盾構(gòu)“中國(guó)夢(mèng)”

張欣+夏攀

上世紀(jì)90年代中期。全長(zhǎng)256米、刀盤直徑8.8米，價(jià)值3.5億元人民幣的世界名牌、德國(guó)造“維爾特”硬巖掘進(jìn)機(jī)，在秦嶺隧道施工時(shí)發(fā)生故障。換零件？等兩年。找人修？德國(guó)專家從離家那刻起計(jì)費(fèi)，每天3000美元。

從今天回溯10年。科學(xué)家“七年磨一劍”自主研發(fā)出盾構(gòu)“心臟”——液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，想“移植”到德國(guó)產(chǎn)品“海瑞克”身上一試身手，卻屢屢碰壁。首臺(tái)“中國(guó)造”靠譜嗎？施工方打退堂鼓，不肯給新系統(tǒng)通電，多次溝通無(wú)果，科學(xué)家發(fā)脾氣撂電話。

故事或?qū)⒃诖岁┤欢?。撂下電話的是中?guó)工程院院士、浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授楊華勇。無(wú)奈之余，他只好準(zhǔn)備“給國(guó)家打報(bào)告說(shuō)項(xiàng)目做不下去了”。

誰(shuí)料峰回路轉(zhuǎn)。第二天，施工方——中鐵隧道集團(tuán)有限公司有關(guān)負(fù)責(zé)人意外松口：“可以通電！”于是，盾構(gòu)“中國(guó)夢(mèng)”的故事翻開新篇。

2009年，天津地鐵3號(hào)線營(yíng)口道至和平路標(biāo)段，首臺(tái)國(guó)產(chǎn)復(fù)合盾構(gòu)——“中鐵1號(hào)”以日掘進(jìn)22.8米的速度在“督軍街”——赤峰道下潛行。它靜悄悄經(jīng)過(guò)建筑史上的奇葩、全球獨(dú)一無(wú)二的“瓷房子”（現(xiàn)值98億），穿過(guò)張學(xué)良、段祺瑞等名人故居，幾乎檢測(cè)不到地表沉降。

同一年，國(guó)產(chǎn)直徑11.22米的“進(jìn)越號(hào)”首臺(tái)泥水盾構(gòu)為上海世博會(huì)重大配套工程——打浦路隧道復(fù)線畫了個(gè)完美的弧度：380米的最小轉(zhuǎn)彎半徑刷新世界紀(jì)錄。

2012年，楊華勇及其產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)的“盾構(gòu)裝備自主設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，將國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)攬入懷中。

國(guó)家褒獎(jiǎng)的背后，是2009年至2011年新增產(chǎn)值62.83億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)10.21億元，創(chuàng)造稅收4.25億元。

靈感源自船蛀打孔

有“工程機(jī)械之王”、“移動(dòng)式掘進(jìn)工廠”之稱的盾構(gòu)機(jī)，其設(shè)計(jì)靈感源自小小的船蛀。

1818年，僑居英國(guó)的法籍工程師布魯諾爾看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被靈感眷顧，構(gòu)建了盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)施工的原理，發(fā)明了敞開式手掘盾構(gòu)原型。

泰晤士河成了布魯諾爾的“試驗(yàn)田”。始于1825年，在經(jīng)歷了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。

現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)十足“高大上”。集土木、材料、機(jī)械、電壓、液壓、信息、控制等技術(shù)之大成。它是在護(hù)盾鋼筒結(jié)構(gòu)掩護(hù)下，能夠連續(xù)、同步實(shí)現(xiàn)切削、排碴、襯砌等隧道一體化掘進(jìn)作業(yè)的高端裝備。

回想上世紀(jì)六七十年代開挖隧道的經(jīng)典場(chǎng)面：炸藥開道，千余人赤膊揮汗，鎬锨鍬鋤齊上陣，扁擔(dān)肩扛加手推車一趟趟運(yùn)土，“工效低、事故多、傷亡大?！睏钊A勇說(shuō)，坐火車過(guò)秦嶺或襄渝線，在每個(gè)長(zhǎng)點(diǎn)兒的隧道口幾乎都看得到當(dāng)年施工人員長(zhǎng)眠的墳頭。

而由刀盤刀具系統(tǒng)、刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)與密封艙系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)和導(dǎo)向糾偏系統(tǒng)組成的現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)，工作起來(lái)“一氣呵成”。

