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提到大國重器

你能想到什么？

航空母艦、載人飛船、核潛艇？

(資料圖片僅供參考)

沒錯

這些高精尖科技一直讓我們引以為傲

但小編第一個想到的是

盾!構(gòu)!機(jī)!

這個龐然重物有幾層樓高、上千噸重

它長期服役于地下空間

卻默默地為我國隧道建設(shè)做著巨大貢獻(xiàn)

誰說站在光里的才算英雄?

什么是盾構(gòu)機(jī)，分類有哪些？

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的簡稱，是一種集開挖、支護(hù)、推進(jìn)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型施工機(jī)械，其前端設(shè)有支撐和開挖土體的裝置，中段裝有頂進(jìn)所需的千斤頂，尾部裝有拼裝環(huán)片。盾構(gòu)法是指以盾構(gòu)機(jī)這種施工機(jī)械在地面下暗挖隧道的施工方法，隧道掘進(jìn)、襯砌拼裝在鋼殼體保護(hù)下完成。

▲超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“強(qiáng)國號”。圖源：中鐵二十二局

歐美國家將全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)統(tǒng)稱為TBM。日本則一般統(tǒng)稱為盾構(gòu)機(jī)，細(xì)分可稱為硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)和軟地層隧道掘進(jìn)機(jī)。

據(jù)中鐵裝備相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，我國的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)按照應(yīng)用地質(zhì)條件不同分為硬巖掘進(jìn)機(jī)、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。國內(nèi)習(xí)慣把前一種稱為（狹義）“TBM”，把后兩種簡稱為（狹義）“盾構(gòu)機(jī)”。該類設(shè)備被稱為“工程機(jī)械之王”，集機(jī)械、電氣、液壓、傳感、信息、力學(xué)、導(dǎo)向研究等技術(shù)于一體。一臺盾構(gòu)機(jī)動輒幾層樓高，重幾千噸，零部件上萬個，僅控制系統(tǒng)就有2000多個控制點(diǎn)。

在巖石中開挖隧道的TBM：通常用這類TBM在穩(wěn)定性良好，中、厚埋深，中、高強(qiáng)度的巖層中掘進(jìn)長大隧道。這類掘進(jìn)機(jī)所面臨的基本問題是如何破巖，保持掘進(jìn)的高效率和工程順利。

在松軟地層中掘進(jìn)隧道的TBM（國內(nèi)通常稱為狹義盾構(gòu)機(jī)）：通常用這類TBM在具有有限壓力的地下水位以下的基本均質(zhì)的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。這類掘進(jìn)機(jī)所面臨的基本問題是空洞、開挖掌子面的穩(wěn)定、市區(qū)地表沉降等。

盾構(gòu)法和盾構(gòu)機(jī)起源于哪里？

最早進(jìn)行盾構(gòu)法研究的是法國工程師M.l.布律內(nèi)爾，他于1825年在英國倫敦泰晤士河下用一個矩形盾構(gòu)建造了世界上第一條水底隧道。

▲盾構(gòu)法創(chuàng)始人法國工程師布律內(nèi)爾。圖源：青春中交

1846年，比利時工程師毛瑟就在修建法國到意大利的鐵路中設(shè)計了一個名為片山機(jī)的挖掘機(jī)，這被認(rèn)為是盾構(gòu)機(jī)的鼻祖。

1847年，英國人J.H.格雷特黑德第一次在黏土層和含水砂層中采用氣動盾構(gòu)法施工，為現(xiàn)代化盾構(gòu)法施工奠定了基礎(chǔ)。

此后，德國、日本、法國、蘇聯(lián)等國家把盾構(gòu)法廣泛用于地下鐵道和各種大型管道的施工。中國自1953年開始，先后將盾構(gòu)法用于各種大小隧道和地下工程施工。從簡單的人工掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)發(fā)展到今天的全斷面隧道機(jī)械化掘進(jìn)的土壓平衡式或泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)歷了200余年。盾構(gòu)機(jī)發(fā)明于法國，發(fā)展于日本、德國，壯大于中國。

▲2008年，中國中鐵1號盾構(gòu)機(jī)下線。

盾構(gòu)機(jī)在我國的發(fā)展歷程

實(shí)際上，中國可追溯到的第一臺盾構(gòu)機(jī)的使用是在1963年，但那個時候乃至之后很長一段時間，盾構(gòu)機(jī)在中國都是作為技術(shù)驗證機(jī)的方式存在。

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，進(jìn)入千禧年的中國到了交通建設(shè)重要發(fā)展階段。2009年之前，我國大約有85％的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)依賴進(jìn)口。其中，占據(jù)歐洲大半市場份額的德國海瑞克，以產(chǎn)量1670臺居世界首位的三菱重工，以及擁有多個品牌的德國維爾特的表現(xiàn)最為搶眼。其中海瑞克就占據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)市場的70％以上。

