余鹏鲲：中国盾构——如何从弱国到世界第一

【文/科工力量专栏作者 余鹏鲲】

2019年2月23日，中铁装备集团两台土压平衡盾构机成功通过现场验收，正式交付日本西松建设公司，两台设备将用于新加坡地铁6号环线C882项目。此次验收的“中铁647号”“中铁648号”是中铁装备首次为日本客户提供的盾构设备。两台盾构机刀盘直径6.67米，设备总长约98米，总重约632吨，具备在半径200米内的水平转弯能力，属于“小而强”的盾构机。

“中铁647号”“中铁648号”验收交付现场，图源见水印

作为中国装备“走出去”的高光时刻，这两部盾构机从零件到组装完成的全过程也被镜头记录下来。几乎就在交付日本公司的同时，经过新华网剪辑的盾构机生产全流程视频也在YouTube上热播，并在新加坡的网络论坛引发热议。甚至有新加坡网友发出这样的惊呼“难道我们不才是发达国家吗？为什么造不出这样的机器”？

YouTube上播出的盾构机生产过程

惊诧的新加坡网友可能想不到中国生产的盾构机不仅质量上非常优良，具有稳定性好、恶劣地质条件适应性好等优点，而且销量也十分庞大。根据新华社报道，去年仅中铁装备一家的盾构设备年产能就已达到280台以上，累计出厂盾构780余台，先后出口新加坡、黎巴嫩、阿联酋、意大利、卡塔尔等18个国家和地区。

如今，国产隧道掘进设备在国内市场的占有率达到90%以上，并在全球市场上占据三分之二以上的份额。谁能想到，就在十多年前偌大一个中国，居然没有一台现代化的复合式盾构机。

中国工程界是如何用这么短的时间崛起反杀的呢？

盾构与中国的结缘

盾构法的原理出现的很早，早在18世纪的头几年布鲁诺尔就从一种外号叫“凿船贝”的软体动物船蛆身上获得灵感，发明了利用人工进行盾构的方法。这种称之为“开放型手掘盾构”的模型核心在于像船蛆吃木头一样正面向前挖掘，侧面形成框架并浇筑混凝土。

可惜的是历经清政府、北洋政府、民国政府，这种理念先进的隧道构筑方法始终未能在中国得到推广应用。直到新中国建立后第一次五年计划时期，才在辽宁阜新煤矿应用了直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。

布鲁诺尔在英国提出的盾构方法，辽宁阜新煤矿的应用方法也是类似的

尽管盾构的原理出现的非常早，但是与目前使用的盾构机相似的盾构设备则一直到1984年之后才逐步发展成熟，这次中国没有再错过现代盾构的时代。

1996年12月18日北起西安南到安康的西康铁路正式修建，它也是我国桥隧比例较高的铁路。其中其中著名的秦岭隧道全长18.46公里，为中国已投入使用第三长隧道，仅次于石太客专太行山隧道和兰新铁路乌鞘岭隧道。

也就是在这条隧道的施工中，中国第一次引进了两台德国盾构机进行施工，大大的缩短了工期，实现隧道的提早通车。

尝到甜头之后，中国的施工企业就开始逐步在隧道建设中引入盾构机帮助施工，但是“洋盾构”用起来并不舒适。首先是价格昂贵，随便一台普通的盾构机价格在当时就高达亿元人民币，像秦岭隧道使用的盾构机售价更是高达3亿元一台。而现在由于国产盾构机普及，普通盾构机的价格可低至2500万一台，复杂的盾构机也就在5000万左右。

购买国外盾构机的另一个“痛点”是维修非常不方便。当时外方对技术实行垄断，维修保养时不允许中方参与，维修所需工时也完全取决于外方。一旦出现盾构机故障将严重影响中方工程的施工进度。更让人气愤的是国外厂商一方面联手“抬价”单价极贵，另一方面并不重视中国市场，坏了连修都要等上很久。

维修人员来中国还得施工单位付2000～3000美元/天的差旅费，还常常要来回几次才能将盾构机修好。于是在迫于无奈的情况下，施工单位经常只能求助于国内单位。后来承接盾构机电液驱动、推进和控制系统的研发的浙江大学团队就是多次在为“洋盾构”把脉的过程中开始关注盾构国产化命题的。

追赶之路：起步及时统筹有力

这种进口设备对隧道施工是如此的有效，外国设备商对其技术交流的限制又是如此严重，这种现象不能不引起有识之士思考中国是否需要盾构机以及中国是否需要研制盾构机。

从当时的国家规划出发，铁路和公路建设未来逐步向西部地区、地质条件不良的地区发展，盾构机的应用会进一步增加。同时国外盾构机的很多信息并不对我们开放，在施工过程中有暴露地理信息的可能，对国防工程而言这种泄密风险是致命的。

