“甜甜圈”打败“拦路虎”

——我国自主研制的全球首台掘爆机攻克行业难题

　　想象一下，在崇山峻岭下挖隧道，前方既有硬得“啃不动”的岩石，又有容易坍塌、涌水的破碎地层，岩爆、围岩大变形随时可能出现，该怎么办？以往施工，要么不断切换设备、要么等工艺调整，耗时长、成本高。如今一台外形酷似“甜甜圈”的国产掘爆机，把两套施工本领集于一身，专治地下各类“拦路虎”。

　　近日，全球首台掘爆机（BBM）在武汉江夏制造基地正式下线。这台由清华大学联合中铁工业旗下中铁科工共同研制的全新装备，整机及核心零部件实现百分之百自主可控，为复杂地质长大隧道施工交出一份国产新方案。

　　“合二为一”克难题

　　我国山地面积广阔，建设铁路、水利、抽水蓄能等重大工程，通常需要在群山之间打隧道。然而，地下地质变化常常出人意料，前面上百米是坚硬岩石，转过一段就可能遇上松软破碎围岩，突泥涌水、岩爆等风险如影随形。

　　长期以来，隧道施工主要靠两套办法。掘进机就像一台巨型切割机，对付质地均匀的硬岩又快又稳，可一旦碰到破碎、大变形地层，却很容易发生卡机被困；钻爆法如同在地下“开山放炮”，什么样的岩层都能通过，但施工工序零散，支护难以连续跟进，整体推进效率有限。

　　“两套工法对应两套装备、两套运维队伍。”清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室特聘研究员秦鹏翔告诉记者，一条隧道如果软硬地层交替出现，就不得不让两套设备轮番进场。设备拆装调运、班组轮换、工艺转换，都要消耗工期，不少长大隧道项目因此进度较慢。

　　一边要掘进的效率，一边要爆破的适应能力，能不能用一台机器把两件事都干了？清华大学与中铁科工集结盾构装备、深地钻探、精准爆破多领域科研力量，历经4年联合攻关，研制出具有“前爆后掘”“前掘后爆”“全断面掘进”3种作业模式的全球首台掘爆机。

　　把掘进和爆破融合到同一台大型设备上，远非简单拼接。传统掘进机机头是一块完整封闭刀盘，而掘爆机的标志性创新是把实心刀盘改成中间空心的环形结构，远远看去像一个巨大的甜甜圈。

　　看似只是中间开了个洞，但背后横亘着两大技术难关。封闭刀盘受力均匀稳定，改成中空环形机构后，整机受力点位彻底重新分布，受力失衡会加速刀具磨损，直接威胁设备安全；爆破产生的冲击波和飞溅碎石，又极易打伤机器内部精密电控、液压元器件。

　　“相当于在一台机器内部，既要干机械开挖的活，又要扛住爆破冲击。”清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室总装备师李建斌表示，研发团队围绕环形刀盘受力优化、整机防爆缓冲防护反复测试，逐项突破卡点，才让这个机头从图纸变成现实。

　　中间留出的中空通道，彻底改写了施工逻辑。作业人员可以穿过这个空心窗口，在开挖面前方提前开展注浆加固、超前预裂、应急支护。实验室试验数据显示，超硬岩条件下，经过超前预裂，掘爆机掘进效率相较普通掘进机提升30%以上。对于几十公里级长大隧道，省下的时间可以按月甚至按年计算。

　　硬核部件同发力

　　掘爆机能从容应对复杂地下工况，靠的是五大核心部件协同发力。

　　空心环形组合刀盘是整机的“脸面”，搭配中心辅助刀盘，中空通道成为地下作业的应急窗口。

　　可伸缩边刀如同隧道的“理发推子”，依靠智能算法灵活伸缩，可按需扩大或收窄开挖轮廓，适配不同隧洞断面，方便洞内转场。

　　可伸缩尾盾是围岩“自适应护甲”，遭遇岩爆、岩壁挤压时紧紧贴合洞壁，在围岩变形严重区段还可实现变径衬砌拼装，保障支护不中断。

　　主机防爆筒是整机的“安全头盔”，专门抵挡爆破冲击波与碎石，保护内部精密元器件。

　　独立皮带分渣系统，分开运送掘进废渣和自制骨料，有效规范现场物料管控，提高经济环保效益。开挖产生的中心岩柱，借助机载破碎装置就地粉碎，直接加工成合格建筑骨料，可拿来做隧道衬砌、垫层材料。原本要运出洞外填埋的废渣就地变建材，减少渣土外运，既省下运输成本，也降低对沿线生态的扰动，实现资源化绿色开挖。

　　五大部件协同，凝练出掘爆机独有的“一融两吃三统一”核心优势。“一融”即融合掘进机高效率、钻爆法强适应两大工法长处，不用更换设备就能无缝切换作业模式，省去设备进退场带来的工期损耗；“两吃”是软硬地层通吃、隧洞断面大小通吃；“三统一”，即工法统一、硬件装备统一、衬砌支护形式统一。

　　过去需要两套大型装备轮番上阵的工程，如今一台掘爆机就可以独立完成超前预处理、开挖、出渣、支护、骨料再生全流程，简化现场设备配置、人员管理，让隧道施工更加简洁高效。

　　迭代升级广应用

　　作为全新的国产隧道施工装备，掘爆机填补了复杂地质隧道一体化施工装备领域空白，补齐我国地下工程高端装备产业链重要一环，为我国各类复杂地质隧洞工程提供了高效、绿色、一体化的全新施工方案。

　　“我们将依托现场实测数据，持续迭代升级。”秦鹏翔介绍，下一步，团队计划把围岩智能识别、超前地质预报、自主智能掘进系统融入装备，推动掘爆机从“能用”向着“好用”“智用”跨越。

　　按照规划，掘爆机将率先在抽水蓄能电站工程开展实景示范应用。“后续还将根据不同工程场景的需求，定制适配不同尺寸规格的设备机型，适配更多复杂地下工程建设需求。”中铁科工掘爆机项目组负责人王承海说，掘爆机将全方位赋能交通、水利、能源、深地资源开发等重大基础设施建设，为我国重大工程提质增效、绿色施工提供硬核装备支撑。

　　深埋地下的复杂地质、频发岩爆、交错断层，是困扰全球隧道建设的世界级难题，也是制约我国深地工程建设的关键瓶颈。如今，这台兼具创新巧思与硬核实力的国产“甜甜圈”掘爆机，打破技术桎梏、攻克行业难题，以全新施工模式激活地下工程建设新动能。未来，这款国产创新装备将扎根各类重大工程一线，持续助力交通强国、水利强国建设，为我国深地空间开发、基础设施升级持续贡献力量。（本报记者 柳 洁 董庆森）