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00008版:前沿周刊·大家

穿山入海 盾构逐光

——记中国工程院院士何川

  ■ 本报记者 杨一凡 周杭琪 樊成友

  共享联盟·定海 朱凯华

  通讯员 范少文

  不久前在宁波召开的首届大盾构峰会上,来自全国各地的高校学者、科研人员、工程师等800余人坐满会场。一身深色正装的何川院士身姿挺拔,鬓角间透出几缕银丝,语速沉稳有力,分享着工程一线遇到的难题、实验室的新突破,引起现场的热烈讨论。

  会场往外几十公里,甬舟铁路金塘海底隧道、甬舟高速公路金塘海底隧道的工地上盾构机正在轰鸣,工作人员坐在控制室,大盾构智驾系统远程盯控掘进状态。中铁十四局研制的“深海空间站”,这套国内首台饱和潜水带压进舱设备,啃下了海底80米深度换刀这块世界级硬骨头,刷新国内盾构带压进舱最大压力纪录。

  盾构机素有“工程机械之王”的称号,从一台机器的能力中,就能窥见一个国家地下工程装备制造的真实功底。如今,我国盾构技术已完成从跟跑、并跑到领跑的跨越,何川正是这场技术突围当中的核心人物。

  扎根复杂隧道研究,何川踏过雀儿山漫天冰雪,奔赴东海万顷波涛,一边闯过一道道工程难关,一边坚守讲台,不断培育隧道建设人才。

  学成归国,开启盾构求索

  西南交通大学九里校区何川的办公室里,来访者的目光总会被墙上与桌角两个物件吸引。

  墙上挂着一张汉代褒斜道“石门”拓片,笔墨古朴沧桑;桌边立着一台精巧的盾构机模型,金属构件细节清晰。两件物件静静相对,跨越将近两千年的隧道工程故事,在此相遇。

  两千年前,还没有火药,古人靠着火烧水激,利用岩石热胀冷缩的原理,硬生生在山体凿出石门隧道。两千年后,现代人依靠大型盾构机械,穿山入海,建起一座座过去不敢想象的超级隧道。

  “石门古道藏着古代建设者的智慧,盾构模型展现着当代的技术力量,放在一起,就像一场跨越千年的对话,时刻提醒我,要研发更实用的技术,服务国家建设。”何川教授常常对着这两件物件,和到访的后辈聊起隧道的前世今生。抽屉里,还存放着一沓沓卷边泛黄的工地踏勘笔记,密密麻麻记满各地隧道地质参数,是他跑遍大江南北留下的珍贵印记。

  1984年,何川从重庆交通学院本科毕业,考入西南交通大学攻读硕士,在麦倜曾、关宝树两位教授的引导下,一头扎进隧道工程领域。

  1994年,他获得公派留学机会,远赴日本早稻田大学。那时候,国内盾构技术几乎一片空白,大型隧道项目的盾构设备基本依靠进口。亲眼见识盾构法施工的巨大优势,何川心里生出预判:国内大规模基建时代很快会到来,盾构技术一定会成为刚需。于是他主动调转研究方向,师从国际盾构隧道专家小泉淳教授,沉下心钻研盾构的核心理论。

  2000年初,何川谢绝导师的挽留,选择回国。刚踏出浦东机场,一通来自中铁二院的电话就打了过来,咨询全域均处于富水砂卵石地层的成都能否采用盾构法修建地铁。

  当时,业内很多人并不看好在成都用盾构修地铁。有人觉得当地的地层条件复杂,盾构行不通;可如果选择明挖施工,大面积开挖不仅会破坏城市环境,还会让本就拥堵的城市交通彻底瘫痪。面对重重质疑,何川大胆提出:成都地铁全线采用盾构法建设。

  新技术落地谈何容易。为了把盾构的理念传递给工程一线,何川奔波在全国各地,参加讲座、深入工地。彼时团队刚刚起步,还没有专属实验室,他索性把自家住房腾出来,当作团队临时办公点。

  工程攻坚之外,他也同步着手学科与科研平台的拓荒,和他共事多年的地下工程系副主任仇文革对此印象很深。那时西南交通大学地下工程系刚组建,全系教师仅十余人。何川担任系主任,紧跟国内隧道建设需求,优化专业体系,队伍逐步壮大。2011年,交通隧道工程教育部重点实验室获批落地,成为衔接实验室研究与工地现场的重要纽带。

