中國(guó)盾構(gòu)是怎樣“煉”成的

“飛天有神舟，潛海有蛟龍，追風(fēng)有高鐵，入地有盾構(gòu)”，我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得的多項(xiàng)重大突破令人振奮。盾構(gòu)機(jī)是一種全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)?！岸軜?gòu)”之“盾”，是指在一段鋼筒的保護(hù)下，完成隧道掘進(jìn)與排渣，而“構(gòu)”則是指在掘進(jìn)、排渣的同時(shí)，用預(yù)制混凝土管片，構(gòu)建起隧道的堅(jiān)實(shí)壁面。因此，盾構(gòu)機(jī)被稱(chēng)為“世界工程機(jī)械之王”，廣泛應(yīng)用于地鐵和高鐵、公路、市政、水電等隧道工程建設(shè)。

盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)國(guó)家綜合制造能力的體現(xiàn)，是名副其實(shí)的大國(guó)重器。然而，由于不掌握核心技術(shù)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的盾構(gòu)機(jī)只能依賴(lài)進(jìn)口，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障就只能停工，花高價(jià)請(qǐng)國(guó)外工程師來(lái)維修，每天都要承受近百萬(wàn)元的損失。2006年，國(guó)務(wù)院正式將盾構(gòu)機(jī)的研制列入16項(xiàng)重大技術(shù)裝備之一。2008年，我國(guó)第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正式下線(xiàn)。2017年，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)的產(chǎn)銷(xiāo)量攀升至全球第一。在國(guó)際上越來(lái)越多的工程項(xiàng)目、施工現(xiàn)場(chǎng)，都可以看到中國(guó)盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的雄姿。從無(wú)到有，從模仿學(xué)習(xí)到與外國(guó)知名品牌同臺(tái)競(jìng)技，短短10多年，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)完成了看似不可能的跨越。

盾構(gòu)為什么是大國(guó)重器

盾構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電液裝備，是把一個(gè)移動(dòng)的工廠(chǎng)搬到地下去，它在一個(gè)鋼筒里，同時(shí)完成掘進(jìn)、排渣和襯砌，把分散的流程集成在一起同時(shí)完成。目前為止，盾構(gòu)直徑最大達(dá)到17米，這樣一臺(tái)裝備最貴的要超過(guò)5億元人民幣。

我國(guó)目前是全球使用盾構(gòu)裝備最多的國(guó)家，因?yàn)槲覈?guó)處在工業(yè)化的后期，同時(shí)處在城市化的中期，所以有大量隧道的建造需求，各種隧道施工都離不開(kāi)盾構(gòu)。預(yù)計(jì)在未來(lái)的15年內(nèi)，中國(guó)的高鐵密度還會(huì)增加1倍，總長(zhǎng)度從現(xiàn)在的3.5萬(wàn)公里增加到7萬(wàn)公里;高速公路也會(huì)延伸，網(wǎng)絡(luò)的密度還會(huì)增加，因?yàn)榭h縣都希望通高速。還有南水北調(diào)、西氣東輸、市政管線(xiàn)、國(guó)防工程、水利工程等隧道的施工，都離不開(kāi)盾構(gòu)裝備。目前我國(guó)在用的盾構(gòu)超過(guò)3000臺(tái)，因?yàn)楹贾菰谟觼嗊\(yùn)會(huì)，整個(gè)杭州就有300臺(tái)盾構(gòu)在施工，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)裝備的市場(chǎng)需求非常旺盛。

中國(guó)也能自主設(shè)計(jì)制造盾構(gòu)

