探访全球最大直径竖井掘进机“梦想号”

正在起吊中的“梦想号”主机。

距离静安地下智慧车库项目基坑不远的控制室内，工作人员正密切关注“梦想号”掘进的各项数据。

静安地下智慧车库项目单个竖井直径约为23米，竖井的每环管片由10块重约28吨的管片组成。图为重达28吨的管片在工作人员的指挥下慢慢被吊起。

“梦想号”垂直掘进作业示意图。

  5月的上海，万花如海、人流涌动。繁华静安，广延路边的一处绿地上，占地面积不足300平方米的围挡内，世界最大直径、上海首个垂直掘进（盾构）地下智慧车库项目迎来了新的施工节点。

　　13日凌晨，经过26个小时连续混凝土浇筑作业，该项目2号竖井顺利封底，标志着垂直掘进施工工法再次得到成功验证。与之相邻的1号竖井目前已完成所有设备安装，正在试运行中。

　　这个并不算大的地下智慧车库项目之所以引起广泛关注，在于其关键施工设备——由中铁十五局集团和中国铁建重工集团共同打造的我国自主研制的全球最大直径竖井掘进机“梦想号”。“全球最大”是如何造就的，有哪些技术创新？它又是如何向城市深地空间发起挑战？记者近日采访了有关负责同志。

　　为解决城市停车难问题应运而生  “梦想号”填补掘进机产品型谱空白

　　5月13日一大早，中铁十五局集团“梦想号”掘进项目负责人王文灿驱车从家抵达静安地下智慧车库项目现场。

　　在1号竖井6库出入口前，车辆稳稳停下。卷帘门上升，车辆驶入、停稳，王文灿熄火、下车，走向卷帘门外的一块电子触摸屏，点击“存车”并确认车辆信息后，卷帘门缓缓落下。“车辆将乘坐专属‘电梯’存入地下车库，取车时点击电子触摸屏的‘取车’按钮并确认车辆信息即可。”王文灿告诉记者，存（取）一辆车平均耗时约90秒。待地下智慧车库全部建成投用后，还可通过手机APP预约车位，碰到急事还可以请搬运机器人“代泊车”。

　　地上占地面积286平方米，共有两座地下19层的竖井车库，深度约50米，可提供304个停车泊位，是同等面积地上停车场停放车辆的约10倍……据介绍，静安地下智慧车库项目“公共绿地+地下停车场”的利用模式，可实现有限空间的最大化利用，又被称为“深坑车库”，建成后将成为世界最大直径垂直掘进地下智慧停车库。

　　“单个竖井开挖直径约23米，开挖面周长达到72.3米，相当于42个成年男性双臂张开围成一圈。”王文灿告诉记者。

　　记者了解到，如今随着城市人口及汽车保有量越来越多，地下车库并不鲜见。但通常情况下，我国地下车库施工主要使用的是围护结构明挖法或传统沉井法，垂直掘进施工法即便是在世界范围内也不常见。

　　“主要是受垂直掘进设备的限制。”王文灿介绍。掘进（盾构）机种类繁多，从直径维度看可覆盖0.5米至23米，直径超过15米的被称为超大直径，设计制造难度很大；从掘进方向来看，则可分为水平掘进机、斜井掘进机、竖井掘进机。

　　如今，我国掘进设备整体技术国际领先，全球每十台掘进（盾构）机中就有七台来自中国，但大多数还是水平和斜井掘进为主，垂直掘进设备占比较少，尤其是超大直径的垂直掘进设备。从世界范围看，此前国外已研制出13米级下沉式基坑掘进机，但是在竖井直径超过14米的项目上还未有突破。

