从本世纪前完全依赖进口，到如今出口海外数十个国家和地区，我国盾构机走出了从“无”到“有”再到“领跑”的创新历程。广州在盾构机科研领域也颇有建树，11月18日，全球首台原位连续可变径盾构机“变径一号”在广州芳白城际广白区间首试首用，该盾构机由广州地铁集团牵头，中铁工程装备集团等单位自主研制。
可变径盾构机好比“变形金刚”，可以“小变大”“大变小”，“变径一号”直径可以在8.83米至12.45米范围内伸缩。如此“宝物”到底蕴藏哪些前沿科技，又有何妙用？本期《科技周刊》，我们前往实地一探究竟。
口径大小可调整
掘进施工更灵活
盾构机是用于隧道施工的重型机械设备，主要由刀盘、盾体、推进系统、管片拼装系统、排土系统、后配套设备及控制系统等部分组成，可快速、安全地完成隧道开挖、支护和衬砌等作业。在作业过程中，刀盘在前方旋转切下土石，再通过后方的排土系统将土石运出隧道。盾构机每挖进一段，管片拼装系统就将数片弧形混凝土管片拼装起来，从而组成一个圆形混凝土管道，边挖边进行隧道施工。
事实上，这种传统的盾构施工只适用于同一截面大小的建构筑物，无法满足不同截面建筑的一体化施工需求。比如，地铁车站站台与地铁隧道区间就需要采用两种或更多的工法，大大增加了地铁线路贯通的时间成本。
盾构机吊装下井。
广州地铁建设公司第三建管部副总监谭佳告诉记者，可变径盾构机可以完美地解决这个痛点。在隧道区间施工时，它可以以小口径开挖，邻近车站站台部分时实现口径“小变大”，完成站台施工后，盾构机口径又可以“大变小”，继续进行下一段区间隧道的施工，从而实现同一工法的连续施工。
“传统的地铁车站施工会涉及各种前期用地审批手续，经常会遇到征地拆迁等情况，有时候，一两个车站没谈妥，就会造成整条线路开通延迟。”谭佳说，该问题在建筑物密集、交通繁忙、征拆困难的城市核心区尤为突出。
理论上，使用可变径盾构机可实现一条地铁线路从头挖到尾，省去中间的开挖工作井、机械装拆吊装等麻烦，这就好比将原来的一台“开胸手术”变成“血管介入手术”。“有了可变径盾构机，我们可以先挖出地铁的站台层，保证线路顺利贯通，待地面的各项用地、拆迁手续完成后，再建设地铁站的站厅层和出站口。”谭佳说。
可变径技术
属国际首创
据介绍，“变径一号”盾构机的颠覆性突破，在于同时高效实现原位变径、连续变径和大尺寸变径等功能，各项技术均属国际首创。
该项目由广州地铁集团牵头，组织中铁工程装备集团、湖南大学、中山大学、北京交通大学等科研院所和企业分理论研究、装备制造、施工工艺、应用落地等5个子课题进行深入研究。为打造出这台具备全球领先“变形”能力的超级装备，项目团队攻克了多项世界性难题，集成多项自主创新技术——
多刀梁同步伸缩
针对盾构机刀盘扩径过程中刀盘动态负载大、扩挖结构易失稳等难题，项目团队研制出负载能力强，适应土层、岩层等多种地层的大尺寸多刀梁同步伸缩连续扩挖刀盘。为保障刀盘变径技术的可靠性，研发团队通过足尺试验台架验证、工厂试验验证、工程示范验证等多种方式，全面验证关键技术的可靠性。
狭小空间内自动化变径构件拼装
针对地下变径空间狭小，构件运送、拼装过程中承载压力大，稳定性、成型精度要求高等难题，项目团队研发出适用于狭小空间的重载变径构建拼装机器手，既可以快速拼装盾构机封闭环等支护组件，形成稳定的开挖环境，还可以快速检测各组件拼装效果，实现狭小空间内盾体快速精准扩径及缩径。
系统集成与智能检测及控制
通过对刀盘变径、盾体变径、空间防护及动力匹配等关键系统的深度优化与集成，实现变径前后装备掘进性能与能源消耗的协同智能控制，全面提升“变径一号”盾构机整机工作的可靠性、安全性与先进性。
盾构机刀盘，直径大小可改变。受访者供图
芳白城际首试
未来推广应用
“变径一号”在芳白城际广州火车站至白云站区间盾构井顺利始发，计划从广白盾构井始发，掘进至广州火车站车站区域后实施变径并施工站台隧道。
“目前，广州火车站片区正在进行升级改造，按照传统的操作方式，芳白城际的这个车站需要同广州火车站片区改造项目同期开展，有了‘变径一号’，我们就可以提前把芳白城际下方的站台层先做好，等该片区改造具备条件后再结合地面规划方案对站厅层进行施工，直接与站台层进行连接。”谭佳说，首试首用让“变径一号”的相关技术在实践中进一步得到验证及提升，未来，它将在广州及全国各大城市的地铁项目中推广应用。
