中國盾構(gòu)是怎樣“煉”成的

文 楊華勇

“飛天有神舟，潛海有蛟龍，追風(fēng)有高鐵，入地有盾構(gòu)”，我國在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得的多項(xiàng)重大突破令人振奮。盾構(gòu)機(jī)是一種全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)?！岸軜?gòu)”之“盾”，是指在一段鋼筒的保護(hù)下，完成隧道掘進(jìn)與排渣，而“構(gòu)”則是指在掘進(jìn)、排渣的同時(shí)，用預(yù)制混凝土管片，構(gòu)建起隧道的堅(jiān)實(shí)壁面。因此，盾構(gòu)機(jī)被稱為“世界工程機(jī)械之王”，廣泛應(yīng)用于地鐵和高鐵、公路、市政、水電等隧道工程建設(shè)。

盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)國家綜合制造能力的體現(xiàn)，是名副其實(shí)的大國重器。然而，由于不掌握核心技術(shù)，在很長一段時(shí)間內(nèi)，我國的盾構(gòu)機(jī)只能依賴進(jìn)口，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障就只能停工，花高價(jià)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(wù)院正式將盾構(gòu)機(jī)的研制列入16項(xiàng)重大技術(shù)裝備之一。2008年，我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正式下線。2017年，中國盾構(gòu)機(jī)的產(chǎn)銷量攀升至全球第一。在國際上越來越多的工程項(xiàng)目、施工現(xiàn)場，都可以看到中國盾構(gòu)機(jī)作業(yè)的雄姿。從無到有，從模仿學(xué)習(xí)到與外國知名品牌同臺競技，短短10多年，中國盾構(gòu)機(jī)完成了看似不可能的跨越。

盾構(gòu)為什么是大國重器

盾構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電液裝備，是把一個(gè)移動的工廠搬到地下去，它在一個(gè)鋼筒里，同時(shí)完成掘進(jìn)、排渣和襯砌，把分散的流程集成在一起同時(shí)完成。目前為止，盾構(gòu)直徑最大達(dá)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(gòu)裝備最多的國家，因?yàn)槲覈幵诠I(yè)化的后期，同時(shí)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(gòu)。預(yù)計(jì)在未來的15年內(nèi)，中國的高鐵密度還會增加1倍，總長度從現(xiàn)在的3.5萬公里增加到7萬公里；高速公路也會延伸，網(wǎng)絡(luò)的密度還會增加，因?yàn)榭h縣都希望通高速。還有南水北調(diào)、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(gòu)裝備。目前我國在用的盾構(gòu)超過3000臺，因?yàn)楹贾菰谟觼嗊\(yùn)會，整個(gè)杭州就有300臺盾構(gòu)在施工，從這個(gè)意義上來說，盾構(gòu)裝備的市場需求非常旺盛。

中國也能自主設(shè)計(jì)制造盾構(gòu)

十幾年前，中國還不能自主設(shè)計(jì)盾構(gòu)，當(dāng)時(shí)我們是完全依賴國外的裝備，從歐洲、美國、日本引進(jìn)各種品牌的盾構(gòu)。國外的盾構(gòu)在中國各個(gè)城市做地鐵施工的時(shí)候，也發(fā)生各種各樣的事故，地面塌陷、房屋傾斜也很多。當(dāng)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(jīng)歷過一次，2001年在廣州，德國一個(gè)海瑞克盾構(gòu)在運(yùn)行掘進(jìn)過程中遇到故障，只能停工，整個(gè)工程都在等待一個(gè)德國來的專家。我當(dāng)時(shí)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(shí)候，很詫異，因?yàn)槲乙姷降氖且粋€(gè)26歲的來自哥倫比亞的工程師，而這個(gè)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(xiàn)場工程師，到了大陸就變成了專家。從他離開家門開始計(jì)算，每天要付3000美金的服務(wù)費(fèi)，而他在整個(gè)維修過程當(dāng)中，不允許當(dāng)?shù)氐墓こ處熃槿搿?/p>

隨著鐵路、公路、地鐵、水利、海底隧道等大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，我國對盾構(gòu)機(jī)的需求占到了全球60%以上。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件又極其復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)使用遇到的問題是世界上最多最難的，諸多不同地質(zhì)條件下的施工技術(shù)難題亟須突破，而核心技術(shù)的缺失、高昂的成本，讓我國在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，在盾構(gòu)機(jī)的使用上，處處受制于人，自主研發(fā)和生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)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(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，它是從頭到尾都由我國自主設(shè)計(jì)制造的。當(dāng)時(shí)研制完成后，在河南新鄉(xiāng)的車間里面放了一年，因?yàn)槲覀冋也坏焦さ貋眚?yàn)證國產(chǎn)的首臺套設(shè)備。

