2023年10月8日，超大直徑泥水平衡盾構機“京通號”正式在長沙鐵建重工下線。該盾構機主要用于京唐城際鐵路運潮減河隧道掘進施工，從只有覆土8.8米的埋地層出發(fā)，向西挖掘一條直徑13.3米、長度1285米的隧道，過程中還會經(jīng)過包括運潮減河、路縣故城遺址在內的多個復雜地段，最終在北京城市副中心站結束。
“飛天有神舟，潛海有蛟龍，追風有高鐵，入地有盾構”。中國在各個領域展示出“基建狂魔”的雄風，這其中盾構機發(fā)揮著重要的作用。不論是修建高鐵還是開通地鐵，不論是“西氣東輸”還是“南水北調”等國家重大工程，都需要盾構機勇當“開路先鋒”。
實際上，最早研發(fā)和使用盾構機的是歐美國家。在19世紀，歐美國家已經(jīng)開始用盾構機助推鐵路、地鐵等重大基礎設施建設。但現(xiàn)在，全球市場70%的盾構機是中國盾構機。很難想象，在二十年前，我國還不能生產(chǎn)盾構機。而目前，中鐵裝備、鐵建重工、三三工業(yè)、北方重工、上海隧道等企業(yè)生產(chǎn)的盾構機已經(jīng)享譽國內外。中國盾構機既是我國“基建狂魔”的生動縮影，也是新型工業(yè)化的品牌名片，更是中國工業(yè)利用自身制度優(yōu)勢實現(xiàn)趕超發(fā)達國家的深刻詮釋。那么從完全依賴進口到占世界市場絕大份額，中國盾構機這個華麗轉變是如何發(fā)生的？在攻堅克難中，有哪些創(chuàng)新發(fā)展？
被稱為“工程機械之王”的盾構機的正式名稱是全斷面隧道掘進機。之所以被稱為盾構，主要是因為使用了盾構法進行掘進。根據(jù)應用地質條件的不同，可以分為三類，分別是泥水平衡盾構機、土壓平衡盾構機和硬巖掘進機。盾構機的建造需要應用傳感、力學、機械、電氣等多種學科技術。最初，盾構機的制造原理由法國人布魯內爾提出，他在船蟲鉆孔的啟發(fā)下，提出和完善了盾構機制造的原理，1818年獲得隧道盾構專利，并采用盾構技術主持建造了世界上第一條水底隧道——泰晤士河隧道。
除了布魯內爾提出的矩形盾構外，1846年，比利時工程師毛瑟設計出一臺名為片山機的挖掘機。這是盾構機的鼻祖。1847年，英國人J.H.Greathead首次采用氣動盾構法在粘土層和含水砂層中進行施工，為現(xiàn)代盾構法施工奠定了基礎。1853年，美國人埃比尼澤·塔爾伯特申請了盾構機專利，專利名稱為“隧道掘進機”。1870年，英國人約翰·D·布魯頓研制了帶有刀盤的盾構機。1875年，法國通過法案選用英國盾構機修建英吉利海峽隧道，并于1882年在英國一側挖掘了1882米，在法國一側挖掘了1669米。然而，該工程于1883年終止，因為法國擔心英國會利用英吉利海峽隧道攻擊法國。多次實踐證明，用盾構機開挖隧道是非常高效的。
此后，盾構機被廣泛使用于各類地下掘進工作，蘇聯(lián)、德國、英國等國家普遍采用盾構機修建各種大型管道。其中，最具代表性的就是1994年開通的英吉利海峽隧道。該隧道是當時世界上最長的海底隧道。該隧道共投入11臺盾構機（英國6臺、法國5臺），施工時間長達6年，這一超級工程讓盾構機“一戰(zhàn)成名”。
相較之下，過去相當長一段時間，我國的盾構技術發(fā)展緩慢，直至1953年才開始使用盾構施工法進行各類隧道作業(yè)。真正使用盾構機是在1963年，但受資金、技術、設備等多方因素影響，當時乃至此后的相當一段時間里，盾構機也都只是技術驗證，而非真正使用。
