攜手奮進打造“地下航母”
——隧道掘進機

2014 年12 月27 日，我國擁有自主知識產(chǎn)權的首臺國產(chǎn)大直徑全斷面硬巖隧道掘進機(敞開式TBM)正式誕生。這臺TBM 由中國鐵建重工集團股份有限公司(鐵建重工)牽頭研制成功，打破了國外對TBM 的長期壟斷，填補了我國大直徑TBM 的空白，標志著我國在大型高端裝備制造領域取得重大突破。

一、 首臺國產(chǎn)隧道掘進機誕生，攻克世界級難題

盾構機是指作用于軟土地層的隧道掘進機，而作用于巖石地層的隧道掘進機稱為TBM。相比于盾構機，TBM 在技術工藝上更復雜，可以應用于較嚴峻的工程狀況，產(chǎn)品附加值也更高。TBM 以其自身的優(yōu)越特點，被稱為工程機械的“航空母艦”和“掘進機之王”，可以說它是目前最先進的大型隧道施工成套裝備。我國首次使用TBM 施工是在20 世紀90 年代初，TBM 被用于西康鐵路秦嶺隧道，設備及施工技術全部由國外引進。這一次的成功嘗試使得TBM 相繼在我國重大鐵路、引水隧道工程中得到推廣應用。然而在隨后的十幾年內(nèi)，國外對TBM一直處于長期壟斷狀態(tài)，我國只能依賴進口，這成為國產(chǎn)高端地下工程裝備自主化的薄弱環(huán)節(jié)。2014 年12 月27 日，我國擁有自主知識產(chǎn)權的首臺國產(chǎn)大直徑敞開式TBM 在長沙順利下線，填補了我國大直徑全斷面硬巖隧道掘進機空白。很難想到的是，填補這一空白的是一支年輕的“80 后”團隊。這支由鐵建重工掘進機研究設計院工程師組成的團隊雖然稚嫩，但是他們以團隊的智慧和協(xié)作的精神為地基，建成了一座屬于中國大型高端裝備制造領域的高樓。作為團隊技術負責人的龍斌接手這項重任時也感覺到壓力大，畢竟在隧道施工中會面臨很多地質(zhì)難題。“從零起步，如何研制出首臺樣機”是擺在研發(fā)團隊面前的第一道難題。

研發(fā)團隊首先從圖紙的設計著手，反復審核了約3 000 張機械部分圖紙，從參數(shù)配置、主機及后配套系統(tǒng)布置、刀盤刀具、主梁支撐推進系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等方面進行個性化、定制化設計。其中，研發(fā)團隊成員考慮到隧道施工最大的噩夢莫過于掘進機刀盤在進行作業(yè)時遇到卡死的狀況。刀盤是無法更換的，如果遇到刀盤卡死的情況，只能通過人工清理渣滓，工期往往會延長一兩個月甚至半年。研發(fā)團隊成員冥思苦想用什么裝置才能更好、更有效率地驅(qū)動刀盤。龍斌和團隊成員想到超過7 m 直徑的大型掘進機至少要配有8 個電機，如果他們將其中一個換成液壓馬達，是不是可以解決卡機問題？龍斌拿著圖紙介紹說：“團隊成員都在想如果能設計出用液壓馬達和電機雙機驅(qū)動的掘進機，就可能可以完全解決卡機問題！”經(jīng)過團隊成員的不懈努力，他們研發(fā)出了能讓掘進機起死回生的驅(qū)動軸，只需要30 min 就可以修復卡機問題。這一突破性的研發(fā)成果使他們破解了困擾挖掘行業(yè)50 年的世界級難題——卡機，也為中國制造贏得了尊嚴。

