携手奋进打造“地下航母”——隧道掘进机

2014 年12 月27 日，我国拥有自主知识产权的首台国产大直径全断面硬岩隧道掘进机(敞开式TBM)正式诞生。这台TBM 由中国铁建重工集团股份有限公司(铁建重工)牵头研制成功，打破了国外对TBM 的长期垄断，填补了我国大直径TBM 的空白，标志着我国在大型高端装备制造领域取得重大突破。

一、 首台国产隧道掘进机诞生，攻克世界级难题

盾构机是指作用于软土地层的隧道掘进机，而作用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。相比于盾构机，TBM 在技术工艺上更复杂，可以应用于较严峻的工程状况，产品附加值也更高。TBM 以其自身的优越特点，被称为工程机械的“航空母舰”和“掘进机之王”，可以说它是目前最先进的大型隧道施工成套装备。我国首次使用TBM 施工是在20 世纪90 年代初，TBM 被用于西康铁路秦岭隧道，设备及施工技术全部由国外引进。这一次的成功尝试使得TBM 相继在我国重大铁路、引水隧道工程中得到推广应用。然而在随后的十几年内，国外对TBM一直处于长期垄断状态，我国只能依赖进口，这成为国产高端地下工程装备自主化的薄弱环节。2014 年12 月27 日，我国拥有自主知识产权的首台国产大直径敞开式TBM 在长沙顺利下线，填补了我国大直径全断面硬岩隧道掘进机空白。很难想到的是，填补这一空白的是一支年轻的“80 后”团队。这支由铁建重工掘进机研究设计院工程师组成的团队虽然稚嫩，但是他们以团队的智慧和协作的精神为地基，建成了一座属于中国大型高端装备制造领域的高楼。作为团队技术负责人的龙斌接手这项重任时也感觉到压力大，毕竟在隧道施工中会面临很多地质难题。“从零起步，如何研制出首台样机”是摆在研发团队面前的第一道难题。

研发团队首先从图纸的设计着手，反复审核了约3 000 张机械部分图纸，从参数配置、主机及后配套系统布置、刀盘刀具、主梁支撑推进系统、液压系统、电气系统等方面进行个性化、定制化设计。其中，研发团队成员考虑到隧道施工最大的噩梦莫过于掘进机刀盘在进行作业时遇到卡死的状况。刀盘是无法更换的，如果遇到刀盘卡死的情况，只能通过人工清理渣滓，工期往往会延长一两个月甚至半年。研发团队成员冥思苦想用什么装置才能更好、更有效率地驱动刀盘。龙斌和团队成员想到超过7 m 直径的大型掘进机至少要配有8 个电机，如果他们将其中一个换成液压马达，是不是可以解决卡机问题？龙斌拿着图纸介绍说：“团队成员都在想如果能设计出用液压马达和电机双机驱动的掘进机，就可能可以完全解决卡机问题！”经过团队成员的不懈努力，他们研发出了能让掘进机起死回生的驱动轴，只需要30 min 就可以修复卡机问题。这一突破性的研发成果使他们破解了困扰挖掘行业50 年的世界级难题——卡机，也为中国制造赢得了尊严。

像这样的技术难题不止一个，团队成员同心协力相继攻克了单护盾式、双护盾式及双模式等多种类型TBM。经过连续3 年的紧张技术攻关，2014 年12 月，国产首台大直径TBM 在长沙顺利下线。这台大直径敞开式TBM开挖直径7.93 m，总长180 m，总质量达1 500 t，装机功率超过5 000 kW，集隧道开挖、支护、出渣、通风、排水等功能于一体，掘进精度达到毫米级，能安全、环保、高效地一次完成隧道施工。

然而，研发团队并没有因为首台样机的研制成功就停下脚步，他们面临的第二轮考验是设备能否成功高效掘进。2015 年1 月，样机开始陆续抵达工地进行组装，在零下30℃的室外，他们要呆七八个小时确保样机的顺利安装。虽然他们要面临严酷的环境条件，但这一切的付出是值得的。这台设备不仅打破了国内敞开式TBM 施工纪录，而且开创了TBM 同类断面施工之最，设备性能和施工水平整体都达到国际领先，并且与同类进口产品相比价格便宜5 000 万元以上，国外进口产品往往只拥有20 km 的寿命，而国产TBM 能够达到30 km。这台设备推动了国产TBM 产业核心技术达到世界领先水平、市场份额实现后来居上的惊人蝶变。

以掘进机为代表，中国工程机械领域液压、变频、控制系统等核心技术，都取得了关键突破，中国在工程装备上的研发和制造实力已经丝毫不逊色于任何竞争对手。

国产首台TBM 自主化攻关，龙斌和团队扛起了大国重器自主研发的责任。从推动国产TBM 打破国外垄断，到推动产业向着超长距离、超长寿命的高端化迈进，龙斌和团队不负青春和使命。他们不仅实现了隧道掘进机产业从无到有、从有到大的快速成长，还成为产业蝶变的发展引擎，创造了从“蹒跚学步”到行业领跑的发展奇迹。