十幾年前，中國(guó)還不能自主設(shè)計(jì)盾構(gòu)，當(dāng)時(shí)我們是完全依賴(lài)國(guó)外的裝備，從歐洲、美國(guó)、日本引進(jìn)各種品牌的盾構(gòu)。國(guó)外的盾構(gòu)在中國(guó)各個(gè)城市做地鐵施工的時(shí)候，也發(fā)生各種各樣的事故，地面塌陷、房屋傾斜也很多。當(dāng)年我們解決不了裝備的故障或者事故，都要依賴(lài)國(guó)外的專(zhuān)家。我就親身經(jīng)歷過(guò)一次，2001年在廣州，德國(guó)一個(gè)海瑞克盾構(gòu)在運(yùn)行掘進(jìn)過(guò)程中遇到故障，只能停工，整個(gè)工程都在等待一個(gè)德國(guó)來(lái)的專(zhuān)家。我當(dāng)時(shí)也好奇，想看看德國(guó)的專(zhuān)家水平有多高。我們等了很久，等我看到德國(guó)專(zhuān)家的時(shí)候，很詫異，因?yàn)槲乙?jiàn)到的是一個(gè)26歲的來(lái)自哥倫比亞的工程師，而這個(gè)工程師只是在臺(tái)北工作過(guò)兩年以后，被德國(guó)海瑞克公司聘任為現(xiàn)場(chǎng)工程師，到了大陸就變成了專(zhuān)家。從他離開(kāi)家門(mén)開(kāi)始計(jì)算，每天要付3000美金的服務(wù)費(fèi)，而他在整個(gè)維修過(guò)程當(dāng)中，不允許當(dāng)?shù)氐墓こ處熃槿搿?/p>

隨著鐵路、公路、地鐵、水利、海底隧道等大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，我國(guó)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的需求占到了全球60%以上。我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件又極其復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)使用遇到的問(wèn)題是世界上最多最難的，諸多不同地質(zhì)條件下的施工技術(shù)難題亟須突破，而核心技術(shù)的缺失、高昂的成本，讓我國(guó)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，在盾構(gòu)機(jī)的使用上，處處受制于人，自主研發(fā)和生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)成為擺在我們面前別無(wú)選擇的唯一出路。

2007年我們研制了中國(guó)首臺(tái)套復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，它是從頭到尾都由我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的。當(dāng)時(shí)研制完成后，在河南新鄉(xiāng)的車(chē)間里面放了一年，因?yàn)槲覀冋也坏焦さ貋?lái)驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)的首臺(tái)套設(shè)備。

誰(shuí)都不愿意第一個(gè)吃螃蟹，每一條地鐵線(xiàn)都很關(guān)鍵，我們?cè)缙谧隹蒲械臅r(shí)候，科研體系都支持，但是在施工體系，建委、地鐵公司、施工隊(duì)誰(shuí)也不愿意第一個(gè)來(lái)試用。因?yàn)楝F(xiàn)在每一個(gè)打隧道的班組，他們的業(yè)績(jī)和收入完全以每天掘進(jìn)的量來(lái)判斷，所以任何人都不敢去作決策。

后來(lái)有一個(gè)機(jī)會(huì)，我們這臺(tái)盾構(gòu)跟德國(guó)盾構(gòu)一起在天津一個(gè)老城區(qū)掘進(jìn)。這一條線(xiàn)上的地面結(jié)構(gòu)是老城區(qū)，有很多古建筑，其中包括張學(xué)良故居和有名的瓷房子，還有一個(gè)博物館。尤其是瓷房子，它造價(jià)很高，保費(fèi)也非常高。盾構(gòu)掘進(jìn)隧道要從瓷房子下面穿過(guò)，如果地表下沉量控制不好，這樣一座建筑就會(huì)產(chǎn)生裂痕，賠償金會(huì)很多，所以當(dāng)時(shí)大家非常緊張。結(jié)果幾個(gè)月施工下來(lái)，我們的設(shè)備安全穿過(guò)這些文物古建筑，地表的下沉量完全優(yōu)于國(guó)外同等的盾構(gòu)，這臺(tái)盾構(gòu)一戰(zhàn)成名。后來(lái)，制造這臺(tái)盾構(gòu)的中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司一下就拿到了8臺(tái)的訂單，我們國(guó)產(chǎn)化的盾構(gòu)批量生產(chǎn)就開(kāi)始起步。

