引領(lǐng)盾構(gòu)數(shù)字化智能化——盾構(gòu)及掘進技術(shù)創(chuàng)新團隊紀實

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科技部日前公布2013年國家創(chuàng)新人才推進計劃名單，由中國中鐵隧道集團總工程師、盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室主任、中原學者洪開榮帶隊的“盾構(gòu)及掘進技術(shù)創(chuàng)新團隊”成功入選國家“創(chuàng)新人才推進計劃——重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊”，實現(xiàn)了盾構(gòu)及掘進技術(shù)領(lǐng)域國家級創(chuàng)新團隊零的突破。

盾構(gòu)數(shù)字化  “尖兵”引領(lǐng)裝備制造

進入21世紀后，我國地下工程施工大量采用盾構(gòu)施工，最初完全依賴洋盾構(gòu)，設(shè)備出現(xiàn)故障，現(xiàn)場人員一籌莫展，無計可施，只能等待國外技術(shù)人員維修，并且配件昂貴，這給盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)大發(fā)展帶來了極大的制約和損失。

中鐵隧道集團是隧道及地下工程設(shè)計施工總承包的一支勁旅，在國內(nèi)率先采用先進的盾構(gòu)機施工，參與承建了全國幾乎所有城市軌道交通工程，鑄造了武漢長江隧道、廣深港客專獅子洋隧道、大陸首座海底隧道翔安隧道等一批著名工程，引來我國隧道施工進入穿江越洋時代。

為改變受制于人的現(xiàn)狀，中鐵隧道集團從2002年承擔國家863計劃自主研發(fā)盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)課題，自主研制出我國首臺復合式盾構(gòu)，到孵化出中鐵裝備制造公司，目前“中國中鐵”號盾構(gòu)遍布全國乃至走向東南亞，已經(jīng)形成了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)產(chǎn)品和關(guān)鍵技術(shù)。

“中國地域廣闊，地質(zhì)條件復雜，研究適應各種地質(zhì)條件的盾構(gòu)機，使掘進效率更高、能耗更低、施工更安全，是亟待我們科研人員解決的難題。”洪開榮說。

無論在廣州、深圳等東南沿海地區(qū)，還是北京、天津等北方地區(qū)，乃至山嶺隧道、江河湖海地下施工中，中鐵隧道集團的建設(shè)者都遇到了軟硬不均、特別堅硬的地層，可以說，盾構(gòu)施工過程中的挑戰(zhàn)無處不在。

2013年3月26日，洪開榮主持的中鐵隧道集團首個973計劃“先進數(shù)字化制造裝備技術(shù)基礎(chǔ)”項目“基于高效破巖的盾構(gòu)刀盤刀具數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)研究”課題在北京正式通過國家科技部專家組驗收。

洪開榮介紹，刀盤刀具數(shù)字化研究針對典型地質(zhì)狀況和工程環(huán)境條件，緊緊圍繞盾構(gòu)裝備的地質(zhì)適應性，通過理論與實踐相結(jié)合，開展刀盤應力狀態(tài)分布特征、刀盤刀具與圍巖相互作用規(guī)律的研究。結(jié)合重慶地鐵六號線典型地質(zhì)，洪開榮帶領(lǐng)研發(fā)團隊，用兩年的時間自主創(chuàng)新研制了直徑2m、刀間距可調(diào)的回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具巖機作用綜合實驗臺，同時也是國際唯一的一臺三刀巖機作用綜合實驗平臺；完善了刀盤刀具高效破巖理論模型，開發(fā)了刀盤數(shù)字化設(shè)計軟件，能夠有效指導制造企業(yè)研制高破巖效率的盾構(gòu)刀盤刀具，帶動了自主設(shè)計制造盾構(gòu)主機和關(guān)鍵部件產(chǎn)品的創(chuàng)新。

“這是中鐵隧道首個973課題，我們既要當開路先鋒，引領(lǐng)盾構(gòu)施工工程實踐，也要做盾構(gòu)掘進技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字化智能化創(chuàng)新的追夢人。”洪開榮說。

