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硬岩掘进机
“地龙”穿雪域 天堑变通途
全国人大代表、中铁工程装备集团首席专家王杜娟表示，说到隧道掘进机，有个好消息：2021年总书记在西藏林芝火车站检阅过的“雪域先锋号”硬岩掘进机，已经成功掘进5000米！这些年，我们突破了多项关键核心技术，完成了41套样品样件的施工现场搭载应用，基本实现了隧道掘进机关键核心基础部件国产化。
在新疆乌鲁木齐至尉犁高速公路（下称乌尉高速）天山隧道的施工现场，由中交天和机械设备制造有限公司（下称中交天和）自主研发的两台新型压注工法（TBM）硬岩掘进机“天山号”“胜利号”正在对向掘进，开启一场“贯穿天山”之旅。目前，这一工程已完成总体挖掘任务的72％，预计将于今年10月顺利贯穿。
创新破千难万阻
乌尉高速是新疆“六横六纵”中的第三纵“阿勒泰-乌鲁木齐-库尔勒-若羌”的重要组成部分，天山胜利隧道则为该高速的“咽喉”部位，一旦贯穿将打通南疆与北疆的交通运输新路，驾车单程耗时将从7个多小时缩短至约3小时，对于推动新疆丝绸之路经济带建设、促进南疆北疆经济发展发挥着巨大的作用。
“天山胜利隧道是‘一带一路’重点项目乌尉高速的关键工程，然而，平均海拔超过3000米的天山山脉素有‘地质博物馆’之称，具有‘一长、一多、二深、五高’的特点，施工难度极高。”中交天和副总工程师、设计研发总院院长靳党鹏向中国知识产权报介绍，“一长”指隧道全长约22.1公里，约为5座南京长江大桥的总长度，是当今世界最长高速公路隧道。
“一多”是指地质断裂带多，隧道需穿越16个地质断裂带，施工难度系数大。“二深”指竖井深度，隧道的2号竖井深706米，比上海中心大厦还高出80米，是当今世界最深高速公路竖井；隧道埋深深，最大埋深达1112.2米。“五高”则为高地应力、高地震烈度、高环保要求、高寒、高海拔。谈到这里，靳党鹏举例，该地的地应力最大可达21.8兆帕，相当于人类指甲大小的岩石需承受218公斤重量，如此极端情况下极易引发隧道内部出现岩爆现象，振幅堪比四级地震的强度。在复杂的地质状况和自然环境下，传统工法很难满足施工要求。
“若采用常规的钻孔爆破方法，天山胜利隧道贯通大概需要12年。我们决定另辟蹊径，因地制宜，给这一工程寻一个‘开路先锋’。”靳党鹏介绍，负此重任的进口端“天山号”和出口端“胜利号”是为天山胜利隧道“量身定做”，拥有20余件专利，把知识产权牢牢把握在中国人自己手中。
智造助产业升级
“在深邃暗黑的城市地下，无需人工决策、手动操作，重达数千吨、长达百米以上的盾构机就能自动挖掘出一条条地铁、公路、高铁等隧道，这是未来盾构机的发展方向。”在中交天和从事无人掘进盾构研究的吴志洋博士介绍，“很多年前，国外便提过这一想法，但考虑现实难度及需要巨量数据的累积，并未成功。现在，我们积累了大量的工程实践经验，也有过硬的实力，便可以做这件事了。”
2020年3月，天山胜利隧道工程正式开工，建设者们带着雄心壮志奔赴莽莽天山。针对天山胜利隧道的具体地势情况，中交天和的研发团队采用“三洞＋四竖井”施工法，将工期缩短30％。2020年11月，位于胜利隧道出口端的“胜利号”传来捷报，完成敞开式掘进与压注混凝土工法切换，以每天10米的掘进速度完成200米断裂带压注法施工，积累了高寒高海拔复杂地质条件下新型施工经验。
