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从不具备生产维护技能到自主研发，从研制第一台到现在全球销量第一名，从完全依赖进口到打响自身名片，中国盾构机实现了历史性的跨越，成功打造了属于自己的金字招牌。而这一过程，用了仅仅20多年，相较于近200年的发达国家盾构机发展史，堪称奇迹。
本文作者：余婧，杨城——工业和信息化部工业文化发展中心。由「工信头条」原创首发， 数字化企业经授权发布。2023年10月8日，超大直径泥水平衡盾构机“京通号”正式在长沙铁建重工下线。该盾构机主要用于京唐城际铁路运潮减河隧道掘进施工，从只有覆土8.8米的埋地层出发，向西挖掘一条直径13.3米、长度1285米的隧道，过程中还会经过包括运潮减河、路县故城遗址在内的多个复杂地段，最终在北京城市副中心站结束。
“飞天有神舟，潜海有蛟龙，追风有高铁，入地有盾构”。中国在各个领域展示出“基建狂魔”的雄风，这其中盾构机发挥着重要的作用。不论是修建高铁还是开通地铁，不论是“西气东输”还是“南水北调”等国家重大工程，都需要盾构机勇当“开路先锋”。
实际上，最早研发和使用盾构机的是欧美国家。在19世纪，欧美国家已经开始用盾构机助推铁路、地铁等重大基础设施建设。但现在，全球市场70%的盾构机是中国盾构机。很难想象，在二十年前，我国还不能生产盾构机。而目前，中铁装备、铁建重工、三三工业、北方重工、上海隧道等企业生产的盾构机已经享誉国内外。中国盾构机既是我国“基建狂魔”的生动缩影，也是新型工业化的品牌名片，更是中国工业利用自身制度优势实现赶超发达国家的深刻诠释。那么从完全依赖进口到占世界市场绝大份额，中国盾构机这个华丽转变是如何发生的？在攻坚克难中，有哪些创新发展？
被称为“工程机械之王”的盾构机的正式名称是全断面隧道掘进机。之所以被称为盾构，主要是因为使用了盾构法进行掘进。根据应用地质条件的不同，可以分为三类，分别是泥水平衡盾构机、土压平衡盾构机和硬岩掘进机。盾构机的建造需要应用传感、力学、机械、电气等多种学科技术。最初，盾构机的制造原理由法国人布鲁内尔提出，他在船虫钻孔的启发下，提出和完善了盾构机制造的原理，1818年获得隧道盾构专利，并采用盾构技术主持建造了世界上第一条水底隧道——泰晤士河隧道。除了布鲁内尔提出的矩形盾构外，1846年，比利时工程师毛瑟设计出一台名为片山机的挖掘机。这是盾构机的鼻祖。1847年，英国人J.H.Greathead首次采用气动盾构法在粘土层和含水砂层中进行施工，为现代盾构法施工奠定了基础。1853年，美国人埃比尼泽·塔尔伯特申请了盾构机专利，专利名称为“隧道掘进机”。1870年，英国人约翰·D·布鲁顿研制了带有刀盘的盾构机。1875年，法国通过法案选用英国盾构机修建英吉利海峡隧道，并于1882年在英国一侧挖掘了1882米，在法国一侧挖掘了1669米。然而，该工程于1883年终止，因为法国担心英国会利用英吉利海峡隧道攻击法国。多次实践证明，用盾构机开挖隧道是非常高效的。此后，盾构机被广泛使用于各类地下掘进工作，苏联、德国、英国等国家普遍采用盾构机修建各种大型管道。其中，最具代表性的就是1994年开通的英吉利海峡隧道。该隧道是当时世界上最长的海底隧道。该隧道共投入11台盾构机（英国6台、法国5台），施工时间长达6年，这一超级工程让盾构机“一战成名”。相较之下，过去相当长一段时间，我国的盾构技术发展缓慢，直至1953年才开始使用盾构施工法进行各类隧道作业。真正使用盾构机是在1963年，但受资金、技术、设备等多方因素影响，当时乃至此后的相当一段时间里，盾构机也都只是技术验证，而非真正使用。改革开放以来，随着我国经济快速发展，各类型铁路、公路等基础设施迅猛发展，尤其是城市地铁和海底隧道也逐渐成为交通的重要方式。因此，盾构机的需求出现了迅猛增长，倒逼国内盾构机实现跨越式发展。在2009年之前，我国的盾构机几乎都依赖进口，主要是使用德国海瑞克盾构机。在2000-2010年间，我国累计从德国、日本、美国等国家进口了价值11.6亿美元的盾构机。其中最多的是德国，占到35.4%。以2002年西康铁路使用的盾构机为例，当时中国花费了7亿美元才买来2台盾构机，平均每台3.5亿美元。