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杨华勇:见证国产盾构的逆袭之路

作者:费彬烨 时间:2016年04月22日

[人物介绍]杨华勇,无党派人士,中国工程院院士,流体传动与控制领域专家,国家重大基础研究(973)项目首席科学家,浙江大学机械工程学院教授、博士生导师。现任浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室主任,国家电液控制工程技术研究中心主任,浙江省知识界人士联谊会副会长,浙江大学党外知识分子联谊会会长。

“十几公里的隧道,人工挖掘需要十多年,但用盾构挖掘,半年不到就可以完成。”就是这种叫作“盾构”的“地老鼠”,可以24小时不断埋头掘进,将高风险、高强度、低效率的人工开挖转变为安全、高效、连续的工厂化作业,修管道、建地铁,挖掘跨越江河、洞穿大山的隧道,这些都离不开它。而实现“盾构中国设计制造”跨越式发展的技术功臣之一,便是中国工程院院士、浙江大学教授杨华勇。

一份君子之约  结缘浙江大学

1982年,杨华勇从华中科技大学(原华中工学院)液压传动与控制专业本科毕业,被分配到西南大学(原西南农业大学)农机系担任《液压传动》课程助教,两年后进入英国巴斯(Bath)大学机械系流体动力中心攻读博士学位。

“我们发现在英国高校的实验室,什么都需要自己动手做。”杨华勇回忆说,“当然也可以等实验室的工程师来帮忙,但是实验室工程师人数有限,做起事来慢条斯理,等起来非常慢。”所以杨华勇经常晚上自己去实验室熬夜做实验,谈到这件事的时候杨华勇忍不住笑出来:“那时候做实验常常会出错,时常把液压油弄得满地都是,第二天主任工程师到实验室看见所在位置后就知道谁晚上做实验了,然后就会把这件出糗的事作为笑料让大家都知道。”

英国研究生教育向来是宽进严出,当时和杨华勇一起攻读博士学位的五位同学最后只毕业了三位,而他就是其中一位。最为难得的是,在80年代,中外科研条件差距很大,出国深造后想立即回国工作的不多,但杨华勇却逆流而行,毅然回国发展扎根浙江大学,杨华勇说和浙大的缘分离不开时任浙江大学校长的路甬祥教授。

在英国留学的后两年,杨华勇就与路甬祥校长保持着书信联络。“获得博士学位后,我答应过路校长会加入浙江大学,但希望能给我两年时间做博士后的研究,因为那时候英国国家核能联合公司给我提供了一个工作机会,做核能压水堆二回路安全分析计算。”但没想到,这样的一份君子之约,被一次国际会议提前提上了议程。

1989年初,杨华勇回国探亲,路甬祥校长邀请他参加浙江大学协助筹办的第二届杭州流体传动及控制国际会议,期间他目睹了浙江大学流体传动及控制重点实验室(现已更名为流体动力与机电系统国家重点实验室)老一代学者们严谨的治学态度、博士生们刻苦钻研的工作态度,这些都深深地吸引了杨华勇,再加上路甬祥校长的盛情邀请和挽留,就在国际会议结束后的两周,杨华勇提前回国加入该重点实验室,成为了浙江大学的一名博士后研究人员。

隧道里的“急诊医生”  为盾构安上有力的“心脏”

九十年代中期,杨华勇就开始关注地下掘进装备的动向,彼时的中国特大城市正处于一个井喷式发展的进程中,但滞后的基础设施建设使得城市交通不堪重负,而人工修建地铁的进度又极其缓慢,十几公里就要挖十多年。如果不想依靠人工耗时耗力的老办法,就只能依赖进口的盾构装备。

说到“盾构”,很多人都不了解这是什么东西。通俗点说,其实就是地铁、高铁等交通建设施工中最重要的装备,是用来挖掘隧道的专用工程机械,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术,而且要根据不同的地质进行量体裁衣式的设计制造,具有可以一次性同时开挖切削土体、输送土碴、拼装管片衬砌隧道壁、测量导向纠偏等功能,是隧道工程建设中唯一有效的现代化大型复杂机电装备,有人称之为“地老鼠”,也有人称之为“大力士”。

九十年代,国内的隧道掘进装备基本都是“洋盾构”的天下,一些设计标准和产品性能难免与国内的实际地质情况相悖,使用过程中不时出现故障。那个时候杨华勇作为电液控制技术方面的专家不时在各个工地上奔波,帮助维修检测,渐渐地成了隧道里“洋盾构”的急诊医生。说起这样的事,杨华勇如数家珍,“90年代中期,上海购买的二手盾构在掘进到黄浦江中间的时候,液压泵突然坏了,尴尬地停在江底的中间,但当时外贸进口配件周期太长,而且非常昂贵,他们就找到我,希望我们帮助尽快修复,无论如何都要把这台盾构修复推过江去。”多次的维修经历,使得杨华勇逐渐认识到这一现代技术造就的“大力士”,急需实现中国设计制造,打破国外垄断,让它“入乡随俗”。