“2021年7月，胜利隧道进口端迎来重大胜利，‘天山号’解决了隧道开挖的最大拦路虎，为后续掘进贯通和项目全线通车创造了条件。”中交天和党委书记张伯阳表示，众所周知，地下施工最怕坍塌、涌水突泥等难题，然而，在山体众多、断裂带核心区日涌水量高达1万立方米的挑战下，“天山号”凭借其搭载的优势技术，顺利贯穿天山胜利隧道的最大断层——F6断层（博阿断裂带），这一成果也让日夜奋战的一线工作者和研发团队人员松了一口气。截至目前，“天山号”“胜利号”已安全、高效地掘进通过了13条断裂带。“天山号”和“胜利号”保持着高昂的姿态，正以20米/天的速度向着乌尉高速天山胜利隧道全线贯通全力掘进。“天山胜利隧道工程能为我国多条规划中的超长隧道建设积累宝贵的经验。”中国工程院土木、水利与建筑工程学部主任聂建国表示，希望承建隧道工程的相关企业能够针对基建领域的关键技术问题，发挥专业特长和集体智慧，全力推动基建产业转型升级，提升中国建造的国际竞争力。
值得一提的是，由中交天和研发、拥有完全自主知识产权的超大直径硬岩竖向掘进机“首创号”也在持续助力天山胜利隧道的建设，气贯如虹地由天山之巅向着地下800米的目标掘进着，与“天山号”“胜利号”一横一纵地呼应着，一场“贯穿天山”的跨越正在实现……
“现今，盾构施工技术作为最先进长大隧道和水下隧道掘进方式之一，已被广泛应用于工程建设领域。抢占先机、迎难而上，把握科技发展的风向标是每一个创新者肩负的使命。”靳党鹏介绍，目前，中交天和的最新研发成果——地铁隧道用6米级无人掘进盾构及15米级无人化拼装盾构已现场试验成功并取得应用。未来，将继续推进创新、抢占发展高峰，实现盾构自主掘进、自主拼装一体化，进入盾构掘进无人化智能化的新时代。（叶云彤）
隧道工程
“智造”贯山河 专利筑基石
隧道施工安全技术全球专利申请情况（件）
3月5日的全国两会“代表通道”上，来自徐工集团工程机械股份有限公司的全国人大代表单增海介绍，科技创新就是要摒弃幻想，走出一条自己的自强道路，大国重器就要勇于担当，顶天立地！近年来，一批批闪亮的大国重器，正加速实现由“中国制造”到“中国智造”的跨越。
工程机械的发展水平从某种程度上衡量了一个国家装备制造业的整体发展水平，其核心竞争力就是关键技术创新。然而，隧道施工安全领域哪些是重点核心技术，不同创新主体怎样实现优势互补并促进成果转移转化，以及依附于工程建设的技术创新在“走出去”过程中如何高质量进行专利布局，这些都是相关产业备受关注的问题。
中国专利领跑全球布局
隧道施工的主要问题基本都是地质问题，主要包括来自水、岩、热、气的地质灾害。要解决上述地质灾害问题，需要上游理论研究、中游勘察设计和下游施工建设等三方合力。复杂地质灾害主要涉及岩爆、大变形、高地热、冻土、瓦斯和涌水突泥等六大技术分支领域。
全球专利申请趋势分为萌芽期、发展期和爆发期。进入2000年以来，发达国家基础设施建设已基本成熟，受全球政治经济影响，创新发展非常缓慢，而中国在相关领域异军突起，在继承经典技术基础上不断实现自主创新，开始引领发展方向。
通过专利检索后发现，上述六大技术分支在2000年之前的申请趋势表现各异；2000年之后，相关领域的专利申请量的增长主要来自中国，这与我国不断加强相关领域的自主创新和注重专利布局分不开的。
从技术细分领域看，课题组选取六种主要的复杂地质灾害类型，分别进行技术分解，其中，预测预报类技术约占相关领域专利申请总量的1/3，防控措施技术占2/3。预测预报技术中，现场预报和机理研究约占71%，超前预报技术不到30%。
进一步分析可知，隧道施工领域全球专利申请量排名前30的申请人，主要来自于中国（21位）和日本（9位），并且创新主体集中于高校、科研院所和大型国有企业。中国相关专利申请呈现方法发明多、授权率较高、主体集中于施工企业、科研院所（含高校）和勘察设计单位。可见，我国相关领域的专利申请主体呈现多元化。