作為我國盾構(gòu)機(jī)史上最憋屈的那段時間的親歷者，周文波與譚順輝怎么都沒想到，僅僅不到10年，那些曾經(jīng)在中國工程師面前趾高氣揚(yáng)的“洋師傅”，現(xiàn)在居然成了要仰望我們的存在。

而他們，后來也成為了中國盾構(gòu)機(jī)兩個不同技術(shù)領(lǐng)域突破項目的領(lǐng)軍人物。

周文波，在地下工程中力學(xué)問題的研究、隧道工程智能化研究、國產(chǎn)盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面有突出貢獻(xiàn)，長期致力于隧道施工領(lǐng)域的技術(shù)研究和科技創(chuàng)新工作，尤其在隧道工程施工智能化管理、隧道工程施工技術(shù)前瞻性研究、國產(chǎn)盾構(gòu)（國家863項目）的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面進(jìn)行了不懈的探索和研究。現(xiàn)任上海隧道工程股份有限公司總裁。

譚順輝，曾任中鐵隧道裝備制造有限公司副總經(jīng)理、總經(jīng)濟(jì)師，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司黨委書記、董事長。

案例一：使用日本進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)

1989年，我國首次將盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用在地鐵施工領(lǐng)域。然而真正大規(guī)模在城市地鐵施工領(lǐng)域使用盾構(gòu)機(jī)是在1994年。當(dāng)時國家提出構(gòu)建上海浦東新區(qū)，要開挖穿越黃浦江的地鐵隧道。為了保證施工安全、提升施工速度，我國首次使用從日本引進(jìn)了直徑為11.22米的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

然而，日本專家在操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)一段距離后突然停下了。原因是根據(jù)日本的操作規(guī)范，這種類型的盾構(gòu)施工覆土必須大于10米，但黃浦江里最小的覆土只有7米，這讓日本工程師束手無策。而且日本工程師死摳教條，不但不接受中國工程師相應(yīng)的建議，甚至不允許中國工人接近盾構(gòu)機(jī)的駕駛室和控制中樞。要知道工程每停工一天，就會造成高達(dá)一百多萬元的損失，這讓很多工程人員無計可施，周文波便是其中一位。

最后周文波向指揮部立下軍令狀，中方也向日本公司提供了免責(zé)證明，最終換取了中國技術(shù)公關(guān)小組前往解決問題的機(jī)會，而且最終問題也被周文波帶隊解決。

案例二：使用德國進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)

1997年，國家修建西康鐵路需要穿過秦嶺，單純靠人工的話，不僅要花費(fèi)大量的物力、財力，并且還會隨時面臨洞口坍塌的可能。同年7月，我國向德國公司定制了兩臺TBM盾構(gòu)機(jī)，除去其每臺3億美元的單價，若加上后續(xù)服務(wù)費(fèi)及安裝維修費(fèi)，足足支付了7億美元。

然而在施工過程中問題頻出，德國公司并不信任在場的中國工程師，連換刀頭這樣的工作都不允許中國工人接近，還要在周圍拉出封鎖線。

作為國家選中服務(wù)這兩臺盾構(gòu)機(jī)的第一批技術(shù)員，譚順輝被國家不惜重金送到德國學(xué)習(xí)了半年，但回來德方卻不讓他們接觸這臺盾構(gòu)機(jī)的核心技術(shù)。

更令人氣憤的是，在安裝過程中，譚順輝發(fā)現(xiàn)了德國工程師在圖紙上的錯誤，但德方的回復(fù)卻說，向德國公司每提一個問題就要交1萬美元。為了解決問題，中方指揮部不得不向德國公司額外支付了20萬美元，并由他們的工程師從德國飛到中國處理本身由他們失誤造成的問題。

當(dāng)時德國專家嚴(yán)守8小時工作制，甚至從走出家門就開始計算費(fèi)用，每小時的工資就達(dá)到了600到800歐元，周末絕不加班，設(shè)備出現(xiàn)問題后只能等到工作日解決，而這樣的大工程停工一天就會損失幾百萬元人民幣。

德方工程師曾在私下場合傲慢地表示，“再給中國工程師100年也玩不轉(zhuǎn)盾構(gòu)機(jī)”。這幾乎成為當(dāng)時所有鐵路建設(shè)工程師心中最大的恥辱。

德國工程師的打臉來得非常快。由于錯誤估計了秦嶺山石的特性，盾構(gòu)機(jī)刀盤上使用的大推力滾刀刀圈經(jīng)常損壞。一開始德國公司還以工程進(jìn)度過快為由強(qiáng)詞奪理，但在中方指揮部列出的詳實(shí)數(shù)據(jù)面前，最終敗下陣來，不得不答應(yīng)由中方指揮部組織工程師攻關(guān)，找到解決辦法。

