基于整合式创新范式的盾构机技术赶超探究

喻雪琴

(中南民族大学 管理学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

中国的经济快速发展离不开各省域间的交通建设。而中国交通建设存在建设环境复杂、地质条件多样、越江跨海常态化和结构断面多元化的问题[1]，以传统人工或爆破方式挖掘道路，已经无法满足中国基建快速发展的需求。盾构机是目前最先进的全断面隧道掘进机，由于其综合效率和安全性极高，已被广泛投入地铁、铁路、公路等工程中使用。西方国家于1825年就开始使用盾构机进行基建施工，然而中国开始使用盾构机进行施工却是在20世纪50年代。如今，国内盾构机市场形成以“中铁装备、铁建重工”为主的格局，同时全球2/3的盾构机市场也由中国龙头企业占据，这标志着中国盾构机产业开始处于“领跑者”的位置。

盾构机能够实现技术赶超的路径是什么？其路径又能否用于其他高技术产业？本文基于整合式创新范式，探索我国盾构机发展的赶超路径，从而为后发企业提供参考。

1 文献回顾

1.1 整合式创新

陈劲等[2]分析了世界各国不同创新范式，结合中国国情和创新实践，首次提出了整合式创新范式，是内在机理是战略引导驱动协同创新、开放创新和全面创新有机结合。陈红花等[3]基于整合式创新、生态位等理论，提出科技创新生态位的概念与测量模型，归纳了科技创新生态位的竞争策略，对我国未来创新发展提供新的理论支撑和政策启示。胡林娜等[4]对整合式创新进行了理论再创新，从宏微视角进行了概念的系统性延拓，提出了五元体的理论框架。杜丹丽等[5]基于整合式创新范式分析华为公司在组织警觉的支撑下，从追赶到超越的全过程。

1.2 企业技术赶超

李政等[6]研究高铁产业赶超成功的历程，发现因为在引进先进技术前，就已经具备较强的自主研发能力，所以高铁产业实现了赶超，另外高铁产业的成功也离不开政府对创新资源的配置与战略引导。吴欣桐等[7]以高铁产业为研究对象，验证了整合式创新范式在重大科技创新工程中的应用，完善了整合式创新理论上的缺陷。欧阳桃花等[8]分析中国盾构机突破西方技术封锁的赶超过程，提炼出双循环创新组织模式，指出由国家启动项目，凝聚各方力量，以市场需求为推动力，实现复杂产品的赶超以及关键核心技术只能依靠自主创新。

2 中国盾构机技术进步历程

2.1 国外盾构机技术发展历程

19世纪末到20世纪中叶，盾构机技术相继传入世界各国，由于各国地质条件不同，所以各国盾构机的侧重点也不同，诞生了气压式、手掘式、半机械式、机械式等盾构机；20世纪60年代中期至80年代末，开发了闭胸式盾构机，他包含泥水式和土压平衡式两种；从20世纪90年代至今，以闭胸式盾构机为主，以全断面硬岩隧道掘进机(TBM)为辅。因为它们各自使用的场景不同，TBM主要用于硬岩层，适合凿山挖路，而土压平衡式和泥水式盾构机主要用于软土层，适合于城市地铁建设，如图1所示。

图1 世界盾构机技术发展阶段

2.2 盾构机技术引进期

1996年，铁道部为提高秦岭隧道的施工效率，首次从德国维尔特公司引进两台TBM。然而由于当时盾构机市场被德国、日本和美国的企业所垄断，于是造成了天价盾构机。在那个年代，盾构机技术的落后导致议价权缺失、机器检修维护困难和外国工程人员的傲慢态度[8]。因此，科研人员更加明白关键核心技术买不来；更加迫切希望自主研发盾构机关键核心技术，更加渴望拥有属于中国的国产盾构机。

2.3 盾构机技术自主研发期

为研发真正属于我国的盾构机，2001年，中铁隧道集团成立研发项目组，标志着我国盾构机自主研发的开始。2002年，国家科技部开始支持盾构机研发，将“直径6.3米全断面隧道掘进机研究计划”列入863计划。于是重任落在了中铁隧道集团身上，它与西南交通大学、浙江大学和第一重型机械集团有限公司等合作，对土压平衡式盾构机进行研究。另外在对国际盾构技术引进消化吸收和再创新的基础上，2007年，863计划“大直径泥水盾构消化吸收与设计”取得突破，为进一步开发具有我国自主知识产权的大直径泥水盾构机奠定了基础。