最近10年，中國(guó)掀起城市化高潮，地鐵盾構(gòu)需求很大。目前國(guó)內(nèi)有多個(gè)城市在建地鐵，有地質(zhì)很復(fù)雜的，像廣州、深圳、成都、青島、重慶等。現(xiàn)在各大工程，只要有隧道工程，都是我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)完成的?，F(xiàn)在高鐵在延伸，高鐵增加密度，有很多長(zhǎng)的隧道，都用我國(guó)自己的設(shè)備。不到10年時(shí)間，中國(guó)成長(zhǎng)為盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造的世界強(qiáng)國(guó)。從進(jìn)口盾構(gòu)到開(kāi)始批量出口盾構(gòu)，我們自主設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)到了五大洲24個(gè)國(guó)家，不僅到了發(fā)展中國(guó)家，去了“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家和東南亞國(guó)家，而且也進(jìn)入歐洲國(guó)家，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)裝備的“逆襲”。

中國(guó)盾構(gòu)的新技術(shù)與未來(lái)

目前，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造和施工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，甚至在有的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了超越。中國(guó)盾構(gòu)機(jī)走出國(guó)門(mén)，并不是單一的出口大型裝備，而是將“大型裝備、施工技術(shù)、精細(xì)管理、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)品牌”集中打包“走出去”，這是中國(guó)裝備制造的一個(gè)歷史性跨越。

下一步我們將研究新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，朝信息化、無(wú)人化和智能化方向發(fā)展。我們用最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——VR和AR技術(shù)，不管是設(shè)計(jì)人員，還是生產(chǎn)工程師、裝配人員，包括售后服務(wù)、維修保養(yǎng)和操作盾構(gòu)的司機(jī)都可以用最先進(jìn)的虛擬樣機(jī)，就是從VR虛擬的整個(gè)盾構(gòu)施工和硬巖掘進(jìn)的全過(guò)程來(lái)看在不同地質(zhì)條件下，如果遇到故障，遇到意想不到的情況，應(yīng)該如何來(lái)處理。我們也在運(yùn)用華為的5G技術(shù)來(lái)做盾構(gòu)的整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，讓涉及設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、運(yùn)維到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈配套的各個(gè)環(huán)節(jié)都共享數(shù)據(jù)。

在運(yùn)維過(guò)程，現(xiàn)在需要智能化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)來(lái)支撐，所以我們正在打造這樣的系統(tǒng)。因?yàn)榇罅康亩軜?gòu)開(kāi)始出口，尤其在疫情波及全世界的情況下，很多服務(wù)的工程師派不到位，這就需要現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到總部，我們正在加速打造這樣的智能感知采集和決策系統(tǒng)。我們也應(yīng)用AI人工智能技術(shù)來(lái)管理大量的數(shù)據(jù)，及時(shí)地反饋和支撐前端的司機(jī)來(lái)做決策。

我們不僅要實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的研發(fā)，而且也在慢慢補(bǔ)齊自己的產(chǎn)業(yè)鏈。我們想把盾構(gòu)大直徑的軸承設(shè)計(jì)制造放在中國(guó);大排量的液壓柱塞泵以及減速器、控制器，這些關(guān)鍵的零部件也要留在中國(guó)，這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈在中國(guó)更安全，爭(zhēng)取把盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)打造成中國(guó)制造一張新的金名片。

（本文轉(zhuǎn)載自《學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)》，責(zé)編：楊思玄）

專(zhuān)家簡(jiǎn)介

楊華勇，著名流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域?qū)＜?，中?guó)工程院院士，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)流體傳動(dòng)及控制分會(huì)名譽(yù)主任，現(xiàn)任浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)、高端裝備研究院院長(zhǎng)。在國(guó)家自然科學(xué)基金、“863計(jì)劃”和“973計(jì)劃”支持下，楊華勇組建了穩(wěn)定的產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)，突破了盾構(gòu)壓力穩(wěn)定性控制、載荷順應(yīng)性設(shè)計(jì)和姿態(tài)預(yù)測(cè)性糾偏等關(guān)鍵技術(shù)，攻克了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程失穩(wěn)、失效、失準(zhǔn)三大國(guó)際難題，研發(fā)出土壓、泥水和復(fù)合三大類(lèi)盾構(gòu)樣機(jī)，走完了研究—設(shè)計(jì)—制造—工程—產(chǎn)業(yè)化的全部過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)“中國(guó)設(shè)計(jì)—中國(guó)制造—中國(guó)品牌”的跨越式發(fā)展，使我國(guó)進(jìn)入盾構(gòu)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家行列。A75A2BD7-E220-481C-A514-6415FC92B4EB