核心技术筑牢安全屏障
超前地质预报技术是指利用钻探和物探等技术，探测隧道、隧洞等地下工程的岩土体开挖面前方的地质情况。2000年之前，超前地质预报技术的核心技术由西方国家掌握。之后，中国自主研发崛起，拉动进入快速发展阶段，引领专利申请量增势。其中物探法占专利申请总量的72%，其次为超前钻探技术，占比14%。
进一步分析可知，中国相关专利申请从2006年始至今一直处于技术发展期，其中物探法占专利申请总量的75%。中国基于物探法的超前地质预报技术的技术路线，其中基于地震波法的创新最为密集。目前市场上使用较多的检测仪器仪表商品或带检测仪表的设备，基于不同流派的国内外商业化检测仪器仪表众多，各有优缺点。
大变形是指围岩在环境、地应力、工程因素等作用下产生的显著塑性形变。隧道开挖后可能会存在围岩变形、洞壁位移的问题，这是相关研发机构争相研发和布局的重点领域。
从相关专利申请总量看，中日两国较为接近，但申请人类型和申请质量指标方面存在一定区别。近10年来，中国重要申请人在防控技术和预测技术两方面均有专利布局，总体上防控研究更多。防控技术领域的专利申请主体以企业为主，预测技术的专利申请主体以高校/科研院所为主。重要申请人在大变形领域具有较为密切的合作关系。
大变形防控措施技术主要分为支护技术和施工工艺两大类。其中，支护技术主要包括支护材料、支护结构。在技术实践中，支护技术与施工工艺紧密联系。
岩爆是高海拔、硬岩区隧道施工中，临空岩体发生爆炸一样的脆性断裂。岩爆全球专利申请趋势，其中上世纪八、九十年代和2014年以后出现两次高峰。近15年，中国修建了大量的超长、超深、高海拔隧道，开始对岩爆进行系统研究，成为目前全球研究岩爆最多的国家。
岩爆防控技术包括施工工法、应力释放和支护三大类，专利总量为583件；其中，支护技术占专利总量的68%。国内理论研究单位、勘察设计单位、施工建设单位均参与到这项世界级难题中。从专利申请数量看，中国科学院武汉岩土力学研究所的专利申请数量最多。
超前地质预报技术领域，专利制度对前端勘测技术保护多，后端数据处理保护少，产业化有较大空间。大变形技术领域，中日角逐中中国逐渐占据主动，产学研有较密切合作。岩爆技术领域，中国拥有绝对话语权，但专利数量与重大工程难关攻克数不匹配，产学研合作需加强。
笔者建议，伴随中国基建技术“走出去”国家战略，我国应充分发挥技术领跑者的优势，研究采取适合于隧道施工安全领域的核心技术海外知识产权保护策略。复杂地质条件下隧道施工安全领域需要上游理论、中游勘探设计、下游施工密切配合，政策层面可进一步完善产学研合作和成果转化机制。进一步完善以川藏铁路为代表的国家重大项目建设工程的知识产权成果输出机制。（国家知识产权局专利分析普及推广项目复杂地质条件下隧道施工安全技术课题组）
新型火箭
造就“动力源” 奔赴“新航程”
全国人大代表、中国航天科工航天三江集团党委书记冯杰鸿表示，关键核心技术要不来、买不来、讨不来，我们只有把科技的命脉牢牢掌握在自己手中，才能从根本上保障国计民生，在征战太空中，交出精彩答卷。
近日，据中国运载火箭技术研究院披露，我国直径10米级运载火箭贮箱已经研制完成，并于近期完成了项目结题。这是我国目前研制出的最大火箭贮箱，相较“胖五”火箭的直径为5米的贮箱，它的直径翻了近一倍，在研发过程中，团队攻克了一系列关键技术，把自主知识产权牢牢掌握在自己手中。
