基于整合式創(chuàng)新范式的盾構(gòu)機技術(shù)趕超探究

喻雪琴

(中南民族大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

中國的經(jīng)濟快速發(fā)展離不開各省域間的交通建設(shè)。而中國交通建設(shè)存在建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件多樣、越江跨海常態(tài)化和結(jié)構(gòu)斷面多元化的問題[1]，以傳統(tǒng)人工或爆破方式挖掘道路，已經(jīng)無法滿足中國基建快速發(fā)展的需求。盾構(gòu)機是目前最先進的全斷面隧道掘進機，由于其綜合效率和安全性極高，已被廣泛投入地鐵、鐵路、公路等工程中使用。西方國家于1825年就開始使用盾構(gòu)機進行基建施工，然而中國開始使用盾構(gòu)機進行施工卻是在20世紀50年代。如今，國內(nèi)盾構(gòu)機市場形成以“中鐵裝備、鐵建重工”為主的格局，同時全球2/3的盾構(gòu)機市場也由中國龍頭企業(yè)占據(jù)，這標志著中國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)開始處于“領(lǐng)跑者”的位置。

盾構(gòu)機能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)趕超的路徑是什么？其路徑又能否用于其他高技術(shù)產(chǎn)業(yè)？本文基于整合式創(chuàng)新范式，探索我國盾構(gòu)機發(fā)展的趕超路徑，從而為后發(fā)企業(yè)提供參考。

1 文獻回顧

1.1 整合式創(chuàng)新

陳勁等[2]分析了世界各國不同創(chuàng)新范式，結(jié)合中國國情和創(chuàng)新實踐，首次提出了整合式創(chuàng)新范式，是內(nèi)在機理是戰(zhàn)略引導(dǎo)驅(qū)動協(xié)同創(chuàng)新、開放創(chuàng)新和全面創(chuàng)新有機結(jié)合。陳紅花等[3]基于整合式創(chuàng)新、生態(tài)位等理論，提出科技創(chuàng)新生態(tài)位的概念與測量模型，歸納了科技創(chuàng)新生態(tài)位的競爭策略，對我國未來創(chuàng)新發(fā)展提供新的理論支撐和政策啟示。胡林娜等[4]對整合式創(chuàng)新進行了理論再創(chuàng)新，從宏微視角進行了概念的系統(tǒng)性延拓，提出了五元體的理論框架。杜丹麗等[5]基于整合式創(chuàng)新范式分析華為公司在組織警覺的支撐下，從追趕到超越的全過程。

1.2 企業(yè)技術(shù)趕超

李政等[6]研究高鐵產(chǎn)業(yè)趕超成功的歷程，發(fā)現(xiàn)因為在引進先進技術(shù)前，就已經(jīng)具備較強的自主研發(fā)能力，所以高鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了趕超，另外高鐵產(chǎn)業(yè)的成功也離不開政府對創(chuàng)新資源的配置與戰(zhàn)略引導(dǎo)。吳欣桐等[7]以高鐵產(chǎn)業(yè)為研究對象，驗證了整合式創(chuàng)新范式在重大科技創(chuàng)新工程中的應(yīng)用，完善了整合式創(chuàng)新理論上的缺陷。歐陽桃花等[8]分析中國盾構(gòu)機突破西方技術(shù)封鎖的趕超過程，提煉出雙循環(huán)創(chuàng)新組織模式，指出由國家啟動項目，凝聚各方力量，以市場需求為推動力，實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的趕超以及關(guān)鍵核心技術(shù)只能依靠自主創(chuàng)新。

