深瞳工作室出品
科技日報(bào)記者 矯陽 策劃 劉莉 李坤
20多年來，自主創(chuàng)新的中國盾構(gòu)機(jī)從蹣跚學(xué)步，到一路向前掘進(jìn)，再到跨入世界先進(jìn)行列，實(shí)現(xiàn)了完美逆襲。中國盾構(gòu)機(jī)品種越來越多，功能更強(qiáng)大，正成為暢銷海外的“新國貨”。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至目前，中國盾構(gòu)機(jī)訂單總數(shù)超過5000臺(tái)，已出廠超過4500臺(tái)，出口海外約40個(gè)國家和地區(qū)。
11月7日，在中國中鐵工程裝備集團(tuán)（以下簡稱中鐵裝備）鄭州總裝車間，已通過客戶驗(yàn)收的“中鐵912號”“中鐵913號”盾構(gòu)機(jī)正被加緊拆裝，即將被發(fā)往新加坡。
此前不久，世界首臺(tái)綠色盾構(gòu)機(jī)“中鐵1237號”從這里下線，它搭載了連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)、快速換模技術(shù)等，將出口意大利，被用于西西里島高鐵隧道建設(shè)。
這只是近年來我國盾構(gòu)機(jī)大量出口的縮影。截至2023年，中國盾構(gòu)機(jī)在全球市場占比達(dá)70%。
1995年，我國首次引進(jìn)德國盾構(gòu)機(jī)。20多年來，自主創(chuàng)新的中國盾構(gòu)機(jī)從蹣跚學(xué)步，到一路向前掘進(jìn)，再到跨入世界先進(jìn)行列，實(shí)現(xiàn)了完美逆襲。
世界首臺(tái)礦用小轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)機(jī)“貴能1號”下線。受訪者供圖
鉆爆與TBM，兩個(gè)“拳頭”應(yīng)對挑戰(zhàn)
盾構(gòu)機(jī)是目前最先進(jìn)的隧道開挖裝備，俗稱“鋼鐵穿山甲”，集機(jī)、電、液、信息、人工智能等高技術(shù)于一身，具有數(shù)萬個(gè)零部件。盾構(gòu)機(jī)分兩種，一種用于軟土軟巖隧道，另一種用于硬巖隧道，又名TBM（硬巖掘進(jìn)機(jī)）。
全世界的隧道工程，一半以上使用盾構(gòu)機(jī)施工。
中國工程院院士孫永?；貞浾f，初識隧道掘進(jìn)機(jī)，源于上世紀(jì)五十年代的教科書。
上世紀(jì)五十年代，距盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道原理的提出，已過去120余年。而中國工程技術(shù)人員對隧道施工的認(rèn)知，仍停留于鉆爆法。
用鉆爆法施工，需要在掌子面鉆孔、裝炸藥，然后點(diǎn)火、跑到角落躲好，起爆后，要迅速將支撐拱架和混凝土運(yùn)至新開洞面進(jìn)行支護(hù)，再用運(yùn)輸工具把破碎的巖石運(yùn)出去。
鉆爆法經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)，但掘進(jìn)速度慢。直到現(xiàn)在，一條斷面直徑10米的隧道，采用鉆爆法施工，平均月掘進(jìn)僅100米。
還有沒有更好的隧道施工法？
18世紀(jì)末，法國工程師布魯諾爾從船蛆鉆洞現(xiàn)象中獲得靈感，提出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道原理。船蛆是種蛤，頭部有外殼，鉆穿木板時(shí)，會(huì)分泌液體涂在孔壁上，形成堅(jiān)韌的保護(hù)殼，抵抗木板潮濕后的膨脹，以防被壓扁。
1825年，在倫敦泰晤士河下方，布魯諾爾修建了世界第一條盾構(gòu)機(jī)法隧道，隨后盾構(gòu)機(jī)被逐漸改進(jìn)，并在歐洲得到廣泛使用。
“盾構(gòu)機(jī)工作原理，是用一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)組件沿隧道軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行掘進(jìn)。”中國中鐵高級專家，原中鐵裝備黨委書記、董事長李建斌解釋說，鋼結(jié)構(gòu)組件的殼體稱“盾殼”，對挖掘出、未襯砌的隧道段起臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍土層的土壓、地下水壓，并擋住地下水。
“盾”，即“保護(hù)”，指盾殼；“構(gòu)”，即“構(gòu)筑”，指管片拼裝。
一句話，即在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)、出渣、襯砌等作業(yè)。
