盾構“中國夢”

張欣+夏攀

上世紀90年代中期。全長256米、刀盤直徑8.8米，價值3.5億元人民幣的世界名牌、德國造“維爾特”硬巖掘進機，在秦嶺隧道施工時發生故障。換零件？等兩年。找人修？德國專家從離家那刻起計費，每天3000美元。

從今天回溯10年。科學家“七年磨一劍”自主研發出盾構“心臟”——液壓驅動和控制系統，想“移植”到德國產品“海瑞克”身上一試身手，卻屢屢碰壁。首臺“中國造”靠譜嗎？施工方打退堂鼓，不肯給新系統通電，多次溝通無果，科學家發脾氣撂電話。

故事或將在此戛然而止。撂下電話的是中國工程院院士、浙江大學流體動力與機電國家重點實驗室教授楊華勇。無奈之余，他只好準備“給國家打報告說項目做不下去了”。

誰料峰回路轉。第二天，施工方——中鐵隧道集團有限公司有關負責人意外松口：“可以通電！”于是，盾構“中國夢”的故事翻開新篇。

2009年，天津地鐵3號線營口道至和平路標段，首臺國產復合盾構——“中鐵1號”以日掘進22.8米的速度在“督軍街”——赤峰道下潛行。它靜悄悄經過建筑史上的奇葩、全球獨一無二的“瓷房子”（現值98億），穿過張學良、段祺瑞等名人故居，幾乎檢測不到地表沉降。

同一年，國產直徑11.22米的“進越號”首臺泥水盾構為上海世博會重大配套工程——打浦路隧道復線畫了個完美的弧度：380米的最小轉彎半徑刷新世界紀錄。

2012年，楊華勇及其產學研團隊的“盾構裝備自主設計制造關鍵技術及產業化”項目，將國家科學技術進步一等獎攬入懷中。

國家褒獎的背后，是2009年至2011年新增產值62.83億元，實現利潤10.21億元，創造稅收4.25億元。

靈感源自船蛀打孔

有“工程機械之王”、“移動式掘進工廠”之稱的盾構機，其設計靈感源自小小的船蛀。

1818年，僑居英國的法籍工程師布魯諾爾看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被靈感眷顧，構建了盾構法隧道掘進施工的原理，發明了敞開式手掘盾構原型。

泰晤士河成了布魯諾爾的“試驗田”。始于1825年，在經歷了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。

現代盾構機十足“高大上”。集土木、材料、機械、電壓、液壓、信息、控制等技術之大成。它是在護盾鋼筒結構掩護下，能夠連續、同步實現切削、排碴、襯砌等隧道一體化掘進作業的高端裝備。

回想上世紀六七十年代開挖隧道的經典場面：炸藥開道，千余人赤膊揮汗，鎬锨鍬鋤齊上陣，扁擔肩扛加手推車一趟趟運土，“工效低、事故多、傷亡大。”楊華勇說，坐火車過秦嶺或襄渝線，在每個長點兒的隧道口幾乎都看得到當年施工人員長眠的墳頭。

而由刀盤刀具系統、刀盤旋轉驅動系統、螺旋輸送機與密封艙系統、推進系統、管片拼裝系統、后配套系統和導向糾偏系統組成的現代盾構機，工作起來“一氣呵成”。

先將后配套拖車和設備調入基坑后部，安裝始發液壓缸和始發反力托架，再將盾首吊入始發井，調整始發位置和姿態。始發液壓缸推動盾構進行初始掘進，期間測量系統實時反饋盾構姿態，確保其按預設方向和軌跡掘進。

“鋼鐵蚯蚓”吞土吐石。在刀盤擠壓和刀具切削作用下，刀盤前方土體和巖石被切割破碎，沿刀盤開口進入密封艙，再經螺旋輸送機排至輸送帶，而后到達盾構機尾的礦車，運至隧道口提升至地表，管片也可由礦車運送到盾構機靠近刀盤的前部分。

在切削土體時，推進機構推動盾首前進，當推進距離達到一環管片寬度時停止，盾構進行管片拼裝。管片運至拼裝機后部，拼裝機后退取管片，再回到盾體內部進行拼裝，管片環與環之間錯開襯砌，一環管片分為六片，分別按照上述步驟進行拼裝。拼裝完畢后進行同步注漿，推進機構繼續向前。