20007月,国家组织了第一次针对盾构项目的联合论证。作为论证专家,杨华勇的态度很坚定:“这是一件应该上升为国家战略的大事。”他在参与国家自然科学基金委“十五”规划《机械学发展战略研究》的撰写时,特别单列章节介绍了盾构的发展:“盾构设计技术一直被国外垄断,产品长期依赖进口,价格居高不下,制约了盾构的应用,延缓了我国城市轨道交通的快速发展,必须自主研制。”

在杨华勇的牵头下,浙江大学与中国中铁隧道集团有限公司、上海隧道工程股份有限公司、中国中铁隧道装备制造有限公司和杭州锅炉集团股份有限公司等企业开始联合攻关。一把冷板凳,就这样坐了十多年,终于捂热了。

在盾构的设计中,浙江大学主要负责的是电液控制系统,这是盾构的心脏部分,杨华勇回忆说:“其实十多年前看到这么个庞然大物,还要研究它的心脏部分,就好像揭皇榜,我们也怕,因为隧道施工一旦出事就是大事,不少资深的业内人士感叹,真是挑了个硬骨头。”

可以想见,整个过程困难重重。电液驱动和控制系统的研发是美国、德国、日本等国对外技术封锁最严重的部分,也是盾构隧道施工中出现“失稳、失准、失效”三大国际难题的根本所在。杨华勇带领他的团队与企业的技术人员一道经过数年的研究,发明了密封舱压力动态平衡控制系统,有效避免了施工掘进围堰地面的坍塌或隆起;首次提出盾构掘进系统载荷顺应性设计方法,减少了突变载荷对装备的冲击,提高了施工的速度和效率;提出了基于油缸压力检测的姿态预测性纠偏方法,成功攻克了因掘进方向失准而造成的盾构掘进偏离设计轴线较大的难题,从根本上解决了盾构国产化的技术瓶颈。

“三失”难题关键技术的成功攻克,使我国在盾构的关键技术上拥有了发言权,继欧美日之后跻身盾构设计制造领域先进国家的行列。

从无到有  实现盾构的“中国设计制造”

“研发方面的技术难题,最难的心脏部分都攻克了,但现实的困难又一一摆在眼前。”杨华勇回忆说,如何为盾构这种昂贵的大型装备找到用户,如何说服用户、使用户信任自主研发的国产盾构,成为了杨华勇及其团队最头痛的事,“谁都不敢成为第一个吃螃蟹的人。”

2003年,是一个转折的重要节点,国产盾构装备与“洋盾构”开始真刀真枪的较量。当年4月,上海地铁2号线西延伸段古北路至虹桥机场区段的隧道施工项目使用的是当时价值6000多万人民币的德国盾构,“当时这个隧道工程项目承担着国家863项目单元的技术课题,而我们是863项目的参与单位之一,负责‘洋盾构’电液单元技术的攻克,我们要把自己研制的电液系统切换到国外这台盾构上去,所有人员和装置都已经到位了,但施工方不让上。”一直以来,施工单位一直使用的都是国外的装备,根本不相信国内的东西,他们害怕一旦装备出问题,工期会延误;另外,每一个施工人员的工资和奖金都与每日的掘进量直接挂钩,如果出现问题,大装备停止挖掘,他们的收入就无法保证。考虑到他们的顾虑,杨华勇提出一个由两套装置并联的方案,如果国产装置有了闪失,立即恢复进口装置继续作业。可尽管如此,施工方还是坚持不同意。

杨华勇认为,既然拿了国家863项目的资助,就应该替国家技术攻关分忧,为此杨华勇和施工方领导进行了多次沟通,最后一次沟通的时候双方几乎到了撕破脸的地步。但第二天施工方负责人打电话同意了杨华勇的方案,总算柳暗花明。让所有人都惊喜的是,国产装置比进口的表现还要优秀,由杨华勇领导的浙江大学团队研发的盾构“心脏”,经受住了严格的工程考验。

