是环山公路
，
现在则多数是挖隧道
。


隧道施工这事
，
说来简单
，
但人类摸索了几千年
。


最早挖隧道靠人拿着镐头一锤一锤地凿
，
物理方法
，
纯靠人力
。


后来人类发明炸药
，
能借助化学能量
，
挖隧道就有了钻孔爆破法
，
依旧还是凿
。


传统钻爆法一次炸开一大片
。


正在施工的浙江省衢州市常山县展依山隧道

在爆破后清理渣土

这种方法能根据岩石状况随时灵活变化
，
而且可以两头施工
，
但是效率太低
，
而且非常危险
，
不仅爆破过程风险高
，
对爆炸物的安全管控压力也大
。


以盾构机为代表的现代掘进机
，
则像是虫子吃叶子般的蚕食
，
持续性推进
，
很高效
。


然而
，
盾构机非常娇气
，
对地质适应性差
，
遇到岩爆、破碎带、软岩大变形等复杂地质结构时很容易卡机
。


掘进机作业面的刀盘零件特别多
，
很容易因机械故障或碰到异物卡机
。


一卡经常就是几个月
，
耽误施工进度
。


为什么盾构机这么容易卡机
？

因为盾构机的刀盘是一个整体
，
上面密密麻麻布满刀具
。


作业面前方的地质状况只能靠前期勘探推测
，
无法即时看到岩层的实时情况
，
掘进时基本靠“盲打”
，
地质条件好就快
，
碰上“硬骨头”就慢
，
遇到软弱围岩、破碎带就很容易卡住
。


更麻烦的是
，
一旦卡机
，
盾构机前端会被岩石死死裹住
，
人员和设备全都进不去
，
处理起来极其困难
。


“卡机”问题是盾构机设计中先天无法避免的
，
在原有的技术框架内几乎无解
。


改进刀具材料、优化掘进参数、加强地质勘探……

这些都有助于降低卡机的概率
，
但只要是“盲打”
，
只要刀盘还是封闭的整体
，
只要还是会碰到预料之外的复杂地质环境
，
卡机风险就永远存在
，
只有概率大小的区别
。


随着隧道挖掘工程里盾构机的普及使用
，
卡机的新闻越来越多
。


今年1月
，
日本东京外环地下隧道大泉南工区的盾构机因核心齿轮箱损伤而停工
，
检查发现大齿轮23处受损
，
70%轴承异常
，
到现在仍未恢复
，
是典型机械故障导致的卡机
。


事故修复方案讨论会

2012年
，
日本某市政污水隧道工程的盾构机在进行山麓区域施工时
，
遭遇未勘测到的最大直径900mm的巨砾碎屑的薄层状沉积岩
，
导致刀盘破碎、推力激增而卡机
。


由于地面施工受限
，
维修采用从盾构机内部使用双重管法钻孔和注浆
，
取出巨砾并修复和更换刀具
。


卡机维修持续15个月
，
造成巨大经济损失
。


破碎排出的巨砾

2013年
，
拖延五年之久的美国西雅图SR99隧道工程终于迎来盾构机进场
。
重7000吨
，
全长100多米
，
直径17.45米的日产盾构机“Bertha”是当时最大的盾构机之一
。


备受瞩目的项目
，
却在掘进约1/3处
，
因主轴承密封失效及螺旋输送机堵塞导致盾构机完全停转
。


施工方于2015年在盾构前挖出一个直径24m深36m的抢修井
，
经4年拆解维修
，
更换主轴承及改进泥浆系统后
，
2017年才重启开机
，
造成工程超预算2亿美元
。


正在抢修的Bertha

中国是盾构机应用的最大市场
，
被卡住的情况也时有发生
。


2010年底开工的南京扬子江隧道（2019年底更名为定淮门长江隧道）在第二年用上了国内首台自主研发的超大直径盾构机“天和号”
，
它的刀盘直径有15.03米
，
长130米
，
重量足足有4758吨
。


