國產盾構機如何實現跨越（經濟新方位）

崇太長江隧道施工示意圖。 　　中國中鐵供圖

工程師正在巡檢“領航號”。 　　高留洋攝（人民視覺）

　　出發！4月29日，我國自主研發的“領航號”盾構機，開啟滬渝蓉高鐵崇太長江隧道掘進之旅。

　　這條隧道正線長14.25千米，其中11.325千米需由盾構機在長江底獨頭掘進，是全球獨頭掘進距離最長的過江隧道﹔開挖直徑達15.4米，相當於5層樓高﹔最深處距水面89米，最大水土壓1.02兆帕，是長江流域開挖最深、水土壓最大的隧道……施工難度如此之大，“領航號”身負重任。

　　誰能想象？20多年前，我們還沒有自己的盾構機﹔如今，國產盾構機已佔全球市場近七成。

　　自零起步，從追趕到並跑，再到部分領域領跑，國產盾構機如何實現跨越？近日，記者走入盾構機生產企業，探尋行業躍升的密碼。

　　從無到有，造自己的盾構機

　　“有人說我們是異想天開”

　　盾構機，全稱為全斷面隧道掘進機，集機、電、信息、人工智能等技術於一身，被譽為“工程機械之王”。

　　秦嶺隧道是我國第一個使用盾構工法挖掘的鐵路隧道。一山橫亙，山南嶺北景物迥異。隧道全長18.46千米，最大埋深1600米，兩端落差155米。

　　評審專家判斷，採用傳統鑽爆法，可能要10多年才能打通隧道，而使用盾構法，隻需兩年。

　　咬牙花費7億多元，從國外採購兩台機器。“這是一筆巨大的投資，但也是我們學習世界先進技術的絕佳機會。”中國工程院院士孫永福說。

　　機器開動，鏗鏘突進。無爆破、無振動、無粉塵快速掘進，施工效率提高3至5倍。

　　然而，機器維修時長按分鐘計算，費用高昂﹔保養時中方不能參與，進度無法控制……關鍵技術受制於人，就沒有話語權。2000年初，中國中鐵決定：造中國人自己的盾構機。

　　“有人說我們是異想天開。”中鐵高新工業總工程師王杜娟回憶，盾構機零部件超2萬個，一個控制系統就有2000多個控制點。“當時，不少同事剛走出校門，很多人都沒見過盾構機。”

　　到處找項目，去隧道挖掘現場觀摩學習盾構機原理，王杜娟和同事們一根根管子排查、一個個元器件核對，比較參數、核實數據、查閱資料。

　　刀具是盾構機的“鐵齒銅牙”，既要高硬度、耐腐蝕，又要柔韌性好、耐疲勞。中鐵裝備和清華大學聯合攻關刀具材料，對十幾種添加元素進行了上千次試驗，最終解決難題。

　　還有眾多難關要攻克：買不到的陶瓷球閥、銷售和維修都價格高昂的控制系統……歷時8年，克服重重困難，投入大量人才財力，我國首台具有自主知識產權的“中國中鐵1號”復合式土壓平衡盾構樣機終於下線。

　　樣機下線，隻算邁出了半步。經受實踐檢驗，才算真正成功。

　　2009年2月6日，“中國中鐵1號”在天津開掘。“盾構機要下穿‘瓷房子’等文保單位，容不得半點閃失。”王杜娟說。4個月后，天津地鐵3號線營和右線區間順利貫通，地面沉降控制在3毫米以內，專家驗收全部通過。

　　自此，行業開始發力，以中鐵裝備、鐵建重工、中交天河等為代表的一批具有競爭力的盾構機制造企業，陸續成立、成長壯大。時至今日，我國盾構機保有量約5000台，世界第一。我國90%以上的地鐵隧道採用盾構法施工。

　　從有到優，拓展海外市場

　　“好盾構機自己會說話”

　　根據不同施工環境，盾構機分為土壓盾構、泥水盾構、復合盾構和硬岩掘進機（TBM）。

　　“當時業內流傳一句話，不掌握TBM技術，不能算成熟、有競爭力的隧道掘進機廠商。”中國中鐵裝備集團技術中心副主任、掘進機研究院院長賀飛說。

　　通常，城市軌道、管網建設時，盾構機施工埋深在30米左右。但TBM埋深可達幾百米甚至上千米。大埋深、長距離、岩石強度高等施工條件，對設備的可靠性、適應性、耐久性和安全性提出更高要求。

　　帶著“從有到優”的追求，研發人員繪制3萬多張圖紙，日夜奮戰180天。2015年1月26日，“永吉號”TBM下線。在吉林引鬆供水工程建設中，“永吉號”以超強的地質適應性和穩定性，成功穿越7.9千米淺埋灰岩岩溶區、斷層破碎帶及淺埋富水溝谷帶，提前9個月完成任務。