“变径一号”盾构机的成功研制，是我国隧道工程装备领域的一项重大突破，不仅大幅提升施工效率、降低周边影响和综合成本，也为全球地下工程提供了一种绿色、安全、集约、高效的新型建造方案，具有显著的经济效益和广泛的推广前景。这一装备的成功下线，标志着我国在轨道交通绿色智能建造领域迈出关键一步，助力我国由“建造大国”向“建造强国”稳步迈进。
“变径一号”在广州芳白城际广白区间始发。
变径背后
国家卓越工程师团队不断发力
记者了解到，除了可变径盾构机，作为轨道交通领域的龙头企业，广州地铁近年来不断推进科技创新与产业创新融合。
其中，由广州地铁集团牵头建设并运行管理的“城市轨道交通系统安全与运维保障国家工程研究中心”，是全国唯一一个由地铁建设与运营企业牵头组建的国家级创新平台，聚焦解决轨道交通工程建设运营及装备制造中的核心技术问题，集聚力量进行原创性、引领性科技创新。该中心在2024年荣获“国家卓越工程师团队”称号，全面推进数十个国家级科技创新项目。团队先后获得政府科学技术奖40项，授权发明专利125项，编制并发布标准134项。
由此，一个个创新成果在广州地铁投入运用——广州地铁7号线迈入全自动运营时代，团队攻克“三个建设阶段、三种信号自动等级、三个不同项目车辆”的改造难题，成为国内首例在已开通线路上完成全自动改造的线路；广州地铁12号线绿智城轨车辆成功下线，创新应用全碳化硅永磁牵引等38项技术，实现了行业技术引领及示范……
带旺产业链
多项轨道交通首创技术在广州诞生
如今，城市轨道交通作为城市交通的重要场景牵引整条轨道交通产业链。今年初，广州提出加快建设“12218”现代化产业体系，轨道交通产业是其中重点打造的千亿级特色优势产业。截至2024年底，全市涉及轨道交通领域产品（服务）的产业链企业数量已超900家，覆盖全产业链上中下游，具备集规划设计、建设施工、装备制造、运营维保及增值服务于一体的全产业链优势，产业规模超2700亿元。
AI技术与轨道交通业务场景连接越来越紧密。佳都科技于2023年发布的知行交通大模型，为“全球首个轨道交通行业大模型”，采用“通用大模型+行业数据”混合云多模架构，内置领域知识库、专家助手和工具库，已在广州、上海、合肥等城市落地，可支撑智能客服、信号优化、设备预测性维护等私有化部署。
据介绍，佳都科技承担了广州地铁十号线、十二号线的公专通信系统、站台门、售检票系统、综合监控、乘客信息系统、智能环控、设备监控系统、智能客服等融合智慧车站的多系统智能化系统集成，自研的核心智能终端产品、智慧数字平台、智能化解决方案等多项创新产品全面落地应用。
广州地铁十号线东晓南站
为满足新线路智慧运营、乘客服务、安全运维和智慧应急要求，佳都科技自主研发的智慧运营管控平台，为十号线、十二号线安装智能的“车站大脑”，深度集成了20多个不同厂商、不同协议的子系统，数据融合、跨设备协同，通过统一平台“一键联动”，实现一键开关站、视频巡检、客流预警、运营调度、应急预案、运维助手等场景的智能化辅助运营。乘客还可开通人脸过闸功能，绑定广州地铁APP乘车码实现“码脸混用”，体验毫秒级人脸识别过闸，全线“一脸通行”，人脸识别时延小于0.3秒。
轨道交通也是广州市科技创新创业大赛的重要赛道之一，历年来吸引大量轨道交通领域的新兴企业前来展示前沿技术。广州本固电气设备有限公司就荣获去年双创大赛轨道交通赛道的成长组冠军。
该公司副总经理董斌告诉记者，公司是一家高科技轨道交通装备民营企业，专门研究车辆牵引系统及牵引供电系统专用开关设备，是国内唯一拥有完整的车载直流高速断路器（以下简称“车载高断”）全系列产品的企业。产品应用范围从直流750伏到直流3000伏，可完全覆盖全球轨道交通直流供电车辆的各种需求。
“我们公司成立仅6年，目前已投入商业运营超过2500台‘车载高断’产品，至今零故障。目前产品国内市占率超过20%，并在广州地铁多条线路上应用，产品出口至欧洲、东南亚等多个国家，近三年营收复合增长率达28%。”董斌介绍，智能“车载高断”是公司的首创产品，已在北上广深装车应用，取得了大量的数据，应用效果良好，“我们的故障预警准确率已提升至98%。”
统筹编辑：梁倩薇、嵇沈玲
文/广州日报新花城记者：武威 通讯员：温美春、张晨牧
图/广州日报新花城记者：骆昌威（除署名外）
