深瞳工作室出品
科技日報記者?矯陽 策劃 劉莉 李坤
20多年來，自主創(chuàng)新的中國盾構機從蹣跚學步，到一路向前掘進，再到跨入世界先進行列，實現(xiàn)了完美逆襲。中國盾構機品種越來越多，功能更強大，正成為暢銷海外的“新國貨”。最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至目前，中國盾構機訂單總數(shù)超過5000臺，已出廠超過4500臺，出口海外約40個國家和地區(qū)。
11月7日，在中國中鐵工程裝備集團（以下簡稱中鐵裝備）鄭州總裝車間，已通過客戶驗收的“中鐵912號”“中鐵913號”盾構機正被加緊拆裝，即將被發(fā)往新加坡。
此前不久，世界首臺綠色盾構機“中鐵1237號”從這里下線，它搭載了連續(xù)掘進技術、快速換模技術等，將出口意大利，被用于西西里島高鐵隧道建設。
這只是近年來我國盾構機大量出口的縮影。截至2023年，中國盾構機在全球市場占比達70%。
1995年，我國首次引進德國盾構機。20多年來，自主創(chuàng)新的中國盾構機從蹣跚學步，到一路向前掘進，再到跨入世界先進行列，實現(xiàn)了完美逆襲。
世界首臺礦用小轉彎盾構機“貴能1號”下線。受訪者供圖
鉆爆與TBM，兩個“拳頭”應對挑戰(zhàn)
盾構機是目前最先進的隧道開挖裝備，俗稱“鋼鐵穿山甲”，集機、電、液、信息、人工智能等高技術于一身，具有數(shù)萬個零部件。盾構機分兩種，一種用于軟土軟巖隧道，另一種用于硬巖隧道，又名TBM（硬巖掘進機）。
全世界的隧道工程，一半以上使用盾構機施工。
中國工程院院士孫永福回憶說，初識隧道掘進機，源于上世紀五十年代的教科書。
上世紀五十年代，距盾構機掘進隧道原理的提出，已過去120余年。而中國工程技術人員對隧道施工的認知，仍停留于鉆爆法。
用鉆爆法施工，需要在掌子面鉆孔、裝炸藥，然后點火、跑到角落躲好，起爆后，要迅速將支撐拱架和混凝土運至新開洞面進行支護，再用運輸工具把破碎的巖石運出去。
鉆爆法經(jīng)濟、適應性強，但掘進速度慢。直到現(xiàn)在，一條斷面直徑10米的隧道，采用鉆爆法施工，平均月掘進僅100米。
還有沒有更好的隧道施工法？
18世紀末，法國工程師布魯諾爾從船蛆鉆洞現(xiàn)象中獲得靈感，提出盾構機掘進隧道原理。船蛆是種蛤，頭部有外殼，鉆穿木板時，會分泌液體涂在孔壁上，形成堅韌的保護殼，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機法隧道，隨后盾構機被逐漸改進，并在歐洲得到廣泛使用。
“盾構機工作原理，是用一個鋼結構組件沿隧道軸線邊向前推進邊對土壤進行掘進。”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，鋼結構組件的殼體稱“盾殼”，對挖掘出、未襯砌的隧道段起臨時支護作用，承受周圍土層的土壓、地下水壓，并擋住地下水。
“盾”，即“保護”，指盾殼；“構”，即“構筑”，指管片拼裝。
一句話，即在盾殼的掩護下進行掘進、出渣、襯砌等作業(yè)。
依據(jù)地質條件，盾構機有土壓、泥水平衡等類型；依據(jù)隧道大小，分不同直徑。
上世紀八十年代，中國大地上，激蕩著改革開放的春風。
不斷涌現(xiàn)的新技術，引起黨中央、國務院的關注。中國鐵路高層領導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，看到國外掘進機月掘進高達1300米的速度，大為贊賞。
幾年后，建設秦嶺隧道時，對于是否引進世界上最先進的TBM，當時爭議很大。
1993年9月，原鐵道部在北京召開專家論證會。有專家認為，相比鉆爆法，隧道掘進機造價太高；引進隧道掘進機，以后推廣應用也很困難。在總結發(fā)言時，孫永福明確表示：“以往我們熟悉鉆爆法，這只是一個拳頭；今后如果掌握了TBM技術，我們就有兩個拳頭來應對挑戰(zhàn)。”孫永福認為，在熟練掌握TBM技術后，可以提高效率，降低造價。
要提高中國鐵路建設水平，必須吸收世界上的先進技術。經(jīng)過充分科學論證，中國鐵路高層做出重大決策，秦嶺隧道引進TBM施工，同時主導選型設計。
盾構機是典型的非標準設計的特殊產(chǎn)品，需要量身定制。針對西康鐵路秦嶺隧道的需要，原鐵道部組織設計、制造、施工方面的專家，確定了引進TBM的主要技術要求——單線電氣化鐵路，敞開式TBM刀盤直徑8.8米，單價3.5億元。
世界最大直徑硬巖盾構機在格魯吉亞KK公路項目中得以應用。 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運抵秦嶺隧道，經(jīng)安裝調試后，投入使用。
“使用TBM修建秦嶺隧道時，不論是對TBM的選型、設計、組裝、調試、操作、掘進、診斷、維護，還是對不同地質條件下TBM穿越關鍵技術，大家都非常陌生?！敝袊こ淘涸菏慷艔┝蓟貞浾f。
對秦嶺隧道TBM核心硬件和軟件技術，德國維爾特公司禁止中方技術人員接近。這是因為，當時中國已研發(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機，以及國內第一臺半斷面插刀盾構機。