当时，我们不仅无法生产盾构机，还不会根据实际情况维护盾构机，不得不高薪聘请专家进行指导与维修。同时，由于盾构机是针对不同隧道而设计，完成开挖后，一些核心零部件也将无法使用。这就导致我们面临着挖一个隧道买一台盾构机、使用一台报废一台的困境。据中国工程院院士杨华勇介绍，2001年在地下掘进作业中，使用的德国海瑞克盾构机出现了一点问题。由于没人会维护盾构机，只能高薪聘请专家来维护，每天要支付3000美元的服务费。而这个维修专家仅仅只有26岁，只在中国台北工作两年，面对我们就变成了“专家”。在提供维修的过程中，当地工程师也不允许介入，以防止被“偷师”。国外产商切切实实地从设计、生产、维护等多个方面卡住了我们的咽喉，我们不得不花费大量的金钱购买别人的设备、聘请海外的专家。在巨大的市场需求和迫切的施工需要面前，自主研发生产盾构机，成为中国基建企业的唯一出路。盾构机发明于法国，发展于日本、德国，却壮大于中国。2001年，盾构机研制被列入“863”计划（国家高技术研究发展计划）；2006年6月，《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》正式发布，盾构机研制被列入16项重大技术装备之一；2007年，盾构机又被列入“973”计划（国家重点基础研究发展计划）。杨华勇长期从事电液控制基础理论，基础元件和系统，以及盾构和电梯装备关键技术开发和工程应用方面的研究，形成了“理论-元件-系统-装备-应用”完整的技术路线，对我国机电液装备的自主研发作出了重要贡献，取得了显著的经济效益。“我们要改变长期依赖国外的局面，争取掌握自主设计制造盾构的能力，不再受制于人。”杨华勇说道。经过两轮十年以上的基础研究，杨华勇团队于2008年研制出国内首台具有自主知识产权的复合盾构机，并在天津地铁施工项目中成功应用，打破了国外垄断，实现了盾构机“中国设计-中国制造-中国品牌”的跨越式发展。在国家重大科技计划的资助下，在无数科学家前期技术积累的基础上，在各级政府和社会各界的鼎力支持下，在巨大的城市建设需求拉动下，我国逐渐形成了具有自身特色的研发道路，不断攻坚克难，自主创新，研究开发了一系列全球领先的定制化超级地下工程装备。2002年至2008年，中铁装备相继参与和承担了5项国家“863”计划，集中大批专家攻关复核盾构的设计与集成技术，经过多年努力，终于突破了刀盘及刀具与液压系统等核心技术。2008年，中铁装备成功研制了第一台具有自主知识产权的“中铁一号”盾构机，并在天津地铁3号线建设工程中顺利始发。“中铁一号”的首次出征是在天津地铁3号线建设工程。天津地铁3号线的地面有许多历史悠久的建筑，例如张学良故居，一座用7亿多片古瓷片修建而成、被誉为“中国古瓷博物馆”的瓷房子。要在这样的建筑下方挖隧道，一旦引起严重的地面沉降，会造成难以挽回的损失。然而“中铁一号”成功经受住考验，完成项目隧道贯通，并把地面沉降控制在3毫米以内，地上建筑安然无恙。“中铁一号”的成功，给了中国盾构人极大的信心。研发团队乘胜追击，2010年，另一台“进越号”泥水平衡盾构机通过验收，并完成了上海世博会配套的打浦路复线隧道工程的隧道掘进任务。同一年，铁建重工推出首台土压平衡盾构机“开路先锋19号”，在长沙地铁工程得到了成功的应用，至此，我国已经完全具备了自主设计和制造盾构机的能力。关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，掌握关键核心技术，必须靠自力更生，靠自主创新。中国盾构机的创新历程深刻地诠释了这一点。因为在盾构机自主创新方面的成果，中铁工程装备集团有限公司掘进机研究院总工程师、技术孵化中心主任贺开伟获中国机械工业科学技术奖特等奖、中国铁路工程总公司科学技术奖特等奖。据他分享，在设计山西太原铁路枢纽新建西南环线中的东晋隧道所需的盾构机时，他们接到任务是研制一台直径超过12米的盾构机，设计研发紧锣密鼓地开展。但是在设计过半时，收到消息称地层中存在大量粒径620毫米左右的卵石，而此前报告显示这些卵石粒径只有300毫米。这就意味着前期设计的图纸几乎全部作废，必须推翻重新设计。同时，由于世界上还没有12米大直径盾构机处理600毫米大卵石的先例，新的设计只能完全靠自己摸索。