中國盾構是怎樣“煉”成的

“飛天有神舟，潛海有蛟龍，追風有高鐵，入地有盾構”，我國在關鍵技術領域取得的多項重大突破令人振奮。盾構機是一種全斷面隧道掘進機。“盾構”之“盾”，是指在一段鋼筒的保護下，完成隧道掘進與排渣，而“構”則是指在掘進、排渣的同時，用預制混凝土管片，構建起隧道的堅實壁面。因此，盾構機被稱為“世界工程機械之王”，廣泛應用于地鐵和高鐵、公路、市政、水電等隧道工程建設。

盾構機是一個國家綜合制造能力的體現，是名副其實的大國重器。然而，由于不掌握核心技術，在很長一段時間內，我國的盾構機只能依賴進口，一旦設備出現故障就只能停工，花高價請國外工程師來維修，每天都要承受近百萬元的損失。2006年，國務院正式將盾構機的研制列入16項重大技術裝備之一。2008年，我國第一臺擁有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構機正式下線。2017年，中國盾構機的產銷量攀升至全球第一。在國際上越來越多的工程項目、施工現場，都可以看到中國盾構機作業的雄姿。從無到有，從模仿學習到與外國知名品牌同臺競技，短短10多年，中國盾構機完成了看似不可能的跨越。

盾構為什么是大國重器

盾構是一個非常復雜的機電液裝備，是把一個移動的工廠搬到地下去，它在一個鋼筒里，同時完成掘進、排渣和襯砌，把分散的流程集成在一起同時完成。目前為止，盾構直徑最大達到17米，這樣一臺裝備最貴的要超過5億元人民幣。

我國目前是全球使用盾構裝備最多的國家，因為我國處在工業化的后期，同時處在城市化的中期，所以有大量隧道的建造需求，各種隧道施工都離不開盾構。預計在未來的15年內，中國的高鐵密度還會增加1倍，總長度從現在的3.5萬公里增加到7萬公里;高速公路也會延伸，網絡的密度還會增加，因為縣縣都希望通高速。還有南水北調、西氣東輸、市政管線、國防工程、水利工程等隧道的施工，都離不開盾構裝備。目前我國在用的盾構超過3000臺，因為杭州在迎接亞運會，整個杭州就有300臺盾構在施工，從這個意義上來說，盾構裝備的市場需求非常旺盛。

中國也能自主設計制造盾構

十幾年前，中國還不能自主設計盾構，當時我們是完全依賴國外的裝備，從歐洲、美國、日本引進各種品牌的盾構。國外的盾構在中國各個城市做地鐵施工的時候，也發生各種各樣的事故，地面塌陷、房屋傾斜也很多。當年我們解決不了裝備的故障或者事故，都要依賴國外的專家。我就親身經歷過一次，2001年在廣州，德國一個海瑞克盾構在運行掘進過程中遇到故障，只能停工，整個工程都在等待一個德國來的專家。我當時也好奇，想看看德國的專家水平有多高。我們等了很久，等我看到德國專家的時候，很詫異，因為我見到的是一個26歲的來自哥倫比亞的工程師，而這個工程師只是在臺北工作過兩年以后，被德國海瑞克公司聘任為現場工程師，到了大陸就變成了專家。從他離開家門開始計算，每天要付3000美金的服務費，而他在整個維修過程當中，不允許當地的工程師介入。

隨著鐵路、公路、地鐵、水利、海底隧道等大量基礎設施的建設，我國對盾構機的需求占到了全球60%以上。我國幅員遼闊，地質條件又極其復雜，盾構機使用遇到的問題是世界上最多最難的，諸多不同地質條件下的施工技術難題亟須突破，而核心技術的缺失、高昂的成本，讓我國在相當長的時期內，在盾構機的使用上，處處受制于人，自主研發和生產盾構機成為擺在我們面前別無選擇的唯一出路。

2007年我們研制了中國首臺套復合式土壓平衡盾構，它是從頭到尾都由我國自主設計制造的。當時研制完成后，在河南新鄉的車間里面放了一年，因為我們找不到工地來驗證國產的首臺套設備。