2 中國盾構(gòu)機技術(shù)進步歷程

2.1 國外盾構(gòu)機技術(shù)發(fā)展歷程

19世紀末到20世紀中葉，盾構(gòu)機技術(shù)相繼傳入世界各國，由于各國地質(zhì)條件不同，所以各國盾構(gòu)機的側(cè)重點也不同，誕生了氣壓式、手掘式、半機械式、機械式等盾構(gòu)機；20世紀60年代中期至80年代末，開發(fā)了閉胸式盾構(gòu)機，他包含泥水式和土壓平衡式兩種；從20世紀90年代至今，以閉胸式盾構(gòu)機為主，以全斷面硬巖隧道掘進機(TBM)為輔。因為它們各自使用的場景不同，TBM主要用于硬巖層，適合鑿山挖路，而土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)機主要用于軟土層，適合于城市地鐵建設(shè)，如圖1所示。

圖1 世界盾構(gòu)機技術(shù)發(fā)展階段

2.2 盾構(gòu)機技術(shù)引進期

1996年，鐵道部為提高秦嶺隧道的施工效率，首次從德國維爾特公司引進兩臺TBM。然而由于當時盾構(gòu)機市場被德國、日本和美國的企業(yè)所壟斷，于是造成了天價盾構(gòu)機。在那個年代，盾構(gòu)機技術(shù)的落后導(dǎo)致議價權(quán)缺失、機器檢修維護困難和外國工程人員的傲慢態(tài)度[8]。因此，科研人員更加明白關(guān)鍵核心技術(shù)買不來；更加迫切希望自主研發(fā)盾構(gòu)機關(guān)鍵核心技術(shù)，更加渴望擁有屬于中國的國產(chǎn)盾構(gòu)機。

2.3 盾構(gòu)機技術(shù)自主研發(fā)期

為研發(fā)真正屬于我國的盾構(gòu)機，2001年，中鐵隧道集團成立研發(fā)項目組，標志著我國盾構(gòu)機自主研發(fā)的開始。2002年，國家科技部開始支持盾構(gòu)機研發(fā)，將“直徑6.3米全斷面隧道掘進機研究計劃”列入863計劃。于是重任落在了中鐵隧道集團身上，它與西南交通大學(xué)、浙江大學(xué)和第一重型機械集團有限公司等合作，對土壓平衡式盾構(gòu)機進行研究。另外在對國際盾構(gòu)技術(shù)引進消化吸收和再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，2007年，863計劃“大直徑泥水盾構(gòu)消化吸收與設(shè)計”取得突破，為進一步開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大直徑泥水盾構(gòu)機奠定了基礎(chǔ)。

2008年，“中國中鐵1號”研制成功，并用于建設(shè)天津地鐵，這表明我國開始具有自主研發(fā)盾構(gòu)機能力，實現(xiàn)了我國復(fù)合盾構(gòu)機的從無到有。

2.4 盾構(gòu)機技術(shù)趕超期

在技術(shù)趕超期，我國鼓勵龍頭企業(yè)繼續(xù)創(chuàng)新，同時開始將國產(chǎn)盾構(gòu)機推向市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2012年，國家科技部組織攻關(guān)TBM技術(shù)即“大直徑TBM關(guān)鍵核心技術(shù)的研究與應(yīng)用”。此次由鐵建重工聯(lián)合中鐵十八局、天津大學(xué)、浙江大學(xué)等進行技術(shù)攻堅。2013年，中鐵裝備向馬來西亞出口國產(chǎn)盾構(gòu)機，應(yīng)用于吉隆坡地鐵；同年為推進產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，收購德國維爾特硬巖掘進機知識產(chǎn)權(quán)及品牌使用權(quán)，進一步加強研發(fā)能力，國內(nèi)市場也逐漸以國產(chǎn)盾構(gòu)機為主。2015年，敞開式 TBM成功研發(fā)，并應(yīng)用于引松工程。2016年，中鐵裝備向新加坡出口國產(chǎn)盾構(gòu)機，應(yīng)用于其地鐵項目建設(shè)。在此期間，國家863、973計劃一直支持關(guān)鍵盾構(gòu)機技術(shù)研究，最終實現(xiàn)了我國盾構(gòu)機技術(shù)從有到優(yōu)的轉(zhuǎn)變。