2008年，“中国中铁1号”研制成功，并用于建设天津地铁，这表明我国开始具有自主研发盾构机能力，实现了我国复合盾构机的从无到有。

2.4 盾构机技术赶超期

在技术赶超期，我国鼓励龙头企业继续创新，同时开始将国产盾构机推向市场，实现产业化。2012年，国家科技部组织攻关TBM技术即“大直径TBM关键核心技术的研究与应用”。此次由铁建重工联合中铁十八局、天津大学、浙江大学等进行技术攻坚。2013年，中铁装备向马来西亚出口国产盾构机，应用于吉隆坡地铁；同年为推进产业化建设，收购德国维尔特硬岩掘进机知识产权及品牌使用权，进一步加强研发能力，国内市场也逐渐以国产盾构机为主。2015年，敞开式 TBM成功研发，并应用于引松工程。2016年，中铁装备向新加坡出口国产盾构机，应用于其地铁项目建设。在此期间，国家863、973计划一直支持关键盾构机技术研究，最终实现了我国盾构机技术从有到优的转变。

2.5 盾构机技术走向世界

2019年，中铁装备向法国出口两台大直径土压平衡式盾构机，助力“大巴黎地铁”项目建设，这是中国盾构机第一次出口到世界盾构机的技术高地，突破了我国盾构机产业的“低端锁定”。2020年6月，中铁装备向波兰和澳大利亚出口了两台国产盾构机。其中，出口澳大利亚的盾构机是我国出口的最大直径硬岩TBM，这表明我国在TBM上不断创新。此外在2017年、2018年、2019年中铁装备企业连续3年盾构机市场占有率居世界第一。2021年，铁建重工位居盾构机全球5强榜单的榜首，实现了盾构机技术的从优到强，如表1所示。

3 我国盾构机技术赶超分析

通过盾构机技术赶超历程的回顾，我国盾构机技术能实现赶超，是在新时代背景下，国家战略的引导、产学研长效协同以及盾构机全面国产化和持续创新取得的成就。

表1 中国盾构机技术发展阶段

3.1 战略引导是技术赶超的根基

根据产业的创新体系现状、发展趋势和国内外环境统筹规划，引导创新系统中各要素分工合作，从而使产业具备竞争优势。在《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录(2000年修订)》中，地下工程盾构施工技术与装备制造被列入其中；2002年的863计划将直径6.3m全断面隧道掘进机研究计划列入其中；2007年的973计划将掘进装备的基础研究列入其中。由此可见，在我国盾构机技术自主创新期，国家对盾构机制定的战略目标是加快开展盾构机的研发，尽快掌握核心技术。

《关于2013年中央国有资本经营预算重点产业转型升级与发展资金项目申报工作的通知》中，要求围绕盾构机进行关键技术研发、产业化建设与升级；2014年的《工业和信息化部办公厅关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》和2016年的《国务院关于印发“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》，要求围绕盾构机继续创新，不断攻克核心零件。由此可知，在我国盾构机技术赶超期，国家制定的战略目标：先攻关TBM关键核心技术，再过渡到推进产业化，最后针对整体盾构机和关键零部件再制造。同时在2015年中铁与国内主轴承、减速机技术优势企业构成研发组，对国产主轴承和减速机关键零部件开展研究，并于2020年4月研制成功，标志着我国盾构机核心零件对国外企业的依赖程度大大降低。

《2019年度实施企业标准“领跑者”重点领域》披露盾构机已位于“领跑者”重点领域。2021年的《工程机械行业“十四五”发展规划》表明，重点发展大直径/超大直径掘进机技术，建造智能化产业基地，建立模型仿真的数字平台。由此可知，在我国盾构机技术走向世界时期，国家的战略目标是重点发展大直径/超大直径掘进机技术，打造盾构机智能施工管理平台。基于此，2020年我国最大直径敞开式硬岩掘进机“云岭号”下线，它可提升施工效率3～5倍。针对多样化的地质条件，“云岭号”具备超前地质预报、应急避险舱等智能化功能，以解决施工中可能发生的安全问题。“云岭号”为工程如期完工提供了保障。另外盾构TBM工程大数据平台已完成搭建，它立足于工程实际，运用大数据计算分析，为盾构机行业中的企业提供开放式运维服务。