瞄準盾構(gòu)智能化  建設(shè)國家公共研究平臺

洪開榮說：“盾構(gòu)國產(chǎn)化是我們的使命，我們必須做行業(yè)科技創(chuàng)新的引領(lǐng)者。”盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室正是帶著使命應運而生的。

經(jīng)國家科技部批準，依托中鐵隧道集團建設(shè)，盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室2012年4月在鄭州揭牌，2012年11月通過國家科技部驗收，正式納入國家科技部管理序列，成為第二批依托企業(yè)和轉(zhuǎn)制院所建設(shè)的國家重點實驗室中首家建成、首家通過驗收的實驗室，建設(shè)速度、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)成果得到業(yè)界的廣泛認可和一致好評。

“盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室作為建筑施工行業(yè)唯一的國家公共研究平臺，要更明確自身的定位和優(yōu)勢，我們要如同周濟院長所說，瞄準盾構(gòu)數(shù)字化智能化目標，在產(chǎn)學研用聯(lián)盟構(gòu)建的過程中發(fā)揮國家公共研究平臺的突出作用。”洪開榮強調(diào)。

國家重點實驗室已逐步建立起國內(nèi)一流的技術(shù)研發(fā)基地、人才培養(yǎng)基地和學術(shù)交流基地，與國內(nèi)外的盾構(gòu)生產(chǎn)制造廠家、盾構(gòu)施工應用企業(yè)、高校及科研院所有著密切的聯(lián)系，能夠快速有效的整合盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈的上下游優(yōu)勢資源，把機械、施工工藝、新襯砌及相應機械、地質(zhì)預報技術(shù)、地面探查新技術(shù)及地面處理技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)多學科交叉的聯(lián)合研究和優(yōu)勢互補。

中國工程院院士、浙江大學楊華勇教授作為國家重點實驗室學術(shù)委員會委員，在國家重點實驗室建設(shè)運行過程中十分重視將國家重點實驗室與高校的基礎(chǔ)理論研究結(jié)合起來，國家重點實驗室與浙江大學聯(lián)合開展的“盾構(gòu)裝備自主設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”課題于2013年1月獲得國家科技進步一等獎。

目前國家重點實驗室的十一個實驗系統(tǒng)已經(jīng)投入運行使用，自動化實驗平臺能夠遠程連接盾構(gòu)施工項目，通過數(shù)字仿真系統(tǒng)采集和分析施工數(shù)據(jù)，進行模擬實驗，對解決地面變形、掘進失效、方向失準等國際公認的難題提供理論支撐，目前遠程故障診斷技術(shù)已在長株潭城際鐵路項目、重慶地鐵六號線等項目展開試點，成功解決了長株潭鐵路掘進過程中的控制問題、重慶地鐵六號線的刀盤刀具應用等問題。

2013年8月，杭州環(huán)城北路地下通道工程在盾構(gòu)施工過程中突然出現(xiàn)卡盾現(xiàn)象，導致地鐵施工停滯，洪開榮收到施工單位的技術(shù)支援請求后高度重視，連夜組織研發(fā)人員趕赴施工現(xiàn)場，通過10余天的努力，夜以繼日地檢測調(diào)試，最終通過3D測量實驗系統(tǒng)檢測，發(fā)現(xiàn)盾尾圓度與使用標準的要求偏差較大，指導施工單位根據(jù)精確的檢測數(shù)據(jù)進行修復，順利解決了卡盾難題，確保了盾構(gòu)施工的順利進行。洪開榮強調(diào)，國家重點實驗室擁有國內(nèi)一流的實驗設(shè)備，就是要積極的服務現(xiàn)場、服務施工、服務企業(yè)，在實踐中解決盾構(gòu)施工的諸多難題，為技術(shù)研發(fā)和科研創(chuàng)新提供創(chuàng)新思路和理論數(shù)據(jù)。

引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展  加速“大國重器”中國夢

歷經(jīng)三十多年發(fā)展，中鐵隧道集團已經(jīng)擁有掘進技術(shù)國家重點實驗室、國家級企業(yè)技術(shù)中心和河南省隧道技術(shù)與裝備院士工作站，成長為集設(shè)計、施工、研發(fā)、制造為一體、實力雄厚的綜合性建筑承包商。

