国产超大型盾构品牌建设成效分析

摘要：盾构机广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，被称为“工程机械之王”，而超大直径盾构机更是堪称工程机械中的“王中王”。本文从国产超大型盾构研制的紧迫性和必要性出发，阐述了国产超大型盾构品牌创建的背景，品牌崛起的主要做法、创建路径及成效，进一步印证了中国高端装备制造品牌坚持自主创新，形成具有自主知识产权的核心技术，实现科技自立自强的重要意义，以期为行业企业的品牌建设提供借鉴和参考。

关键词：超大型盾构；自主研制；创新驱动；品牌建设

一、国产超大型盾构研制的背景

盾构工法于19世纪初在英国产生，至今已经有200年的历史。19世纪末到20世纪中叶，盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本等国。20世纪60年代到80年代，盾构工法发展得到进一步完善，且成效显著。1984年，我国首次应用从日本引进的盾构机，建成了上海市芙蓉江下水道总管工程。盾构机如地下游龙一般的掘进方式让刚刚打开国门的国人大开眼界，使用盾构机不用开挖地面、不用爆破土石，而且掘进速度快，有利于人员安全和环境保护，这对地下施工来说有着巨大的优势。此后，盾构机在我国隧道施工中开始普及，在庞大的中国基建市场上，充斥着各种国外品牌的盾构机。2010年以前，我国工程建设所需的大直径、超大直径盾构机完全依赖国外进口。2001年，国家“86计划”正式包含了“隧道掘进机的主要技术研究”，启动了国产盾构机的研发之旅。2010年，中国交通建设集团有限公司（以下简称“中交集团”）敏锐地看到轨道交通和城市基础设施建设的风口，发挥央企优势，在江苏省常熟成立中交天和机械设备有限公司（以下简称“中交天和”），集中力量打造国产盾构机专业制造商。中交天和工厂及厂房刚开始建设，中交集团承接的南京纬三路过江隧道工程，需要两台刀盘直径超过14米的超大型盾构机。南京纬三路过江隧道是当时我国首个复合地质条件下的超大型隧道工程，也是当时世界上同类隧道中规模最大、距离最长、水压最高、地质条件最复杂的隧道。国外唯一能够提供这种设备的厂商以施工风险高为由，开出7亿元一台的天价，且制造周期远超工程预期。刀盘直径超过12米的盾构机在国际上被称为超大型盾构机，但当时国内还没有一家企业能够制造10米级的盾构机。设备买不起，工程等不起，没有技术就要任人宰割。由此，中交集团决心自己进行研发和制造。

