盾構機 “掘”勝“大國重器”

胡志杰

中國的盾構機在全球市場中已經(jīng)成為一張中國名片，不僅展示了中國的科技實力，也展示了中國人民的智慧和勇氣。

2023年“雙11”前夕，央企國家隊淘寶店正式開業(yè)，國資小新（國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會官媒）將16款代表中國智造的新一批“大國重器”集中上架淘寶，特別標注“僅展示可加購勿拍”。

這是一次高科技成果的集中展示。這16款“大國重器”涵蓋了航空、航天、海洋、能源、信息等多個領域，它們都是中國科技人員經(jīng)過長期研發(fā)和創(chuàng)新的成果，代表了中國在高科技領域的實力和水平，也向世界展示了中國科技創(chuàng)新的決心和能力。

在這16款“大國重器”中，開挖直徑達到23.02米、相當于7.5層樓高的“夢想號”盾構機尤為吸睛。其集開挖、出渣、支護、導向等功能于一體，是目前全球最大的豎井掘進機。

盾構機是一種集多種技術于一身的先進掘進設備，其制造難度大，技術水平先進，承載著“穿山越嶺、過江跨海”的重任，在鐵路、管道工程等基礎建設當中有著非常重要的作用。

盾構機是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志。2015年，國產(chǎn)首臺鐵路大直徑盾構機下線，擁有完全自主知識產(chǎn)權，打破了國外近1個世紀的技術壟斷。今天，盾構機“心臟”核心零部件的關鍵技術已經(jīng)突破，我國已成為全球最大的盾構機市場，也是最大的盾構機生產(chǎn)國，全球每10臺盾構機中就有7臺來自中國。

如今，中國的盾構機在全球市場中已成為一張中國智造的名片，不僅展示了中國的科技實力，也展示了中國人民的智慧和勇氣。

從進口到出口

盾構機，又稱“鋼鐵穿山甲”，是盾構隧道掘進機械的簡稱，顧名思義就是邊掘進，邊構建像盾牌一樣的隧道?！岸堋?，即“保護”，指盾殼；“構”，即“構筑”，指管片拼裝。通俗來講，盾構是指在盾殼的掩護下進行掘進、出渣、襯砌等作業(yè)。

盾構機集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。

早在200多年前的1806年，法國工程師馬克·布魯諾爾在船板上發(fā)現(xiàn)，一種蛀蟲在鉆穿木板時，會先分泌出液體涂在孔壁上，形成堅韌的保護殼抵抗木板潮濕后的膨脹擠壓。布魯諾爾根據(jù)這個現(xiàn)象，于1810年確立了盾構機的工作原理，并于1818年申請了盾構工法的專利。

19世紀末到20世紀中葉，盾構工法相繼傳入美國、法國、德國、日本、蘇聯(lián)等國，并得以不同程度的發(fā)展。隨后，盾構機被逐漸改進，針對各種地形發(fā)展出了多種新型盾構機，并得到了廣泛使用。

我國使用盾構機的時間較晚，在20世紀50年代，我國使用盾構機進行隧道施工時，就開始了研究探索，并致力于造自己的盾構機，但基本處于學習階段。一直以來，盾構機技術長期掌握在國外企業(yè)的手中，“洋盾構”一直處于絕對的壟斷地位。

在西方國家大力推動盾構技術升級的20世紀后半葉，基于大量基礎設施建設而對盾構機有著巨大需求的中國，卻沒有一臺真正屬于自己的盾構機。國內所需的盾構機基本都依靠進口，不但價格高昂，技術維修費用同樣不菲。

“有次我們要加工一個簡單的拖車鋼結構件，發(fā)現(xiàn)外方圖紙有錯誤。因為不是設計方，只好催他們派人處理。但人家提出的條件是每天咨詢費1萬元，還要負責所有的差旅食宿。”中鐵裝備設計研究總院院長賀飛回憶。

