自主研發國產盾構機，產品走向國際，中國鐵建——

“地下蛟龍”向夢想掘進(科技自立自強·強化國家戰略科技力量)

核心閱讀

盾構機是專門用于隧道掘進的工程機械，是名副其實的大國重器。中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領域，加大關鍵核心技術攻關力度，自主研發不同型號的盾構機，實現了我國盾構機從無到有、從進口到出口、從“跟跑”到“領跑”的跨越。

直徑達14.02米，紅藍相間的圓形刀盤上，數百個白色刀頭組成一道道美麗的弧線。

1月18日，在上海軌道交通市域線機場聯絡線工程中，國產超大直徑泥水平衡盾構機“建勛號”向前鉆進，猶如一條鋼鐵巨龍。

“刀頭由硬度極高的合金組成，是‘鐵齒銅牙’，既能吃軟土，也能啃硬巖。”鐵建重工掘進機研究設計院泥水盾構研究所副所長范瑞強說：“光是刀頭相關技術，就凝聚著企業多年來的科技創新成果。”

鐵建重工是中國鐵建股份有限公司在工業制造板塊的核心企業。近年來，中國鐵建聚焦隧道施工、軌道交通等領域，加大關鍵核心技術攻關力度。“十三五”期間，中國鐵建獲得國家科學技術獎17項，新增授權專利14389件，新增國家級創新平臺4個，新增主持國家科研項目8項、課題26個。

因地制宜研發

量身定做產品

盾構機是專門用于隧道掘進的工程機械，在重大基礎設施建設領域應用廣泛，是名副其實的大國重器。因為擁有穿山打洞的超強能力，享有“地下蛟龍”“鋼鐵穿山甲”的美譽。

如此重器，如何工作?盾構機在前進時，用刀頭將泥土、巖石碾碎，“吃”進肚子里，再通過專門的管道運送至機身后方排出。與此同時，通過注漿和管片砌襯，為挖好的隧道、地道加固定型，形成永久性結構。“盾”與“構”分步進行，一條龍作業。

“一臺大型盾構機，重量超過3000噸，零部件超過3萬個，涉及電氣、光學、力學、土木、機械等眾多學科，制造工藝復雜。”范瑞強說。

不同工程項目面臨的地質條件、隧道規模大小和施工環境千差萬別，對設備選型要求各異，所以盾構機不能批量化生產，需要因地制宜研發、量身定做產品。這也意味著，每一臺盾構機都“個性十足”。

“建勛號”主要用于上海軌道交通市域線機場聯絡線工程。聯絡線沿線穿越軌道交通、市政公路、橋梁等重要建筑物，對地表沉降控制精度和環境保護要求較高。研發團隊在設計管片砌襯技術時，對隧道底部的大弧形塊，首次采用整體預制拼裝工藝施工，代替傳統箱涵兩側現澆的工法，提高隧道整體施工速度，確保隧道成型質量。

2017年7月，5臺國產盾構機第一次走向歐洲。面對超低溫施工環境，鐵建重工開發了可耐零下30攝氏度低溫的主驅動，增加液壓泵站、變頻器等輔助加熱系統。“工業產品設計通常考慮的是散熱，但這一次我們給盾構機增加加熱裝置和溫度在線監測系統，讓冷熱兩套系統完美兼容。”這5臺盾構機的總設計師孫雪豐說，團隊反復推導計算和熱力學仿真，畫了800多張系統原理圖和結構圖紙，最終確保油箱內液壓油合理升溫，又沒有影響液壓油的使用性能。

經過多年努力，針對“超惡劣自然環境、超風險地質條件、超常規長大隧道”等不同類別的施工場景，鐵建重工研制出一個個“身懷絕技”的國之重器，在行業內處于領先地位。

搭建科創平臺

攻克核心技術

伴著機器轟鳴聲，在北京東六環改造工程建設中，由鐵建重工研制的“京華號”正在開展地下穿越之旅。這臺我國迄今研制的最大直徑盾構機，開挖直徑達16米級，整機長150米，總重量4300噸。它的刀盤上，有近400個硬質合金的刀頭，硬度媲美金剛石。