在直徑6～15米的大型隧道施工現場完成如此復雜的流程，需要多少人？答案是：每班組僅需12人。

“急診醫生”要當設計師

浙江大學流體動力與機電國家重點實驗室教授龔國芳給《瞭望東方周刊》講了個故事：1995年，中鐵隧道集團有限公司從德國購買了一臺敞開式全斷面硬巖掘進機，用于國家“九五”重點工程西安安康鐵路“咽喉”秦嶺隧道的開挖。

價格超過3.5億元的一堆零部件在江南造船廠合體，成為全長256米、刀盤直徑8.8米的“巨龍”。工程接近尾聲時機器“罷工”，德國專家說要更換液壓裝置，可新裝置要兩年后才能到。

施工方把求助電話打到了浙江大學。次日，重點實驗室的魏建華教授出發去了秦嶺，拆出“生病”的液壓裝置。魏建華攔了一輛上山接孕婦的救護車才得以下山，而另兩位中鐵隧道集團的工程師硬是沿著已經打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皚皚的大山。

魏建華“閉關”半年，終于將液壓裝置修復，德國巨龍的“心臟”重新起搏。

科研人員被迫穿山入林做盾構“急診醫生”，其時代大背景是經濟駛入快車道的中國已經拉開基建大幕——公路、鐵路、地鐵、水利工程接連上馬，城市化建設迅速推進。但國內對盾構的自主研發水平，遠遠不能支撐市場對盾構的巨大需求。

于是“洋盾構”唱起主角。1990年，上海地鐵1號線用的是七臺“法國造”；1996年二號線開工，七臺不夠，又從法國引進兩臺。同年，延安東路隧道南線工程1300米圓形主隧道，用的是日本造直徑11.22米泥水盾構掘進機。2001年后，廣州、南京、深圳、北京、天津先后從德、日引進14臺直徑6.14米～6.34米的土壓平衡盾構和復合盾構機，掘進地鐵隧道50千米。

“盾構設計技術一直被國外壟斷，產品長期依賴進口，高昂的價格制約了盾構的應用，延緩了我國城市地鐵的發展，自主研制勢在必行。”楊華勇告訴本刊記者。

經濟賬更能說明問題：單價4000萬至6000萬元人民幣的地鐵盾構機，單臺平均壽命10～15公里，一條地鐵線路有時需20臺盾構同時施工。endprint

而處于基礎建設期的中國對盾構機的需求占全球50%以上。未來十年，中國還將建設隧道超過一萬公里，新增盾構機超過1000臺，拉動直接投資超過一萬億元。

2000年7月，在科技部863計劃支持下，建設部在北京組織了全國第一次針對盾構裝備研制的大學與企業的聯合論證會。“這是一件應該上升為國家戰略的大事。”作為論證專家之一的楊華勇說。

中國合伙人

2002年，863計劃機器人主題啟動了對盾構項目的支持，多家企業和高校聯合攻關。楊華勇主持召開全國性技術論證會。從北京到杭州，從上海到廣州，會開了一個又一個，收集、匯總、分析來自國內外隧道施工現場和制造第一線的難題。

然后是分技術包干——浙江大學負責液壓系統，中鐵隧道做刀盤刀具，上海隧道做控制系統和后配套系統……

事實上，常年“出急診”的浙江大學團隊早已看清洋盾構有“先天缺陷”——盾構掘進過程中，工程事故占施工量的10%，其中80%是界面失穩、裝備失效和方向失準引起的。

失穩——盾構密封艙內控制壓力不能與艙外隨時變化的水土壓力保持始終平衡，偶爾會導致地面塌陷；失效——掘進中突變載荷對盾構動力系統所帶來的沖擊時常會導致關鍵部件損壞；失準——糾偏滯后有時使隧道掘進方向偏離設計軸線。