沒有核心技術就沒有話語權，就會永遠受制于人。從那時起，“造中國人自己的盾構”便成為中國盾構人的夢想。2002年，“隧道掘進機關鍵技術研究”被列入“863計劃”，成為國家級重點工程。由中鐵隧道集團18人組成的盾構機研發(fā)項目組也于當年10月成立。

2004年10月，中國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權的地鐵土壓平衡盾構機——“先行號”樣機，在上海地鐵二號線西延伸段區(qū)間隧道始發(fā)掘進，打破了此前“洋盾構機”壟斷地鐵施工的局面，隨后陸續(xù)應用于中國多個城市的地鐵項目建設。2006年，該產(chǎn)品被列入國家重點新產(chǎn)品，并榮獲國家科學技術進步獎一等獎。

2006年，“先行2號”制造完成并正式下線，實現(xiàn)了我國首次泥水盾構機的批量生產(chǎn)。2008年4月，中國首臺具有自主知識產(chǎn)權的復合式土壓平衡盾構——中國“中鐵1號”問世，其整機性能達到國際先進水平，填補了我國在這一領域的空白，成功實現(xiàn)了從“造中國人自己的盾構”到“造中國最好的盾構”的技術突破。

之后，我國盾構機行業(yè)逐漸蓬勃發(fā)展起來，2012年，“天和一號”研制成功，打破了外國在大直徑盾構機領域的壟斷；2015年，中鐵裝備研制的硬巖掘進機走在了世界前列；2020年問世的“京華號”，是我國第一次成功制造了16米級超大直徑盾構機。

2020年9月，位于河南省鄭州市的中鐵裝備集團盾構總裝車間內，直徑8.64米的土壓平衡盾構機“粵海14號”正式下線。這是中鐵裝備自主研制的第1000臺盾構機。這一天，車間里的標語“造中國人自己的盾構，造中國最好的盾構，造世界最好的盾構”顯得格外醒目。

2023年5月，在第七個“中國品牌日”到來之際，世界首臺綠色盾構機“中鐵1237號”及世界首臺大傾角下坡掘進礦用TBM“淮盾號”在中鐵裝備成功下線，標志著中鐵裝備在隧道掘進機領域的研發(fā)正朝著高端化、智能化、綠色化方向不斷邁進。

“中鐵1237號”盾構機搭載了連續(xù)掘進技術、快速換模技術等，出口意大利，被用于西西里島高鐵隧道建設。而這只是近年來我國盾構機大量出口的縮影。

從1995年我國首次引進德國盾構機，到如今中國盾構機在全球遙遙領先，20多年來，中國盾構機不斷自主創(chuàng)新，從蹣跚學步到一路向前掘進，再到跨入世界先進行列，實現(xiàn)了完美逆襲。

從被質疑到大放異彩

雖然有了國產(chǎn)盾構機，但面對“洋盾構”一統(tǒng)天下的局面，不少人心里打鼓：中國盾構機能行嗎？

2012年1月，成都地鐵2號線、4號線開工建設。在以往的地鐵施工中，所有盾構機都是國外品牌?！斑@并不是說進口設備在施工過程中不會出現(xiàn)問題，而是在當時，人們對我們自己研發(fā)的盾構機還心存顧慮?！辟R飛說。

歷經(jīng)3個多月的交流與溝通，中鐵裝備團隊慢慢打消了設計、施工等單位的疑慮，最終采用“1+1模式”，即國產(chǎn)盾構機和進口盾構機左右線同時始發(fā)。10個月后，中國盾構機的各項性能指標均優(yōu)于進口盾構機，有力提振了中國盾構機的市場信心。

同樣是這一年，馬來西亞為建設MRT（捷運線）項目，計劃向歐洲公司采購10臺盾構機。中鐵裝備獲悉后，下決心力爭借此機會將中國盾構機推向馬來西亞。

但年輕的中國盾構機打開國際市場談何容易。因為中國盾構機沒有一例海外應用的實例，無論怎么介紹，對方都無動于衷。于是，中鐵裝備將馬來西亞業(yè)主邀請到中國來實地參觀。通過參觀一個又一個成功案例，馬來西亞業(yè)主被深深折服：“中國的盾構機發(fā)展速度令人驚奇。我們看到了中鐵裝備的制造能力，中鐵裝備制造的盾構機被廣泛應用在中國知名大城市，性能非常好！”