改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，各類型鐵路、公路等基礎設施迅猛發(fā)展，尤其是城市地鐵和海底隧道也逐漸成為交通的重要方式。因此，盾構機的需求出現(xiàn)了迅猛增長，倒逼國內盾構機實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
在2009年之前，我國的盾構機幾乎都依賴進口，主要是使用德國海瑞克盾構機。在2000-2010年間，我國累計從德國、日本、美國等國家進口了價值11.6億美元的盾構機。其中最多的是德國，占到35.4%。以2002年西康鐵路使用的盾構機為例，當時中國花費了7億美元才買來2臺盾構機，平均每臺3.5億美元。當時，我們不僅無法生產(chǎn)盾構機，還不會根據(jù)實際情況維護盾構機，不得不高薪聘請專家進行指導與維修。同時，由于盾構機是針對不同隧道而設計，完成開挖后，一些核心零部件也將無法使用。這就導致我們面臨著挖一個隧道買一臺盾構機、使用一臺報廢一臺的困境。
據(jù)中國工程院院士楊華勇介紹，2001年在地下掘進作業(yè)中，使用的德國海瑞克盾構機出現(xiàn)了一點問題。由于沒人會維護盾構機，只能高薪聘請專家來維護，每天要支付3000美元的服務費。而這個維修專家僅僅只有26歲，只在中國臺北工作兩年，面對我們就變成了“專家”。在提供維修的過程中，當?shù)毓こ處熞膊辉试S介入，以防止被“偷師”。國外產(chǎn)商切切實實地從設計、生產(chǎn)、維護等多個方面卡住了我們的咽喉，我們不得不花費大量的金錢購買別人的設備、聘請海外的專家。
在巨大的市場需求和迫切的施工需要面前，自主研發(fā)生產(chǎn)盾構機，成為中國基建企業(yè)的唯一出路。
盾構機發(fā)明于法國，發(fā)展于日本、德國，卻壯大于中國。
2001年，盾構機研制被列入“863”計劃（國家高技術研究發(fā)展計劃）；2006年6月，《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》正式發(fā)布，盾構機研制被列入16項重大技術裝備之一；2007年，盾構機又被列入“973”計劃（國家重點基礎研究發(fā)展計劃）。
楊華勇長期從事電液控制基礎理論，基礎元件和系統(tǒng)，以及盾構和電梯裝備關鍵技術開發(fā)和工程應用方面的研究，形成了“理論-元件-系統(tǒng)-裝備-應用”完整的技術路線，對我國機電液裝備的自主研發(fā)作出了重要貢獻，取得了顯著的經(jīng)濟效益。
“我們要改變長期依賴國外的局面，爭取掌握自主設計制造盾構的能力，不再受制于人。”楊華勇說道。經(jīng)過兩輪十年以上的基礎研究，楊華勇團隊于2008年研制出國內首臺具有自主知識產(chǎn)權的復合盾構機，并在天津地鐵施工項目中成功應用，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了盾構機“中國設計-中國制造-中國品牌”的跨越式發(fā)展。
在國家重大科技計劃的資助下，在無數(shù)科學家前期技術積累的基礎上，在各級政府和社會各界的鼎力支持下，在巨大的城市建設需求拉動下，我國逐漸形成了具有自身特色的研發(fā)道路，不斷攻堅克難，自主創(chuàng)新，研究開發(fā)了一系列全球領先的定制化超級地下工程裝備。2002年至2008年，中鐵裝備相繼參與和承擔了5項國家“863”計劃，集中大批專家攻關復核盾構的設計與集成技術，經(jīng)過多年努力，終于突破了刀盤及刀具與液壓系統(tǒng)等核心技術。2008年，中鐵裝備成功研制了第一臺具有自主知識產(chǎn)權的“中鐵一號”盾構機，并在天津地鐵3號線建設工程中順利始發(fā)。
