上海建工推矩形盾構(gòu)

文‖上海國資記者 陳怡璇

成立合資公司不僅為技術(shù)合作搭建平臺(tái)，而且形成資金紐帶，也為項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)

10月12日，由上海建工機(jī)施集團(tuán)自主研制的中國首臺(tái)大斷面矩形盾構(gòu)機(jī)，在上海虹橋臨空園區(qū)10-3、11-3地塊地下連接通道工程建設(shè)中迎來首次推進(jìn)任務(wù)，這也是全國范圍內(nèi)超大截面矩形盾構(gòu)機(jī)的首次推進(jìn)，該設(shè)備已申請國家專利達(dá)30項(xiàng)。

“研發(fā)大型矩形盾構(gòu)機(jī)，一直是機(jī)施集團(tuán)多年來的夢想，是企業(yè)應(yīng)對市場需求的及時(shí)反映，也是提升國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的迫切要求。而此次與市政設(shè)計(jì)總院、同濟(jì)大學(xué)等多家單位的合作模式，則是‘產(chǎn)學(xué)研用’相結(jié)合的體現(xiàn)，為機(jī)施集團(tuán)未來的地下空間戰(zhàn)略奠定了合作基礎(chǔ)和發(fā)展動(dòng)力。”上海建工機(jī)施集團(tuán)資深總工程師、副總裁吳欣之對《上海國資》表示。

開發(fā)

矩形盾構(gòu)機(jī)之所以能夠由上海建工機(jī)施集團(tuán)率先研制完成，有必然性。

1990年上海建工開始致力于地鐵隧道工程。20余年期間，機(jī)施集團(tuán)不僅積累了隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，而且工程技術(shù)人員長期從事盾構(gòu)機(jī)的檢修和保養(yǎng)工作，已對盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分熟悉，機(jī)施集團(tuán)早有自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)的意圖和專業(yè)人才。

此外，伴隨城市交通立體化和地下空間互聯(lián)互通的發(fā)展，隧道施工的難度逐漸提升，地下管線的保護(hù)要求越來越高。另一方面，地下空間資源寶貴。如果用傳統(tǒng)的圓形盾構(gòu)機(jī)開挖，截面的利用率不高，造成空心資源的浪費(fèi)。”吳欣之解釋，矩形盾構(gòu)施工可使空間利用率提升20%以上。

2003年，上海建工開始考慮用矩形隧道來代替圓隧道，提升空間資源利用率，并滿足淺覆土的要求，與日本小松（中國）投資有限公司合作，在上海率先開發(fā)了一臺(tái)矩形頂管機(jī)，也是一種隧道掘進(jìn)機(jī)。不過與矩形盾構(gòu)機(jī)相比，矩形頂管機(jī)工藝簡單、尺度較小，6.25米*4.36米的截面，由6個(gè)刀盤組成。由于是合資開發(fā)，專利開發(fā)技術(shù)共同擁有。

2004年在3個(gè)月的時(shí)間里，機(jī)施集團(tuán)用矩形頂管機(jī)順利實(shí)施了浦電路地下人行通道，而地面交通并未受到任何影響。此后，在諸多地鐵車站的通道、陸家嘴中心區(qū)域地下空間開發(fā)等項(xiàng)目中均以矩形頂管機(jī)推進(jìn)。

2007年，機(jī)施集團(tuán)在原有矩形頂管機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了6.91米*4.2米截面的矩形頂管，將糾偏等新技術(shù)工藝加入。這臺(tái)由機(jī)施集團(tuán)完全自主研發(fā)，為后來的矩形盾構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

2010年后，市場需求發(fā)生較快變化，截面口徑變大、推進(jìn)距離拉長，原有的矩形頂管截面面積不足且只適用于直線推進(jìn)無法彎曲，推進(jìn)長度至多不超過100米，無法滿足市場需要，頂管機(jī)需要改成盾構(gòu)機(jī)。

工程技術(shù)創(chuàng)新是有風(fēng)險(xiǎn)的，尤其是施工工程絕不容許失敗。如果地下盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)的半途中損壞，則整個(gè)地下隧道線將面臨報(bào)廢。為了保險(xiǎn)起見，機(jī)施集團(tuán)決定采用先行試點(diǎn)的辦法。

當(dāng)時(shí)，虹橋會(huì)展中心與商務(wù)區(qū)核心區(qū)的一條28米長的地下連接通道正值開挖，然而這一地下通道掩埋了十幾根管線。如果用傳統(tǒng)的開挖方法，管線搬遷的費(fèi)用約近千萬，且不包括開挖后對地面交通和城市管理的干擾和影響。機(jī)施集團(tuán)決定抓住這一機(jī)會(huì)，采用“非開挖”的方式，嘗試研發(fā)矩形盾構(gòu)機(jī)。