依據(jù)地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)有土壓、泥水平衡等類型；依據(jù)隧道大小，分不同直徑。
上世紀(jì)八十年代，中國大地上，激蕩著改革開放的春風(fēng)。
不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)，引起黨中央、國務(wù)院的關(guān)注。中國鐵路高層領(lǐng)導(dǎo)也在思考如何使鐵路隧道施工趕上或接近世界水平。
1987年，時(shí)任鐵道部副部長的孫永福，在考察由意大利公司承建的甘肅引大入秦水利工程時(shí)，看到國外掘進(jìn)機(jī)月掘進(jìn)高達(dá)1300米的速度，大為贊賞。
幾年后，建設(shè)秦嶺隧道時(shí)，對于是否引進(jìn)世界上最先進(jìn)的TBM，當(dāng)時(shí)爭議很大。
1993年9月，原鐵道部在北京召開專家論證會(huì)。有專家認(rèn)為，相比鉆爆法，隧道掘進(jìn)機(jī)造價(jià)太高；引進(jìn)隧道掘進(jìn)機(jī)，以后推廣應(yīng)用也很困難。在總結(jié)發(fā)言時(shí)，孫永福明確表示：“以往我們熟悉鉆爆法，這只是一個(gè)拳頭；今后如果掌握了TBM技術(shù)，我們就有兩個(gè)拳頭來應(yīng)對挑戰(zhàn)?！睂O永福認(rèn)為，在熟練掌握TBM技術(shù)后，可以提高效率，降低造價(jià)。
要提高中國鐵路建設(shè)水平，必須吸收世界上的先進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過充分科學(xué)論證，中國鐵路高層做出重大決策，秦嶺隧道引進(jìn)TBM施工，同時(shí)主導(dǎo)選型設(shè)計(jì)。
盾構(gòu)機(jī)是典型的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的特殊產(chǎn)品，需要量身定制。針對西康鐵路秦嶺隧道的需要，原鐵道部組織設(shè)計(jì)、制造、施工方面的專家，確定了引進(jìn)TBM的主要技術(shù)要求——單線電氣化鐵路，敞開式TBM刀盤直徑8.8米，單價(jià)3.5億元。
世界最大直徑硬巖盾構(gòu)機(jī)在格魯吉亞KK公路項(xiàng)目中得以應(yīng)用。 受訪者供圖
秦嶺隧道，鍛煉培養(yǎng)出一批專家
1997年7月，全長256米的德國TBM運(yùn)抵秦嶺隧道，經(jīng)安裝調(diào)試后，投入使用。
“使用TBM修建秦嶺隧道時(shí)，不論是對TBM的選型、設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試、操作、掘進(jìn)、診斷、維護(hù)，還是對不同地質(zhì)條件下TBM穿越關(guān)鍵技術(shù)，大家都非常陌生。”中國工程院院士杜彥良回憶說。
對秦嶺隧道TBM核心硬件和軟件技術(shù)，德國維爾特公司禁止中方技術(shù)人員接近。這是因?yàn)椋?dāng)時(shí)中國已研發(fā)出直徑為4.35米、專門克服軟土地基的泥水式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，以及國內(nèi)第一臺(tái)半斷面插刀盾構(gòu)機(jī)。
“他們把中國當(dāng)作極具潛力的競爭對手，始終心懷戒備?！敝需F裝備總經(jīng)理張志國說。
然而，作為推動(dòng)引進(jìn)TBM的決策者，孫永福目標(biāo)十分清晰，那就是“我們引進(jìn)TBM后，一定要盡快實(shí)現(xiàn)配件國產(chǎn)化，然后實(shí)現(xiàn)整機(jī)國產(chǎn)化”。
一場引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的攻堅(jiān)戰(zhàn)，在秦嶺打響。
為管好、用好這臺(tái)世界最先進(jìn)的TBM，原鐵道部組織施工及有關(guān)科研單位和院校，共同開展科技攻關(guān)。
作為學(xué)術(shù)帶頭人，時(shí)任石家莊鐵道學(xué)院工程機(jī)械系主任杜彥良組成科研團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了原鐵道部有關(guān)TBM掘進(jìn)技術(shù)、監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)、不良地質(zhì)施工技術(shù)等一系列科研課題。僅翻譯整理，杜彥良與科研團(tuán)隊(duì)就完成了1500萬字的技術(shù)文件。
時(shí)任中鐵十八局工程指揮長魏賢坤，在赴瑞士費(fèi)爾區(qū)那隧道學(xué)習(xí)后，撰寫出2萬多字的《費(fèi)爾區(qū)那隧道施工考察報(bào)告》，對秦嶺隧道TBM施工起到了重要參考作用。
