04版：科创
阳光从盾构机始发井口的间隙照进来，远远望去，工人仿佛在时光隧道中穿行。
管片的拼装是个精细活，必须整齐、密实，滴水不漏。
工人日常巡视各种油液管路，保证盾构机安全推进。
技术人员在“驾驶室”内紧盯屏幕上的各个数据参数。
管片安装到位，工人立即与周边管片连接固定好。
本报记者 刘薇
东六环入地改造工程是北京市首次采用盾构法施工的高速公路工程，也是国产16米级超大直径盾构机的国内首秀。截至目前，该项目东线盾构机“运河号”已顺利掘进630环、1260米。
这台刀盘直径16.07米，总重量约4500吨的“大家伙”应用了诸多世界首创的先进技术，是我国迄今研制的最大直径、拥有完全自主知识产权的泥水平衡盾构机。它的投用，标志着中国超大直径盾构隧道施工依靠国外品牌时代的终结，不仅开掘了中国内地最大直径盾构隧道，更走出一条突破国外技术封锁、产品垄断的逆袭之路。
从盾构机入地前，记者就走进项目施工现场，持续跟进掘进过程，解密这台地下庞然大物的“独门绝技”，探究该项目是如何把“卡脖子之手”的手指一根根掰开，实现大块头与智能化的完美结合。
【关于工程】
“缝合”城市
副中心17条道路将实现东西贯通
东六环入地改造工程南起京哈高速立交，北至潞苑北大街，全长约16.3公里，分为直接加宽段和入地改造段。直接加宽段将把现状六环加宽到三车道，入地改造段为京津公路南侧至潞苑二街北侧，布置于现状六环西侧绿化带下方，隧道长度9.2公里。隧道采用明挖与盾构结合工法，盾构掘进长度7.4公里。
项目建成后，将通过入地改造措施，弱化六环路过境通道功能，将过境货运交通疏导至外围高速公路系统。同时，城市副中心12条规划道路、5条现状道路将实现东西向贯通，有效“缝合”城市，为市民提供便利出行条件。
东六环入地改造工程所处区段地上风险源密集，地下空间环境复杂，为了确保此次大盾构工程顺利、高效，项目创新采用“准备标”和“正式标”两阶段招标形式。在工程开始前1年，就开始设计制造盾构工作井和盾构机，优先创造大盾构施工条件，提前做好各项资源储备，开创了国内盾构施工管理的先例。
解密一：4800米不换刀
目前，“运河号”盾构机已掘进630环，日均掘进可达7至8环，单日最快掘进达12环、24米。
中交隧道局东六环入地改造工程项目机电总工程师勾常春35岁，拥有11年盾构机操作经验，开过土压盾构、泥水盾构等6台不同类型的盾构机。“最先是开进口盾构机，这几年都是国产的了，‘运河号’是我开过的最大盾构机。”
“好开不？”
“相当好开！”勾常春说，比起进口盾构机，“运河号”彰显着国之重器的实力，无论是操作系统的智能化、推进系统的稳定性、泥浆环路系统的顺畅度“都很赞”。
中间有预制管片，头顶有换气风筒、各类水管和粗壮的电缆，左右两边是全电子化主控室和智能控制台……在深约30米的地下，长145米的“运河号”像一列火车，车头是“盾体”，后面长长的“车厢”叫台车，包含主要系统和构件。
进入盾构机的“肚子”就会发现“超大直径盾构机”果然名不虚传，空间非常宽敞明亮，各种管道、线路排布整洁。勾常春指着盾构机最前端介绍，其基本工作原理就是刀盘沿隧洞轴线，边向前推进边挖掘土壤。后面长长的圆柱形盾体发挥“保护盾”作用，对挖掘后还未衬砌的隧洞段临时支撑。开挖、排土、碎石、出渣、支护、衬砌、封固等作业，都在盾体掩护下进行，从而实现掘进过程中隧道主体结构一次成型。
按照计划，盾构机将穿越北京副中心城市核心区，地下管线构筑物复杂、实施难度大，还需下穿上跨多条道路、轨道及河流。地质中不仅有粉细沙、中粗沙，还有淤泥土质。盾构机将面临一次性长距离穿越稳定性极差的高密实、强透水砂层的挑战，对沉降要求极为严格，风险控制难度较大。
不过不用担心，普通盾构机办不到的，“运河号”却轻松胜任。它采用了全球首创长距离掘进不换刀技术，可实现在本项目连续掘进4800米不换刀，远超目前国际3000米的最长距离。
“刀盘位于盾构机的最前部，用于切削土体和硬岩，总重量达530吨，约是地铁施工中使用的常规盾构机刀盘重量的10倍，上面刀具配置是完成长距离掘进的关键因素。”勾常春说。刀具在选择上既要考虑破岩的能力，又要有很好的耐磨性，因此，焊接型先行刀选用了大合金、大宽度和大厚度的重型撕裂刀。刀具宽300毫米，厚80毫米，硬质合金高度达80毫米，且在刀体裸露部分均焊接了耐磨钉和耐磨堆焊，“武装到了牙齿”。另外，刀盘上还设置了常压可更换式先行刀，两种刀具相互配合作业，提高掘进效率。
细数，上阵掘进的刀具分为五层，“运河号”刀盘采用分层布置设计。通过在内外周配备不同数量的刀具，提高刀盘切削能力和耐磨耐久性，满足盾构机所处各类地层的掘进要求，防止因刀具的过度磨损、未及时更换而破坏刀盘结构。
解密二：光纤磨损检测
施工中，盾构机一边轰鸣一边凭借前端锋利的刀具“吞石吐泥”，刀具就好像是它的“牙齿”，吃土吃多了也会有磨损。那么，如何才能准确了解“牙齿”磨损程度呢？
传统方法中，工作人员需定期对刀头进行检查。这次“运河号”在全球范围内首次将光纤磨损检测技术应用于盾构刀具检测，刀盘上设计了12处磨损检测装置。在磨损检测装置的头部嵌入光纤磨损检测传感器，通过传出的光信号进行反射光光谱数据解调，然后采集数据解析，即可计算实时磨损量，由此推算出刀具的磨损情况。
