工匠精神鍛造“鋼鐵蛟龍”的“利齒”

文/ 本刊記者 鄭茂典

城市地下交通線路工程大直徑盾構隧道

盾構機，它的正式名稱叫做全斷面隧道掘進機，平時大家可能很少見到它，因為它一般都在地下或是山洞里工作，是建造地鐵、鐵路、公路、隧道等的利器。因為系統復雜、集成度高，也有人把它稱為機械制造皇冠上的明珠。

盾構刀具作為盾構機的“牙齒”，是盾構掘進系統的關鍵部件，直接影響到盾構機的掘進速度、施工成本和工程質量。作為吉林省科技進步一等獎獲得者的凌遠科技股份有限公司，多年來通過持續技術攻關，將成果應用于國內外數十個高難度地質條件的高強度硬巖隧道或復雜地層隧道項目中，促進我國盾構機零部件核心技術不斷突破。

在掘進中逆襲

世界上第一臺盾構機是法國工程師布魯諾爾發明的。直到1953年，中國才引入第一臺盾構機，中國盾構機的使用發展歷史只有不足70年，但是如今全世界都爭相搶購中國盾構機，從國外進口到全球領先，中國盾構機逆襲成功。

盾構機如今已經被中國做到了“白菜價”，讓西方痛失了又一個可以賺錢的神器，以前盾構機被西方定義為高端科技產物，想要引進一臺盾構機，往往需要花費幾千萬美元。為了防止中國掌握核心技術，拒絕出售生產線，拒絕培訓維護人員，賺足了售后的利潤，而且一旦出了故障，維修盾構機就會變得非常麻煩。

上世紀90年代末，中國城鎮化開始起步，基礎設施建設加速。中國是地大物博的國家，國內有很多城市需要建設地鐵，挖掘隧道，用基建助力經濟發展。1997年，為了建設西康鐵路秦嶺隧道，中國第一次進口了兩臺德國盾構機，兩臺二手盾構機花了7億元，相比傳統的隧道鉆爆法，盾構機施工不僅效率大幅提升，而且施工過程安全性大大提高。但是，在享受安全高效的同時，我國也不得不接受高昂的設備費用，和并不順暢的售后服務。

直到2008年，通過我國科研人員的不懈努力，研發出中國第一臺盾構機“中鐵一號”。在此基礎上，我國盾構機開始井噴式發展，國內盾構機行業開始快速崛起，從此開始替代了進口，轉而使用國產設備。

從0到1，從完全不能生產到如今國產化率達到90%，中國在盾構機領域的發展速度，比在高鐵和民航客機領域的發展速度還要快。之所以國產產品能完全取代國外產品，主要還是因為掌握了盾構機核心技術，一臺盾構機包含上萬個零部件，比如刀具和主軸承，刀具刀盤的設計研發，一直是盾構機國產化的重要課題。

跟普通機械設備不同的是，盾構機是定制化產品，每一臺設備都需要結合實際的工程單獨設計，不同的地質、不同應用場景，會有不同的需求。“比如砂卵石地層，對刀具磨損是非常厲害的，所以我們就給裝備配備上合適該地質的刀具。” 凌遠科技股份有限公司董事長張凌說。

在應用中攻關

盾構機最關鍵的技術是它前部作為磨損件的刀具。這些刀具要滿足高硬度、高韌性、高強度等特點，其生產技術曾長時間被德國“卡脖子”，想更換只能購買德國的配套產品。2002年攻關團隊負責人張凌便開始組建技術團隊進行攻關，致力于研發、生產國內隧道掘進機（TBM）配件。

在研制的初期，刀圈選材為行業普遍采用的H13鋼材作為原材料，采用傳統的自由鍛造工藝，同時采用傳統的方式對刀圈進行熱處理，致使鍛造后的刀圈毛坯尺寸不規則，加工余量大，制造成本極高。技術團隊通過對產品不斷提升和創新，自首批成果應用于磨溝嶺隧道工程掘進試驗后，幾年間，團隊結合工程統計數據、平行產品對比，不斷提升產品技術指標。通過經驗積累與分析，將刀圈毛坯的鍛造方式進行改進，由傳統的自由鍛造改為輥鍛方式，并且優化了熱處理工藝，其使用性能已達到進口刀具的90%以上。雖然在刀圈質量上有很大的提升，但刀圈毛坯重量仍然較大，成本沒有明顯降低。