当时，贺开伟整个研发团队32人加班加点进行技术攻关、抢赶工期，这种高强度工作状态持续了两个多月。在辗转考察了15个工地现场、召开多次专项研讨会之后，最终敲定思路，重新设计开挖系统和排渣系统，打造出直径为12.14米、当时国内最大直径的土压平衡盾构机，成功地解决了各项施工难题。该机型在整机方面实现了四大创新，填补了我国在大直径土压平衡盾构领域研发的空白，标志着我国真正全面掌握了超大直径土压平衡盾构设计与制造中的核心技术。2017年10月26日，我国首台具有自主知识产权的超大直径泥水平衡盾构机“中铁306号”下线，打破了国外对大直径盾构机关键技术的垄断。在盾构机的研发制造过程中，最为困难的是主驱电机。国外产品普遍采用三相异步电动机驱动模式来提供电力。在盾构机自主研发的进程中，中车株洲电机公司自主创新，借助中车的永磁技术跨界成功，实现了技术的突破。永磁化实现了动力模式的转变，相较于三相异步电动机而言，永磁电机更小、更轻、更易于维护。2016年，全球首套永磁电机系统盾构机正式下线，该系统不仅具有节能、高效的优点，同时还能够适应盾构机多电机协同工作的需求，更符合盾构机的实际运行状况。2023年10月12日，由铁建重工自主研制的直径8.61米盾构机主轴承在长沙下线，这是迄今为止全球直径最大、单体最重、承载最高的整体式盾构机主轴承。它的成功研制，标志着国产超大直径主轴承研制，及产业化能力跻身世界领先水平，意味着盾构机主轴承取得全面国产化，实现了国产盾构机主轴承从中小直径到超大直径型谱的全覆盖。此前，盾构机主轴承被列入制约我国工业发展的35项“卡脖子”关键技术，是盾构机全产业链自主化的“最后一环”。随着8.61米国产超大直径盾构机主轴承顺利下线，我国企业彻底攻克并自主掌握了盾构机主轴承全系列产品从设计、材料到制造、试验全过程关键核心技术，使国产盾构机有了全系列的“中国芯”。2023年10月17日至18日，第三届“一带一路”国际合作高峰论坛在北京举行，论坛主题为“高质量共建‘一带一路’，携手实现共同发展繁荣”。近几年，中国企业生产的盾构机正成为“一带一路”新国货。截至2022年，国产盾构机在国内市场的占有率已经超过了95%，全球市场份额也接近七成，先后出口到新加坡、印度、意大利、波兰、日本、韩国等40多个国家和地区，完成了技术从跟跑到部分领跑、市场份额从配角到主角的历史性转变。“一带一路”重点项目——印尼雅万高铁的隧道掘进便是采用我国自主研发的盾构机。该盾构机是东南亚最大直径的泥水加压平衡盾构机。正是通过不断的技术创新和卓越的工业实绩，中国盾构机在世界上得到了一致好评，赢得了世界各国使用者的高度认可，成功打出了自己的名片。中铁装备、铁建重工等企业也随之成为该领域的世界知名企业。数据显示，中国“一带一路”盾构机出口销量连续三年复合增长率超过30%，累计订单已超过100台，市场占有率连续6年居世界第一，这还是在全球经济增长趋势下行的背景之下创造的纪录。随着全球经济的复苏，以及中国对世界经济的强力助推，市场行情会进一步变好。中国盾构机在制造和施工方面已经具备世界水准，甚至在多个领域实现了超越。中国盾构机在出口时秉承集中打包走出去的策略，不仅仅是出口一台大型设备，还将施工技术、精细化管理、中国标准等统一出口，这对于打响中国盾构机品牌至关重要，也是中国装备制造跨越式发展的重要体现。中国盾构机绝不会停留在这一阶段，一定会乘势而发，一路向前。未来的中国盾构机还将朝向信息化、无人化和智能化发展。采用虚拟现实技术不断进行探索，利用最先进的虚拟样机实现生产工程师、装配人员等一系列人员的培训，完成售后服务、维修保养、操作盾构机等全套培训内容。这将使相关人员在遇到意外情况时也可以从容应对。从不具备生产、维护技能到自主研发，从研制第一台到现在全球销量第一名，从完全依赖进口到打响自身名片，中国盾构机实现了历史性的跨越，成功打造了中国盾构机的金字招牌。而这一过程，用了仅仅20多年，相较于近200年的发达国家发展史，这是一个奇迹。这个奇迹是中国共产党领导的中国特色社会主义制度的典型成果，是中国从制造大国向制造强国转变的有力证据，是中国人自主创新，攻坚克难，解决“卡脖子”技术，将主动权牢牢把握在自己手上的经典案例。
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