“在做矩形盾構(gòu)前期，我們與日本小松和德國海瑞克都曾接觸過，寄希望于合作的方式降低風(fēng)險(xiǎn)。但由于工期、價(jià)格和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問題，未能談成?！必?fù)責(zé)設(shè)備開發(fā)工作的上海機(jī)施集團(tuán)副總裁黃毅對《上海國資》表示，日本小松表示投資額需超過1億元，且要求所有知識(shí)產(chǎn)權(quán)都?xì)w于日方?；诖饲熬匦雾敼軝C(jī)的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)施集團(tuán)決定自主牽頭設(shè)計(jì)，目前矩形盾構(gòu)機(jī)全部部件均為國產(chǎn)。

2012年9月份，機(jī)施集團(tuán)開始組建團(tuán)隊(duì)開展設(shè)備和施工技術(shù)的探討；2013年3月份，機(jī)施集團(tuán)內(nèi)部董事會(huì)決定上馬項(xiàng)目，4月上報(bào)上海建工集團(tuán)，5月份建工集團(tuán)批復(fù)項(xiàng)目并決定投資。

設(shè)備走在施工前面，盾構(gòu)機(jī)的管片設(shè)計(jì)和拼裝系統(tǒng)是最大的難題。2013年年初，按照方案開始細(xì)化包括拼裝機(jī)在內(nèi)的設(shè)備研發(fā)工作。據(jù)黃毅介紹，單單設(shè)備研發(fā)就分成了機(jī)械組、電氣組、掘進(jìn)管理系統(tǒng)組。

經(jīng)過設(shè)備方案的反復(fù)試驗(yàn)和選件調(diào)整等工作，2013年5、6月份完成技術(shù)突破，最終研制出鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)合的管片設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場拼裝系統(tǒng)，改變了過去整環(huán)加工的方式，分為六片管片，以精密預(yù)制和環(huán)環(huán)預(yù)拼的方式最終滿足了制作要求，極大地節(jié)約了成本。

“回看當(dāng)時(shí)的會(huì)議紀(jì)要，差不多有100份，每一個(gè)星期至少開一次例會(huì)討論設(shè)備技術(shù)。我們不知道‘天高地厚’，當(dāng)時(shí)提出了一年內(nèi)完成管片設(shè)計(jì)和拼裝系統(tǒng)。即使按照當(dāng)時(shí)日本的成熟技術(shù)，也需要一年半到兩年的時(shí)間，壓力很大。”黃毅表示。

實(shí)際上，為了抓住這一機(jī)會(huì)，在虹橋臨空的項(xiàng)目中，機(jī)施集團(tuán)采用墊資開發(fā)。業(yè)主通常按照明挖的正常費(fèi)用概算，然而不包括臨空地區(qū)地下雨水管線的搬遷費(fèi)用，而最終實(shí)際花費(fèi)除了盾構(gòu)機(jī)投入以外還有工程實(shí)施的費(fèi)用?！拔覀儗^(qū)間實(shí)施的費(fèi)用只是作為科研投入，以設(shè)備零成本的投入方式參與投標(biāo)，并為業(yè)主節(jié)約了管線搬遷的費(fèi)用?！秉S毅介紹。

從設(shè)計(jì)到安裝調(diào)試完成，機(jī)施集團(tuán)花費(fèi)兩年時(shí)間完成矩形盾構(gòu)機(jī)的全部開發(fā)工作，參與項(xiàng)目研發(fā)的人員約50人左右，而包括其他合作單位更是達(dá)到了大約300-400人。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值

2013年9月，市政院和機(jī)施集團(tuán)合資成立了上海建工地下工程技術(shù)有限公司，不僅為技術(shù)合作搭建平臺(tái),而且形成資金紐帶,可謂合作模式的創(chuàng)新，也為項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，共贏發(fā)展。

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司副總裁過浩侃對《上海國資》表示，為了完成矩形盾構(gòu)的管片設(shè)計(jì)工作，機(jī)施集團(tuán)牽手市政設(shè)計(jì)總院，以注資5000萬元成立合資公司，其中市政院部分以其管片設(shè)計(jì)專利的技術(shù)入股的方式，通過有價(jià)置換成資本投入，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)價(jià)值化。

2013年度市政設(shè)計(jì)總院以《大截面矩形隧道盾構(gòu)法施工設(shè)備及設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究》項(xiàng)目申報(bào)上海市國資委科研項(xiàng)目，國資委給予1000萬項(xiàng)目支持，其中機(jī)施集團(tuán)獲得400萬資金支持。

“矩形隧道作為一個(gè)完整項(xiàng)目，單靠某一家企業(yè)均無法完成。管片設(shè)計(jì)和矩形盾構(gòu)機(jī)需要完全匹配，這為設(shè)計(jì)和施工的結(jié)合創(chuàng)造了良好的示范效應(yīng)?！边^浩侃表示，通過工藝的優(yōu)化和鋼結(jié)構(gòu)的合作研發(fā)，最終降低了管片加工成本的10%-20%。