“中鐵一號”的首次出征是在天津地鐵3號線建設工程。天津地鐵3號線的地面有許多歷史悠久的建筑，例如張學良故居，一座用7億多片古瓷片修建而成、被譽為“中國古瓷博物館”的瓷房子。要在這樣的建筑下方挖隧道，一旦引起嚴重的地面沉降，會造成難以挽回的損失。然而“中鐵一號”成功經(jīng)受住考驗，完成項目隧道貫通，并把地面沉降控制在3毫米以內，地上建筑安然無恙。
“中鐵一號”的成功，給了中國盾構人極大的信心。研發(fā)團隊乘勝追擊，2010年，另一臺“進越號”泥水平衡盾構機通過驗收，并完成了上海世博會配套的打浦路復線隧道工程的隧道掘進任務。同一年，鐵建重工推出首臺土壓平衡盾構機“開路先鋒19號”，在長沙地鐵工程得到了成功的應用，至此，我國已經(jīng)完全具備了自主設計和制造盾構機的能力。
關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的，掌握關鍵核心技術，必須靠自力更生，靠自主創(chuàng)新。中國盾構機的創(chuàng)新歷程深刻地詮釋了這一點。
因為在盾構機自主創(chuàng)新方面的成果，中鐵工程裝備集團有限公司掘進機研究院總工程師、技術孵化中心主任賀開偉獲中國機械工業(yè)科學技術獎特等獎、中國鐵路工程總公司科學技術獎特等獎。據(jù)他分享，在設計山西太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線中的東晉隧道所需的盾構機時，他們接到任務是研制一臺直徑超過12米的盾構機，設計研發(fā)緊鑼密鼓地開展。但是在設計過半時，收到消息稱地層中存在大量粒徑620毫米左右的卵石，而此前報告顯示這些卵石粒徑只有300毫米。這就意味著前期設計的圖紙幾乎全部作廢，必須推翻重新設計。同時，由于世界上還沒有12米大直徑盾構機處理600毫米大卵石的先例，新的設計只能完全靠自己摸索。
當時，賀開偉整個研發(fā)團隊32人加班加點進行技術攻關、搶趕工期，這種高強度工作狀態(tài)持續(xù)了兩個多月。在輾轉考察了15個工地現(xiàn)場、召開多次專項研討會之后，最終敲定思路，重新設計開挖系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)，打造出直徑為12.14米、當時國內最大直徑的土壓平衡盾構機，成功地解決了各項施工難題。
該機型在整機方面實現(xiàn)了四大創(chuàng)新，填補了我國在大直徑土壓平衡盾構領域研發(fā)的空白，標志著我國真正全面掌握了超大直徑土壓平衡盾構設計與制造中的核心技術。2017年10月26日，我國首臺具有自主知識產(chǎn)權的超大直徑泥水平衡盾構機“中鐵306號”下線，打破了國外對大直徑盾構機關鍵技術的壟斷。
在盾構機的研發(fā)制造過程中，最為困難的是主驅電機。國外產(chǎn)品普遍采用三相異步電動機驅動模式來提供電力。在盾構機自主研發(fā)的進程中，中車株洲電機公司自主創(chuàng)新，借助中車的永磁技術跨界成功，實現(xiàn)了技術的突破。永磁化實現(xiàn)了動力模式的轉變，相較于三相異步電動機而言，永磁電機更小、更輕、更易于維護。2016年，全球首套永磁電機系統(tǒng)盾構機正式下線，該系統(tǒng)不僅具有節(jié)能、高效的優(yōu)點，同時還能夠適應盾構機多電機協(xié)同工作的需求，更符合盾構機的實際運行狀況。
