給“世界工程機(jī)械之王”裝上“中國心”，浙大院士楊華勇當(dāng)選“浙江驕傲”

“飛天有神舟，潛海有蛟龍，追風(fēng)有高鐵，入地有盾構(gòu)”，不論高鐵、地鐵、高速公路，還是“西氣東輸”“南水北調(diào)”等工程都離不開地下“開路巨人”——盾構(gòu)來“開山鑿路”，盾構(gòu)機(jī)被稱為“世界工程機(jī)械之王”，而我國首臺盾構(gòu)裝備是由中國工程院院士、浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長楊華勇及其產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的。

1月25日晚，由浙江省委宣傳部、浙江廣播電視集團(tuán)主辦的2021年度“最美浙江人·浙江驕傲”人物頒獎儀式在杭州舉行。在萬眾期待的頒獎晚會上，“最美浙江人·浙江驕傲”年度人物揭曉。由省科技廳報(bào)送推薦的“最美浙江人·最美科技人”楊華勇院士獲得了2021年度“最美浙江人·浙江驕傲”人物殊榮。

自1988年在英國完成博士學(xué)業(yè)后，楊華勇心系祖國，回到浙大產(chǎn)業(yè)報(bào)國。他常年扎根企業(yè)廠房、施工現(xiàn)場，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與龍頭企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，潛心攻關(guān)；帶領(lǐng)包括清華、上交大等多學(xué)科優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)，在“973”計(jì)劃支持下，開展了兩輪十年以上的基礎(chǔ)研究，成功研制首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合盾構(gòu)樣機(jī)，并在天津地鐵施工項(xiàng)目中成功應(yīng)用，打破國外壟斷。他所取得的創(chuàng)新成果突破了盾構(gòu)壓力穩(wěn)定性控制、等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，攻克了掘進(jìn)過程失穩(wěn)、失效、失準(zhǔn)三大國際難題，研發(fā)出土壓、泥水和復(fù)合三大類盾構(gòu)系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)“中國設(shè)計(jì)-中國制造-中國品牌”的跨越式發(fā)展，使我國進(jìn)入盾構(gòu)技術(shù)先進(jìn)國家行列。

▍求人不如求己

新世紀(jì)以來，我國交通建設(shè)如火如荼，由于開挖隧道的需要，從國外進(jìn)口了大量盾構(gòu)，雖然使用起來上手很快，但是一旦出問題就懵圈了——不會修。如果求助于國外技術(shù)人員，要等很長時(shí)間，可工程進(jìn)度耽擱不起啊。有的時(shí)候，楊華勇就會被請去扮演“急診醫(yī)生”的角色，去施工現(xiàn)場救場。

在“出診”的過程中，楊華勇了解到，德國、美國等少數(shù)跨國公司掌握著盾構(gòu)的核心技術(shù)，不但在我國賺取高額利潤，還依靠技術(shù)壟斷制約我國重大工程建設(shè)的速度，時(shí)不時(shí)就“玩一次心?！薄?/p>

被人掐住咽喉的滋味不好受，楊華勇決心帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出中國自己的盾構(gòu)，“我們的目標(biāo)是改變長期依賴國外的局面，爭取掌握自主設(shè)計(jì)制造盾構(gòu)的能力，不再受制于人。”

電液驅(qū)動、推進(jìn)和控制系統(tǒng)的研發(fā)，是盾構(gòu)的“心臟”，是國外技術(shù)封鎖最嚴(yán)的部分，也是盾構(gòu)隧道工程施工中，解決失穩(wěn)、失效、失準(zhǔn)三大國際難題的核心所在。楊華勇團(tuán)隊(duì)以此為突破口，聯(lián)合企業(yè)共同攻關(guān)。

盾構(gòu)這樣的大家伙，只要方向稍微有一點(diǎn)點(diǎn)誤差就會嚴(yán)重“跑偏”，所謂“失之毫厘，差之千里”。如何在設(shè)計(jì)的時(shí)候就預(yù)防性糾偏？楊華勇團(tuán)隊(duì)首次提出了基于盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測的推進(jìn)控制方法，發(fā)明了盾構(gòu)推進(jìn)壓力/流量復(fù)合糾偏技術(shù)，研制了盾構(gòu)電液推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)方向的準(zhǔn)確控制和大曲率轉(zhuǎn)彎時(shí)的姿態(tài)調(diào)整。國內(nèi)首臺大直徑11.22 m泥水盾構(gòu)“進(jìn)越號”在世博會重大配套工程——上海打浦路隧道復(fù)線掘進(jìn)中，創(chuàng)造了同等類型盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑380米的世界新紀(jì)錄。