2.5 盾構(gòu)機技術(shù)走向世界

2019年，中鐵裝備向法國出口兩臺大直徑土壓平衡式盾構(gòu)機，助力“大巴黎地鐵”項目建設(shè)，這是中國盾構(gòu)機第一次出口到世界盾構(gòu)機的技術(shù)高地，突破了我國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)的“低端鎖定”。2020年6月，中鐵裝備向波蘭和澳大利亞出口了兩臺國產(chǎn)盾構(gòu)機。其中，出口澳大利亞的盾構(gòu)機是我國出口的最大直徑硬巖TBM，這表明我國在TBM上不斷創(chuàng)新。此外在2017年、2018年、2019年中鐵裝備企業(yè)連續(xù)3年盾構(gòu)機市場占有率居世界第一。2021年，鐵建重工位居盾構(gòu)機全球5強榜單的榜首，實現(xiàn)了盾構(gòu)機技術(shù)的從優(yōu)到強，如表1所示。

3 我國盾構(gòu)機技術(shù)趕超分析

通過盾構(gòu)機技術(shù)趕超歷程的回顧，我國盾構(gòu)機技術(shù)能實現(xiàn)趕超，是在新時代背景下，國家戰(zhàn)略的引導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研長效協(xié)同以及盾構(gòu)機全面國產(chǎn)化和持續(xù)創(chuàng)新取得的成就。

表1 中國盾構(gòu)機技術(shù)發(fā)展階段

3.1 戰(zhàn)略引導(dǎo)是技術(shù)趕超的根基

根據(jù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新體系現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和國內(nèi)外環(huán)境統(tǒng)籌規(guī)劃，引導(dǎo)創(chuàng)新系統(tǒng)中各要素分工合作，從而使產(chǎn)業(yè)具備競爭優(yōu)勢。在《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄(2000年修訂)》中，地下工程盾構(gòu)施工技術(shù)與裝備制造被列入其中；2002年的863計劃將直徑6.3m全斷面隧道掘進機研究計劃列入其中；2007年的973計劃將掘進裝備的基礎(chǔ)研究列入其中。由此可見，在我國盾構(gòu)機技術(shù)自主創(chuàng)新期，國家對盾構(gòu)機制定的戰(zhàn)略目標是加快開展盾構(gòu)機的研發(fā)，盡快掌握核心技術(shù)。

《關(guān)于2013年中央國有資本經(jīng)營預(yù)算重點產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與發(fā)展資金項目申報工作的通知》中，要求圍繞盾構(gòu)機進行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化建設(shè)與升級；2014年的《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于進一步做好機電產(chǎn)品再制造試點示范工作的通知》和2016年的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》，要求圍繞盾構(gòu)機繼續(xù)創(chuàng)新，不斷攻克核心零件。由此可知，在我國盾構(gòu)機技術(shù)趕超期，國家制定的戰(zhàn)略目標：先攻關(guān)TBM關(guān)鍵核心技術(shù)，再過渡到推進產(chǎn)業(yè)化，最后針對整體盾構(gòu)機和關(guān)鍵零部件再制造。同時在2015年中鐵與國內(nèi)主軸承、減速機技術(shù)優(yōu)勢企業(yè)構(gòu)成研發(fā)組，對國產(chǎn)主軸承和減速機關(guān)鍵零部件開展研究，并于2020年4月研制成功，標志著我國盾構(gòu)機核心零件對國外企業(yè)的依賴程度大大降低。