3.2 产学研协同创新是技术赶超的动力

陈劲等[2]认为协同创新是指企业、政府、大学、研究机构和用户等以知识增值为核心，开展跨界交流整合，从而实现科技创新。

(1)在自主研发期，政府资助关键技术研发，中铁与高校(如西南交通大学等)、企业(第一重型机械集团有限公司)跨界交流，历经8年成功研制出土压平衡式盾构机，还培育出了一批盾构机研发的核心人才。

(2)在技术赶超时，铁建重工与企业(中铁十八局)、高校(天津大学等)交流整合，在引松供水的实践中进行检验，通过数据反馈和发现故障问题，与高校、用户、制造商反复磋商，终于在2015年，研发出国产敞开式TBM。

(3)在研究关键零部件主轴承、减速机时，中铁与企业、制造商协同，于2020年研制出适合地铁建设的主轴承。在国产盾构机走向世界时，在国家大力支持、中国制造标准基础上，听取客户需求，研制出性价比高的盾构机，从而开拓全球盾构机市场。

盾构机产业的协同创新主要来自于产学研，在重大课题项目支持下，企业通过引进人才、组建研发组等方式，与高校达成共同发展、互利互惠的长效科研机制。此外，以市场为导向，针对需求进一步改进已有的研究成果。

3.3 “双向+内部循环”开放创新是技术赶超的支撑

Chesbrough[9]提出开放式创新来自于企业外部，陈劲等[2]认为开放式创新既来自内部开放，又来自外向开放，不再局限于企业内部创新，从而扩大企业创新资源，最终达到提高企业绩效的目标。

在技术难题面前，并不是盾构机企业的单打独斗，而是在多方协调配合，知识信息流通的过程中获得解决。不论是中铁还是铁建重工，都是既在研究中进行理论填补，又在实际工程中与施工方进行交流反馈，对理论与实际间的偏差不断修改，不断更新盾构机的架构，实现由简到繁、由量到质的飞跃。此外，随着互联网的快速发展，我国盾构机开始配备多项智能化系统，确保盾构施工可视化和可控化，实现安全、节能的绿色掘进。同时也开始构建智能化施工管理平台，立足工程实际，运用大数据计算分析，给产业链上下游企业进行数据传输，为盾构机行业中的企业提供数据资源和开放式运维服务。

我国的开放式创新既有在引进期的学习，又有内部循环开放的信息流通。它见证着我国盾构机技术从引进到输出，从学习到超越，从传统机械到智能化的转变。

3.4 “三方位”全面创新是技术赶超的必由之路

许庆瑞[10]提出了全面创新，即全员参与、全要素调动和全时空贯彻的结合，吴欣桐[7]认为它本质上是战略引导、协同创新和开放创新的有机结合。

(1)在我国盾构机技术自主创新期，全面创新主要体现在全要素调动和全员参与。全要素调动体现在科研、设计、施工、制造各行各业紧密配合，政府财政支持等；全员参与体现在中铁研究土压平衡式盾构机时，总工程师全面负责，以科技人员为骨干，全体职工广泛参与，联合高校人才进行技术攻关。

(2)在盾构机技术赶超期，对于TBM关键核心技术，全要素调动体现在政府各方部门的配合；全员参与体现在全过程产业化建设，不仅有技术人员参与，还有销售人员、管理人员、服务人员等参与。关键零部件再制造也离不开中铁联合国内主轴承、减速机技术优势企业进行试验和专家进行评审。

(3)盾构机技术“走向世界”时期，最能全方位体现全面创新的理念。全要素调动国家资源、人才资源和科技资源等重点发展大直径超大直径掘进机技术，打造盾构机智能施工管理平台。全时空贯彻体现在从2013年起逐步向国内外市场推广国产盾构机，到2021年国内盾构机龙头企业占据几乎全部的国内市场和全球2/3的盾构机市场。

图2 我国盾构机技术赶超的整合式创新构架

4 结语

本文以中国盾构机产业为研究对象，研究技术赶超的整个历程，发现其整合式创新发展路径主要体现在以下几方面: 正确的战略引导。即“坚定自主创新、坚定核心零件国产化、坚定中国标准”的三大战略; 贯彻产学研协同创新，构建长效的科研机制，以市场为导向，以项目基金为支撑，通过人才就业、组建研发组等，与高校达成共同发展、互利互惠的科研机制; 营造“双向+内部循环”开放式的创新体系，积极建立盾构机智能化平台，促进全产业链信息互通; 实行全面创新，调动全生产要素，全员参与，国内外统筹布局。实现企业可持续创新发展，提高企业核心竞争力。