国产盾构机如何实现跨越

出发！4月29日，我国自主研发的“领航号”盾构机，开启沪渝蓉高铁崇太长江隧道掘进之旅。

这条隧道正线长14.25千米，其中11.325千米需由盾构机在长江底独头掘进，是全球独头掘进距离最长的过江隧道；开挖直径达15.4米，相当于5层楼高；最深处距水面89米，最大水土压1.02兆帕，是长江流域开挖最深、水土压最大的隧道……施工难度如此之大，“领航号”身负重任。

谁能想象？20多年前，我们还没有自己的盾构机；如今，国产盾构机已占全球市场近七成。

自零起步，从追赶到并跑，再到部分领域领跑，国产盾构机如何实现跨越？近日，记者走入盾构机生产企业，探寻行业跃升的密码。

从无到有，造自己的盾构机

“有人说我们是异想天开”

盾构机，全称为全断面隧道掘进机，集机、电、信息、人工智能等技术于一身，被誉为“工程机械之王”。

秦岭隧道是我国第一个使用盾构工法挖掘的铁路隧道。一山横亘，山南岭北景物迥异。隧道全长18.46千米，最大埋深1600米，两端落差155米。

评审专家判断，采用传统钻爆法，可能要10多年才能打通隧道，而使用盾构法，只需两年。

咬牙花费7亿多元，从国外采购两台机器。“这是一笔巨大的投资，但也是我们学习世界先进技术的绝佳机会。”中国工程院院士孙永福说。

机器开动，铿锵突进。无爆破、无振动、无粉尘快速掘进，施工效率提高3至5倍。

然而，机器维修时长按分钟计算，费用高昂；保养时中方不能参与，进度无法控制……关键技术受制于人，就没有话语权。2000年初，中国中铁决定：造中国人自己的盾构机。

“有人说我们是异想天开。”中铁高新工业总工程师王杜娟回忆，盾构机零部件超2万个，一个控制系统就有2000多个控制点。“当时，不少同事刚走出校门，很多人都没见过盾构机。”

到处找项目，去隧道挖掘现场观摩学习盾构机原理，王杜娟和同事们一根根管子排查、一个个元器件核对，比较参数、核实数据、查阅资料。

刀具是盾构机的“铁齿铜牙”，既要高硬度、耐腐蚀，又要柔韧性好、耐疲劳。中铁装备和清华大学联合攻关刀具材料，对十几种添加元素进行了上千次试验，最终解决难题。

还有众多难关要攻克：买不到的陶瓷球阀、销售和维修都价格高昂的控制系统……历时8年，克服重重困难，投入大量人才财力，我国首台具有自主知识产权的“中国中铁1号”复合式土压平衡盾构样机终于下线。

样机下线，只算迈出了半步。经受实践检验，才算真正成功。

2009年2月6日，“中国中铁1号”在天津开掘。“盾构机要下穿‘瓷房子’等文保单位，容不得半点闪失。”王杜娟说。4个月后，天津地铁3号线营和右线区间顺利贯通，地面沉降控制在3毫米以内，专家验收全部通过。

自此，行业开始发力，以中铁装备、铁建重工、中交天河等为代表的一批具有竞争力的盾构机制造企业，陆续成立、成长壮大。时至今日，我国盾构机保有量约5000台，世界第一。我国90%以上的地铁隧道采用盾构法施工。

从有到优，拓展海外市场

“好盾构机自己会说话”

根据不同施工环境，盾构机分为土压盾构、泥水盾构、复合盾构和硬岩掘进机（TBM）。

“当时业内流传一句话，不掌握TBM技术，不能算成熟、有竞争力的隧道掘进机厂商。”中国中铁装备集团技术中心副主任、掘进机研究院院长贺飞说。

通常，城市轨道、管网建设时，盾构机施工埋深在30米左右。但TBM埋深可达几百米甚至上千米。大埋深、长距离、岩石强度高等施工条件，对设备的可靠性、适应性、耐久性和安全性提出更高要求。

带着“从有到优”的追求，研发人员绘制3万多张图纸，日夜奋战180天。2015年1月26日，“永吉号”TBM下线。在吉林引松供水工程建设中，“永吉号”以超强的地质适应性和稳定性，成功穿越7.9千米浅埋灰岩岩溶区、断层破碎带及浅埋富水沟谷带，提前9个月完成任务。

2018年，汕头海湾隧道正式掘进。这是我国第一条地处八度地震带、穿越海底复杂地质的超大直径盾构隧道。

西线，由国产盾构机负责施工，这是我国自主设计制造的第一台15米级超大直径泥水平衡盾构机；东线，由进口盾构机负责施工。先后始发、同向掘进。最终，进口盾构机历时736天完成隧道掘进，国产盾构机只用时660天。同样的质量，更短的时间。