二、 自主攻关首台土压平衡盾构机，实现“弯道超车”

十几年前，由于国外隧道掘进机市场的垄断，我国的地下工程几乎都是靠着进口设备来完成。可是昂贵的费用、供应不及时的零配件及跟不上的服务，这些痛点让科研人员意识到，不能永远低声下气地跟在别人身后，中国的高端地下工程装备必须实现自主创新。因此，铁建重工从筹集人才入手，决定自己干，就这样开始了自主研发盾构机的第一步。万事开头难，盾构机的研发更是难上加难。在非常艰苦的条件下，大半年的时间，团队出了10 多万张图纸，做了无数次优化。

修改、优化，循环往复。最终在2010 年，我国首台土压平衡盾构机自主研制成功，国产化率达到87%。这使得进口盾构机在中国市场被迫降价30%。有了一次成功的经验，铁建重工不断地向前看，致力于研发原始性、首创性产品和技术。技术创新的强大动力，促使铁建重工不断利用核心关键技术，实现产品研发到产业化的无缝衔接，相继研发了七大系列、50 余个规格的盾构机产品，不仅满足国内基础建设的需要，更是走出国门，出口至俄罗斯、土耳其等“一带一路”国家。

隧道掘进机产业后发赶超的关键离不开“坚持原始创新、集成创新、协同创新的自主创新模式，完成逆袭突围，快速领跑行业”，铁建重工掘进机研究设计院的成功绝非偶然，铁建重工通过创新科研项目管理制度，让科技创新跑出“加速度”：实行研发项目制，以科研项目代表“战区”，以各研究院、各研究所代表“兵种”，以科研项目为纽带，将不同专业、不同研究院的研发人员协同起来，实现“兵种+ 战区”的研发自组织模式。项目总设计师实行竞选制，通过推荐、自荐或公开竞聘等方式任命总设计师、副总设计师，再由总设计师甄选项目组成员，通过项目制的自由组合，打造跨部门、高效率、开放式协同研发团队。

三、 出口11米级大直径盾构机，走出超强底气

2019 年9 月，由中国自主研制的直径11 米级盾构机于上海发往莫斯科，参与莫斯科地铁建设。这台11 米级、总质量1 700 t 的盾构机是有史以来我国出口欧洲直径最大的机械设备，是名副其实的“地下巨无霸”。由于莫斯科所需施工隧道位于莫斯科河畔，地面交通繁忙、建筑密集，需连续掘进3 000 m，以大直径断面侧穿莫斯科河，最小水平转弯半径仅400 m。这样恶劣的条件及更苛刻的环境对盾构机提出了更高的要求。为解决这一问题，研发人员通过对主机增设铰接和超挖功能，辅以浮动支撑结构推进系统，使整机具备300 m 半径的转弯能力。

由于俄罗斯的气候特点、地质结构都与国内具有较大的区别，因此，研发人员结合实际情况，研发适合当地环境的盾构机。盾构机采用防寒设计，在零下30℃低温环境中可以正常掘进。在地质适应性设计上，盾构机采用强度、刚度更高的六辐臂重型复合式刀盘结构，配置19 寸大直径重型滚刀，可以应对120 MPa 以上的岩层、卵石等复合地层。

近年来，越来越多铁建重工的设备凭借过硬质量赢得海外客户青睐，“走出去”参与重大工程。在铁建重工长沙第二产业园的车间里，一台将被发往秘鲁的敞开式TBM 静静矗立，工人们正在按步骤调试、拆机。不久的将来，它将用于圣加旺水电站隧洞工程建设，在圣加旺水电站隧洞工程最大硬度达到150 MPa 的岩体环境中施工。这台TBM 集机械、电气、液压等技术于一体，适合在围岩稳定性好、中高强度岩层环境中掘进，具有施工速度快、效率高的优势。

十几年前中国几乎所有的高端地下装备全部依赖进口，如今中国的掘进机在全球占据了2/3 的市场份额，国产设备在国内市场占有率达到90% 以上。中国的掘进机在国外市场实现了从无到有、从有到强的转变。在这背后彰显的是，10 多年来中国地下装备制造技术和质量发生的翻天覆地的变化，中国制造“走出去”更有底气了。

逢山凿洞，从钢钎大锤的手工劳作，到风枪电瓶车等小型机械运用，再到凿岩台车盾构机……中国的隧道技术日新月异，征服各种世界级的复杂地质条件，实现了隧通天下！中国隧道掘进技术的发展历程很艰辛，铁建重工研发团队在艰辛中磨练意志，锤炼修养。在未来，必将直挂云帆济沧海。