中鐵隧道局組成了10人的科技攻關(guān)小組，平均年齡30歲。在TBM組裝過程中，科技攻關(guān)小組多次排除各種復(fù)雜電氣故障，修復(fù)各類電氣元部件。在掘進(jìn)過程中，科技攻關(guān)小組針對廠家設(shè)計(jì)上的不合理問題，多次向德國專家提出修正意見，并被采納。
直徑432毫米的大推力盤形滾刀刀圈經(jīng)常損壞，需要更換。我國科研單位聯(lián)合攻關(guān)，采用一種低合金結(jié)構(gòu)鋼刀。經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，在磨損率和使用壽命方面，其與德國維爾特公司產(chǎn)品持平，但價(jià)格要低1/3。
一系列TBM施工技術(shù)及部分后配套零部件國產(chǎn)化等難題的攻克，使秦嶺隧道掘進(jìn)高歌猛進(jìn)，創(chuàng)造了最高月掘進(jìn)528米的紀(jì)錄，平均機(jī)時(shí)利用率45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際40%的平均水平。
1999年9月6日，秦嶺隧道貫通。
“秦嶺隧道開創(chuàng)性的工作和科研成果，為我國后續(xù)其他TBM工程的實(shí)施奠定了重要的基礎(chǔ)，鍛煉培養(yǎng)了一批TBM專家、工程師和技術(shù)人員?！倍艔┝颊f。
秦嶺隧道成功引進(jìn)TBM的實(shí)踐，點(diǎn)燃了我國企業(yè)研發(fā)、制造和推廣應(yīng)用隧道掘進(jìn)機(jī)的熊熊烈火。以中鐵裝備、中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱鐵建重工）和中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司（以下簡稱中交天河）為代表的一大批具有競爭力的盾構(gòu)機(jī)制造企業(yè)，陸續(xù)誕生。
造“國字號”，趕超“洋盾構(gòu)機(jī)”
用“洋盾構(gòu)機(jī)”有甜頭，但越往后問題越多。
機(jī)器維修保養(yǎng)時(shí)不許中方參加，還拉警戒線；維修進(jìn)度中方說了不算，完全取決于外方……
“圖紙有問題！”一次，在加工進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)一個(gè)簡單拖車鋼結(jié)構(gòu)件時(shí)，中方指出了其中的錯(cuò)誤。
外方設(shè)計(jì)人員開出天價(jià)服務(wù)條件，要求負(fù)責(zé)所有差旅食宿，每天咨詢費(fèi)600美元。
沒有核心技術(shù)就沒有話語權(quán)。
2000年初，中鐵隧道局做出超前的、具有重大意義的決定——造中國人自己的盾構(gòu)機(jī)！
自2002年起，科技部連續(xù)將盾構(gòu)機(jī)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)列入“863”計(jì)劃。
為建設(shè)上海地鐵2號線，上海市政府決定，采用自主研制盾構(gòu)機(jī)。
中鐵隧道局與上海隧道工程股份有限公司，各自組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，依托上海地鐵2號線工程，分別承擔(dān)“863”計(jì)劃盾構(gòu)機(jī)項(xiàng)目課題研發(fā)。
一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)零部件超過2萬個(gè)，單是控制系統(tǒng)就有2000多個(gè)控制點(diǎn)。
李建斌帶領(lǐng)中鐵隧道局項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，以“掌握設(shè)備設(shè)計(jì)理念，掌握核心技術(shù)，做自主研發(fā)”為目標(biāo)，深入隧道現(xiàn)場，一根根管子排查，一個(gè)個(gè)元器件核對。比較參數(shù)、核實(shí)數(shù)據(jù)、查閱資料，經(jīng)常奮戰(zhàn)到凌晨。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。
經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究出了具有寬泛地質(zhì)適應(yīng)性盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具合金鋼的熱處理方法、盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)與刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成技術(shù)等，并展開示范性應(yīng)用。