但再堅硬的刀頭也會被磨損。鐵建重工掘進機研究設計院副院長暨智勇介紹，盾構機作業的地方往往在地下幾十米。過去只能采取帶壓換刀的方式，即由專業的施工人員到刀盤背部，手動更換一個個刀頭。帶壓的感覺，就像在深海潛水，人體內部需要承受相應的壓力，具有一定的危險系數。因此，為了保證施工人員安全，必須在帶壓換刀開展前準備充足，構建好穩定的作業環境。“也就是說，以前盾構機每往前掘進200米，就需要‘修整’一周。”暨智勇說，為此，鐵建重工和中南大學等高校合作，搭建了基礎技術和應用研究試驗平臺這一省級科技創新平臺，研發出常壓換刀技術，大幅提高了換刀效率。“如今，工作人員鉆進刀盤后方的箱體，將刀頭抽回箱體，泄壓后直接更換，換刀只需要四五十分鐘。”暨智勇說。

“過去刀盤刀具長期依賴進口，不僅價格昂貴，交貨時間也不可控。現在，我們在試驗平臺上不斷測試性能和數據，設計出適合不同地質結構的盾構機刀具，實現了‘卡脖子’技術的突破。”鐵建重工科技發展研究院院長廖金軍說，目前，包括極硬巖滾刀在內的各品類盾構刀具，已能做到完全國產化。

中國鐵建不斷加強科技創新平臺建設。目前全系統擁有國家級科技創新平臺23個、省部級科技創新平臺122個。“十三五”期間，鐵建重工面向國家戰略、重大工程、通用市場需求，承擔和參與國家級科技項目30余項，聚焦攻克關鍵核心技術過百項，實現“卡脖子”技術的創新突破和部分領跑。

從跟跑到領跑

從配角到主角

巨大的圓形刀盤上，一只懷抱嫩竹的大熊貓占據“C位”……這是被網友稱為“最萌大國重器”的“錦繡號”盾構機，也是一臺國產土壓平衡盾構機，正在參與成(都)自(貢)高鐵錦繡隧道建設。其最大的特點，在于高承壓能力。

原來，錦繡隧道“深淺不一”，最小覆土厚度不足8米，而最大埋深則達到60米。為了應對覆土淺和沿線地面多建構物的復雜情況，研發團隊為盾構機增設23個超前注漿孔、28個徑向注入口，可預先對周圍土體注漿加固，徑向注入支撐介質，有效控制地面沉降，確保地面建筑不受影響。

“面對極高的水土壓力，‘錦繡號’采用了具有高承壓能力的聚氨酯密封技術，可承受10巴水土壓力，相當于用一個雞蛋支撐5個成年人的重量。”鐵建重工掘進機研究設計院土壓盾構研究所工程師鐘晴說。

同時，“錦繡號”是我國迄今研制的具有完全自主知識產權的最大直徑土壓平衡盾構機，進一步鞏固了國產隧道掘進技術裝備的自主可控能力。

時間倒回10多年前，盾構機技術長期被國外壟斷，“洋品牌”盾構機幾乎占據了國內市場，價格高昂。2010年，鐵建重工研制出國產首臺復合式土壓平衡盾構機，設備國產化率達到87%。這一重大突破，讓均價1.5億元的洋盾構被迫降價30%。

經過10多年發展，國產品牌盾構機在國內市場占有率達90%以上。以鐵建重工為代表的國內地下工程裝備企業，技術從跟跑到部分領跑，市場份額從配角到主角。

不過，創新過程中仍有一些需要攻克的問題。鐵建重工黨委書記、董事長劉飛香介紹，產業鏈供應鏈中的每一環都至關重要，只有供應鏈穩定才能保證生產、確保供應。

“我們的首要任務，仍是把產業鏈自主創新進行到底，堅持差異化、高端化的產業產品戰略。”劉飛香說，產品開發上，國內企業要進一步完善產品型譜，滿足細分領域不同場景的施工需求;要加強行業共性技術研究，積極參與國際標準制定修訂，在關鍵領域形成以自主知識產權為主導的技術標準體系。