誰都不愿意第一個(gè)吃螃蟹，每一條地鐵線都很關(guān)鍵，我們早期做科研的時(shí)候，科研體系都支持，但是在施工體系，建委、地鐵公司、施工隊(duì)誰也不愿意第一個(gè)來試用。因?yàn)楝F(xiàn)在每一個(gè)打隧道的班組，他們的業(yè)績和收入完全以每天掘進(jìn)的量來判斷，所以任何人都不敢去作決策。

后來有一個(gè)機(jī)會，我們這臺盾構(gòu)跟德國盾構(gòu)一起在天津一個(gè)老城區(qū)掘進(jìn)。這一條線上的地面結(jié)構(gòu)是老城區(qū)，有很多古建筑，其中包括張學(xué)良故居和有名的瓷房子，還有一個(gè)博物館。尤其是瓷房子，它造價(jià)很高，保費(fèi)也非常高。盾構(gòu)掘進(jìn)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(chǎn)生裂痕，賠償金會很多，所以當(dāng)時(shí)大家非常緊張。結(jié)果幾個(gè)月施工下來，我們的設(shè)備安全穿過這些文物古建筑，地表的下沉量完全優(yōu)于國外同等的盾構(gòu)，這臺盾構(gòu)一戰(zhàn)成名。后來，制造這臺盾構(gòu)的中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司一下就拿到了8臺的訂單，我們國產(chǎn)化的盾構(gòu)批量生產(chǎn)就開始起步。

最近10年，中國掀起城市化高潮，地鐵盾構(gòu)需求很大。目前國內(nèi)有多個(gè)城市在建地鐵，有地質(zhì)很復(fù)雜的，像廣州、深圳、成都、青島、重慶等?，F(xiàn)在各大工程，只要有隧道工程，都是我國自主設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)完成的?，F(xiàn)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(shè)備。不到10年時(shí)間，中國成長為盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造的世界強(qiáng)國。從進(jìn)口盾構(gòu)到開始批量出口盾構(gòu)，我們自主設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)到了五大洲24個(gè)國家，不僅到了發(fā)展中國家，去了“一帶一路”沿線國家和東南亞國家，而且也進(jìn)入歐洲國家，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)裝備的“逆襲”。

中國盾構(gòu)的新技術(shù)與未來

目前，中國盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造和施工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際水平，甚至在有的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了超越。中國盾構(gòu)機(jī)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(shù)、精細(xì)管理、中國標(biāo)準(zhǔn)、中國品牌”集中打包“走出去”，這是中國裝備制造的一個(gè)歷史性跨越。

下一步我們將研究新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，朝信息化、無人化和智能化方向發(fā)展。我們用最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——VR和AR技術(shù)，不管是設(shè)計(jì)人員，還是生產(chǎn)工程師、裝配人員，包括售后服務(wù)、維修保養(yǎng)和操作盾構(gòu)的司機(jī)都可以用最先進(jìn)的虛擬樣機(jī)，就是從VR虛擬的整個(gè)盾構(gòu)施工和硬巖掘進(jìn)的全過程來看在不同地質(zhì)條件下，如果遇到故障，遇到意想不到的情況，應(yīng)該如何來處理。我們也在運(yùn)用華為的5G技術(shù)來做盾構(gòu)的整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，讓涉及設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、運(yùn)維到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈配套的各個(gè)環(huán)節(jié)都共享數(shù)據(jù)。

在運(yùn)維過程，現(xiàn)在需要智能化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)來支撐，所以我們正在打造這樣的系統(tǒng)。因?yàn)榇罅康亩軜?gòu)開始出口，尤其在疫情波及全世界的情況下，很多服務(wù)的工程師派不到位，這就需要現(xiàn)場的數(shù)據(jù)及時(shí)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(tǒng)。我們也應(yīng)用AI人工智能技術(shù)來管理大量的數(shù)據(jù)，及時(shí)地反饋和支撐前端的司機(jī)來做決策。

我們不僅要實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的研發(fā)，而且也在慢慢補(bǔ)齊自己的產(chǎn)業(yè)鏈。我們想把盾構(gòu)大直徑的軸承設(shè)計(jì)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(guān)鍵的零部件也要留在中國，這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈在中國更安全，爭取把盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)打造成中國制造一張新的金名片。