打破技術壟斷贏得市場發展 直徑12.14米國產盾構機下線

日前，國內自主設計制造最大直徑土壓平衡盾構機在中國中鐵裝備集團國家TBM產業化中心下線，盾構機直徑為12.14米，為目前國內最大，將用于太原鐵路樞紐西南環線項目。該設備的問世，打破了我國超大直徑盾構產品技術長期依賴進口、核心技術受制于國外制造商的不利局面，對滿足未來城市交通路網發展建設有著重要意義。

原理好懂技術難

簡單說，如果需要挖一條能跑火車那樣大車型的隧道，盾構機就出場了。視覺上最直觀看見的是一個跟隧道橫截面大致相同的鋼筒或者框架，這個圓筒形的外殼里面長長的一條就是各種作業機械。從橫截面看，它像一個盾牌，所以叫“盾構機”。但是，從這種設備的整體結構看，人們更愿意叫它“地下蛟龍”。這條“龍”的龍嘴就是最前端的切削刀盤，把地下這些泥沙石頭吃進“嘴”里以后，通過“龍肚子”里的各種“消化器官”，把這些高濃度泥水里的泥沙分離，沙子排出去，剩下的泥漿輸送回開挖面提供壓力，否則這個開挖面就不穩定，容易坍塌。如此挖掘、排土、推進，隧道就完成了。

雖然泥水平衡盾構機的基本工作原理。聽起來容易，但是外行也能猜出來，這里頭處處是難點。首先，在地下打洞不比在地上施工，會遇到各種復雜的地質條件、水文條件。

另外，除了如何確保開挖面的穩定，不能挖著挖著塌了之外，還有刀具的使用壽命、盾構機的有效密封、密封條件下的刀具更換等問題。總之，這是一種集光、機、電、液、傳感、信息技術等各尖端技術于一身的高精尖設備。所以以前，很多有盾構機需求的國家都會從德國或者日本進口，造價動輒幾億元人民幣一臺。

浙江大學機械學院院長、工程院院士楊華勇說：“長期以來，大型盾構成套設備都被發達國家壟斷，現在中國有了這個能力，在五、六個方面，比如常壓換刀刀盤技術、刀盤刀具的實時監測技術、地質的超前預報等方面都進行了創新和探索，所以這臺盾構不僅填補了技術和裝備技術的空白，而且在局部的技術上實現了引領。”

接受挑戰勇創新

2010年7月28日，聲勢浩大的太原鐵路樞紐西南環線有限責任公司創立大會召開，標志著由太原市和原國家鐵道部共同建設和運營的太原鐵路樞紐西南環線工作進入了正式實施階段。

2016新年前后，太原鐵路西南環線東晉支線工程進場開工，本次工程將采用土壓平衡盾構技術進行隧道挖掘，該技術在山西屬首次使用。與此同時，中鐵工程裝備集團設計研究總院的研發人員接到一個前所未有的任務——為太原鐵路西南環線東晉支線工程項目設計一臺超大直徑盾構機，這令他們緊張又興奮。

“以前我們生產的主流盾構機產品，刀盤直徑多在6米左右。”中國中鐵裝備集團設計研究總院結構所所長袁文征說，相對而言，研發這臺盾構機無疑是對大家的一個巨大的挑戰。

自2008年成功研制出第一臺國產盾構機起，中國中鐵裝備集團的盾構機研發之路已經走過8個年頭，多達300余臺不同直徑、樣式的盾構機，從中鐵工程裝備集團盾構總裝車間生產線上誕生，并在各類地鐵隧道、供水項目、電力管道等工程項目上大放異彩。產品技術的創新積累，中鐵工程裝備集團逐步走向成熟、壯大，成為國內盾構機市場的引領者。

袁文征告訴筆者，太原鐵路西南環線東晉支線工程項目，斷面較大、隧道推進距離長(4850米)，如果仍然按照常規盾構機設計模式，那么勢必會加大隧道設計的研發投入，且耗時費力。

在做中學。經過這些年的技術經驗積累，中國中鐵裝備集團的創新能力和技術水平均已達到一定水準，“直徑12米到15米的盾構機，我們都能夠研制。”袁文征說，得知將要參與超大直徑盾構機的研發設計，設計研究總院的工程師們自信滿滿、躍躍欲試。

打破壟斷贏市場

新盾構機設計要求開挖直徑大，于是便帶來了刀具磨損速率加快、開挖艙內碴土改良難度加大等諸多設計難題。此外，盾構應用的隧道位于太原市城郊結合區域，上方建筑物較多，盾構機還將穿越地下長達2公里的卵石層，卵石粒徑甚至達到了60厘米，如此大直徑盾構隧道穿越長距離復雜地層也是全國首例，這對盾構機刀具耐磨性提出了挑戰。