超大直径贮箱结构是重型火箭箭体结构的重要组成部分，其直径大小直接影响着火箭箭体直径、运载能力以及规模等。相较我国现役新一代运载火箭5米直径贮箱结构，重型运载火箭的贮箱要扩大到10米量级，尺寸及载荷大幅增加，难度不可谓不大。据了解，项目团队创新以全国大协作、集智攻关的模式，联合国内20余家优势单位，开展协同攻关，历时6年多，打通了从材料、设计、构件成形、装配焊接、试验考核的全研制链路，实现了我国运载火箭大直径贮箱设计制造技术的更新换代。此前，团队已陆续完成了该贮箱的重要组成部分——10米级贮箱瓜瓣、10米级箱底圆环等。在此过程中，团队攻克了一系列关键技术：超大规格的板材制备、超大直径贮箱结构优化设计、超大直径构件精确形性协同制造技术、超大直径箱底搅拌摩擦焊接技术、超大直径贮箱立式装配搅拌摩擦焊接技术……
中国运载火箭技术研究院重型运载火箭副主任设计师胡正根介绍，将贮箱直径扩大到10米级，看似只是直径乘2，但实际研制难度并不是成倍那么简单，过程几乎挑战了我国工业基础能力的极限，但也充分带动了先进材料、先进工艺、高端制造等相关基础工业的发展，对加速我国制造业转型升级，带动我国高端装备发展，推进制造强国建设，起到了积极的作用。
10米级箭体贮箱研制成功，是重型运载火箭关键技术攻关与方案深化论证阶段的重要成果，表明我国具备研制重型运载火箭的能力。未来，在项目团队的努力下，相信重型运载火箭将离我们越来越近。届时，我国自主进入空间能力将迈上一个大台阶，中国人探索太空的脚步也会迈得更大、更远。（陈景秋 伟童）
水电装备
抢占制高点 勇攀新高峰
针对推动我国水电产业快速发展，全国人大代表、通威集团董事局主席刘汉元表示，抽水蓄能电站的运行模式是将能量在电能和水的势能之间进行转换，利用电力系统富余电力抽水至高处储存，电力不足时放水发电，具有调峰填谷、调频、调相、储能等多种功能，是目前最成熟、度电成本最低的储能技术。
近日，哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司研制的TB（托巴）水电站首台导水机构预装、圆筒阀动作试验，顺利通过业主验收，为打造TB精品工程奠定了坚实基础。TB水电站位于云南省迪庆州维西县中路乡境内，是澜沧江干流上游河段（云南省境内）规划的第5个梯级。为了更高质量完成制造任务，哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司多部门联动攻关，负责导水机构制造的水电分厂，与技术部门多次开展技术交底，技师工作室充分借鉴以往产品的技术创新成果，与质量检测部、智能制造工艺部联动攻关，严控产品加工精度，实现了效率和质量双提升。
TB筒型阀电气液压控制系统首次采用数字阀液压同步控制系统形式，技术先进、布置美观，同时，具有现场管路连接少、电站施工及运维方便等特点。此外，该系统采用双冗余PLC控制，其同步控制最大偏差小于1毫米，高于同行业水平。
哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司副总经理李泰岭介绍，通过回顾工作经历，对比讲述了TB水电机组核心部件——导水机构、圆筒阀的技术亮点和哈电特色，并表示，后续的工作中，哈电电机将继续精心设计、精心制造、精心服务，确保高质量兑现合同，为TB电站的建设贡献哈电力量。
自1993年以来，该公司就开始专利布局，其中2016年的专利申请量最多，为179件。截至目前，该企业的专利申请量为1727件，涉及水轮发电机、水轮机、汽轮发电机、发电机、工艺方法等技术领域。相关专利技术被广泛运用在白鹤滩水电站等重大工程中。（张弘）
（编辑：刘珊）
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