于是中国需要盾构机且要自己研制盾构机迅速上升为国家意志。2002年在科研经费不富裕的情况下，还是将土压平衡盾构关键技术研制列入“863计划”。此时距离第一个使用盾构机施工的西康铁路完工还不到一年时间。

研制总装的重任落到了中铁隧道集团身上，2002年10月中铁隧道集团盾构机研发项目组正式成立。刚成立的项目组只有18位成员，其中多数是刚毕业没几年的大学生。按照日后成长为盾构机设计专家、中铁装备总工程师王杜娟的话说“对于我们来说，别说研发盾构机了，很多人连盾构机都没有见过”。

就是在这样的条件下，王杜娟与同事终于在2008年成功研制出我国第一台拥有部分自主知识产权的复合土压平衡盾构机，冲破国外的技术垄断，掌握了技术话语权，填补了我国在这一领域的空白。

中铁隧道集团出厂了国家首台863计划自主研发复合式盾构设备

客观地说，这台盾构机仅仅是解决了有无的问题。之所以中铁隧道集团能依靠这只并不强大的技术团队在短时间内研究出这样一台盾构机的原因是方方面面的。既有研发人员坚持不懈刻苦钻研的因素，同时还有国家“863”计划提供的资金和智力支持。另外一个客观因素是普通盾构机技术已经相对成熟，同时国外各大盾构机生产商并没有能力垄断原料和部件的生产，他们能买到的，国内一样能买到，甚至还有的国外品牌的盾构机生产线就设立在国内。

退一万步说，凭借着中国齐全完整的工业体系，盾构机所需要的材料和加工工艺国内都能造。即使买不到国外的部件，也能自主加工需要的零件。因此研发盾构只要从这台机械本身开始设计就行，问题一下收敛了。

说了那么多，02年国产盾构机列入“863”计划以及08年国产盾构顺利出厂绝对是非常及时的。如果当时有关部门的协调不是那么有力，中铁隧道集团的技术攻关不是那么顺利。那么在10年以来的地方地铁建设潮中，国产盾构的表现就不会这么亮眼。而没有国内市场充分的反馈，国产盾构技术升级并走向国外的步伐也很难如此迅速稳健。

重点国企带头，中国盾构全面开花

之前我们已经提到了盾构机的研制是一个复杂的系统工程，需要多方参与。中国盾构的发展历程中重点国企发挥了很大的带头作用，促进了中国盾构的发展。

上海隧道工程股份有限公司联合浙江大学同样承接了同一期863计划项目，为了利用上海建设打浦路隧道复线的机会获得工程第一手实用信息，一开始就做了整机样机并投入到工程实践中去。第一次掘进这台机器就在在黄浦江底实现了半径380米的转弯，创造了同类大型泥水平衡“盾构”最小转弯半径的世界新纪录。

2009年9月9日，随着直径为11.22米的“进越号”盾构慢慢驶入位于上海日晖港畔的接收井，新建的打浦路隧道复线宣告全线贯通。

上海隧道工程股份有限公司制造的直径11.2m的“进越号”泥水平衡盾构设备

在后续的国产盾构深入研究中，华中科技大学、中南大学、上海交通大学、大连理工大学、天津大学、清华大学和西安交通大学也相继加入进来。同时北方重工、中铁隧道局等也都为国产盾构的重要部件国产化贡献过很大的力量。其中中铁隧道局牵头研制了国内第一个盾构机主轴承，并且基于该主轴承再制造了一台盾构机。

正是由于核心国企带头，国家部委稳健地组织协调，各大学积极参与攻关，中国盾构生产企业已经全面开花。截止至2013年，国内已经有中铁隧道装备制造有限公司、中国铁建重工集团有限公司、北方重工集团、北京华隧通掘进装备有限公司、中交天和机械设备制造有限公司等一大批国内独资或中外合资企业能够生产盾构设备。目前根据不完全统计，能够生产盾构设备的企业已经增加至几十家。

这么多生产企业的出现，实现了西方企业不能做到的重服务、高度定制化的盾构设备生产目标，也能利用产业集聚的效应降低成本。难怪价格低、服务好的中国盾构已经逐渐成为世界主流。

中国之所以能从盾构弱国短时间内实现盾构设备份额占全世界2/3的奇迹，最重要的原因就是把握住国内地铁和隧道建设井喷前的时机成功掌握了盾构机的设计与生产技术。这背后离不开“863”这种国家级协作攻关的制度安排，也离不开广袤的中国本土市场，更离不开一个个生产研究人员扎实的努力。

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