多年攻關，以浙江大學為首的973計劃科研團隊用三個首創實現“對癥下藥”：盾構密封艙壓力穩定性控制技術、載荷順應性設計技術、姿態協調性糾偏技術。

“中鐵一號”穿過天津“瓷房子”，這里的街道靜悄悄，地面沉降小于2毫米，除這一難以測量的驕人成績令國外同行大跌眼鏡外，每米掘進成本還降低了8.3%；

“進越號”在黃浦江底實現了半徑380米的轉彎，還優雅地下穿500米長的污水南干線、日暉港防汛墻、大樓樁基群和復雜地下管線。

這些是后話。回到21世紀頭七年，這些畫面只存在于盾構“中國合伙人”的憧憬中。

2004年，浙江大學團隊想把自主研發的“中國心”換給正在上海地鐵二號線延長段施工的“海瑞克”。

“遭到現場施工人員拒絕，”龔國芳回憶。原因很簡單，掘進速度和長度決定工資收入，國貨“趴窩”怎么辦？

楊華勇“公關”到中鐵隧道一位副局級領導那里，仍然無果。“花了國家863計劃的經費，就要替國家做事。”正當楊華勇等人黯然神傷，沒想到第二天施工現場同意通電。

上海隧道工程股份研制出整臺樣機“先行號”，也遭冷遇。最后得到時任上海市副市長嚴雋琪的“背書”，“先行號”才獲準試掘一個標段。

結局皆大歡喜。“十五”重大成就展上，中鐵隧道和上海隧道各做一臺盾構模型參展。時任上海市委書記問展臺邊的楊華勇：“有什么困難？”

“沒有訂單！”楊華勇答。

上海市領導視察了上海隧道工程股份，時任市長韓正隨后也來到盾構制造工廠。不久，上海市政府下文：不再進口同類盾構。

上海隧道工程股份有限公司因此一下子拿到20多臺盾構訂單，在迎接世博會的地鐵工程中，該公司設計制造的盾構占三成以上。

盾構“國家隊”

2014年5月10日，習近平總書記考察鄭州中鐵工程裝備集團有限公司。

這位中國最高領導人說，實現中國夢，裝備制造業這個基礎必須打牢。裝備制造業的核心是技術創新，一個國家綜合實力的核心還是技術創新。

“中鐵一號”靜悄悄經過“瓷房子”，一役成名。中鐵隧道隨后拿到八臺盾構機新訂單。此后不久，這家隧道施工行業的“大佬”孵化出獨立的中鐵工程裝備集團有限公司，專門從事盾構機的設計制造。目前訂單編號已經超過202臺。

僅2009～2011年國產盾構機就達132臺，行銷國內26個城市，并向新加坡、印度、馬來西亞、泰國和伊朗小批量出口，與英國和俄羅斯等五國簽訂了出口意向。

國產盾構機在300多個地鐵、公路、鐵路、水利與國防等各類隧道工程施工中得到應用。

2011年，國產盾構機已占當年新增盾構機的60%。預計2015年可占國內新增市場的80%以上。德日產品在中國市場售價降低四分之一以上，訂單繼續劇減。

習近平登上一臺近百米長的盾構機后配套平臺，進入小小的主控室，問中鐵裝備設計研究總院副院長蒲曉波：“這么大的一臺設備，一個人可以操作嗎？”

11年前，中鐵隧道集團有限公司內打算自主設計制造盾構裝備，28名青年每人一臺筆記本電腦，加入產學研團隊。

沒過多久，工資發不出，20人各奔前程，只剩下“八大金剛”，其中就有指著60多個實體按鈕及屏幕上的觸控按鈕，給總書記作介紹的蒲曉波。

彼時，沒人會料想到中鐵工程裝備集團有限公司——中國最大、全球第二的盾構機設計和制造基地的誕生。2013年，中鐵裝備自主研制的世界最大矩形盾構機，成功應用于鄭州中州大道下穿工程，開創矩形盾構機應用于市政道路建設的先河。

2013年，“鄭州造”盾構機交貨47臺，新簽合同額21.38億元，產值22.52億元。

“中鐵一號”在天津一戰成名后，與中國中鐵同臺競爭的中國鐵建股份有限公司，2009年起在長沙也開始了盾構自主設計制造，“八大金剛”之一程永亮受邀加入新成立的中國鐵建重工集團有限公司，鐵建重工很快也與以楊華勇為首席的863、973科研團隊對接成功。2013年，“長沙造”盾構機交貨32臺，產值15.83億，在手合同22.52億元。目前他們的盾構產品訂單累計到了120號。

中國造，中國夢，未完待續。endprint