《2019年度實施企業(yè)標準“領(lǐng)跑者”重點領(lǐng)域》披露盾構(gòu)機已位于“領(lǐng)跑者”重點領(lǐng)域。2021年的《工程機械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》表明，重點發(fā)展大直徑/超大直徑掘進機技術(shù)，建造智能化產(chǎn)業(yè)基地，建立模型仿真的數(shù)字平臺。由此可知，在我國盾構(gòu)機技術(shù)走向世界時期，國家的戰(zhàn)略目標是重點發(fā)展大直徑/超大直徑掘進機技術(shù)，打造盾構(gòu)機智能施工管理平臺。基于此，2020年我國最大直徑敞開式硬巖掘進機“云嶺號”下線，它可提升施工效率3～5倍。針對多樣化的地質(zhì)條件，“云嶺號”具備超前地質(zhì)預(yù)報、應(yīng)急避險艙等智能化功能，以解決施工中可能發(fā)生的安全問題。“云嶺號”為工程如期完工提供了保障。另外盾構(gòu)TBM工程大數(shù)據(jù)平臺已完成搭建，它立足于工程實際，運用大數(shù)據(jù)計算分析，為盾構(gòu)機行業(yè)中的企業(yè)提供開放式運維服務(wù)。

3.2 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新是技術(shù)趕超的動力

陳勁等[2]認為協(xié)同創(chuàng)新是指企業(yè)、政府、大學(xué)、研究機構(gòu)和用戶等以知識增值為核心，開展跨界交流整合，從而實現(xiàn)科技創(chuàng)新。

(1)在自主研發(fā)期，政府資助關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，中鐵與高校(如西南交通大學(xué)等)、企業(yè)(第一重型機械集團有限公司)跨界交流，歷經(jīng)8年成功研制出土壓平衡式盾構(gòu)機，還培育出了一批盾構(gòu)機研發(fā)的核心人才。

(2)在技術(shù)趕超時，鐵建重工與企業(yè)(中鐵十八局)、高校(天津大學(xué)等)交流整合，在引松供水的實踐中進行檢驗，通過數(shù)據(jù)反饋和發(fā)現(xiàn)故障問題，與高校、用戶、制造商反復(fù)磋商，終于在2015年，研發(fā)出國產(chǎn)敞開式TBM。

(3)在研究關(guān)鍵零部件主軸承、減速機時，中鐵與企業(yè)、制造商協(xié)同，于2020年研制出適合地鐵建設(shè)的主軸承。在國產(chǎn)盾構(gòu)機走向世界時，在國家大力支持、中國制造標準基礎(chǔ)上，聽取客戶需求，研制出性價比高的盾構(gòu)機，從而開拓全球盾構(gòu)機市場。

盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新主要來自于產(chǎn)學(xué)研，在重大課題項目支持下，企業(yè)通過引進人才、組建研發(fā)組等方式，與高校達成共同發(fā)展、互利互惠的長效科研機制。此外，以市場為導(dǎo)向，針對需求進一步改進已有的研究成果。

3.3 “雙向+內(nèi)部循環(huán)”開放創(chuàng)新是技術(shù)趕超的支撐

Chesbrough[9]提出開放式創(chuàng)新來自于企業(yè)外部，陳勁等[2]認為開放式創(chuàng)新既來自內(nèi)部開放，又來自外向開放，不再局限于企業(yè)內(nèi)部創(chuàng)新，從而擴大企業(yè)創(chuàng)新資源，最終達到提高企業(yè)績效的目標。

在技術(shù)難題面前，并不是盾構(gòu)機企業(yè)的單打獨斗，而是在多方協(xié)調(diào)配合，知識信息流通的過程中獲得解決。不論是中鐵還是鐵建重工，都是既在研究中進行理論填補，又在實際工程中與施工方進行交流反饋，對理論與實際間的偏差不斷修改，不斷更新盾構(gòu)機的架構(gòu)，實現(xiàn)由簡到繁、由量到質(zhì)的飛躍。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，我國盾構(gòu)機開始配備多項智能化系統(tǒng)，確保盾構(gòu)施工可視化和可控化，實現(xiàn)安全、節(jié)能的綠色掘進。同時也開始構(gòu)建智能化施工管理平臺，立足工程實際，運用大數(shù)據(jù)計算分析，給產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)進行數(shù)據(jù)傳輸，為盾構(gòu)機行業(yè)中的企業(yè)提供數(shù)據(jù)資源和開放式運維服務(wù)。