“好盾构机自己会说话。”中国中铁装备集团总经理张志国说。

2012年，国产盾构机迎来出口第一单：中标马来西亚吉隆坡地铁建设项目。施工中，“中国中铁50号”日均掘进8环，连续7天掘进环数超10环，创下马来西亚地铁盾构施工纪录。

2015年，“张衡号”“詹天佑号”盾构机中标新加坡地铁项目；2016年，矩形顶管掘进机再次中标，开创了国内异形掘进机走向海外的先河。

2019年，“中国中铁699号”盾构机中标意大利北部铁路项目，我国高端隧道掘进装备首次应用于欧盟国家。同年，两台国产盾构机中标法国巴黎地铁建设项目。

“这说明国际高端市场对中国盾构机品牌综合实力的认可。”张志国说。

攻克难题，迈向智能化

“我们要坚持自主创新”

水平、斜向、竖向、拐弯掘进，刀盘直径从0.5米到23米，断面形状有单圆形、矩形、马蹄形、多圆形、U形……地质环境复杂多变，需要工程师不断磨砺技艺、创新产品。

——攻克短板，增强产业韧性。

一台盾构机有几层楼高，几百头大象重，由几万个零部件组成。要想提升产业链供应链韧性，每个环节都需要协同发力。

“中国盾构机产业走的是整机带动零部件的路线。”张志国介绍，10年前，产业链存在短板，轴承、减速机等需要进口。如今，正一一攻克。

最难突破的是主轴承。主轴承被誉为盾构机的“心脏”，直面超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况考验，需要满足高可靠、长寿命等关键性能要求，其材料、设计、制造与试验难度极大，处于大型高端精密轴承产业链的最顶端。

研发团队尝试了上百种材料和工艺，开展了上千组理论校验和设计优化，分析了上万组检测及试验数据，才确定了最终设计方案。

铁建重工联合国内顶尖特钢企业，深入研究材料元素匹配优化及夹杂物、碳化物控制技术，打破主轴承材料瓶颈。

2023年10月12日，直径达8.61米的盾构机主轴承在湖南长沙下线，这是全球直径最大、单体最重、承载最高的整体式盾构机主轴承。

“这标志着国产超大直径主轴承研制能力跻身世界领先水平。实现了盾构机主轴承全面国产化，国产盾构机主轴承从中小直径到超大直径型谱全覆盖。”中国铁建重工集团首席科学家刘飞香说。

——迈向智能化，自主掘进、远程操控。

行业有句话，盾构施工就像盲人走路。由于无法100%了解周围地质情况，施工过程中安全风险较高。

如何用智能化手段，尽可能探明掘进前方的地质，减少对盾构机操作人员的经验依赖，一直是隧道工程领域的重大挑战，我国企业也作出尝试。

比如，“领航号”盾构机搭载了关键部件状态监测系统，可实时监测刀具、环流泥浆管等部件的磨损、温度信息，并提供损坏预判，从而有效提高盾构机施工效率。智能掘进、智能拼装、超前地质预报、盾尾密封安全预警……普通地质，“领航号”可自动调整参数、自主掘进；特殊情况，工作人员在地面即可操纵。

“我们搭建掘进机大数据库和云计算中心，有效解决智能控制问题。”中国中铁装备集团总工程师贾连辉相信，在不远的未来，无人值守、智能掘进将变成现实。

——开拓新场景，让盾构机“挖掘”更多可能。

除了传统的铁路公路交通、城市轨道交通、综合管廊工程等项目，我国企业正拓展盾构机应用领域，“挖掘”更多可能。

服务水务。4月1日，由铁建重工制造的沉井式竖井掘进机顺利完成首口竖井掘进，这是国产竖井掘进机在水务项目的首次亮相。

服务矿山。4月11日，“龙源号”矿用TBM始发，可攀爬6%坡度的斜坡，大幅提升矿山企业井巷掘进效率。

服务电站。4月19日，“紫薇号”TBM完成衢江抽水蓄能电站排水洞及排水廊道掘进任务。“紫薇号”最小转弯半径只有30米，实现了超小转弯半径TBM在抽蓄工程中的应用。

“我们要坚持自主创新，继续积极研发高端智能掘进装备。”中国中铁党委书记、董事长陈云表示，将联合产业链上下游企业和高校、科研院所，在原始创新、创新成果转化等方面持续努力。

《 人民日报 》（ 2024年05月06日 02 版）