問題的難度陡然上升，但這些都被盾構研發小組一一破解。

研發團隊經過多次討論，最終將問題的關鍵所在放到了對盾構刀盤的針對性設計上，他們在盾構刀盤上安裝了可拆卸格柵及擋板，使之既適應全斷面泥巖、粘土掘進，也適應大粒徑卵石地層掘進;同時在刀盤布置直徑達到17寸刀體19寸刀圈盤型滾刀，提高了滾刀的耐磨性和抗沖擊性，以應對密實卵石及瓢石地層。

為了保證盾構機的安全高效，設計人員還為盾構機配置了雙艙并聯人倉，設計有成熟的全氣動壓力調節裝置，此套系統為全氣控裝置，在網電斷電時系統仍能正常工作，確保帶壓換刀時艙內人員安全。

憑著敢于創新的精神、勇于探索的勇氣，盾構機研發團隊們邁過一道道坎，漸漸看到前方熹微的曙光。而最讓研發負責人袁文征欣慰的，是整個團隊高度的責任心和融洽的凝聚力。“自9月開始進入組裝工序以來，大家晝夜工作，很多人國慶節期間都還待在單位加班加點。”袁文征說，沒有團隊的辛勤付出，就沒有如今呈現在世人面前的完美的國內最大直徑的盾構機。

當初，為了建秦嶺隧道，中國整整花了3.5億從德國進口一臺盾構機。今天看來，這簡直是天文數字。即便如此，當時的服務還跟不上。譚順輝說，一旦出現小病小災，他們就會抓狂。一臺掘進機停工，每天都會帶來近百萬元的損失。可是外國專家嚴守8小時工作制，甚至從走出家門那一刻便開始計算費用，一個小時的工資就達到600到800歐元。

如今，中國盾構機取得了令世界同行都為之欽佩的成績。中鐵工程裝備集團有限公司黨委書記、董事長譚順輝就曾對筆者說起過，由于制造難度太大，之前在全球范圍，盾構機這個領域，我們沒一點話語權，“他說多少錢就是多少錢，你要進行任何一個變更，都得先把價錢加上來再談，他那種傲慢是讓你最不接受的。這種傲慢不是性格上的，而是他站在技術最高點，眼睛往下看你的那種傲慢，很難受。”

通過不斷努力，今天，我國已全面掌握盾構機的核心制造技術，徹底擺脫了盾構機關鍵技術被國外壟斷的局面。中鐵股份有限公司副總裁、總工程師劉輝透露，我國已啟動掘進機器人的研發，中國盾構機正朝著智能化方向邁進，“所謂智能化就是將傳感技術和檢測技術加入其中，包括人工操作向智能化操作轉變，實現機械化和信息化的集成，以達到盾構的智能化。未來的盾構掘進機在不同的地質條件下會最大限度的避開地質風險，中國盾構機發展的終極目標是‘掘進機器人’。目前，已經在做這方面的規劃，中鐵裝備已在開展掘進機器人的研發和試驗。

如今，楊華勇樂觀地預期，很快，有著中國基因的超大直徑盾構機將追隨“家族”成員的步伐，大步走向世界，“比如，上海崇明島迎來大規模開發，會需要這種超大盾構機，還有未來的中心城市和跨海的隧道都需要，所以中國除了中小盾構批量出口之外，未來‘一帶一路’一定會把這樣的技術和裝備能力批量出口，走向國際市場，由此帶來的經濟效益也會非常顯著。”

沒有最驚喜，只有更驚喜。楊華勇表示，接下來即將閃亮登場的將是一位更加碩壯的俠士，“它直徑將達到18米，單臺的價格在3-4億，而且有些隧道的施工需求量不是一臺，7-8臺，甚至10臺。常規6米直徑的單價在3000萬-4000萬左右。所以從單臺看，這種超大盾構機一臺的價格就是4-6臺普通盾構機的價格。因此，經濟性毋庸質疑。”

僅就正在發展的中國來說，鐵路、公路、水利、城市地鐵、海底隧道等大量基礎設施的建設，對盾構機的需求占到了全球6成以上。

國家標準引領發展

截至目前，我國累計生產制造隧道掘進機突破1500臺，妥妥成了隧道掘進機制造大國。昨天下線的這臺超大直徑盾構也將應用于6.8公里長、雙向六車道的汕頭海灣隧道項目。但遺憾的是，隧道掘進機的國家標準一直缺位。

因此，日前，隧道掘進機系列國家標準新聞發布會在中鐵裝備國家TBM產業化中心舉行。我國首次發布五項隧道掘進機國家標準，以規范隧道掘進機術語、商業規格以及設計制造技術要求。

這一標準的發布將有助于在國家“一帶一路”倡議下，帶動中國隧道掘進機等重大裝備走出去，助推隧道掘進機系列國家標準邁向國際標準更大的舞臺。同時也標志著中國盾構機在世界領域將由跟隨者向引領者轉變，中國從掘進機制造大國向制造強國轉變。