誰都不愿意第一個吃螃蟹，每一條地鐵線都很關鍵，我們早期做科研的時候，科研體系都支持，但是在施工體系，建委、地鐵公司、施工隊誰也不愿意第一個來試用。因為現在每一個打隧道的班組，他們的業績和收入完全以每天掘進的量來判斷，所以任何人都不敢去作決策。

后來有一個機會，我們這臺盾構跟德國盾構一起在天津一個老城區掘進。這一條線上的地面結構是老城區，有很多古建筑，其中包括張學良故居和有名的瓷房子，還有一個博物館。尤其是瓷房子，它造價很高，保費也非常高。盾構掘進隧道要從瓷房子下面穿過，如果地表下沉量控制不好，這樣一座建筑就會產生裂痕，賠償金會很多，所以當時大家非常緊張。結果幾個月施工下來，我們的設備安全穿過這些文物古建筑，地表的下沉量完全優于國外同等的盾構，這臺盾構一戰成名。后來，制造這臺盾構的中鐵工程裝備集團有限公司一下就拿到了8臺的訂單，我們國產化的盾構批量生產就開始起步。

最近10年，中國掀起城市化高潮，地鐵盾構需求很大。目前國內有多個城市在建地鐵，有地質很復雜的，像廣州、深圳、成都、青島、重慶等。現在各大工程，只要有隧道工程，都是我國自主設計制造的盾構完成的。現在高鐵在延伸，高鐵增加密度，有很多長的隧道，都用我國自己的設備。不到10年時間，中國成長為盾構設計制造的世界強國。從進口盾構到開始批量出口盾構，我們自主設計制造的盾構到了五大洲24個國家，不僅到了發展中國家，去了“一帶一路”沿線國家和東南亞國家，而且也進入歐洲國家，實現了盾構裝備的“逆襲”。

中國盾構的新技術與未來

目前，中國盾構機的設計制造和施工技術已經達到國際水平，甚至在有的領域實現了超越。中國盾構機走出國門，并不是單一的出口大型裝備，而是將“大型裝備、施工技術、精細管理、中國標準、中國品牌”集中打包“走出去”，這是中國裝備制造的一個歷史性跨越。

下一步我們將研究新的技術來實現領跑，朝信息化、無人化和智能化方向發展。我們用最先進的虛擬現實技術——VR和AR技術，不管是設計人員，還是生產工程師、裝配人員，包括售后服務、維修保養和操作盾構的司機都可以用最先進的虛擬樣機，就是從VR虛擬的整個盾構施工和硬巖掘進的全過程來看在不同地質條件下，如果遇到故障，遇到意想不到的情況，應該如何來處理。我們也在運用華為的5G技術來做盾構的整個監控系統，讓涉及設計、制造、生產、運維到整個產業鏈配套的各個環節都共享數據。

在運維過程，現在需要智能化的數據系統來支撐，所以我們正在打造這樣的系統。因為大量的盾構開始出口，尤其在疫情波及全世界的情況下，很多服務的工程師派不到位，這就需要現場的數據及時反饋到總部，我們正在加速打造這樣的智能感知采集和決策系統。我們也應用AI人工智能技術來管理大量的數據，及時地反饋和支撐前端的司機來做決策。

我們不僅要實現樣機的研發，而且也在慢慢補齊自己的產業鏈。我們想把盾構大直徑的軸承設計制造放在中國;大排量的液壓柱塞泵以及減速器、控制器，這些關鍵的零部件也要留在中國，這個產業鏈在中國更安全，爭取把盾構產業打造成中國制造一張新的金名片。

（本文轉載自《學習時報》，責編：楊思玄）

專家簡介

楊華勇，著名流體傳動與控制領域專家，中國工程院院士，中國機械工程學會流體傳動及控制分會名譽主任，現任浙江大學機械工程學院院長、高端裝備研究院院長。在國家自然科學基金、“863計劃”和“973計劃”支持下，楊華勇組建了穩定的產學研團隊，突破了盾構壓力穩定性控制、載荷順應性設計和姿態預測性糾偏等關鍵技術，攻克了掘進機掘進過程失穩、失效、失準三大國際難題，研發出土壓、泥水和復合三大類盾構樣機，走完了研究—設計—制造—工程—產業化的全部過程，實現了盾構機“中國設計—中國制造—中國品牌”的跨越式發展，使我國進入盾構技術先進國家行列。A75A2BD7-E220-481C-A514-6415FC92B4EB