　　随着海绵城市建设的深入推进，解决城市内涝、建设雨污分流体系等工作成为我国不少地方的重点民生工程。加之停车难问题日益严峻，建设地下车库“向地下要空间”成为越来越多城市的选择。“这意味着大直径、大深度的竖井工程越来越多。”中国铁建重工集团掘进机研究设计院工程师、“梦想号”项目负责人文威表示，一种适合城区内施工、布局紧凑、对施工占地和用电等要求较低的，可广泛应用到雨水调蓄池、大直径盾构始发井、地下立体停车库等领域的竖井机械化施工装备已经成为众多建设单位的迫切需求。

　　建设需求催生工法实践，23米级深基坑机械化掘进装备的研制也由此开启。这在全球尚属首次。

　　2022年底，为世界最大直径垂直掘进地下智慧车库建设而量身定做的超级装备——“梦想号”下线。它的成功研制填补了掘进机产品型谱的世界空白，也标志着我国地下工程装备的科技攻关又上新台阶。

　　攻克下沉阻力大、姿态控制难等技术难题  集开挖、出渣、支护、导向等功能于一体

　　整机高约10米，开挖直径达23.02米，在水下施工作业，最大开挖深度可达80米，适用于软土和软岩地层的超大直径竖井工程建设，适用范围广、占地面积小、施工效率和安全性高、成本低、绿色环保、对周围建筑物影响小……

　　提及“梦想号”的与众不同和优势所在，王文灿如数家珍。入行15年来，他参与的掘进项目不少，但静安地下智慧车库项目是他职业生涯中的首个垂直掘进项目，“梦想号”也是他全程参与设计建造的首个竖井掘进机，集开挖、出渣、支护、导向等功能于一体。

　　不过，“全球之最”的研发，并非一路坦途。

　　下沉阻力大、姿态控制难、环境影响大，这是项目团队总结的三大难点。

　　据项目团队有关专家介绍，常见的水平掘进（盾构）机被称为“地下蛟龙”，其作业面通常是一个与开挖直径相同的圆形可旋转刀盘，在掘进的同时构建隧道之“盾”（支撑管片），并以管片为支撑继续向前掘进。而竖井掘进主要是依托带刃脚的井筒状构造物，用人工或机械方法清除井内土石，主要借自重克服井壁与土层摩阻，逐节下沉至基底设计标高。

　　“如果井壁与土体侧摩阻过大，或者底部存在孤石树根等，都会导致沉井下沉过慢或停沉，严重时会出现井筒偏斜，这是工程建设难以接受的后果。”文威表示，“过去采用的下沉工艺，还会对周围土体造成较大且不可控的扰度破坏。”

　　项目团队另辟蹊径，通过增加截割臂数量、优化驱动形式等，有针对性地开展技术攻关：针对开挖作业，优化设计多截割臂开挖路径及运动协同控制技术；针对出渣作业，攻坚软土地层竖井大流量和高携渣率泥浆出渣系统设计技术；针对支护作业，开发竖井掘进机智能减摩注入控制系统及其工作方法等技术；同时还推进软土地层超大竖井水下开挖模式转换技术、可变径高适应性主机支撑臂设计等一系列技术攻坚……最终形成超大直径机械化沉井施工装备成套技术，并强化了设备水下环境施工的可靠性，解决了传统沉井下沉姿态控制难、开挖效率低等问题，同时增加主机支撑臂数量，提高了设备的支撑稳定性，并采用多吊点同步控制实现设备水下回收。

　　从设备外形看，“梦想号”竖井掘进机与常见的水平掘进机完全不同。水平掘进机犹如“地下蛟龙”靠最前方的可旋转刀盘不断向前掘进。而“梦想号”则是在井口设置多个吊点，吊着一个“大海星”和两个强劲有力的机械臂来进行作业。

　　“这两个机械臂就是‘梦想号’首创的双截割臂，开挖直径、作业路径均由机械臂长短、角度等来控制。”王文灿告诉记者，就像人的胳膊一样灵活，两条机械臂对称着挖土、出渣，具备14米至23米断面自由变径开挖能力。