　　2018年，汕頭海灣隧道正式掘進。這是我國第一條地處八度地震帶、穿越海底復雜地質的超大直徑盾構隧道。

　　西線，由國產盾構機負責施工，這是我國自主設計制造的第一台15米級超大直徑泥水平衡盾構機﹔東線，由進口盾構機負責施工。先后始發、同向掘進。最終，進口盾構機歷時736天完成隧道掘進，國產盾構機隻用時660天。同樣的質量，更短的時間。

　　“好盾構機自己會說話。”中國中鐵裝備集團總經理張志國說。

　　2012年，國產盾構機迎來出口第一單：中標馬來西亞吉隆坡地鐵建設項目。施工中，“中國中鐵50號”日均掘進8環，連續7天掘進環數超10環，創下馬來西亞地鐵盾構施工紀錄。

　　2015年，“張衡號”“詹天佑號”盾構機中標新加坡地鐵項目﹔2016年，矩形頂管掘進機再次中標，開創了國內異形掘進機走向海外的先河。

　　2019年，“中國中鐵699號”盾構機中標意大利北部鐵路項目，我國高端隧道掘進裝備首次應用於歐盟國家。同年，兩台國產盾構機中標法國巴黎地鐵建設項目。

　　“這說明國際高端市場對中國盾構機品牌綜合實力的認可。”張志國說。

　　攻克難題，邁向智能化

　　“我們要堅持自主創新”

　　水平、斜向、豎向、拐彎掘進，刀盤直徑從0.5米到23米，斷面形狀有單圓形、矩形、馬蹄形、多圓形、U形……地質環境復雜多變，需要工程師不斷磨礪技藝、創新產品。

　　——攻克短板，增強產業韌性。

　　一台盾構機有幾層樓高，幾百頭大象重，由幾萬個零部件組成。要想提升產業鏈供應鏈韌性，每個環節都需要協同發力。

　　“中國盾構機產業走的是整機帶動零部件的路線。”張志國介紹，10年前，產業鏈存在短板，軸承、減速機等需要進口。如今，正一一攻克。

　　最難突破的是主軸承。主軸承被譽為盾構機的“心臟”，直面超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況考驗，需要滿足高可靠、長壽命等關鍵性能要求，其材料、設計、制造與試驗難度極大，處於大型高端精密軸承產業鏈的最頂端。

　　研發團隊嘗試了上百種材料和工藝，開展了上千組理論校驗和設計優化，分析了上萬組檢測及試驗數據，才確定了最終設計方案。

　　鐵建重工聯合國內頂尖特鋼企業，深入研究材料元素匹配優化及夾雜物、碳化物控制技術，打破主軸承材料瓶頸。

　　2023年10月12日，直徑達8.61米的盾構機主軸承在湖南長沙下線，這是全球直徑最大、單體最重、承載最高的整體式盾構機主軸承。

　　“這標志著國產超大直徑主軸承研制能力躋身世界領先水平。實現了盾構機主軸承全面國產化，國產盾構機主軸承從中小直徑到超大直徑型譜全覆蓋。”中國鐵建重工集團首席科學家劉飛香說。

　　——邁向智能化，自主掘進、遠程操控。

　　行業有句話，盾構施工就像盲人走路。由於無法100%了解周圍地質情況，施工過程中安全風險較高。

　　如何用智能化手段，盡可能探明掘進前方的地質，減少對盾構機操作人員的經驗依賴，一直是隧道工程領域的重大挑戰，我國企業也作出嘗試。

　　比如，“領航號”盾構機搭載了關鍵部件狀態監測系統，可實時監測刀具、環流泥漿管等部件的磨損、溫度信息，並提供損壞預判，從而有效提高盾構機施工效率。智能掘進、智能拼裝、超前地質預報、盾尾密封安全預警……普通地質，“領航號”可自動調整參數、自主掘進﹔特殊情況，工作人員在地面即可操縱。

　　“我們搭建掘進機大數據庫和雲計算中心，有效解決智能控制問題。”中國中鐵裝備集團總工程師賈連輝相信，在不遠的未來，無人值守、智能掘進將變成現實。

　　——開拓新場景，讓盾構機“挖掘”更多可能。

　　除了傳統的鐵路公路交通、城市軌道交通、綜合管廊工程等項目，我國企業正拓展盾構機應用領域，“挖掘”更多可能。

　　服務水務。4月1日，由鐵建重工制造的沉井式豎井掘進機順利完成首口豎井掘進，這是國產豎井掘進機在水務項目的首次亮相。

　　服務礦山。4月11日，“龍源號”礦用TBM始發，可攀爬6%坡度的斜坡，大幅提升礦山企業井巷掘進效率。

　　服務電站。4月19日，“紫薇號”TBM完成衢江抽水蓄能電站排水洞及排水廊道掘進任務。“紫薇號”最小轉彎半徑隻有30米，實現了超小轉彎半徑TBM在抽蓄工程中的應用。

　　“我們要堅持自主創新，繼續積極研發高端智能掘進裝備。”中國中鐵黨委書記、董事長陳雲表示，將聯合產業鏈上下游企業和高校、科研院所，在原始創新、創新成果轉化等方面持續努力。

　　《 人民日報 》（ 2024年05月06日 02 版）