  起步阶段,磕磕绊绊是常态。盾构机刚在成都投入使用时,一个月只能掘进五六十米。何川泡在工地,跟着施工人员一遍一遍调试工艺,掘进效率快速提升。时光流转,2018年成都地铁多条线路同时进入盾构施工,创下一座城市同时投入172台盾构机作业的纪录,如今地铁运营里程稳居全球前列。

  回望二十余年风云变幻,我国已经成长为全球最大的盾构机生产、使用大国。国产盾构销往四十多个国家和地区,拿下全球三分之二的市场份额,完成了从全盘引进到反向出口的华丽转身。

  奔赴山海,深耕掘进一线

  “最好的实验室,不在高楼的房间里,而在工程现场。”

  这句话,是何川常挂在嘴边的信条。隧道工程的难题,书本不会全部给出答案,只有走到现场,触摸真实地质,看见真实工况,才能找准问题、破解难题。他和团队常年奔波,足迹遍布高原、峡谷、江海,累计行程超万公里。

  川藏线上的雀儿山,素来流传着“爬上雀儿山,鞭子打着天”的说法。主峰海拔6168米,一年有8个月被积雪覆盖,高寒缺氧,过去通行这里险象环生。2003年,何川作为预可行性研究报告评审专家组组长,带队上山开展雀儿山隧道勘察选线。

  为选择最适宜的隧址,科研人员需要多次往返徒步查看地形地貌,翻越海拔5000米以上的垭口,稀薄的空气压得人胸口发闷,每走一步都要消耗巨大体力。高原反应袭来时,他也会头痛失眠,症状稍有缓解便继续投入勘测工作。大家凭着一股韧劲,咬牙坚持,实地采集第一手地质数据。一次次踏勘、一轮轮研判,为雀儿山隧道打下扎实基础。2017年,全长7079米的雀儿山隧道通车,成为世界上4200米海拔以上长度最长、规模最大的公路隧道,十多分钟就能穿越天险,“翻越雀儿山,犹过鬼门关”的历史就此翻篇。

  交通建设的战场远不止于雪域高原,大江大河、茫茫海域,同样是一道道亟待跨越的屏障。从武汉长江隧道到南京长江隧道,再到广深港高铁狮子洋隧道,何川带领团队一头扎进这些超级工程,在水压莫测、地质复杂的“水下迷宫”里迎难而上,为我国多座大型水下隧道攻克了诸多核心技术难关。

  建设中的甬舟铁路和甬舟高速公路采用隧道方式穿越海域,连接宁波北仑与舟山金塘,金塘隧道是何川遇到难度最大的海底隧道群工程。甬舟铁路金塘隧道全长16180米,单管双线、最大埋深78米,是世界上地质条件最复杂、建设难度最大的海底铁路隧道。甬舟高速公路金塘隧道全长11591米,双管六车道,最大水压达0.9兆帕,是世界上最长的海底高速公路盾构隧道。除水土压力巨大,海床之下软硬地层交错,还要直面三条隧道间的相互影响、海水强腐蚀、超大断面、海底双向盾构对接等众多棘手难题。和早年的高铁狮子洋隧道相比,金塘项目盾构体量更大,其中公路隧道结构外径达到15.7米,断面直接扩大一半以上,风险与难度同步升级。

  单打独斗啃不动这块硬骨头,何川牵头集结国内产学研各方力量协同攻坚。装备上,国产超大直径盾构机披挂上阵,“深海空间站”解决深海带压换刀难题;结构设计上优化防腐耐久方案,把隧道设计使用寿命提升至120年;施工上改良升级我国独创的“中国法”海底对接工艺,两台盾构机可以在海底岩层内部完成解体对接,不干扰海面船舶通航;同时引入大盾构智驾系统,用海量掘进数据训练算法,把过去依赖经验的操作,转变为大数据赋能的智能掘进模式。