此外，合資公司的成立為今后市場的開拓產(chǎn)生了較大的推動(dòng)作用。過浩侃表示，市政院與地方政府、業(yè)主的項(xiàng)目接洽，將帶動(dòng)未來機(jī)施集團(tuán)的技術(shù)運(yùn)用?！拔覀兪占胶芏囝愃圃O(shè)備的需求，在那些管線復(fù)雜、明挖難以開展等特殊項(xiàng)目中，矩形盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用便有了市場。”

在項(xiàng)目招投標(biāo)的過程中，市政院、機(jī)施集團(tuán)采用EPC聯(lián)合投標(biāo)的方式，各自作為設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)的投標(biāo)主體，以合資公司作為一個(gè)平臺(tái)，各自共享業(yè)務(wù)收益。

“不是以項(xiàng)目合作的模式，而是企業(yè)合作的模式。以項(xiàng)目合作為載體只能在短期內(nèi)有效，但根據(jù)市場需求的變化，前瞻性地提出技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)的新要求，逐漸推進(jìn)第二期、第三期的研發(fā)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)長效機(jī)制的合作?！边^浩侃表示。

各盡所能

吳欣之表示，此次試點(diǎn)項(xiàng)目充分體現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研用的開發(fā)模式，而在“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的過程中，企業(yè)始終起到主導(dǎo)作用，是創(chuàng)新的主體。

“首先，作為施工企業(yè)，機(jī)施集團(tuán)直面市場、隨時(shí)了解市場需求和研發(fā)方向，對施工過程的工藝十分熟悉，擁有主導(dǎo)設(shè)計(jì)的資格，這是施工企業(yè)特有的優(yōu)勢；此外，機(jī)施集團(tuán)的協(xié)調(diào)能力和資金保障也使得項(xiàng)目得以順利開展；而與學(xué)校相比，技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化得以落地，企業(yè)具備貼近市場的優(yōu)勢。”吳欣之表示。

此外，發(fā)揮各自專長，各盡所能。總集成由機(jī)施集團(tuán)承擔(dān)，各家公司則負(fù)責(zé)不同的系統(tǒng)。

例如，機(jī)施集團(tuán)擁有鋼結(jié)構(gòu)制造、計(jì)算機(jī)自動(dòng)化及整體安裝調(diào)試技術(shù)的優(yōu)勢，承擔(dān)了工藝規(guī)劃、總體設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)制造、信息電控系統(tǒng)研發(fā)、整體總裝調(diào)試的任務(wù)。例如，盾構(gòu)機(jī)的截面尺寸、刀盤、螺旋機(jī)、空間規(guī)劃、設(shè)備之間的檢修要求和所有部件的技術(shù)參數(shù)也由機(jī)施集團(tuán)來確定。

拼裝機(jī)則與同濟(jì)大學(xué)機(jī)械和能源工程學(xué)院、上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司合作研制，充分發(fā)揮同濟(jì)大學(xué)對機(jī)電液一體化的專業(yè)優(yōu)勢；中國煤炭科工集團(tuán)上海有限公司則負(fù)責(zé)刀盤、螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)；環(huán)境變形實(shí)時(shí)監(jiān)測和地下傳感器24小時(shí)數(shù)據(jù)采集工作則由上海凱盾工程技術(shù)有限公司承擔(dān)，監(jiān)測管道變形、地標(biāo)沉降等情況。

而在產(chǎn)權(quán)關(guān)系上，機(jī)施集團(tuán)與伙伴企業(yè)確定了知識(shí)產(chǎn)權(quán)的歸屬和劃分原則，即“誰發(fā)明歸誰，共同發(fā)明歸有關(guān)各方”。

“過去產(chǎn)學(xué)研的合作模式是不管哪一方發(fā)明，最后全部歸于甲方，損害了合作伙伴的積極性。我們則以聯(lián)合體的方式，誰發(fā)明的專利權(quán)歸誰；如果各自均有所參與，則按照百分比劃分?！眳切乐榻B，這為未來與合作單位的穩(wěn)定合作提供了保障。

地下空間戰(zhàn)略是上海建工機(jī)施集團(tuán)“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)。吳欣之表示，首先，地下商業(yè)停車設(shè)施、共同溝、海綿城市等幾類業(yè)務(wù)是今后研發(fā)的方向。其次，技術(shù)上將主攻“非開挖”，適應(yīng)城市管理和環(huán)境保護(hù)要求；推進(jìn)綠色施工，降噪、降塵、減排放，節(jié)能、節(jié)水、節(jié)資源；推動(dòng)“工業(yè)化、機(jī)械化、智能化”的智能制造，向更深的地下進(jìn)軍。