2023年10月12日，由鐵建重工自主研制的直徑8.61米盾構機主軸承在長沙下線，這是迄今為止全球直徑最大、單體最重、承載最高的整體式盾構機主軸承。它的成功研制，標志著國產(chǎn)超大直徑主軸承研制，及產(chǎn)業(yè)化能力躋身世界領先水平，意味著盾構機主軸承取得全面國產(chǎn)化，實現(xiàn)了國產(chǎn)盾構機主軸承從中小直徑到超大直徑型譜的全覆蓋。
此前，盾構機主軸承被列入制約我國工業(yè)發(fā)展的35項“卡脖子”關鍵技術，是盾構機全產(chǎn)業(yè)鏈自主化的“最后一環(huán)”。隨著8.61米國產(chǎn)超大直徑盾構機主軸承順利下線，我國企業(yè)徹底攻克并自主掌握了盾構機主軸承全系列產(chǎn)品從設計、材料到制造、試驗全過程關鍵核心技術，使國產(chǎn)盾構機有了全系列的“中國芯”。
2023年10月17日至18日，第三屆“一帶一路”國際合作高峰論壇在北京舉行，論壇主題為“高質量共建‘一帶一路’，攜手實現(xiàn)共同發(fā)展繁榮”。近幾年，中國企業(yè)生產(chǎn)的盾構機正成為“一帶一路”新國貨。
截至2022年，國產(chǎn)盾構機在國內市場的占有率已經(jīng)超過了95%，全球市場份額也接近七成，先后出口到新加坡、印度、意大利、波蘭、日本、韓國等40多個國家和地區(qū)，完成了技術從跟跑到部分領跑、市場份額從配角到主角的歷史性轉變。“一帶一路”重點項目——印尼雅萬高鐵的隧道掘進便是采用我國自主研發(fā)的盾構機。該盾構機是東南亞最大直徑的泥水加壓平衡盾構機。
正是通過不斷的技術創(chuàng)新和卓越的工業(yè)實績，中國盾構機在世界上得到了一致好評，贏得了世界各國使用者的高度認可，成功打出了自己的名片。中鐵裝備、鐵建重工等企業(yè)也隨之成為該領域的世界知名企業(yè)。
數(shù)據(jù)顯示，中國“一帶一路”盾構機出口銷量連續(xù)三年復合增長率超過30%，累計訂單已超過100臺，市場占有率連續(xù)6年居世界第一，這還是在全球經(jīng)濟增長趨勢下行的背景之下創(chuàng)造的紀錄。隨著全球經(jīng)濟的復蘇，以及中國對世界經(jīng)濟的強力助推，市場行情會進一步變好。
中國盾構機在制造和施工方面已經(jīng)具備世界水準，甚至在多個領域實現(xiàn)了超越。中國盾構機在出口時秉承集中打包走出去的策略，不僅僅是出口一臺大型設備，還將施工技術、精細化管理、中國標準等統(tǒng)一出口，這對于打響中國盾構機品牌至關重要，也是中國裝備制造跨越式發(fā)展的重要體現(xiàn)。
中國盾構機絕不會停留在這一階段，一定會乘勢而發(fā)，一路向前。未來的中國盾構機還將朝向信息化、無人化和智能化發(fā)展。采用虛擬現(xiàn)實技術不斷進行探索，利用最先進的虛擬樣機實現(xiàn)生產(chǎn)工程師、裝配人員等一系列人員的培訓，完成售后服務、維修保養(yǎng)、操作盾構機等全套培訓內容。這將使相關人員在遇到意外情況時也可以從容應對。
從不具備生產(chǎn)、維護技能到自主研發(fā)，從研制第一臺到現(xiàn)在全球銷量第一名，從完全依賴進口到打響自身名片，中國盾構機實現(xiàn)了歷史性的跨越，成功打造了中國盾構機的金字招牌。而這一過程，用了僅僅20多年，相較于近200年的發(fā)達國家發(fā)展史，這是一個奇跡。這個奇跡是中國共產(chǎn)黨領導的中國特色社會主義制度的典型成果，是中國從制造大國向制造強國轉變的有力證據(jù)，是中國人自主創(chuàng)新，攻堅克難，解決“卡脖子”技術，將主動權牢牢把握在自己手上的經(jīng)典案例。（來源工信頭條）