從理論到實(shí)踐再回到理論，一遍遍仿真計(jì)算，一遍遍試驗(yàn)，一遍遍修改，團(tuán)隊(duì)就這樣不斷“逼”自己完善再完善，在研制過程中，楊華勇和團(tuán)隊(duì)成員不知道跑了多少次工地。他說：“離現(xiàn)場越近，才越能發(fā)現(xiàn)工程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，也才越能解決問題?！?/p>

終于，團(tuán)隊(duì)解決了失穩(wěn)、失效和失準(zhǔn)這三大國際性行業(yè)難題。集成了壓力穩(wěn)定性控制、載荷順應(yīng)性設(shè)計(jì)和姿態(tài)協(xié)調(diào)糾偏控制三大創(chuàng)新成果的盾構(gòu)成套關(guān)鍵技術(shù)也呼之欲出。在歷經(jīng)十余年的研究過程中，團(tuán)隊(duì)獲得了盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造的完全自主知識產(chǎn)權(quán)，其中包括授權(quán)發(fā)明專利77項(xiàng)、軟件登記16項(xiàng)、國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)以及一批高水平論文和專著3部等。

▍從跟跑到領(lǐng)跑

2008年，楊華勇團(tuán)隊(duì)研制出國內(nèi)首臺復(fù)合盾構(gòu)?！岸軜?gòu)有個(gè)特性，只能朝前打，不能往后退，而地鐵線路又是由地面人群分布決定的，不允許廢棄重來?！睏钊A勇說，新研發(fā)的國產(chǎn)盾構(gòu)帶來的未知風(fēng)險(xiǎn)使得施工企業(yè)起初誰也不愿意第一個(gè)嘗試。

在種種努力之后，天津地鐵3號線營口道——和平路標(biāo)段的地下隧道掘進(jìn)率先“嘗鮮”。

這一標(biāo)段地處天津鬧市區(qū)，相當(dāng)于杭州的解放路——鳳起路，沿途不僅有張學(xué)良故居、渤海大樓這樣的文保建筑，還有一座由四千多件古瓷器、四百多件漢白玉石雕、四十多噸水晶石與瑪瑙、七億多古瓷片裝飾而成的瓷房子。

業(yè)主單位要求盾構(gòu)隧道掘進(jìn)導(dǎo)致的局部地面沉降要遠(yuǎn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30mm，結(jié)果這一首臺國產(chǎn)復(fù)合盾構(gòu)交出的成績單是局部地面沉降2mm。“知道這個(gè)結(jié)果，大家都舒了口氣，當(dāng)初機(jī)器運(yùn)到施工現(xiàn)場的時(shí)候，我們是先斬后奏，沒敢說是國產(chǎn)首臺樣機(jī)，現(xiàn)在我們終于可以揚(yáng)眉吐氣一回了?！?/p>

國產(chǎn)盾構(gòu)研制成功，正好趕上中國各大城市發(fā)展地下軌道交通的大潮。過硬的技術(shù)再加上不斷積累的信心，楊華勇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國產(chǎn)盾構(gòu)終于實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，替代了進(jìn)口，經(jīng)過與德日美頂尖產(chǎn)品的激烈國際競爭，還出口到了新加坡、印度、馬來西亞、泰國、以色列等四大洲27個(gè)國家，其中包括了盾構(gòu)的老家法國和制造業(yè)傳統(tǒng)強(qiáng)國俄羅斯?！爸拔覀円恢币蕾囘M(jìn)口，國外盾構(gòu)價(jià)格抬得很高，以6.3米地鐵盾構(gòu)為例，原來要6000萬元左右一臺，現(xiàn)在降低到了3000萬元左右。我們掌握了核心技術(shù)，就再也不受發(fā)達(dá)國家欺負(fù)了?！?/p>

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，在地鐵、公路、鐵路、水利等基本建設(shè)中盾構(gòu)發(fā)揮的作用越來越大，目前我國已成為盾構(gòu)需求最大的國家，占全球市場65%以上。另一方面，因?yàn)槎軜?gòu)的關(guān)鍵技術(shù)難度大、產(chǎn)品附加值高，盾構(gòu)裝備的自主設(shè)計(jì)制造能力在一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國家裝備制造業(yè)的水平。我國盾構(gòu)行業(yè)從跟跑到領(lǐng)跑的過程，再一次證明了，只有自己掌握了核心技術(shù)，才能掌握發(fā)展的主動權(quán)。