2012年，“中鐵50號”出口馬來西亞，成為中國盾構機走向海外的第一單。通過針對性設計，提升設備性能，使馬來西亞一條隧道的貫通提前了43天，創(chuàng)造了當?shù)囟軜嬍┕ぜo錄，由此奠定了中國盾構機的海外聲譽。

隨后，中國盾構機又敲開了30多個國家和地區(qū)的市場，產(chǎn)銷量更是連續(xù)6年世界第一。中國盾構機品種越來越多，功能也越來越強大，超大直徑、能轉彎、會爬坡、耐極寒……這些“中國品牌”盾構機，正成為暢銷海外的“新國貨”。

新加坡湯申東海岸線T221標段人行過道需要矩形設計，中鐵裝備憑借自主研發(fā)的矩形盾構機獲得了這一訂單。2017年3月27日，在新加坡第三屆城市地下空間和隧道大會上，新加坡陸路交通局湯申東海岸線負責人在報告中分享了中鐵裝備矩形盾構式頂管機施工經(jīng)驗，對這一創(chuàng)新產(chǎn)品贊不絕口。

2017年6月8日，中國盾構機擁有了進入俄羅斯市場的合格證。2017年7月3日，碧空萬里，艷陽高照，在鐵建重工總部長沙，世界首臺挑戰(zhàn)極寒天氣的盾構機“瑪利亞號”下線。這是專為解決俄羅斯地區(qū)極寒條件下盾構施工而設計的。此后，從2018年6月至2019年1月，5臺盾構機在莫斯科西南部完成掘進始發(fā)。

2021年，中鐵裝備為意大利那不勒斯研制的“中鐵977號”用于當?shù)馗咚勹F路項目建設，開挖直徑長達12.2米，創(chuàng)造了當時中國出口歐洲盾構機直徑之最。

2023年，中鐵裝備為波蘭建設的希維諾烏伊希切隧道正式通車。這條波蘭境內最長水下公路隧道在施工期間，創(chuàng)下了最高日進尺18米、月進尺338米的優(yōu)異成績，將波蘭烏茲南島和沃林島兩岸居民跨河通勤時間由40分鐘縮短至4分鐘，徹底改寫了當?shù)匕倌陙砜慷纱ㄇ诘臍v史。通車之際，波蘭發(fā)來了一封感謝信，對中國盾構機設計、制造、組裝、掘進中展現(xiàn)的專業(yè)和高效表示贊揚。

如今，中國已成為全球最大的盾構機生產(chǎn)和使用國。中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年盾構機市場發(fā)展現(xiàn)狀調查及供需格局分析預測報告》顯示，2022年，全球盾構機市場規(guī)模達到62億美元，其中中國占據(jù)了90%以上的份額，是全球最大的盾構機生產(chǎn)和消費國。預計到2023年，全球盾構機市場規(guī)模將增長到71億美元，復合增長率為6%左右。

隨著我國盾構機應用領域的不斷拓展，從傳統(tǒng)的城軌領域逐步向鐵路公路隧道、水利水電、抽水蓄能、市政、能源煤礦、綜合管廊及國防特種等新興領域擴展，在重點區(qū)域、重點領域、重點工程布局加速，行業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L，并將同類產(chǎn)品價格拉低了40%。

中國盾構機行業(yè)從開始的高度依賴進口，到今天實打實地賣到全球，標志著“中國盾構機百花盛開的春天已經(jīng)來臨，中國盾構機大國的地位已經(jīng)確立，中國盾構機強國的地位正在確立”，對中國大盾構機發(fā)展的光輝歷程，中國工程院院士錢七虎如是說。

