中國盾構機是怎樣“煉”成的

潘偉

伴隨著全國各重大工程建設的推進和中國制造加快走向世界，近期，國產盾構機頻傳好消息。7月26日，江西首臺超小轉彎半徑礦用TBM“江銅一號”（中鐵1299號）成功下線，將用于江西貴溪銀珠山礦區鉛鋅銀礦；7月14日，我國自主研制的大直徑雙護盾土壓組合式盾構機“鐵兵廣花6號”在廣花城際鐵路2號盾構井始發；6月28日，國產最大直徑盾構機“京華號”出洞，標志著北京東六環改造工程西線隧道貫通；5月9日，世界首臺綠色盾構機“中國中鐵1237號”下線，出口用于意大利西西里島高速鐵路隧道建設，等等。

據悉，盾構機是一種使用盾構法的隧道掘進機，最早起源于19世紀的歐美，廣泛應用于鐵路、公路、水利、城市地鐵等重大基礎設施工程建設，被譽為“工程機械之王”。

相關研究顯示，目前中國盾構機占據了90%以上的國內市場、近70%的全球市場。中國盾構機行業領域已經形成中鐵裝備和鐵建重工雙雄并峙、中交天和等緊隨其后的市場格局。

要知道僅僅20年前，在重大工程建設施工過程中，中國使用的盾構機完全依賴進口。中國工程院院士、浙江大學機械工程學院院長楊華勇說，以前大噸位的起重機、挖掘機等大量進口，沒有實現國產化，不是說中國做不出來，而是做出來可靠性不好，還不能批量生產。

以中鐵裝備、鐵建重工、中交天和等央企為代表的中國盾構機，用了約20年的時間跨越了歐美200余年的發展歷程。從研制第1臺到全球銷量第1名，中國盾構機從起步追趕到全球領跑，已然成為基建和高端裝備制造的一張中國名片，是當之無愧的大國重器。

全球60%以上的市場，需求驅動自主研發

盾構機最早可以追溯到19世紀初葉的英法。法國工程師M.l.布律內爾受到船蛆鉆洞的啟發提出盾構掘進的原理，并在1825年修建英國倫敦泰晤士河水底隧道時，首次使用盾構掘進。

此后，英國、德國、法國、日本等研究改進盾構施工并應用在地下隧道、管道建設。1846年，比利時工程師毛瑟設計名為片山機的挖掘機；1847年，英國人J.H.格雷特黑德首次采用氣動盾構法施工；直到1994年，穿越英吉利海峽的英法海底隧道建成，盾構機一戰成名，被更大范圍應用。

我國盾構技術和應用長期以來發展緩慢。改革開放以來，我國鐵路、公路、水利、城市地鐵、海底隧道等基礎設施建設如火如荼展開，對盾構機的需求大增，國內市場潛力巨大。

1996年底，建設西康鐵路時，我國以約7億元的昂貴價格從德國引進兩臺盾構機用于建設秦嶺隧道。隧道提前10個月貫通，這種挖掘施工效率極大展現了盾構機的威力，而且極大提高了施工的安全性，國內盾構機的市場需求也越來越大。

據不完全統計，2009年以前，我國近85%的盾構機依賴進口。根據海關統計數據，2000年至2010年，我國10年間累計進口以盾構機為主的自走式巖石切割機或隧道掘進機價值11.6億美元，其中德國、日本、美國設備分別占進口總額的35.4%、20.8%和18%。

“我國基礎設施建設對盾構機的需求占到了全球60%以上，自主研發生產盾構機，成為擺在中國面前的唯一出路。”中鐵裝備總經理張志國說。

從0到1，政企校研協同發力

盾構機從0到1的突破離不開國家的大力支持和平臺搭建，凝聚企業和科研機構的力量，協同發力，聚焦攻關。

2001年盾構機研制被列入“863”計劃（國家高技術研究發展計劃）；2006年6月，《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》正式發布，盾構機研制被列入16項重大技術裝備之一；2007年盾構機又被列入“973”計劃（國家重點基礎研究發展計劃）。

中鐵裝備黨委書記、董事長趙華表示：“依托國家‘863計劃 ， 2002年中國中鐵在河南省新鄉市建成以盾構研發、組裝調試、制造維修為主的盾構產業化基地，開啟了中國盾構研發的新征程，這也是中鐵裝備的前身。”