先將后配套拖車和設(shè)備調(diào)入基坑后部，安裝始發(fā)液壓缸和始發(fā)反力托架，再將盾首吊入始發(fā)井，調(diào)整始發(fā)位置和姿態(tài)。始發(fā)液壓缸推動(dòng)盾構(gòu)進(jìn)行初始掘進(jìn)，期間測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋盾構(gòu)姿態(tài)，確保其按預(yù)設(shè)方向和軌跡掘進(jìn)。

“鋼鐵蚯蚓”吞土吐石。在刀盤擠壓和刀具切削作用下，刀盤前方土體和巖石被切割破碎，沿刀盤開口進(jìn)入密封艙，再經(jīng)螺旋輸送機(jī)排至輸送帶，而后到達(dá)盾構(gòu)機(jī)尾的礦車，運(yùn)至隧道口提升至地表，管片也可由礦車運(yùn)送到盾構(gòu)機(jī)靠近刀盤的前部分。

在切削土體時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)盾首前進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到一環(huán)管片寬度時(shí)停止，盾構(gòu)進(jìn)行管片拼裝。管片運(yùn)至拼裝機(jī)后部，拼裝機(jī)后退取管片，再回到盾體內(nèi)部進(jìn)行拼裝，管片環(huán)與環(huán)之間錯(cuò)開襯砌，一環(huán)管片分為六片，分別按照上述步驟進(jìn)行拼裝。拼裝完畢后進(jìn)行同步注漿，推進(jìn)機(jī)構(gòu)繼續(xù)向前。

在直徑6～15米的大型隧道施工現(xiàn)場(chǎng)完成如此復(fù)雜的流程，需要多少人？答案是：每班組僅需12人。

“急診醫(yī)生”要當(dāng)設(shè)計(jì)師

浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授龔國(guó)芳給《瞭望東方周刊》講了個(gè)故事：1995年，中鐵隧道集團(tuán)有限公司從德國(guó)購(gòu)買了一臺(tái)敞開式全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，用于國(guó)家“九五”重點(diǎn)工程西安安康鐵路“咽喉”秦嶺隧道的開挖。

價(jià)格超過(guò)3.5億元的一堆零部件在江南造船廠合體，成為全長(zhǎng)256米、刀盤直徑8.8米的“巨龍”。工程接近尾聲時(shí)機(jī)器“罷工”，德國(guó)專家說(shuō)要更換液壓裝置，可新裝置要兩年后才能到。

施工方把求助電話打到了浙江大學(xué)。次日，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的魏建華教授出發(fā)去了秦嶺，拆出“生病”的液壓裝置。魏建華攔了一輛上山接孕婦的救護(hù)車才得以下山，而另兩位中鐵隧道集團(tuán)的工程師硬是沿著已經(jīng)打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皚皚的大山。

魏建華“閉關(guān)”半年，終于將液壓裝置修復(fù)，德國(guó)巨龍的“心臟”重新起搏。

科研人員被迫穿山入林做盾構(gòu)“急診醫(yī)生”，其時(shí)代大背景是經(jīng)濟(jì)駛?cè)肟燔嚨赖闹袊?guó)已經(jīng)拉開基建大幕——公路、鐵路、地鐵、水利工程接連上馬，城市化建設(shè)迅速推進(jìn)。但國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)的自主研發(fā)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能支撐市場(chǎng)對(duì)盾構(gòu)的巨大需求。

于是“洋盾構(gòu)”唱起主角。1990年，上海地鐵1號(hào)線用的是七臺(tái)“法國(guó)造”；1996年二號(hào)線開工，七臺(tái)不夠，又從法國(guó)引進(jìn)兩臺(tái)。同年，延安東路隧道南線工程1300米圓形主隧道，用的是日本造直徑11.22米泥水盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。2001年后，廣州、南京、深圳、北京、天津先后從德、日引進(jìn)14臺(tái)直徑6.14米～6.34米的土壓平衡盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)地鐵隧道50千米。

“盾構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)一直被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，高昂的價(jià)格制約了盾構(gòu)的應(yīng)用，延緩了我國(guó)城市地鐵的發(fā)展，自主研制勢(shì)在必行?！睏钊A勇告訴本刊記者。

經(jīng)濟(jì)賬更能說(shuō)明問(wèn)題：?jiǎn)蝺r(jià)4000萬(wàn)至6000萬(wàn)元人民幣的地鐵盾構(gòu)機(jī)，單臺(tái)平均壽命10～15公里，一條地鐵線路有時(shí)需20臺(tái)盾構(gòu)同時(shí)施工。endprint