從卡脖子到產(chǎn)業(yè)群

在全球工業(yè)舞臺上，一些尖端技術產(chǎn)品往往都被稱為“工業(yè)皇冠上的明珠”，例如半導體芯片、大型飛機、盾構機、精密數(shù)控機床等。它們代表了一個國家工業(yè)實力的最高水平，也是衡量一個國家綜合國力的重要指標。

盾構機是建造地鐵、鐵路、公路隧道等的利器。但其定制化程度高，需要根據(jù)不同的地質條件、不同地形對盾構機進行不一樣的配置，制造不同型號的盾構機，其自動化、智能化程度也非常高，所需要的技術都非常前沿。

事實上，在10年之前，盾構機的關鍵部件技術、核心技術還一直被少數(shù)幾家國外企業(yè)高度壟斷。國內企業(yè)更多則是與國外企業(yè)合作，承擔配件制造和組裝。比如軸承、減速機、刀具這樣的關鍵部件，國內企業(yè)還制造不了，盾構機的產(chǎn)業(yè)鏈還存在卡脖子現(xiàn)象。

為了突破這一難題，我國立足于技術創(chuàng)新，經(jīng)過多年的不懈努力，取得了許多重要成就。其中就包括盾構機關鍵部件的自主研制。這些成就的背后，離不開國家強國建設的決心，也離不開我國科學技術人員的不懈努力和創(chuàng)新精神。

主軸承承擔著盾構機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統(tǒng)的關鍵部件。但由于制造工藝復雜、原材料性能要求高、設計理論不成熟等原因，中國盾構機主軸承長期依賴進口。

2020年9月26日，在蘇州軌道交通6號線10標項目現(xiàn)場，首臺采用國產(chǎn)3米級主軸承盾構機“中鐵872號”順利始發(fā)，這是中國主軸承首次在軌道交通領域執(zhí)行地下掘進任務。

刀具就像牙齒，決定著一臺盾構機的掘進速度，做刀具的材料既要高硬度、耐腐蝕，又要柔韌性好、耐疲勞。為了攻克這種特殊的需求，中鐵裝備和清華大學進行聯(lián)合攻關，對十幾種添加元素進行了上千次試驗，最終解決了超硬材料高強、高韌的難題。

如今，我國通過不斷優(yōu)化設計和技術革新，成功開發(fā)了一系列關鍵性零部件和核心技術，例如，盾構機刀盤、機頭、刀片、密封件、變頻器等部件。這些部件的研發(fā)，為提高我國盾構機的核心競爭力作出了巨大的貢獻。

在中鐵裝備的總裝車間里，一批出口海外的盾構機正在集中交付。如果把這臺盾構機拆解開，一共由1萬多個零部件組成。而這些零件分別產(chǎn)自我國的不同地方，刀具和主軸承廠家主要聚集在河南，電機廠家主要在山西，齒輪廠家主要分布在長三角和重慶……

在河南省鄭州市，一批即將出口到歐洲、東南亞的盾構機即將下線，其采用的高耐磨高韌性的刀具不僅是我國盾構機產(chǎn)業(yè)的一個突破，而且還帶動了上下游20多家企業(yè)的發(fā)展。

這10年來，我國聚焦盾構機產(chǎn)業(yè)鏈上的短板，依次突破了一系列核心零部件關鍵技術，夯實了整個產(chǎn)業(yè)鏈的基礎，同時也帶動了一批制造企業(yè)的發(fā)展。

中鐵裝備集團采購中心總經(jīng)理趙卉表示：“以這個減速機品類為例，它已經(jīng)有十幾家的供應資源了。不但有河南本省的，還有一些是在長三角、北京、天津和成渝地區(qū)，而且現(xiàn)在已經(jīng)全部實現(xiàn)國產(chǎn)化了?！?/p>

得益于我國完備的產(chǎn)業(yè)鏈和不斷迭代的技術創(chuàng)新，如今，我國盾構機上下游企業(yè)達到上千家。中國“智”造的背后，正帶動著產(chǎn)業(yè)鏈越來越完備，成為助力經(jīng)濟發(fā)展的強大根基。