我國的開放式創(chuàng)新既有在引進期的學(xué)習(xí)，又有內(nèi)部循環(huán)開放的信息流通。它見證著我國盾構(gòu)機技術(shù)從引進到輸出，從學(xué)習(xí)到超越，從傳統(tǒng)機械到智能化的轉(zhuǎn)變。

3.4 “三方位”全面創(chuàng)新是技術(shù)趕超的必由之路

許慶瑞[10]提出了全面創(chuàng)新，即全員參與、全要素調(diào)動和全時空貫徹的結(jié)合，吳欣桐[7]認為它本質(zhì)上是戰(zhàn)略引導(dǎo)、協(xié)同創(chuàng)新和開放創(chuàng)新的有機結(jié)合。

(1)在我國盾構(gòu)機技術(shù)自主創(chuàng)新期，全面創(chuàng)新主要體現(xiàn)在全要素調(diào)動和全員參與。全要素調(diào)動體現(xiàn)在科研、設(shè)計、施工、制造各行各業(yè)緊密配合，政府財政支持等；全員參與體現(xiàn)在中鐵研究土壓平衡式盾構(gòu)機時，總工程師全面負責，以科技人員為骨干，全體職工廣泛參與，聯(lián)合高校人才進行技術(shù)攻關(guān)。

(2)在盾構(gòu)機技術(shù)趕超期，對于TBM關(guān)鍵核心技術(shù)，全要素調(diào)動體現(xiàn)在政府各方部門的配合；全員參與體現(xiàn)在全過程產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，不僅有技術(shù)人員參與，還有銷售人員、管理人員、服務(wù)人員等參與。關(guān)鍵零部件再制造也離不開中鐵聯(lián)合國內(nèi)主軸承、減速機技術(shù)優(yōu)勢企業(yè)進行試驗和專家進行評審。

(3)盾構(gòu)機技術(shù)“走向世界”時期，最能全方位體現(xiàn)全面創(chuàng)新的理念。全要素調(diào)動國家資源、人才資源和科技資源等重點發(fā)展大直徑超大直徑掘進機技術(shù)，打造盾構(gòu)機智能施工管理平臺。全時空貫徹體現(xiàn)在從2013年起逐步向國內(nèi)外市場推廣國產(chǎn)盾構(gòu)機，到2021年國內(nèi)盾構(gòu)機龍頭企業(yè)占據(jù)幾乎全部的國內(nèi)市場和全球2/3的盾構(gòu)機市場。

圖2 我國盾構(gòu)機技術(shù)趕超的整合式創(chuàng)新構(gòu)架

4 結(jié)語

本文以中國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)為研究對象，研究技術(shù)趕超的整個歷程，發(fā)現(xiàn)其整合式創(chuàng)新發(fā)展路徑主要體現(xiàn)在以下幾方面: 正確的戰(zhàn)略引導(dǎo)。即“堅定自主創(chuàng)新、堅定核心零件國產(chǎn)化、堅定中國標準”的三大戰(zhàn)略; 貫徹產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建長效的科研機制，以市場為導(dǎo)向，以項目基金為支撐，通過人才就業(yè)、組建研發(fā)組等，與高校達成共同發(fā)展、互利互惠的科研機制; 營造“雙向+內(nèi)部循環(huán)”開放式的創(chuàng)新體系，積極建立盾構(gòu)機智能化平臺，促進全產(chǎn)業(yè)鏈信息互通; 實行全面創(chuàng)新，調(diào)動全生產(chǎn)要素，全員參與，國內(nèi)外統(tǒng)籌布局。實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，提高企業(yè)核心競爭力。