二、国产超大型盾构品牌建设的主要做法

（一）啃下硬骨头，立足自主研制

当南京纬三路过江隧道项目公示决定采用国内自主研制的超大型盾构机时，行业内出现了各种反对和质疑。“为什么不采用欧洲品牌盾构？”“中交天和能造成超大直径盾构机吗？”“国产的超大型盾构机能用吗？”“若因国产盾构机的质量问题，导致隧道被水淹了怎么办？这安全风险责任该由谁来承担？”漫天的反对和质疑之声和各种无形的干扰让中交集团深感巨大压力，同时也让中交集团领导意识到实现超大型盾构机的自主研制，打破国外某品牌盾构机在国内的垄断局面，解决大型隧道施工设备技术难题的意义重大。1.设计创新超大型盾构机和中小型盾构机的设计理念完全不同，没有任何资料可以借鉴。国内已完成施工的直径14.5米以上的泥水气压平衡式盾构机仅有5台，其中，4台由德国制造，1台由法国制造，且所穿越地层均为软土地层。行业中没有类似的工程案例，更没有一家盾构机制造商能够提供有成熟经验的盾构机。若要完成这项任务，不仅需要研制出中国最大的复合式泥水气压平衡盾构机，在此过程中还需要进行一系列的技术创新。在整个研发过程中，中交天和技术团队面对的问题很多都是第一次。要达到既定效果，研发设计难度极高，有的关键部位修改就达到60余次。整个过程下来，最终设计确认的图纸达6700多张。修改的图纸不计其数，设计、修改、检验、再修正，不断循环，直到得到最佳方案。在此过程中，中交天和还多次遭到国外企业的技术封锁。管片同步施工搬运系统是超大型盾构机的重要组件，当时国际上只有一家德国企业能够生产，中交天和起初想直接购买这套组件，但是，当这家企业知道中交天和在自主研发盾构机后，竟开出了天价合作费。中交天和索性彻底放弃进口，全部自主攻关。经过创新研发，这套设备成功问世，不仅节约费用近千万元，而且为今后制造全系列盾构机提供了技术保障。油缸是盾构机的关键部件之一，此前，大型盾构机的油缸全部依赖进口。一台超大直径盾构机设计推力接近3万吨，需要58根油缸，每根油缸重达8吨，国外企业开价每根50万元。中交天和再一次给自己加压，联合国内企业共同研发。经过近半年时间，国产超大型盾构油缸研制成功，成本降低一半以上。通过联合攻关，中交天和还开发出了超长距离掘进刀盘技术、刀盘伸缩机构、世界首创氦氧饱和带压换刀技术等，获得知识产权18项，发明专利9项。2.制造创新厂房尚在兴建，加工结构件的配套设备不齐全，中交天和就边建厂边造盾构，双管齐下。大型钢构件的焊接是一只拦路虎。在建厂初期需要焊接大批量不同规格种类的结构件，要保证长达130米，重达约4800吨的“钢铁巨龙”的钢结构焊接质量也是难点之一。例如，刀盘的焊接，要将2000余片不同厚度的钢板焊接成一体，同时要满足水密性及气密性0.8兆帕的抗压，难度非常大。焊接技师需要通过正面、反面分别焊接15层和13层焊条，而且确保每层都要经过探伤，保证不存在比头发丝还细微的裂纹和砂眼，每一层焊接前用钢丝刷或气爆清净上一层的残屑，反复焊接、清渣、再焊接的堆砌循环，一旦伤检测发现有裂纹和砂眼马上返工处理。此外要保持钢板持续恒温加热状态，两组焊接人员24小时轮班作业。焊接结束后，需要解决电焊刀盘钢构件之后内应力释放的问题。由于大型焊接构件正常释放能量需要几年的时间，在缺少大型钢构件的退火炉情况下，中交天和因地制宜地自制了“土制消能炉”——通过在钢构件外面制作一个100多平方米的房间，房间内部贴满加热片和石棉保温层，将刀盘包围，用加热保温的方法，将需要数年时间释放的内应力缩减成数天时完成，有效保证了建造工期。2011年12月，作为中国首台拥有自主知识产权、直径达15.03米的超大型泥水气压平衡复合式隧道掘进机，在中交天和工厂顺利下线，“天和一号”从设计到交付使用只用了短短14个月。2012年3月孪生兄弟“天和号”盾构机也顺利下线。2015年6月和7月，南京纬三路隧道南北两条线先后贯通。在施工中，盾构机创造了单日最高掘进26米、长江底砂卵石地层连续掘进2580米不换刀等世界纪录。两台盾构机获得了工业和信息化部中国首台套鉴定、中国机械工业科学技术一等奖、科技部国家重点新产品项目、江苏省科学技术奖一等奖等殊荣。

（二）甩掉拐杖，全面推动实施国产化

1.调试自主盾构机是高智能化和集机械、电气、液压、控制、光学技术为一体的高端装备。盾构机的出厂前调试既要检验设计安装的各项部件技术参数，又要检测整体性能是否满足要求，是一项团队合作密切、综合性强的工作，需要调试人员具备扎实的专业知识和丰富的现场工作经验。一开始，中交天和还是依赖外国人来进行调试。由于外国工人服务费用高昂，中交天和决心甩掉拐杖，培养人才自己干。事实证明，只要有决心，任何事情都能干成。从初期的“没人会”到现在的“人人会”，无论小直径还是超大直径盾构，全部自己调，彻底断掉了对国外的依赖，中交天和在调试方面成本大幅缩减。2.全面实施国产由于原材料及基础性研究的不足，盾构机的核心关键部件如主驱动作为盾构机的最关键核心部件，其应用的关键零部件（电机、减速机、主密封、主轴承、变频器等）大多依赖进口，长期被国外所垄断，而且进口配件价格昂贵，供货周期长，售后服务不及时。一系列卡脖子技术一直制约着我国盾构产业国产化的进展。中交天和在大力创新研发的同时，致力于推动核心零部件的国产化，联合国内供应商陆续开发了电机、减速机、主密封、主轴承等关键部件。目前，许多核心零部件已实现国产化，并在多个项目广泛应用，盾构国产化率已达95%以上。2021年9月，由中交天和自主研发的世界首创高寒高海拔、大深度、超大直径硬岩竖向掘进机“首创号”下线，采用全智能化掘进技术，零部件实现全国产化。

（三）创新驱动，弯道超车

通过坚持持续创新，中交天和将超大直径盾构核心技术牢牢掌握在自己手中，并实现了弯道超车，掌握着诸多世界首创或先进技术。比如超大直径盾构机超长距离不换刀技术，可实现该盾构连续掘进5000米不换刀；超大直径盾构机创抗浮技术，能有效解决管片上浮难于控制的世界级工程难题；刀具光纤磨损检测技术，实现了刀具实时监测；盾尾磨损检测技术，实现了盾尾磨损实时监测；全智能化管片拼装技术，只需一个按钮，盾构机就能实现隧道内管片的自动运输抓举拼装，可以大幅提高管片拼装质量，更可减轻工人作业强度；同步掘进技术实现了盾构机掘进拼装同步，较国内外同类装备掘进效率提升30%-50%；智慧化远程安全监控管理系统，可实时记录盾构掘进数据，管理风险边界，及时报警并提供解决措施预案，还可实现盾构机远程故障诊断及远程控制，实现盾构机全生命周期管控；绿色环保管路延长装置，彻底解决了隧道内泥水溢出的施工环境污染等。