“天和号”盾构机
，
红色为滚刀

在刚穿过长江大堤时
，
盾构机突然卡住了
。


此时已经在长江70米下
，
而且隧道还出现了漏水
，
如果不能快速解决
，
江水很可能流入隧道
，
甚至倒灌城区
，
后果不堪设想
。


施工团队紧急征调船只用大量沙袋填补江堤漏洞
，
同时展开全方位故障排查
。


排除盾构机和前期的地质勘察的问题后
，
水利院的专家翻阅历史水文记录才弄清楚
，
原来是50年代南京抗击洪水时向长江抛入的大量石块卡住刀盘
。


工程师用锤子敲打隧道管线来查找卡机的石块
，
然后人工搬离
，
问题很快顺利解决
。


盾构机效率高
，
但容易卡机
。


那能不能把爆破法结合进盾构机
，
避免原有缺点呢
？

有
。


中国人用颠覆性的创新找到了新办法！

办法很简单
，
在盾构机的刀盘里打个洞
。


由清华大学与中铁科工集团联合研制的“翔龙号”掘爆机
，
整机重约400吨
，
长70米
，
开挖直径达到4.55米
。


看上去就像是小号的盾构机
。


盾构机的刀盘一般是一个整体
，
上面布满刀具
。


“翔龙号”则在直径1.2米的中心刀盘打了个“洞”
，
周围是传统的环形刀盘
，
装有26把滚刀
。


“翔龙号”中心刀盘的中空设计能让钻爆机械臂伸出去

中心刀盘的中空设计能让钻爆机械臂伸出去
，
在遇到硬度高的岩层时进行爆破操作
。


这个通道也能让人和设备进出
，
解决掘进中遇到的各种施工难题
。


根据不同地质条件
，
“翔龙号”能够灵活切换三种作业模式
。


如果地质条件较好
，
碰到软岩或中等硬度岩层时
，
中心刀盘区域被可伸缩挡板覆盖
，
防止碎石涌入
，
掘爆机此时变身盾构机
。


这是“全断面掘进”模式
。


碰到硬岩层时
，
掘进系统暂停
，
挡板打开
，
钻爆臂伸出
，
在作业区域钻孔、装药、爆破
。
爆破完成后
，
环形刀盘继续切削掘进
。


这是“前爆后掘”模式
。


如果软硬岩交替
，
环形刀盘保持慢速掘进
，
同时中心刀盘的钻爆臂会在硬岩区域进行松动爆破
，
两者同步进行
。
前方刀盘切削软岩
，
中间机械手定点爆破硬岩
，
协同配合
。


这种最黑科技的协同作业是“前掘后爆”模式
。


三种模式的切换和配合
，
能够从根本上解决盾构机的卡机痛点
。


掘爆机拼装现场

“全断面掘进”在地层状况良好时保持传统盾构机的高效掘进
，
“前爆后掘”用爆破提前处理硬岩避免刀盘硬啃
，
“前掘后爆”则是在掘进中协同处理局部硬岩
。


也就是说
，
掘爆机从头到尾就是为了解决“盾构机遇到复杂地质容易卡机”这个问题而设计的
。


所有模式的爆破均在全封闭的安全空间内作业
，
隔绝飞石和粉尘
，
相比于传统露天钻爆
，
洞内作业的安全性大幅提升
。


“翔龙号”还能将挖掘产生的中心岩柱加工成标准化建筑骨料
，
洞渣资源循环利用
，
减少渣土外运
，
降低施工成本
。


经台架综合测算
，
在适配地质工况下
，
“翔龙号”的掘进效率比硬岩掘进机提升三成
。


虽然掘进模式多
，
能力大
，
但“翔龙号”可不仅是能干的莽夫
，
操纵模式切换
，
最大限度避免卡机的
，
是一套专门开发的智能控制系统
。


掘爆机的整机架构

前端感知层+中间决策层+后端执行层
，
统搭载机器学习
，
具备自学能力
，
能根据实际掘进效果迭代优化施工参数
，
后续的决策会越来越合理
。


“翔龙号”越来越“聪明”
，
不仅能适应更多更复杂的地质环境
，
卡机也会越来越少
。


河南巩义后寺河抽水蓄能电站项目效果图

“翔龙号”正运往河南巩义后寺河抽水蓄能电站的施工现场
，
将在地下主体工程的隧道挖掘中开展工业示范试验
，
验证其在复杂地层综合施工能力
。
（有关抽水蓄能相关内容
，
详见《中国在浙江大山里
，
干了一件大事》）