盾構(gòu)及掘進技術(shù)創(chuàng)新團隊依托中鐵隧道集團，擁有先進的儀器設(shè)備及雄厚的技術(shù)力量。創(chuàng)新團隊現(xiàn)有成員24人，目前主要從事盾構(gòu)及掘進技術(shù)領(lǐng)域“刀盤刀具技術(shù)”、“盾構(gòu)施工控制”、“系統(tǒng)集成與控制”三大方向的研究與創(chuàng)新。

自團隊組建以來，在盾構(gòu)設(shè)備研制、盾構(gòu)掘進技術(shù)、隧道設(shè)備研制、隧道監(jiān)控量測與信息化施工技術(shù)、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究、軟弱破碎圍巖新奧法施工、注漿及防排水、控制爆破、通風防塵、巖爆及大變形、瓦斯及揭煤、高應力區(qū)及大跨度等特殊隧道施工技術(shù)及新工藝、新材料和新設(shè)備研究等領(lǐng)域，都取得了可喜成果和突破性進展。先后獲得8項國家科技進步獎、57項省部級科技進步獎、8項國家級工法、6項國家發(fā)明專利、26項國家實用新型專利，為盾構(gòu)基地在鄭州投產(chǎn)、高鐵及水下隧道等重難點項目的順利履約及“科技興企”戰(zhàn)略的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

國家科技部部長萬鋼在今年年初“兩會”接受采訪時曾提到，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、深化科技體制改革的重心概括起來是八個字，“原創(chuàng)、共享、人才、環(huán)境”。萬鋼部長于2013年10月25日親臨國家重點實驗室考察，要求國家重點實驗室進一步加強盾構(gòu)及掘進技術(shù)的原始創(chuàng)新，加速推進盾構(gòu)數(shù)字化智能化國產(chǎn)化進程。

“堅持盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)、前沿技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和應用研究，堅持產(chǎn)學研用結(jié)合，實現(xiàn)人才共享、資源共享、成果共享，盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室要始終走自主創(chuàng)新道路。”洪開榮強調(diào)。

2014年4月12日-13日，國家973計劃項目“深部復合地層圍巖與TBM相互作用機理及安全控制”學術(shù)交流會暨課題一至六啟動會在河南鄭州召開，國家973計劃“深部復合地層圍巖與TBM的相互作用機理及安全控制”項目是由武漢大學、盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室（中鐵隧道集團有限公司）、同濟大學、中國科學院武漢巖土力學研究所、重慶大學、北京交通大學、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、山東大學等8家單位共同承擔，由武漢大學劉泉聲教授任首席科學家。該973計劃項目的研究就是要有效解決地質(zhì)適應性與施工風險控制這2個世界級難題。通過研究巖機作用機理提高TBM的地質(zhì)適應性，通過研究安全控制體系，有效控制TBM施工風險，為TBM的高效掘進和安全掘進及文明施工提供理論指導，從而推動TBM及掘進技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

洪開榮表示，這個國家級創(chuàng)新團隊將繼續(xù)瞄準盾構(gòu)及掘進技術(shù)前沿領(lǐng)域，在復雜地質(zhì)、大斷面、長距離越江盾構(gòu)隧道修建技術(shù)和配套技術(shù)、城市地鐵軟土、軟硬不均地質(zhì)和復雜周邊環(huán)境下盾構(gòu)隧道修建技術(shù)、小斷面盾構(gòu)隧道修建技術(shù)及配套技術(shù)方面得到提升和發(fā)展；在大直徑敞開式TBM施工技術(shù)，TBM 與鉆爆混合法施工技術(shù)方面得到提高，繼續(xù)保持國內(nèi)領(lǐng)先，總體上達到國際先進水平；將持續(xù)開展盾構(gòu)數(shù)字化智能化研究，為中國盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展提供豐富的應用基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究成果。同時聯(lián)合國內(nèi)外高等院校及科研院所，持續(xù)培養(yǎng)盾構(gòu)及掘進技術(shù)領(lǐng)域的高端人才、復合人才和創(chuàng)新人才，為企業(yè)、行業(yè)盾構(gòu)及掘進技術(shù)的創(chuàng)新提供智力支持和技術(shù)支撐。