此后，技術攻關團隊對刀圈的材料進行了突破性的改進，并研發出了新型FSD、WG系列高耐磨、高硬性、高韌性材料，通過接近真實服役工況的數字化模擬分析技術，對刀圈的性能進行模擬分析；利用電渣二次重熔技術，改進原材料的組織，通過萬噸級高壓近凈成形技術，將刀圈毛坯一次鍛壓成形；最后通過真空熱處理技術，結合以特殊的過程熱處理工藝，真正提高了刀圈的核心性能，既“硬”又“韌”，各項性能指標均優于進口刀圈，同時大幅度降低了刀圈的制造成本。

“技術攻關不能單打獨斗，要各自發揮優勢，懂研發的不懂工程，懂工程的不懂研發，要解決研發與應用的壁壘，就要聯合。”張凌說。為此，攻關團隊重新組建，形成了產學研用的專攻技術團隊，相繼與東北電力大學、吉林大學、中南大學、石家莊鐵道大學等多所高校開展產學研合作，結合多年施工案例、大量一手工況數據，對現有刀具存在的不穩定因素進行排查，對進口刀具進行全面分析實驗，研制出性能更穩定、破巖效果更優異的刀具產品。

2014年，由研發團隊組建的凌遠科技股份有限公司正式成立。為加快技術研發，公司陸續購入成套的高精尖現代化生產和實驗設備，通過技術團隊試驗和刀具裝配工程師對掘進現場刀具失效的監測記錄，對刀具關鍵部件刀圈的改進作出深入研究，研發出一套創造性的核心技術，并以此為依托，承擔起了吉林省重大科技成果轉化項目。

水利工程引水隧道小直徑TBM刀盤出洞

在減量中提質

盾構機有著“鋼鐵蛟龍”之稱。盾構機挖掘進度直接影響整個工程的進度、施工成本和工程質量。作為盾構機的“牙齒”，每天多挖掘一米，都是在節約成本，縮短挖掘時間，如果刀具“質”不提高，就會產生非正常磨損，導致刀具消耗過大，每次停機換刀具就要至少耽誤兩個小時，所以刀具的質量、穩定性尤為重要。

2016年，團隊參與引漢濟渭工程秦嶺隧道項目，涌水、塌方、巖爆、高溫地熱及高強度硬巖等諸多困難因素疊加，構成隧道施工的世界級難題。施工中由于巖石強度高、石英含量非常高、節理發育程度低，同時巖爆沖擊危害強，當巖石硬度超過130MPa時，刀具消耗量極大，挖掘工作不得已緩慢進行或準備購買進口刀具。團隊在經過地質勘探報告分析后，拿出研發的拳頭產品在秦嶺隧道現場做實裝互換對比試驗，與美國某知名滾刀比較磨耗率等關鍵性能績效參數，超過進口滾刀33.67%，及時地解決了施工難題。“實驗結束后，王夢恕院士很欣慰，他說刀具雖然是整個隧道建設中小之又小的一個部件，但這證明了我們科研團隊為隧道工程配套而努力的結果，他的最大愿望就是讓我國擁有世界一流的隧道產業工程配套能力，服務祖國和人民。”張凌說。

除此之外，團隊承擔著多個國家戰略級TBM/ 盾構隧道工程的刀具任務，如云南大瑞鐵路工程、川藏線鐵路林芝段色季拉山隧道工程、滇中引水工程、南水北調工程、珠三角水資源配置優化工程、海外“一帶一路”項目如尼泊爾喜馬拉雅山巴瑞巴貝引水隧道工程、以色列特拉維夫紅線項目、格魯吉亞高加索山脈KK公路隧道工程、斯里蘭卡上依拉黑運河引水隧道工程等等。與大多數裝備公司不同，“我們專門喜歡啃硬骨頭，別人干不了的我們來，別人干不動的我們上，我們不求項目數量，但力求我們參與的每個項目都以‘質’取勝。”張凌說。

從初創團隊到公司走向市場，20多年來，持續攻關成了團隊的一種工作習慣，以科技創新驅動生產力，追求核心技術全自主，而試驗檢測能力是保證技術主動權牢固自主掌控的關鍵。在這一堅定的基本理念的驅動下，團隊先后創建“吉林省盾構與掘進刀具技術科技創新平臺”“吉林省盾構與掘進刀具技術重點實驗室”和企業技術中心，以隧道掘進民族工業發展為己任，秉承工匠精神，追求卓越，做強“中國之刃”。