2002年至2008年，中鐵裝備相繼參與和承擔了5項國家“863”計劃，主要在復合盾構的設計與集成技術研究、六自由度管片安裝機技術研究等6個方面開展了科研攻關，突破了刀盤及刀具與液壓系統、盾構控制系統等盾構機系列關鍵技術。

同樣在國家重大科技計劃的引領下，中國鐵建在前期技術積累及工程應用的基礎上，投入巨資在湖南省長沙市建立盾構產業基地，自主研發國產盾構機/ TBM產品，逐步形成了具有自身特色的自主研發道路，此后鐵建重工應運而生。

2007年，劉飛香（鐵建重工原黨委書記、董事長）牽頭創建鐵建重工，在各級政府的全力支持下，在巨大市場需求的有力拉動下，鐵建重工堅持科技自立自強，通過自主創新，逐步攻克多項關鍵核心技術，自主開發了一系列全球領先的定制化超級地下工程裝備。

多年耕耘結下碩果。在國家政策支持和經費投入背景下，2008年4月，中鐵裝備成功研制了“中國中鐵1號”盾構機，這是我國第一臺具有自主知識產權的復合式盾構機，并在天津地鐵3號線營口道站順利始發。2010年，鐵建重工推出首臺土壓平衡盾構機“開路先鋒19號”，其國產化率創造了當時國產盾構機的最高紀錄，并在長沙地鐵工程得到了成功的應用。

據了解，盾構機研發涵蓋了機械、力學、液壓、電氣數等十個技術領域，精密零部件多達3萬多個，單單一個控制系統就有2000多個控制點。從0到1，中鐵裝備、鐵建重工突破核心技術的關鍵之一在于充分發揮產學研創新體系作用，打造協同創新生態。

在攻克盾構機關鍵部件“卡脖子”方面，中鐵裝備成立了重大專項研究院，聯合國內相關高校、研究院所和企業，一年多時間即實現了國產大排量泵、主驅動密封、PLC等關鍵部件的核心技術突破，并實現多臺設備現場應用。中鐵裝備近3年聯合承擔了13項國家科技項目，形成16項國際領先技術。

鐵建重工同樣努力打造產學研協同創新的典范。鐵建重工相關人員表示，科技部、發改委、工信部、國資委等部委先后在盾構機整機、關鍵零部件技術、數字化技術等方面給予了幾十個科研項目的支持，鐵建重工主機廠家牽頭，把頂尖高校、科研院所、上下游企業等聯合起來，持續進行技術攻關。

自2010年至今，鐵建重工已與中南大學進行科研項目研發合作10余項，突破多項關鍵技術，形成多項科研成果。

此外，中國工程院院士楊華勇作為流體傳動與控制領域專家，是國產盾構等高端裝備自主研發的產學研團隊領頭人。兩家盾構機龍頭企業中鐵裝備和鐵建重工都和楊華勇院士及其團隊建立了長期合作關系，在戰略咨詢、技術攻關、成果轉化、人才培養等方面積極開展產學研深度協作。

創新能力根植于持續的研發投入、創新平臺和人才隊伍建設

習近平總書記指出：“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的?！?/p>

國產盾構機實現從無到有，從有到優，從優到強，攻關突破一個又一個技術瓶頸，關鍵在于不斷夯實科技研發的基礎，增強自主創新的能力。

技術研發離不開持續的研發投入。從科技研發到成果產出通常是一個漫長的周期，需要充足且穩定的資金支撐。據悉，中鐵裝備近3年，研發投入強度超過9%；2022年新成立了日本研究院，全年研發投入同比增長13.3%。2019年、2020年和2021年，鐵建重工研發投入分別占營業收入比例為6.43%、7.27%和7.12%。2022年，鐵建重工投入的研發費用已達9.8%，每年拿出10多億元研發經費。

盾構機研制另一個佼佼者——中交天和始終堅持走自主研發、科技創新之路，每年保持投入近2000萬元的科研經費和近8%的研發投入比。

創新能力根植于創新平臺的搭建和人才隊伍的建設。中鐵裝備建立了“十院三站五中心”的創新體系，研發人員占員工總數的60%以上；建立了2個國家級創新平臺；成立了技術孵化中心，推動研發成果轉化運用。截至2021年末，中鐵裝備累計擁有各類國家級人才8人，省部級高層次人才10人，研發技術人員近1000人。

2007年，鐵建重工企業技術中心成立，2012年通過國家級企業技術中心認定，中心致力于國家戰略性新興產品產業的自主研發。目前，鐵建重工有研究設計院19個、研發設計人員2000余人；建立長期合作關系的大學或院士團隊30余個；打造了十位一體的科技創新平臺，堅持“產、學、研、用”聯合創新模式。