研发团队也会利用真实施工数据
，
开展性能优化
。


民用领域大型工程设备解决“卡脖子”问题
，
实现国产化突围大多是最近十几年的事情
。


国外有产品
，
中国边用边学习
，
积累技术再实现突破和超越
。


以之前聊过的盾构机为例
。


2009年之前国内盾构机市场几乎全是国外品牌
，
装备本身贵
，
维修也贵
。


到今天
，
国内市场已经看不到纯进口的盾构机
，
国产盾构机的全球市场份额占七成以上
。


如今
，
中国盾构机已经从“跟跑”变成了“领跑”
。


2024年5月下线的“山河号”是目前世界最大直径的泥水平衡盾构机
，
总长163米
，
直径17.5米
，
重达5200吨
。


2025年8月17日
，
“山河号”刀盘破土而出

完成隧道贯通

由中铁隧道局和中铁工程装备集团联合研制的“领航号”是世界最大直径高铁泥水平衡盾构机
，
全长约126米
，
开挖直径14.3米
，
总重约3100吨
。


沪渝蓉高铁崇太长江隧道盾构始发井

十几年时间
，
盾构机在中国从“买不起、修不了”
，
变成了能出口欧美高端市场的中国智造
。


不同于这套先学习再超越的路径
，
掘爆机从概念开始就是中国原创
。


中国基建发达
，
隧洞掘进需求大
。


国内广袤的国土上
，
盾构机作业中经常遇到岩爆、破碎带交替等复杂地层
。


巨大的市场倒逼中国必须做出原始创新
。


2021年
，
清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室的特聘研究员秦鹏翔和中铁装备集团重大专项研究院院长李建斌发明了掘爆机
。


2022年
，
在双方单位大力支持下
，
掘爆机研制工作正式启动
，
同步推进专利布局和技术保护
。


2023年
，
掘爆机样机在武汉诞生
，
顺利开展室内试验
。


2024年
，
试验装置下线
，
历经五次大规模专家评审
，
在三类工况下均通过验证
。


测试中的掘爆机

2026年
，
世界首台掘爆机正式下线
，
整机及核心零部件实现100%自主可控
。


按照学界的划分
，
掘爆机是掘进机历史上第五次飞跃
，
创造出一种全新的隧道装备和工法
。


区别于常规盾构机
，
掘爆机更加聚焦山岭和水利工程等大埋深的硬岩隧洞
，
有效解决我国西部重大水利工程、铁路隧道挖掘中的卡机痛点
，
缩短超长隧洞的建设工期
，
降低施工安全事故风险
，
减少综合工程造价
，
节约政府开支
。


更为难得是
，
“翔龙号”的整机和设备全产业链都有国产化的独家技术
，
核心材料、液压、电控、刀具全部由国内供给
。


“翔龙号”主轴承外径3.61米、自重13.8吨
，
可承受最高3000吨超大轴向力
，
达到结构刚度、抗冲击性能、耐磨性以及抗疲劳性能的极致要求
，
填补行业技术空白
。


洛轴集团官宣新闻

这款超大规格高抗冲击主驱动轴承由洛轴集团和中铁科工联合攻关完成
，
新方案与传统掘进轴承设计方案完全不同
，
创新套圈双止口高刚度结构设计
，
轴承的整体抗变形能力大大加强
，
在交变冲击环境下的可靠性、稳定性和服役寿命也大大提升
。


“翔龙号”掘爆机为世界级复杂地质隧道打造国产化解决方案
，
这是一条从思路到研发再到产品完全made in china的解决方案
。


从盾构机到掘爆机
，
中国隧道装备走过了一条从“跟跑”到“领跑”再到“独有”的跃迁之路
。


“基建狂魔”
，
未来还将拥有更多的“独家装备”
。
○正解局是头部的产业财经媒体
，
一个以产业经济为方法论、长期为政府和企业提供城市与产业研究的中国财经内容智库型机构
。


网友看法

1、网友雪拥边关：基建重器，“地爆”添新，记得做好出口技术管制哟！[赞][呲牙]

2、网友阿斯顿dfgh：转发了