像這樣的技術難題不止一個，團隊成員同心協(xié)力相繼攻克了單護盾式、雙護盾式及雙模式等多種類型TBM。經(jīng)過連續(xù)3 年的緊張技術攻關，2014 年12 月，國產(chǎn)首臺大直徑TBM 在長沙順利下線。這臺大直徑敞開式TBM開挖直徑7.93 m，總長180 m，總質(zhì)量達1 500 t，裝機功率超過5 000 kW，集隧道開挖、支護、出渣、通風、排水等功能于一體，掘進精度達到毫米級，能安全、環(huán)保、高效地一次完成隧道施工。

然而，研發(fā)團隊并沒有因為首臺樣機的研制成功就停下腳步，他們面臨的第二輪考驗是設備能否成功高效掘進。2015 年1 月，樣機開始陸續(xù)抵達工地進行組裝，在零下30℃的室外，他們要呆七八個小時確保樣機的順利安裝。雖然他們要面臨嚴酷的環(huán)境條件，但這一切的付出是值得的。這臺設備不僅打破了國內(nèi)敞開式TBM 施工紀錄，而且開創(chuàng)了TBM 同類斷面施工之最，設備性能和施工水平整體都達到國際領先，并且與同類進口產(chǎn)品相比價格便宜5 000 萬元以上，國外進口產(chǎn)品往往只擁有20 km 的壽命，而國產(chǎn)TBM 能夠達到30 km。這臺設備推動了國產(chǎn)TBM 產(chǎn)業(yè)核心技術達到世界領先水平、市場份額實現(xiàn)后來居上的驚人蝶變。

以掘進機為代表，中國工程機械領域液壓、變頻、控制系統(tǒng)等核心技術，都取得了關鍵突破，中國在工程裝備上的研發(fā)和制造實力已經(jīng)絲毫不遜色于任何競爭對手。

國產(chǎn)首臺TBM 自主化攻關，龍斌和團隊扛起了大國重器自主研發(fā)的責任。從推動國產(chǎn)TBM 打破國外壟斷，到推動產(chǎn)業(yè)向著超長距離、超長壽命的高端化邁進，龍斌和團隊不負青春和使命。他們不僅實現(xiàn)了隧道掘進機產(chǎn)業(yè)從無到有、從有到大的快速成長，還成為產(chǎn)業(yè)蝶變的發(fā)展引擎，創(chuàng)造了從“蹣跚學步”到行業(yè)領跑的發(fā)展奇跡。

二、 自主攻關首臺土壓平衡盾構機，實現(xiàn)“彎道超車”

十幾年前，由于國外隧道掘進機市場的壟斷，我國的地下工程幾乎都是靠著進口設備來完成?？墒前嘿F的費用、供應不及時的零配件及跟不上的服務，這些痛點讓科研人員意識到，不能永遠低聲下氣地跟在別人身后，中國的高端地下工程裝備必須實現(xiàn)自主創(chuàng)新。因此，鐵建重工從籌集人才入手，決定自己干，就這樣開始了自主研發(fā)盾構機的第一步。萬事開頭難，盾構機的研發(fā)更是難上加難。在非常艱苦的條件下，大半年的時間，團隊出了10 多萬張圖紙，做了無數(shù)次優(yōu)化。

修改、優(yōu)化，循環(huán)往復。最終在2010 年，我國首臺土壓平衡盾構機自主研制成功，國產(chǎn)化率達到87%。這使得進口盾構機在中國市場被迫降價30%。有了一次成功的經(jīng)驗，鐵建重工不斷地向前看，致力于研發(fā)原始性、首創(chuàng)性產(chǎn)品和技術。技術創(chuàng)新的強大動力，促使鐵建重工不斷利用核心關鍵技術，實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的無縫銜接，相繼研發(fā)了七大系列、50 余個規(guī)格的盾構機產(chǎn)品，不僅滿足國內(nèi)基礎建設的需要，更是走出國門，出口至俄羅斯、土耳其等“一帶一路”國家。