工欲善其事，必先利其器?；A設施建設需要盾構機這一利器，研制盾構機同樣離不開先進的工具和技術作為利器。

鐵建重工副總經理劉丹表示，鐵建重工提出“研發設計數字化、產品機器人化、制造智能化、服務數智化、管理智慧化”的數智賦能戰略，引領了我國高端裝備制造業數字化轉型。

鐵建重工大力推進裝備制造的數字化、信息化，例如鐵建重工推行的“將產品塞進電腦”，就是構建地下工程裝備產品數字模型、典型工況環境模型、行為規則模型等數字樣機，在虛擬空間中仿真模擬地下工程裝備與地質環境、典型工況耦合的運行過程和裝備行為，以此分析并優化產品功能與性能。此外，鐵建重工將5G、互聯網、大數據、數字孿生、人工智能等前沿技術應用于隧道裝備。

趙華則表示，憑借成功攻關的盾構機基礎領域和再集成技術方面的關鍵核心技術，中鐵裝備給國產盾構機裝上“中國芯”。例如，中鐵裝備建成了世界首個TBM云計算平臺和大數據中心，開發了TBM掘進智能控制軟件并成功應用在吉林引松項目。

反向出口打入高端市場，憑借的是中國盾構核心競爭力

我國盾構機從20多年前依賴進口，到今天實現國產化，甚至反向出口到海外，贏得海外客戶信任和認可，打入高端市場，憑借的是前沿的技術創新和過硬的產品質量。

超大直徑盾構機代表著企業的技術實力和研發能力水準?！熬┤A號”盾構機就是國產超大直徑盾構機杰出代表之一，由鐵建重工和中鐵十四局聯合打造，最大開挖直徑16.07米、長150米、重4300噸，這是我國超大直徑盾構機技術躋身世界前列的重要標志。

成功研制超大直徑盾構機的不止鐵建重工。2017年，中鐵裝備成功研制國產首臺15米級超大直徑泥水平衡盾構機，挑戰“世界級挑戰性工程”汕頭海灣隧道，取得了耗時更短、速度更快的成績；而中交天和同樣研制了諸多超大直徑盾構機，從直徑15.03米的“振興號”到直徑16.07米的“運河號”，再到直徑16.09米的“聚力一號”。

對中鐵裝備來說，2012年進軍海外市場東南亞成為其成功一戰，開始打開廣闊的海外市場，走向世界。當時，中鐵裝備雖然面臨馬來西亞客戶的不信任，但是經過10多次溝通協商，最終成功賣出兩臺盾構機。而且，憑借這兩臺盾構機的優異表現，中鐵裝備創造了馬來西亞盾構施工新紀錄，獲得了當地市場的高度認可。

“中鐵裝備從2012年出口馬來西亞第一臺盾構機，到現在已經出口丹麥、波蘭、澳大利亞、韓國等30多個國家和地區，其中包括法國、意大利等歐洲市場和制造強國?！睆堉緡f。

“一帶一路”重點項目——印尼雅萬高鐵的隧道掘進采用中交天和自主研發的盾構機，刀盤直徑13.19米，是當時東南亞地區最大直徑的泥水加壓平衡盾構機。

憑借技術創新優勢和亮眼的業績等，以中鐵裝備、鐵建重工、中交天和等為代表的中國盾構機打出了世界知名度，贏得了國際市場認可。

在全球經濟下行和疫情的背景下，2022年中國中鐵盾構出口銷量連續3年復合增長率30%，海外累計訂單已歷史性突破100臺，盾構機產銷量連續11年國內第一，市場占有率連續6年世界第一，是我國國內企業出口盾構機最多、市場占有率最高的企業。

根據鐵建重工2022年年報，以產量計算，自2017年以來，鐵建重工巖石隧道掘進機裝備在國內市場份額保持第一，水利水電市場占有率超過70%；盾構機已連續兩年保持全球第一，大直徑及超大直徑盾構機市場占有率超過50%，全斷面隧道掘進機領跑全球；鉆爆法隧道裝備技術水平與市場占有率處于國內行業領先地位。

今天，憑借過硬的核心技術、優良的品質服務、良好的性價比等核心競爭力，中國盾構機贏得了國際市場的認可和歡迎，成功打造了響當當的中國盾構品牌。