（四）品牌传播，打造中国盾构名片

加强品牌宣传，通过策划创新产品下线、成功应用等重大新闻事件的传播引起广泛关注，大幅度提升中交天和的品牌形象。中交天和新型海上风电嵌岩钻机在三川风电莆田平海湾海上风电场完成国内海上最大直径嵌岩单桩钻孔项目、中国首台救援掘进机“天和一号”、马来西亚东海岸铁路用“巨无霸”走出国门、全球首创压注工法（DTSES）新型TBM掘进机下线、史上最“萌”盾构机——“振兴号”已顺利过江、世界首台大直径、大扭矩加压钻进式竖向掘进机刷新纪录、大国重器打破垄断成就孟加拉国人民隧道梦、国产最大直径盾构机下线等专题被央视、人民日报、新华社、经济日报、中国日报、科技日报、环球网等国内主流媒体争相报道，多家媒体转载，其中多条新闻被新华社进行外文报道，向世界展示了中国“智造”“中国创造”风采。创新形式，通过邀请国内主流媒体走进南京和燕路过江通道项目施工，众多重磅媒体平台对现场的深度报道让更多的人近距离、深程度了解天和盾构机的创新应用与显著成绩等，宣传效果显著，中交天和品牌影响力持续扩大。

三、国产超大型盾构品牌建设取得的成效

（一）突出重围，引领行业迅速发展

中交天和两台超大型盾构机的研制成功，一举打响了国产盾构机的品牌，树立了国产超大型盾构机的崭新形象。结束了大型和超大直径盾构机完全依赖进口的局面，对我国基础设施建设提供了有力的技术支撑，不仅节约了数十亿元人民币的费用，更自此开创了中国盾构隧道掘进的新篇章，超大型盾构机自此开始国产化历程。中交天和的成功也推动了国内同行及配套企业的发展。此后，国内其他盾构机企业也异军突起，刀盘直径14米以下的盾构机已经基本不再需要进口，中国出口的盾构机油缸等重要配件占领了世界市场的一半以上，并且返销到了原先的盾构机强国。从打破国外垄断的中国首台套超大直径盾构“天和号”，到首台采用自主技术和多项国产核心零部件设计制造的南京和燕路过江通道工程“振兴号”、全球首创的新型TBM掘进机“雪山号”“雪莲号”、国内首台超大直径同步掘进机“兴业号”、中国最大直径盾构机北京东六环改造工程“运河号”、国内在建承受水压最高直径最大盾构隧道用超大直径盾构机“聚力一号”、全球首创高寒高海拔大深度超大直径硬岩竖向掘进机“首创号”，这些年中交天和坚持自主创新、坚韧攻关，克服风险挑战，形成了系列具有中国自主知识产权的核心技术，引领隧道掘进机研制不断迈向新高端，推动了隧道施工技术与工艺的创新发展。

（二）走出国门，服务一带一路建设

自2016年始，中国超大型盾构品牌积极向外突破。2018年3月13日，孟加拉国卡纳普里河河底隧道用12.12米超大直径盾构机下线仪式在中交天和举行。这是中国出口的第一台超大直径盾构机，也是南亚地区使用的最大直径盾构机。这场庆典被视为中国盾构机发展历程中的里程碑事件，终结了海外超大直径盾构机市场一直为国外垄断的局面。同年9月，用于中印尼两国元首亲自确认和直接推动的新时代中印尼两国发展战略对接、共建“一带一路”的旗舰项目和印尼海洋支点战略对接的重大项目，中国高铁全方位整体走出去的第一单，东南亚第一条最高时速达350公里的高铁——印尼雅万高铁1号隧道的直径13.19米超大盾构机在中交天和下线，再次刷新中国出口海外超大直径盾构机纪录，并成为亚洲铁路建设中最大的盾构机。孟加拉国卡纳普里河河底隧道用盾构机于2020年8月抵达，孟加拉国历史上首条超大直径隧道顺利贯通；同年11月，雅万高铁一号隧道顺利贯通，为该高铁早日实现全线通车奠定了坚实基础。中国超大型盾构品牌和技术在一带一路建设中大放异彩。

四、结语

从落后百年逆袭到世界领先，高端装备制造国产化这条路走得并不容易。中交天和凭借锲而不舍的钻研精神和自主创新能力，带领中国超大型盾构机不断“掘进世界”。综上所述，中国高端装备制造品牌要突出重围，归根结底要以自主创新为内核，坚持创新驱动，不断增强原始创新能力，掌握核心关键技术，实现高水平科技自立自强，才能让品牌稳立世界之林。

参考文献

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作者：姚柳 单位：中交天和机械设备制造有限公司