而處于基礎(chǔ)建設(shè)期的中國(guó)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的需求占全球50%以上。未來(lái)十年，中國(guó)還將建設(shè)隧道超過(guò)一萬(wàn)公里，新增盾構(gòu)機(jī)超過(guò)1000臺(tái)，拉動(dòng)直接投資超過(guò)一萬(wàn)億元。

2000年7月，在科技部863計(jì)劃支持下，建設(shè)部在北京組織了全國(guó)第一次針對(duì)盾構(gòu)裝備研制的大學(xué)與企業(yè)的聯(lián)合論證會(huì)?！斑@是一件應(yīng)該上升為國(guó)家戰(zhàn)略的大事?！弊鳛檎撟C專家之一的楊華勇說(shuō)。

中國(guó)合伙人

2002年，863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人主題啟動(dòng)了對(duì)盾構(gòu)項(xiàng)目的支持，多家企業(yè)和高校聯(lián)合攻關(guān)。楊華勇主持召開全國(guó)性技術(shù)論證會(huì)。從北京到杭州，從上海到廣州，會(huì)開了一個(gè)又一個(gè)，收集、匯總、分析來(lái)自國(guó)內(nèi)外隧道施工現(xiàn)場(chǎng)和制造第一線的難題。

然后是分技術(shù)包干——浙江大學(xué)負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)，中鐵隧道做刀盤刀具，上海隧道做控制系統(tǒng)和后配套系統(tǒng)……

事實(shí)上，常年“出急診”的浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)早已看清洋盾構(gòu)有“先天缺陷”——盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，工程事故占施工量的10%，其中80%是界面失穩(wěn)、裝備失效和方向失準(zhǔn)引起的。

失穩(wěn)——盾構(gòu)密封艙內(nèi)控制壓力不能與艙外隨時(shí)變化的水土壓力保持始終平衡，偶爾會(huì)導(dǎo)致地面塌陷；失效——掘進(jìn)中突變載荷對(duì)盾構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)所帶來(lái)的沖擊時(shí)常會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵部件損壞；失準(zhǔn)——糾偏滯后有時(shí)使隧道掘進(jìn)方向偏離設(shè)計(jì)軸線。

多年攻關(guān)，以浙江大學(xué)為首的973計(jì)劃科研團(tuán)隊(duì)用三個(gè)首創(chuàng)實(shí)現(xiàn)“對(duì)癥下藥”：盾構(gòu)密封艙壓力穩(wěn)定性控制技術(shù)、載荷順應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)、姿態(tài)協(xié)調(diào)性糾偏技術(shù)。

“中鐵一號(hào)”穿過(guò)天津“瓷房子”，這里的街道靜悄悄，地面沉降小于2毫米，除這一難以測(cè)量的驕人成績(jī)令國(guó)外同行大跌眼鏡外，每米掘進(jìn)成本還降低了8.3%；

“進(jìn)越號(hào)”在黃浦江底實(shí)現(xiàn)了半徑380米的轉(zhuǎn)彎，還優(yōu)雅地下穿500米長(zhǎng)的污水南干線、日暉港防汛墻、大樓樁基群和復(fù)雜地下管線。

這些是后話?；氐?1世紀(jì)頭七年，這些畫面只存在于盾構(gòu)“中國(guó)合伙人”的憧憬中。

2004年，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)想把自主研發(fā)的“中國(guó)心”換給正在上海地鐵二號(hào)線延長(zhǎng)段施工的“海瑞克”。

“遭到現(xiàn)場(chǎng)施工人員拒絕，”龔國(guó)芳回憶。原因很簡(jiǎn)單，掘進(jìn)速度和長(zhǎng)度決定工資收入，國(guó)貨“趴窩”怎么辦？

楊華勇“公關(guān)”到中鐵隧道一位副局級(jí)領(lǐng)導(dǎo)那里，仍然無(wú)果?！盎藝?guó)家863計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)，就要替國(guó)家做事?！闭?dāng)楊華勇等人黯然神傷，沒想到第二天施工現(xiàn)場(chǎng)同意通電。

上海隧道工程股份研制出整臺(tái)樣機(jī)“先行號(hào)”，也遭冷遇。最后得到時(shí)任上海市副市長(zhǎng)嚴(yán)雋琪的“背書”，“先行號(hào)”才獲準(zhǔn)試掘一個(gè)標(biāo)段。