楊華勇說：“國家大量工程急需，這是時(shí)代給我們的命題?，F(xiàn)在有了國產(chǎn)盾構(gòu)，大型建設(shè)工程如虎添翼，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到了有力保障。我們也算是為國家解決了一個(gè)棘手的難題。能夠通過自己的工作為國添磚加瓦，我們感到很幸運(yùn)?！?/p>

▍加強(qiáng)“造血功能”

楊華勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走出了一條自主研發(fā)的成功之路，實(shí)現(xiàn)了重大裝備“中國設(shè)計(jì)—中國制造—中國品牌”的跨越式發(fā)展。2013年1月，這個(gè)以浙江大學(xué)為第一完成單位的“盾構(gòu)裝備自主設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目獲得了2012年度國家科技進(jìn)步獎一等獎。

雖然已經(jīng)取得了令人矚目的成績，但團(tuán)隊(duì)前行的腳步不曾停歇。楊華勇說，社會進(jìn)步有兩個(gè)驅(qū)動力，一個(gè)是技術(shù)創(chuàng)新，一個(gè)是需求牽引，“國際前沿，大家都盯著，但是生產(chǎn)生活中的實(shí)際需求，卻容易被忽視。我們要做的就是增加產(chǎn)業(yè)的‘造血功能’?！?/p>

2012年，楊華勇團(tuán)隊(duì)開始向硬巖盾構(gòu)進(jìn)軍。相比普通盾構(gòu)，硬巖盾構(gòu)的“牙齒”更鋒利，主要用在巖石隧道的掘進(jìn)上，因此更適用于地質(zhì)更硬的西部地區(qū)。不過，硬巖掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)技術(shù)要求更高，面臨的三大國際難題是掘不快、掘不準(zhǔn)、掘不動，為此團(tuán)隊(duì)采用了與以往不同的技術(shù)創(chuàng)新思路，成功設(shè)計(jì)制造了國內(nèi)首臺全新硬巖掘進(jìn)裝備。

國產(chǎn)裝備與進(jìn)口裝備同場較量的好戲又一次上演。

在“引松入長”工程中，兩臺直徑８米的國產(chǎn)硬巖掘進(jìn)裝備樣機(jī)與一臺進(jìn)口的硬巖掘進(jìn)裝備一起工作，建設(shè)起從松花江到長春的地下“水動脈”，無論是時(shí)間、里程還是工程質(zhì)量，國產(chǎn)硬巖掘進(jìn)機(jī)性能都超越國外同類產(chǎn)品，而價(jià)格要比國外的便宜三分之一，國產(chǎn)裝備又一次戰(zhàn)勝了進(jìn)口貨。長沙、鄭州國產(chǎn)裝備生產(chǎn)基地也由此拿到了后續(xù)幾乎全部訂單，目前國產(chǎn)硬巖掘進(jìn)裝備也已經(jīng)批量出口了。

同時(shí)，智能盾構(gòu)也成為了團(tuán)隊(duì)在研的重點(diǎn)工作之一。楊華勇希望在引入包括大數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻系統(tǒng)在內(nèi)的最新信息技術(shù)后，可以逐步實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的智能設(shè)計(jì)、操作和遠(yuǎn)程維護(hù)。

在盾構(gòu)方面，隨著技術(shù)工藝的日漸成熟，直徑也越做越大。今年楊華勇團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備開始設(shè)計(jì)制造直徑18米的超大盾構(gòu)機(jī)，它的橫截面有6層樓那么高，如果挑戰(zhàn)成功將成為新的世界紀(jì)錄。

隨著更多城市將地鐵建設(shè)納入城市發(fā)展規(guī)劃，再加上高鐵、高速公路、西氣東輸、南水北調(diào)、城市地下管廊等重大工程的需求，可以預(yù)見，盾構(gòu)這個(gè)“國之重器”將繼續(xù)在華夏大地上穿山過江、大顯身手。

楊華勇說：“未來，我國地下空間開發(fā)的規(guī)模會越來越大，我相信下一代的盾構(gòu)技術(shù)也會打上中國烙印，中國一定會成為國際市場的風(fēng)向標(biāo)?！?/p>

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