“他們把中國當作極具潛力的競爭對手，始終心懷戒備。”中鐵裝備總經(jīng)理張志國說。
然而，作為推動引進TBM的決策者，孫永福目標十分清晰，那就是“我們引進TBM后，一定要盡快實現(xiàn)配件國產(chǎn)化，然后實現(xiàn)整機國產(chǎn)化”。
一場引進消化吸收再創(chuàng)新的攻堅戰(zhàn)，在秦嶺打響。
為管好、用好這臺世界最先進的TBM，原鐵道部組織施工及有關科研單位和院校，共同開展科技攻關。
作為學術帶頭人，時任石家莊鐵道學院工程機械系主任杜彥良組成科研團隊，承擔了原鐵道部有關TBM掘進技術、監(jiān)測診斷與維護保養(yǎng)技術、不良地質施工技術等一系列科研課題。僅翻譯整理，杜彥良與科研團隊就完成了1500萬字的技術文件。
時任中鐵十八局工程指揮長魏賢坤，在赴瑞士費爾區(qū)那隧道學習后，撰寫出2萬多字的《費爾區(qū)那隧道施工考察報告》，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人的科技攻關小組，平均年齡30歲。在TBM組裝過程中，科技攻關小組多次排除各種復雜電氣故障，修復各類電氣元部件。在掘進過程中，科技攻關小組針對廠家設計上的不合理問題，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，采用一種低合金結構鋼刀。經(jīng)過運轉試驗，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，但價格要低1/3。
一系列TBM施工技術及部分后配套零部件國產(chǎn)化等難題的攻克，使秦嶺隧道掘進高歌猛進，創(chuàng)造了最高月掘進528米的紀錄，平均機時利用率45%，遠遠超過國際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工程的實施奠定了重要的基礎，鍛煉培養(yǎng)了一批TBM專家、工程師和技術人員?！倍艔┝颊f。
秦嶺隧道成功引進TBM的實踐，點燃了我國企業(yè)研發(fā)、制造和推廣應用隧道掘進機的熊熊烈火。以中鐵裝備、中國鐵建重工集團股份有限公司（以下簡稱鐵建重工）和中交天和機械設備制造有限公司（以下簡稱中交天河）為代表的一大批具有競爭力的盾構機制造企業(yè)，陸續(xù)誕生。
造“國字號”，趕超“洋盾構機”
用“洋盾構機”有甜頭，但越往后問題越多。
機器維修保養(yǎng)時不許中方參加，還拉警戒線；維修進度中方說了不算，完全取決于外方……
“圖紙有問題！”一次，在加工進口盾構機一個簡單拖車鋼結構件時，中方指出了其中的錯誤。
外方設計人員開出天價服務條件，要求負責所有差旅食宿，每天咨詢費600美元。
沒有核心技術就沒有話語權。
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機！
自2002年起，科技部連續(xù)將盾構機多個關鍵技術研發(fā)列入“863”計劃。
為建設上海地鐵2號線，上海市政府決定，采用自主研制盾構機。
中鐵隧道局與上海隧道工程股份有限公司，各自組成項目團隊，依托上海地鐵2號線工程，分別承擔“863”計劃盾構機項目課題研發(fā)。
一臺盾構機零部件超過2萬個，單是控制系統(tǒng)就有2000多個控制點。
李建斌帶領中鐵隧道局項目團隊，以“掌握設備設計理念，掌握核心技術，做自主研發(fā)”為目標，深入隧道現(xiàn)場，一根根管子排查，一個個元器件核對。比較參數(shù)、核實數(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，研發(fā)團隊研究出了具有寬泛地質適應性盾構機刀盤、刀具合金鋼的熱處理方法、盾構機液壓推進系統(tǒng)與刀盤液壓驅動系統(tǒng)的集成技術等，并展開示范性應用。
2004年10月，中國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權的地鐵土壓平衡盾構機——“先行號”樣機，在上海地鐵二號線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)掘進，打破了此前“洋盾構機”壟斷地鐵施工的局面，隨后陸續(xù)應用于中國多個城市地鐵項目建設。2006年，該產(chǎn)品被列入國家重點新產(chǎn)品，并榮獲國家科學技術進步獎一等獎。
中國盾構人乘勢而上，發(fā)力新領域。
完成“先行號”關鍵技術研究后，在“863”計劃支撐下，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雜地層關鍵技術研究、復合式土壓平衡及大直徑泥水平衡等盾構機的研制與應用。
2008年，中國盾構機成果再現(xiàn)。4月，我國自主研制的首臺復合土壓平衡盾構機橫空出世，命名為“中國中鐵1號”，并在天津地鐵三號線施工項目成功應用；12月，上海打浦路復線隧道工地，一臺直徑為11.22米的國產(chǎn)大型泥水平衡盾構機“進越號”靜待發(fā)力。