結(jié)局皆大歡喜?！笆濉敝卮蟪删驼股?，中鐵隧道和上海隧道各做一臺(tái)盾構(gòu)模型參展。時(shí)任上海市委書記問(wèn)展臺(tái)邊的楊華勇：“有什么困難？”

“沒有訂單！”楊華勇答。

上海市領(lǐng)導(dǎo)視察了上海隧道工程股份，時(shí)任市長(zhǎng)韓正隨后也來(lái)到盾構(gòu)制造工廠。不久，上海市政府下文：不再進(jìn)口同類盾構(gòu)。

上海隧道工程股份有限公司因此一下子拿到20多臺(tái)盾構(gòu)訂單，在迎接世博會(huì)的地鐵工程中，該公司設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)占三成以上。

盾構(gòu)“國(guó)家隊(duì)”

2014年5月10日，習(xí)近平總書記考察鄭州中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司。

這位中國(guó)最高領(lǐng)導(dǎo)人說(shuō)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)，裝備制造業(yè)這個(gè)基礎(chǔ)必須打牢。裝備制造業(yè)的核心是技術(shù)創(chuàng)新，一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的核心還是技術(shù)創(chuàng)新。

“中鐵一號(hào)”靜悄悄經(jīng)過(guò)“瓷房子”，一役成名。中鐵隧道隨后拿到八臺(tái)盾構(gòu)機(jī)新訂單。此后不久，這家隧道施工行業(yè)的“大佬”孵化出獨(dú)立的中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，專門從事盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造。目前訂單編號(hào)已經(jīng)超過(guò)202臺(tái)。

僅2009～2011年國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)就達(dá)132臺(tái)，行銷國(guó)內(nèi)26個(gè)城市，并向新加坡、印度、馬來(lái)西亞、泰國(guó)和伊朗小批量出口，與英國(guó)和俄羅斯等五國(guó)簽訂了出口意向。

國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)在300多個(gè)地鐵、公路、鐵路、水利與國(guó)防等各類隧道工程施工中得到應(yīng)用。

2011年，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)已占當(dāng)年新增盾構(gòu)機(jī)的60%。預(yù)計(jì)2015年可占國(guó)內(nèi)新增市場(chǎng)的80%以上。德日產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)售價(jià)降低四分之一以上，訂單繼續(xù)劇減。

習(xí)近平登上一臺(tái)近百米長(zhǎng)的盾構(gòu)機(jī)后配套平臺(tái)，進(jìn)入小小的主控室，問(wèn)中鐵裝備設(shè)計(jì)研究總院副院長(zhǎng)蒲曉波：“這么大的一臺(tái)設(shè)備，一個(gè)人可以操作嗎？”

11年前，中鐵隧道集團(tuán)有限公司內(nèi)打算自主設(shè)計(jì)制造盾構(gòu)裝備，28名青年每人一臺(tái)筆記本電腦，加入產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)。

沒過(guò)多久，工資發(fā)不出，20人各奔前程，只剩下“八大金剛”，其中就有指著60多個(gè)實(shí)體按鈕及屏幕上的觸控按鈕，給總書記作介紹的蒲曉波。

彼時(shí)，沒人會(huì)料想到中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司——中國(guó)最大、全球第二的盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)和制造基地的誕生。2013年，中鐵裝備自主研制的世界最大矩形盾構(gòu)機(jī)，成功應(yīng)用于鄭州中州大道下穿工程，開創(chuàng)矩形盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用于市政道路建設(shè)的先河。

2013年，“鄭州造”盾構(gòu)機(jī)交貨47臺(tái)，新簽合同額21.38億元，產(chǎn)值22.52億元。

“中鐵一號(hào)”在天津一戰(zhàn)成名后，與中國(guó)中鐵同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的中國(guó)鐵建股份有限公司，2009年起在長(zhǎng)沙也開始了盾構(gòu)自主設(shè)計(jì)制造，“八大金剛”之一程永亮受邀加入新成立的中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，鐵建重工很快也與以楊華勇為首席的863、973科研團(tuán)隊(duì)對(duì)接成功。2013年，“長(zhǎng)沙造”盾構(gòu)機(jī)交貨32臺(tái)，產(chǎn)值15.83億，在手合同22.52億元。目前他們的盾構(gòu)產(chǎn)品訂單累計(jì)到了120號(hào)。

中國(guó)造，中國(guó)夢(mèng)，未完待續(xù)。endprint