隧道掘進機產(chǎn)業(yè)后發(fā)趕超的關鍵離不開“堅持原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新的自主創(chuàng)新模式，完成逆襲突圍，快速領跑行業(yè)”，鐵建重工掘進機研究設計院的成功絕非偶然，鐵建重工通過創(chuàng)新科研項目管理制度，讓科技創(chuàng)新跑出“加速度”：實行研發(fā)項目制，以科研項目代表“戰(zhàn)區(qū)”，以各研究院、各研究所代表“兵種”，以科研項目為紐帶，將不同專業(yè)、不同研究院的研發(fā)人員協(xié)同起來，實現(xiàn)“兵種+ 戰(zhàn)區(qū)”的研發(fā)自組織模式。項目總設計師實行競選制，通過推薦、自薦或公開競聘等方式任命總設計師、副總設計師，再由總設計師甄選項目組成員，通過項目制的自由組合，打造跨部門、高效率、開放式協(xié)同研發(fā)團隊。

三、 出口11米級大直徑盾構機，走出超強底氣

2019 年9 月，由中國自主研制的直徑11 米級盾構機于上海發(fā)往莫斯科，參與莫斯科地鐵建設。這臺11 米級、總質(zhì)量1 700 t 的盾構機是有史以來我國出口歐洲直徑最大的機械設備，是名副其實的“地下巨無霸”。由于莫斯科所需施工隧道位于莫斯科河畔，地面交通繁忙、建筑密集，需連續(xù)掘進3 000 m，以大直徑斷面?zhèn)却┠箍坪?，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑僅400 m。這樣惡劣的條件及更苛刻的環(huán)境對盾構機提出了更高的要求。為解決這一問題，研發(fā)人員通過對主機增設鉸接和超挖功能，輔以浮動支撐結構推進系統(tǒng)，使整機具備300 m 半徑的轉(zhuǎn)彎能力。

由于俄羅斯的氣候特點、地質(zhì)結構都與國內(nèi)具有較大的區(qū)別，因此，研發(fā)人員結合實際情況，研發(fā)適合當?shù)丨h(huán)境的盾構機。盾構機采用防寒設計，在零下30℃低溫環(huán)境中可以正常掘進。在地質(zhì)適應性設計上，盾構機采用強度、剛度更高的六輻臂重型復合式刀盤結構，配置19 寸大直徑重型滾刀，可以應對120 MPa 以上的巖層、卵石等復合地層。

近年來，越來越多鐵建重工的設備憑借過硬質(zhì)量贏得海外客戶青睞，“走出去”參與重大工程。在鐵建重工長沙第二產(chǎn)業(yè)園的車間里，一臺將被發(fā)往秘魯?shù)某ㄩ_式TBM 靜靜矗立，工人們正在按步驟調(diào)試、拆機。不久的將來，它將用于圣加旺水電站隧洞工程建設，在圣加旺水電站隧洞工程最大硬度達到150 MPa 的巖體環(huán)境中施工。這臺TBM 集機械、電氣、液壓等技術于一體，適合在圍巖穩(wěn)定性好、中高強度巖層環(huán)境中掘進，具有施工速度快、效率高的優(yōu)勢。

十幾年前中國幾乎所有的高端地下裝備全部依賴進口，如今中國的掘進機在全球占據(jù)了2/3 的市場份額，國產(chǎn)設備在國內(nèi)市場占有率達到90% 以上。中國的掘進機在國外市場實現(xiàn)了從無到有、從有到強的轉(zhuǎn)變。在這背后彰顯的是，10 多年來中國地下裝備制造技術和質(zhì)量發(fā)生的翻天覆地的變化，中國制造“走出去”更有底氣了。

逢山鑿洞，從鋼釬大錘的手工勞作，到風槍電瓶車等小型機械運用，再到鑿巖臺車盾構機……中國的隧道技術日新月異，征服各種世界級的復雜地質(zhì)條件，實現(xiàn)了隧通天下！中國隧道掘進技術的發(fā)展歷程很艱辛，鐵建重工研發(fā)團隊在艱辛中磨練意志，錘煉修養(yǎng)。在未來，必將直掛云帆濟滄海。