作為自主創(chuàng)新跨越發(fā)展的標志性成果，“進越號”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機自主設計、制造和施工技術的盾構大國行列。
2012年，“盾構機裝備自主設計制造關鍵技術及產(chǎn)業(yè)化”科研項目，榮獲國家科學技術進步獎一等獎。
創(chuàng)新步履從未停止。
圓形盾構機，便于刀盤驅動統(tǒng)一，技術較成熟，而矩形盾構機，由于刀盤驅動統(tǒng)一協(xié)調難，尚沒有較大直徑的盾構機。李建斌團隊經(jīng)過一年多艱苦研發(fā)，攻克了異形盾構機刀盤驅動統(tǒng)一的難題，于2013年研制成功了當時世界上最大斷面的矩形盾構機，并成功應用于鄭州市中州大道下穿隧道工程。2018年度國家科學技術獎勵大會上，由中鐵裝備牽頭申報的“異形全斷面隧道掘進機設計制造關鍵技術及應用”項目，榮獲國家科學技術進步獎二等獎。
造世界最好的盾構機，向海外進發(fā)
2012年，馬來西亞為建設MRT（捷運線）項目，計劃向歐洲公司采購10臺盾構機。中鐵裝備獲悉后，下決心借此機會，將中國盾構機推向馬來西亞。
“無論怎么介紹，馬來西亞業(yè)主都無動于衷。”李建斌說，因為中國盾構沒有一單海外應用的實例。
中鐵裝備沒有放棄，他們將馬來西亞業(yè)主邀請到中國實地參觀。
“中國的盾構機發(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，被廣泛應用在中國知名大城市，性能非常好！”通過參觀一個又一個成功案例，馬來西亞業(yè)主被深深折服。
2012年，“中鐵50號”出口馬來西亞，成為中國盾構機走向海外第一單。通過針對性設計，提升設備性能，使馬來西亞一條隧道的貫通提前了43天，創(chuàng)造了當?shù)囟軜嬍┕ぜo錄，由此奠定了中國造盾構機的海外聲譽。
隨后，中鐵裝備又敲開了以高標準著稱的新加坡、意大利等30多個國家和地區(qū)的市場。
中國盾構人明白，只有不斷提升技術水平，才能走得更遠。
新加坡湯申東海岸線T221標段人行過道，需要矩形設計，中鐵裝備憑借自主研發(fā)的矩形盾構機，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上，新加坡陸路交通局湯申東海岸線負責人在報告中，分享了中鐵裝備矩形盾構式頂管機施工經(jīng)驗，對這一創(chuàng)新產(chǎn)品贊不絕口。
中國盾構機品種越來越多，功能更強大。
超大直徑，能轉彎，會爬坡，耐極寒……這些“中國品牌”盾構機，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，世界首臺挑戰(zhàn)極寒天氣的盾構機“瑪利亞號”下線。這是專為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構施工而設計的。
上世紀五六十年代，蘇聯(lián)地鐵專家?guī)椭袊?guī)劃設計了第一條地鐵——北京地鐵1號線。如今，昔日的“學生”要到俄羅斯修地鐵，很多俄羅斯人難免發(fā)出質疑。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，俄羅斯政府和建設單位考察團成員驚嘆于“中國制造”和“中國建設”的高水平，“眼見為實”的親身體驗，徹底打消了他們此前的疑問和顧慮。
2017年6月8日，中國盾構機擁有了進入俄羅斯市場的合格證。
為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構施工難題，鐵建重工研發(fā)了5臺直徑為6.25米的盾構機，并以俄羅斯家喻戶曉的熱播劇《爸爸的女兒們》中5個女兒命名，分別為瑪利亞、達利亞、耶甫蓋寧、加麗娜和波麗娜，從2018年6月至2019年1月，5臺盾構機在莫斯科西南部完成掘進始發(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嫏C，作為掘進機行業(yè)唯一代表，入選此次展覽。
潮平兩岸闊，風正一帆懸。
2014年5月10日，習近平總書記在河南考察中鐵工程裝備集團時提出，推動中國制造向中國創(chuàng)造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉變。
中國科研人員以自身的豪情，踐行著“三個轉變”，使中國大盾構機從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強，逆襲成為在世界上響當當?shù)摹爸袊放啤薄?/p>
最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至目前，中國盾構機訂單總數(shù)超過5000臺，已出廠超過4500臺，出口海外約40個國家和地區(qū)。
“中國盾構機百花盛開的春天已經(jīng)來臨，中國盾構機大國的地位已經(jīng)確立，中國盾構機強國的地位正在確立！”對中國大盾構機發(fā)展的光輝歷程，中國工程院院士、2018年度國家最高科學技術獎獲得者錢七虎說。