2004年10月，中國首臺(tái)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的地鐵土壓平衡盾構(gòu)機(jī)——“先行號”樣機(jī)，在上海地鐵二號線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)掘進(jìn)，打破了此前“洋盾構(gòu)機(jī)”壟斷地鐵施工的局面，隨后陸續(xù)應(yīng)用于中國多個(gè)城市地鐵項(xiàng)目建設(shè)。2006年，該產(chǎn)品被列入國家重點(diǎn)新產(chǎn)品，并榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
中國盾構(gòu)人乘勢而上，發(fā)力新領(lǐng)域。
完成“先行號”關(guān)鍵技術(shù)研究后，在“863”計(jì)劃支撐下，中鐵隧道局與上海隧道工程股份有限公司再接再厲，又相繼完成了砂礫復(fù)雜地層關(guān)鍵技術(shù)研究、復(fù)合式土壓平衡及大直徑泥水平衡等盾構(gòu)機(jī)的研制與應(yīng)用。
2008年，中國盾構(gòu)機(jī)成果再現(xiàn)。4月，我國自主研制的首臺(tái)復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)橫空出世，命名為“中國中鐵1號”，并在天津地鐵三號線施工項(xiàng)目成功應(yīng)用；12月，上海打浦路復(fù)線隧道工地，一臺(tái)直徑為11.22米的國產(chǎn)大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“進(jìn)越號”靜待發(fā)力。
作為自主創(chuàng)新跨越發(fā)展的標(biāo)志性成果，“進(jìn)越號”成功入選“十一五”國家重大科技成就展。從此，中國步入了具備大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)自主設(shè)計(jì)、制造和施工技術(shù)的盾構(gòu)大國行列。
2012年，“盾構(gòu)機(jī)裝備自主設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”科研項(xiàng)目，榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
創(chuàng)新步履從未停止。
圓形盾構(gòu)機(jī)，便于刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一，技術(shù)較成熟，而矩形盾構(gòu)機(jī)，由于刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)難，尚沒有較大直徑的盾構(gòu)機(jī)。李建斌團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一年多艱苦研發(fā)，攻克了異形盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一的難題，于2013年研制成功了當(dāng)時(shí)世界上最大斷面的矩形盾構(gòu)機(jī)，并成功應(yīng)用于鄭州市中州大道下穿隧道工程。2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由中鐵裝備牽頭申報(bào)的“異形全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
造世界最好的盾構(gòu)機(jī)，向海外進(jìn)發(fā)
2012年，馬來西亞為建設(shè)MRT（捷運(yùn)線）項(xiàng)目，計(jì)劃向歐洲公司采購10臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。中鐵裝備獲悉后，下決心借此機(jī)會(huì)，將中國盾構(gòu)機(jī)推向馬來西亞。
“無論怎么介紹，馬來西亞業(yè)主都無動(dòng)于衷。”李建斌說，因?yàn)橹袊軜?gòu)沒有一單海外應(yīng)用的實(shí)例。
中鐵裝備沒有放棄，他們將馬來西亞業(yè)主邀請到中國實(shí)地參觀。
“中國的盾構(gòu)機(jī)發(fā)展速度令人驚奇！我們看到了中鐵裝備的制造能力，中鐵裝備制造的盾構(gòu)，被廣泛應(yīng)用在中國知名大城市，性能非常好！”通過參觀一個(gè)又一個(gè)成功案例，馬來西亞業(yè)主被深深折服。