當(dāng)時鐵道部認(rèn)為這是一個了解盾構(gòu)機(jī)并產(chǎn)生配套技術(shù)的好機(jī)會，于是組織中鐵隧道工程局、中鐵十八局、中鐵一院，以及有關(guān)科研單位和院校，共同努力展開相應(yīng)科研工作。

最終針對這個問題，聯(lián)合攻關(guān)小組找到了解決方案，生產(chǎn)了有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)刀頭，并改變了刀刃的截面形態(tài)。后期現(xiàn)場施工實(shí)驗可以看出，在磨準(zhǔn)率和使用壽命方面，我國研制的產(chǎn)品都超過德國公司的原配產(chǎn)品，關(guān)鍵價格只是德國公司產(chǎn)品價格的1/3。

因為刀頭是損耗品，僅刀頭國產(chǎn)化一件事就為整個項目施工節(jié)省了近3000萬美元的開支。通過此次秦嶺隧道對德國TBM盾構(gòu)機(jī)的使用和后續(xù)維護(hù)中技術(shù)參與，初步鍛煉了國內(nèi)對盾構(gòu)機(jī)研發(fā)力量的組織，振奮了我國企業(yè)研發(fā)、制造、應(yīng)用隧道盾構(gòu)機(jī)的信心。

我國盾構(gòu)機(jī)發(fā)展歷程

2008.04

依托國家863計劃，由中鐵隧道集團(tuán)牽頭、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)參與研制的中國首臺復(fù)合盾構(gòu)——中國中鐵1號，成功地實(shí)現(xiàn)了從“造中國人自己的盾構(gòu)”到“造中國最好的盾構(gòu)”技術(shù)突破。

2008.12

在上海打浦路復(fù)線隧道工地，1臺由上海隧道工程有限公司牽頭，聯(lián)合浙江大學(xué)、中鐵隧道集團(tuán)，成功研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)大直徑泥水平衡盾構(gòu)（11.22米）始發(fā)。

2020.09

位于河南鄭州的中國中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)總裝車間內(nèi)，一臺直徑8.64米的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（粵海14號）正式下線。這是中國中鐵自主研制的第1000臺盾構(gòu)機(jī)。這一天，車間標(biāo)語“造中國人自己的盾構(gòu)，造中國最好的盾構(gòu)，造世界最好的盾構(gòu)”顯得格外醒目。

2021.04

從中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司獲悉，在法國大巴黎地鐵16號線2標(biāo)段上，由該公司自主研制的“中鐵777號”日前順利始發(fā)，這標(biāo)志著中國盾構(gòu)機(jī)成功首秀盾構(gòu)機(jī)發(fā)明國。

2021.08

在北京東六環(huán)改造工程施工現(xiàn)場，盾構(gòu)機(jī)“運(yùn)河號”成功始發(fā)，開始掘進(jìn)。這臺盾構(gòu)機(jī)開挖直徑達(dá)16.07米，是我國迄今研制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的最大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

2022.04

我國首臺全國產(chǎn)3米級主軸承盾構(gòu)機(jī)“中鐵872號”破土而出。

2022.12

上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程11標(biāo)項目首次實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)由“人工為主、智能為輔”到“智能為主、人工為輔”的產(chǎn)品迭代和技術(shù)升級，標(biāo)志著我國盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。該項目所使用超大直徑氣壓泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“虹浦號”，已掘進(jìn)隧道3000多米，創(chuàng)造了超大直徑盾構(gòu)機(jī)月度掘進(jìn)650米的全國最高紀(jì)錄以及單日掘進(jìn)16環(huán)、32米的世界新紀(jì)錄。

“上天有神舟，下海有蛟龍，入地有盾構(gòu)”。作為“入地”利器，盾構(gòu)機(jī)在某種程度上代表一國基建實(shí)力，是大國建設(shè)必不可少的核心裝備。從自力更生、自主研發(fā)，到走出國門、成為亮眼的中國名片，再到突破關(guān)鍵技術(shù)、讓民族盾裝上“中國芯”，中國盾構(gòu)人一路走來，著實(shí)不易。12載春秋，中鐵1號到1000號，見證了以中鐵裝備為代表的中國企業(yè)艱苦攻關(guān)的奮斗史，更見證了國產(chǎn)盾構(gòu)從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到強(qiáng)的逆襲歷程。

▲中國首臺超大直徑盾構(gòu)機(jī)“天和號”，直徑15.03米，用于南京緯山路過江通道項目。

歷史和實(shí)踐證明，技術(shù)封鎖、產(chǎn)品壟斷，只會讓我們更強(qiáng)大。只有掌握核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件，才不會受制于人。

為中國盾構(gòu)人點(diǎn)贊！

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