“与传统的检查相比，该技术不仅安全、高效，更环保、精准，还能提前预防刀具异常磨损，实现对刀具全生命周期管控，使换刀做到有的放矢，无需人工经常检查。”勾常春说。
解密三：管片智能拼装
掘进一环就是两米。“推进、停止、拼装”是盾构施工工序，盾构机每向前掘进两米，就要原地停下，完成一环管片拼装，再继续掘进。环顾隧道，一环又一环灰色的管片整齐、密实，每一环都由10块管片组成。此次东六环入地改造工程盾构隧道使用的管片外径达到15.4米，若建成这条7.4公里的隧道，需要拼装3671环，共计3万多块管片。
说起来容易做起来难。针对隧道施工管片搬运及拼装造成的人工成本及管片定位精度误差问题，“运河号”上配备了自主研发的管片自动拼装系统。该系统通过传感模块采集每个待安装管片的标识信息、盾构机的物理状态信息以及拼装区域周围的图像信息，其中包含标识位置、型号、衬砌环参数等，系统可以根据获取结果，控制拼装机将抓取的待安装管片旋转移动至拼装区域。
“你仔细看，管片间的缝隙没有水印，说明我们盾构机的智能拼装精度非常高，有效阻止地下水的渗漏。”勾常春告诉记者，对比以往需要人工拼装管片，现在只需一个按钮，盾构机就能实现隧道内管片的自动运输、位置智能识别、精准定位拼装，大幅提高管片拼装质量与进度，减轻工人作业强度，较国内外同类装备掘进效率提升30%-50%。
解密四：双液注浆
“来，看看盾构机的‘大脑’。”勾常春带着记者走进控制室。
记者注意到，主控室内有多个屏幕分别显示盾构机掘进的画面和参数。其中一个是导向屏，VMT导向系统将各项测量数据与盾构机的姿态以图文方式显示。勾常春介绍，掘进中的盾构机不是直线运动，而是始终沿隧道轴线做连续的蛇形运动，为减少和防止隧道沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填。
目前，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、效率低等缺点。此次项目创新采用双液注浆系统，即采用保水性能好，不易离析的水泥浆和水玻璃按配比注入地层，浆液固结时间整整缩短了100倍。
这个注浆系统安装在后配套台车上，由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成，设置了8处同步注浆管。新型双液浆能够快速达到有效强度，形成对隧道的加固、地层的支撑，从根本上解决大直径盾构隧道上浮、渗漏与地层沉降的难题。
这项技术的应用也填补了我国超大直径泥水盾构隧道同步双液注浆的空白。
解密五：泥水仓分层逆洗
“运河号”为泥水平衡盾构机，巨大的刀盘后面“藏”有泥水舱，掘进中主要依靠泥浆作为支护材料，通过贯穿整台盾构机的送泥管进入到泥水舱。在压力控制下，短时间内可在开挖面上形成不透水的泥膜，用来平衡水土压力，这样就可以保证隧道开挖面的稳定。同时，刀盘切削下来的土体与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面处理系统将泥浆与渣土分离。但是在各类不同的土层中，盾构机也会遇到排泥管口大量砾石堆积以及内部管路发生堵塞现象，致使泥水难于排送，盾构推进被迫停止。
勾常春坦言，盾构机若突然堵塞，压力会瞬间攀升，严重时会造成地层冒顶、泥浆窜出地面或者穿透河底，地层极其的不稳定很有可能会发生坍塌，此时需要快速恢复掘进。
为了防止堵塞，“运河号”采用了自主研制的泥水仓分层逆洗技术，在泥水循环系统内配置多个压力传感器，可自动识别可能堵管的位置，通过逆洗及时防止排浆管堵塞。这个分层逆洗一共设置了三层，每层高度大约5米，利用上面的备用泥水管路进行分层逆洗，从上部一层一层的循环排渣，分层次、分区域地冲洗即可达到疏通泥水仓的作用，从而快速恢复掘进施工，防止地面坍塌等风险。
解密六：刀盘伸缩装置
刀盘伸缩功能是“运河号”的又一大亮点。“刀盘伸缩功能就像人体关节，让盾构机‘活’了起来！”勾常春这样形容它。
以往的刀盘不会伸缩，一旦出现问题只能派维修人员进入盾构机去解决故障，边缘刀具更换也十分麻烦，“如果遇到硬岩地层，还要凿出一处小洞，才能更换刀具，换起来费时又费力。”勾常春说，现在，“运河号”盾构机在主驱系统外筒体处加长，同时配备18组拖拉油缸，实现主驱前后伸缩，最大伸缩量达400毫米。掘进时，若遇到未知障碍物或地层突变塌方等导致刀盘卡顿，就可利用刀盘驱动回缩功能重新启动刀盘，帮助脱困，也方便边缘刀具更换，应对半径更小、难度更高的转弯，让盾构机掘进姿态更容易控制。
其实，“运河号”上的科技应用还很多。勾常春透露，“运河号”还装配智慧化远程安全监控管理系统，实时记录盾构掘进数据，管理风险边界，还能实现盾构机远程故障诊断及远程控制，实现盾构机全生命周期管控。“通过不断创新发展，我们已将超大直径盾构核心技术牢牢掌握在自己手中，并实现了弯道超车，结束了我国大盾构机全部依赖进口的历史。”