　　机械臂前端的“拳头”是进行垂直掘进作业的关键：主驱动设备，通过控制无数个齿轮一样的刀头交叉转动、圆规式垂直向下掘进。据了解，由于是水下作业，主驱动不仅要旋转性能好，抗压能力和密封性也要十分过硬。

　　“‘梦想号’大幅缩短了掘进机组装及拆机时间，同时在施工中可实现快速破岩、高效出渣、管片同步支护、一次成型……”王文灿对“梦想号”的高效感触颇深，“相比于传统沉井施工方法，使用‘梦想号’进行垂直掘进能够节约40%的工期、30%的成本。”

　　井下无人、地面少人  智能化控制实现“打井不下井”

　　与其他施工项目的“热火朝天”不同，静安地下智慧车库项目的施工现场显得有些安静。这不仅是因为“梦想号”掘进过程中沉稳无声，对周边环境影响小，还在于施工现场的人少。

　　“通常情况下，加上文明施工监督员，一个班组的工作人员也不会超过20人。若使用传统施工方法，一个班组就需要百余人。”王文灿告诉记者，之所以人少，在于“梦想号”的全过程智能化控制，可实现井下无人、地面少人，建井人“打井不下井”。

　　据了解，“梦想号”项目团队打造了一套远程监测控制系统，不仅可以实时监测竖井掘进深度、地下作业环境等方面数据，还可以远程控制各环节的启停作业。

　　在距离静安地下智慧车库项目两个竖井不远的地方，有一个控制室。这里就是“梦想号”的驾驶室，也是项目的监控室。与此同时，这里的各项数据还可以实时传输至项目办公区，有关负责同志可通过电脑或手机终端实时查看“梦想号”的工作状态和工程进度。

　　王文灿介绍，无论是在办公区还是项目施工现场，他每天到岗后的第一件事就是打开远程监测控制系统查看设备运行情况。

　　“在‘梦想号’施工过程中，我特别关注开挖系统，尤其是滚筒电机的运行状况。”王文灿告诉记者，滚筒电机安装在开挖刀头上，作业环境较差，其性能好坏关系整个竖井的施工进展，“滚筒电机正常工作温度在90至100摄氏度之间，当开挖到相对较硬的地层或散热出现问题时，其运行温度就会明显升高，当工作温度超过120摄氏度系统就会发出警报，到150摄氏度就会出现保护急停，这将对滚筒电机造成损伤。因此要尽量在温度有升高趋势时就采取相应措施，避免达到警报线。”

　　此前，他就通过远程监测控制系统发现过滚筒电机温度异常问题，并远程下达了检修任务。检修人员排查后，发现滚筒电机被黏土包裹而无法散热，及时对设备进行了冲洗和优化处置，有效防止了滚筒电机出现高温损伤问题。

　　通过这个系统还可以监测井筒垂直度，避免把井“打歪了”。据介绍，掘进机上安有双轴倾角传感器，井筒内壁装有测斜管，再加上全站仪等设备，项目团队可通过远程监测控制系统上显示的指标参数，对井筒进行“三位一体”的姿态监控，有效控制竖井偏斜幅度。

　　智能化控制不仅提高了施工作业精度，也让施工安全性更加有保障。

　　如今，静安地下智慧车库项目已接近尾声。结合施工实际，“梦想号”也不断进行优化升级，完成了9大系统30多项改造，让这种可以利用公园、绿地和边角用地的占用土地资源少、空间利用率高、对环境影响小、建设速度快的“深坑车库”，成为城市停车难问题的破解之道。据介绍，中铁十五局集团目前已经可实现14米、20米、23米三种直径竖井地下车库建设的模块化运用。

　　“梦想”不止于此。随着“梦想号”应用于垂直掘进的工法愈加纯熟，将为其挑战城市深地空间解决更多民生难题打下坚实基础，比如在调蓄池、地铁通风井等领域的应用。

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