  “金塘海底隧道不只是浙江的工程,更是我国超级海峡隧道的试验场,为未来琼州海峡、渤海海峡等通道工程积累宝贵经验。”何川说。

  团队骨干方勇跟了何川多年,见证了无数攻坚克难的日与夜。“何老师经常通宵整理材料,深夜实验室依旧灯火通明,第二天又精神饱满开会汇报。对待工程的每一处细节都精益求精,这份态度深深感染着团队里每一个年轻人。”

  很多重大工程论证会,何川从不坐在会议室只听书面汇报,只要条件允许,必定坚持到一线实地踏勘核对数据。哪怕路途遥远、环境艰苦,他也不愿只依靠书面报告下结论。

  面对工程中不同学派、不同单位的分歧争议,他性格务实豁达,不迷信权威,只尊重实测数据与现场事实。在狮子洋隧道攻关阶段,曾出现方案分歧,他反复到海底施工现场比对研判,一遍遍推演风险,最终敲定盾构机海底对接方案。

  这份不唯书本、不唯经验,一切向工程实际看齐的行事风格,也成为整个团队刻在骨子里的科研底色。

  坚守讲台,传递筑隧薪火

  工程现场之外,三尺讲台同样是何川坚守的阵地。

  从教三十多年,他是西南交大最抢手的研究生导师之一。招生时,他不唯分数论高低,更看重学生对专业的热爱、创新思考的能力和肯坐冷板凳的韧劲。在他看来:“学生就像长短不一的五指,各有禀赋,教育就是发掘每个人的闪光点,量身定制成长路径。”

  何川的研究生面试,不是刻板的问答考试,更像一场促膝长谈。坐下来慢慢聊天,摸清学生的思考方式、理想追求。项目赶工的时候,他常常和学生在工地同吃同住,挤简易板房,一起就着盒饭讨论技术难题。每到毕业季,他还会拿起笔,为每一位学生亲笔写下满满一页评语。

  博士毕业留校工作的张力,大三时旁听何川开设的《水下隧道》课程, “我一开始只是对隧道有兴趣,何老师的课一堂堂听下来,这颗种子就像遇上了春雨,‘试试看’变成了‘非干不可’,方向一下子就清晰了。”他一路追随何川读完硕士、博士,专攻盾构隧道管片结构力学性能研究。

  何川不把学生局限在高校从事研究这条路上,他尊重每个人的职业选择。2010级直博生刘四进,毕业之后选择去往中铁十四局的施工一线。不少同门留在校园科研,他却希望深入工地,让实验室的研究真正落地。何川十分支持他的选择,鼓励他扎根现场,打通理论和工程之间的壁垒。如今,刘四进已经成长为高级工程师,奋战在大盾构建设第一线。

  “论文只有提出能够实实在在解决工程难题的方法,才更有价值。”团队成员杨文波对导师这句话记忆深刻。郭文琦在读期间,多次跟着何川奔赴各个重大工程现场,在一线调研当中找准自己的研究方向。

  从高校教授、设计院专家,到扎根工地的技术骨干,甚至全国勘察设计大师,何川培养的学生散落在隧道行业的各个岗位。

  何川对待学生既有严师的标准,也有长辈的温情。遇到学生科研走入死胡同,他不会直接给出答案,而是抛出一连串问题引导学生独立思考,锻炼他们发现问题的能力。即便平日科研、项目事务排得满满当当,他也坚持挤出时间参加组会,逐份审阅学生的研究进展。他常告诫后辈,隧道工程容不得半点虚浮,半点数据的偏差,就有可能埋下工程隐患。

  何川从不拿论文数量给学生打分,他真正期盼的,是这些年手把手带出来的年轻人,能耐得住寂寞,把根扎深,把心放稳,将来投身到国家重大工程的一线去,一棒接一棒地攻克隧道领域那些“真难题”。

  面对现在不少年轻人对土木基建行业的迷茫,何川有着理性的看法。基建行业会有发展周期起伏,但只要人类还要出行,研究和投身隧道、桥梁、地下空间建设就永远有价值。

  “我一辈子都在和‘路’打交道,不只是在修建道路隧道,也是在走好自己的人生路。”每次乘车穿行在自己参与建设的隧道之中,他总会感怀,跨海大通道、隧道智能建造还有无数难题等待破解。