2008年,第一台完全自主设计与制造的复合式盾构样机,用在了天津地铁3号线营口道——和平站标段施工中。说到天津这次工程应用,杨华勇笑言:“这几乎是‘骗来’的尝试,天津地铁公司不知道这次使用的盾构是全部国产的。”但所幸,国产盾构机非常争气,成功穿越了瓷房子、渤海大楼等对地表变形特别敏感的标志性建筑,所经过的地标建筑完好无损,圆满完成了该标段的隧道掘进任务。2009年,上海隧道公司和浙江大学等单位联合研制的“进越号”泥水盾构样机直径达到11.22米,圆满完成了上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线的掘进任务,创造了同等直径泥水盾构转弯半径380米的世界纪录。在杭州已建成的地铁线中,克服复杂地形,在砂性土和承压水条件下保证精准掘进的也有国产盾构。

国产盾构机的成功对“洋盾构”的垄断地位提出了挑战,以直径6.3米地铁盾构为例,原来要六千万元左右一台,有了国产货之后,价格降低到了四千多万元,却仍然保持不住市场份额。截至目前,我国自主设计制造的盾构已占国内新增市场80%以上,直径12米以下的中小型盾构几乎全是国产,形成了上海、郑州、重庆、西安等多个盾构产业化基地,实现了盾构装备自主设计和产业化批量生产与应用。“这些年我们的国产盾构开始走出国门,新加坡、马拉西亚、印度、泰国、黎巴嫩等国都在使用我国的盾构装备。‘一带一路’建设,就是要推动沿线各国实现互联互通与经济政策的协调发展,以促进资源高效配置和市场深度融合,在各项基础设施建设中尤以交通建设为重中之重,我相信中国高铁技术的飞速发展会把我们的国产盾构装备不断带出国门。”

2012年,杨华勇主持完成的“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”获得了国家科技进步一等奖,杨华勇也于次年当选为中国工程院院士,实至名归。

现如今,跟杨华勇团队合作的两家大型企业,均已跻身该行业的世界前三。与此同时,杨华勇的团队还在不断的参与研发新的装备,比如新近研制出来的两台直径为8米的硬岩掘进装备,已经出厂下线,正在吉林引水的重点工程中掘进着硬岩隧道,与国外最先进的同类装备一起比拼着进度与性能。杨华勇表示目前正在研发14米大直径泥水盾构装备,接下来就要挑战直径18米(相等于6层楼那么高)的世界之最。这些机型比我国现有的盾构更大、更长,有着更强的破岩能力,将适用于西部多岩地区的隧道掘进,促进我国公路、铁路、地铁、市政、水电等基础设施建设的日益完善。

二十多年坚守讲台 愿为人梯的引路者

科学研究和教书育人密不可分,在浙江大学的二十七个春秋,杨华勇不仅是一个科研工作者,还是一名立足三尺讲台的教书匠。作为博士生导师,杨华勇希望在浙江大学能够形成本科生与硕士生、博士生相互交流的氛围,使学生不断融入学术的大环境,深入领悟学科知识奥秘。

杨华勇在面向浙江大学2014级机能大类本科新生的专业宣讲会上说,“作为工科的学生,首先,希望大家能成为好用、管用的工程师,进而成长为工程科学家。长久以来大家以为数、理、化、天、地、生才是科学,实际上工程实践也是一门科学;其次,希望大家能够成为具有国际视野的领导型人才,引领行业方向和社会风气;最后希望大家在创新创业方面多做尝试,以专业知识和一己之力带动一方经济,造福百姓。”

而对于研究团队内的研究生,杨华勇希望他们要提升阅读量,与专业相关的文献资料,只要是能找到的,都要“啃”下去。“除课本以外大家还要努力阅读各类参考文献,注重泛读和精读相结合,同时养成做笔记的好习惯。”说到学习,杨华勇陷入深深的回忆中,“我们读本科的时候,大家的学习热情都很高,周一到周六都有课是常态,自习室和图书馆常常拥挤不堪,稍微晚到些就没座位,学校的硬件条件几乎无法承载同学们的热情。”对于工科的研究生,杨华勇还要求他的学生要深入工程现场,这样才能在实践中学会专业知识,解决工程中的实际问题。“大型施工装备往往都在野外作业,要到达现场有时要乘三、四种交通工具”杨华勇笑着说。

针对目前学生普遍缺乏创新思维的情况,杨华勇认为所谓科研活动就是要把学到的东西表达出来,要争取把高精尖的核心技术与产业链拿到中国来,同时也要学会寻找行业的短板,看准行业发展方向找准市场脉搏,才能在传承的基础上进行创新。

这么多年持之以恒的努力,杨华勇早已桃李满天下,培养的工程师不计其数,更有学生入选了国家“千人计划”。作为杨华勇的得意门生,他们有一个共同的特点,就是努力将自己所学投入到工程实践中,将中国设计制造推向全球。

(本文刊登在《中国统一战线》2016年第四期)

 

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