2012年，“中鐵50號”出口馬來西亞，成為中國盾構(gòu)機(jī)走向海外第一單。通過針對性設(shè)計(jì)，提升設(shè)備性能，使馬來西亞一條隧道的貫通提前了43天，創(chuàng)造了當(dāng)?shù)囟軜?gòu)施工紀(jì)錄，由此奠定了中國造盾構(gòu)機(jī)的海外聲譽(yù)。
隨后，中鐵裝備又敲開了以高標(biāo)準(zhǔn)著稱的新加坡、意大利等30多個(gè)國家和地區(qū)的市場。
中國盾構(gòu)人明白，只有不斷提升技術(shù)水平，才能走得更遠(yuǎn)。
新加坡湯申東海岸線T221標(biāo)段人行過道，需要矩形設(shè)計(jì)，中鐵裝備憑借自主研發(fā)的矩形盾構(gòu)機(jī)，獲得了這一訂單。2017年3月27日，在新加坡第三屆城市地下空間和隧道大會(huì)上，新加坡陸路交通局湯申東海岸線負(fù)責(zé)人在報(bào)告中，分享了中鐵裝備矩形盾構(gòu)式頂管機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，對這一創(chuàng)新產(chǎn)品贊不絕口。
中國盾構(gòu)機(jī)品種越來越多，功能更強(qiáng)大。
超大直徑，能轉(zhuǎn)彎，會(huì)爬坡，耐極寒……這些“中國品牌”盾構(gòu)機(jī)，正成為暢銷海外的“新國貨”。
2017年7月3日，碧空萬里，艷陽高照，在鐵建重工總部長沙，世界首臺(tái)挑戰(zhàn)極寒天氣的盾構(gòu)機(jī)“瑪利亞號”下線。這是專為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構(gòu)施工而設(shè)計(jì)的。
上世紀(jì)五六十年代，蘇聯(lián)地鐵專家?guī)椭袊?guī)劃設(shè)計(jì)了第一條地鐵——北京地鐵1號線。如今，昔日的“學(xué)生”要到俄羅斯修地鐵，很多俄羅斯人難免發(fā)出質(zhì)疑。鐵建重工真誠邀請了俄羅斯專家到中國考察。在北京地鐵8號線工地，俄羅斯政府和建設(shè)單位考察團(tuán)成員驚嘆于“中國制造”和“中國建設(shè)”的高水平，“眼見為實(shí)”的親身體驗(yàn)，徹底打消了他們此前的疑問和顧慮。
2017年6月8日，中國盾構(gòu)機(jī)擁有了進(jìn)入俄羅斯市場的合格證。
為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構(gòu)施工難題，鐵建重工研發(fā)了5臺(tái)直徑為6.25米的盾構(gòu)機(jī)，并以俄羅斯家喻戶曉的熱播劇《爸爸的女兒們》中5個(gè)女兒命名，分別為瑪利亞、達(dá)利亞、耶甫蓋寧、加麗娜和波麗娜，從2018年6月至2019年1月，5臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在莫斯科西南部完成掘進(jìn)始發(fā)。
2018年11月13日，北京，國家博物館?！皞ゴ蟮淖兏铩獞c祝改革開放40周年大型展覽”開展?！凹欲惸忍枴蓖翂浩胶舛軜?gòu)機(jī)，作為掘進(jìn)機(jī)行業(yè)唯一代表，入選此次展覽。
潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸。
2014年5月10日，習(xí)近平總書記在河南考察中鐵工程裝備集團(tuán)時(shí)提出，推動(dòng)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變。
中國科研人員以自身的豪情，踐行著“三個(gè)轉(zhuǎn)變”，使中國大盾構(gòu)機(jī)從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強(qiáng)，逆襲成為在世界上響當(dāng)當(dāng)?shù)摹爸袊放啤薄?/p>
最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至目前，中國盾構(gòu)機(jī)訂單總數(shù)超過5000臺(tái)，已出廠超過4500臺(tái)，出口海外約40個(gè)國家和地區(qū)。
“中國盾構(gòu)機(jī)百花盛開的春天已經(jīng)來臨，中國盾構(gòu)機(jī)大國的地位已經(jīng)確立，中國盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)國的地位正在確立！”對中國大盾構(gòu)機(jī)發(fā)展的光輝歷程，中國工程院院士、2018年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者錢七虎說。
