國產超大型盾構品牌建設成效分析

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摘要：盾構機廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，被稱為“工程機械之王”，而超大直徑盾構機更是堪稱工程機械中的“王中王”。本文從國產超大型盾構研制的緊迫性和必要性出發，闡述了國產超大型盾構品牌創建的背景，品牌崛起的主要做法、創建路徑及成效，進一步印證了中國高端裝備制造品牌堅持自主創新，形成具有自主知識產權的核心技術，實現科技自立自強的重要意義，以期為行業企業的品牌建設提供借鑒和參考。

關鍵詞：超大型盾構；自主研制；創新驅動；品牌建設

一、國產超大型盾構研制的背景

盾構工法于19世紀初在英國產生，至今已經有200年的歷史。19世紀末到20世紀中葉，盾構工法相繼傳入美國、法國、德國、日本等國。20世紀60年代到80年代，盾構工法發展得到進一步完善，且成效顯著。1984年，我國首次應用從日本引進的盾構機，建成了上海市芙蓉江下水道總管工程。盾構機如地下游龍一般的掘進方式讓剛剛打開國門的國人大開眼界，使用盾構機不用開挖地面、不用爆破土石，而且掘進速度快，有利于人員安全和環境保護，這對地下施工來說有著巨大的優勢。此后，盾構機在我國隧道施工中開始普及，在龐大的中國基建市場上，充斥著各種國外品牌的盾構機。2010年以前，我國工程建設所需的大直徑、超大直徑盾構機完全依賴國外進口。2001年，國家“86計劃”正式包含了“隧道掘進機的主要技術研究”，啟動了國產盾構機的研發之旅。2010年，中國交通建設集團有限公司（以下簡稱“中交集團”）敏銳地看到軌道交通和城市基礎設施建設的風口，發揮央企優勢，在江蘇省常熟成立中交天和機械設備有限公司（以下簡稱“中交天和”），集中力量打造國產盾構機專業制造商。中交天和工廠及廠房剛開始建設，中交集團承接的南京緯三路過江隧道工程，需要兩臺刀盤直徑超過14米的超大型盾構機。南京緯三路過江隧道是當時我國首個復合地質條件下的超大型隧道工程，也是當時世界上同類隧道中規模最大、距離最長、水壓最高、地質條件最復雜的隧道。國外唯一能夠提供這種設備的廠商以施工風險高為由，開出7億元一臺的天價，且制造周期遠超工程預期。刀盤直徑超過12米的盾構機在國際上被稱為超大型盾構機，但當時國內還沒有一家企業能夠制造10米級的盾構機。設備買不起，工程等不起，沒有技術就要任人宰割。由此，中交集團決心自己進行研發和制造。

二、國產超大型盾構品牌建設的主要做法

（一）啃下硬骨頭，立足自主研制

當南京緯三路過江隧道項目公示決定采用國內自主研制的超大型盾構機時，行業內出現了各種反對和質疑。“為什么不采用歐洲品牌盾構？”“中交天和能造成超大直徑盾構機嗎？”“國產的超大型盾構機能用嗎？”“若因國產盾構機的質量問題，導致隧道被水淹了怎么辦？這安全風險責任該由誰來承擔？”漫天的反對和質疑之聲和各種無形的干擾讓中交集團深感巨大壓力，同時也讓中交集團領導意識到實現超大型盾構機的自主研制，打破國外某品牌盾構機在國內的壟斷局面，解決大型隧道施工設備技術難題的意義重大。1.設計創新超大型盾構機和中小型盾構機的設計理念完全不同，沒有任何資料可以借鑒。國內已完成施工的直徑14.5米以上的泥水氣壓平衡式盾構機僅有5臺，其中，4臺由德國制造，1臺由法國制造，且所穿越地層均為軟土地層。行業中沒有類似的工程案例，更沒有一家盾構機制造商能夠提供有成熟經驗的盾構機。若要完成這項任務，不僅需要研制出中國最大的復合式泥水氣壓平衡盾構機，在此過程中還需要進行一系列的技術創新。在整個研發過程中，中交天和技術團隊面對的問題很多都是第一次。要達到既定效果，研發設計難度極高，有的關鍵部位修改就達到60余次。整個過程下來，最終設計確認的圖紙達6700多張。修改的圖紙不計其數，設計、修改、檢驗、再修正，不斷循環，直到得到最佳方案。在此過程中，中交天和還多次遭到國外企業的技術封鎖。管片同步施工搬運系統是超大型盾構機的重要組件，當時國際上只有一家德國企業能夠生產，中交天和起初想直接購買這套組件，但是，當這家企業知道中交天和在自主研發盾構機后，竟開出了天價合作費。中交天和索性徹底放棄進口，全部自主攻關。經過創新研發，這套設備成功問世，不僅節約費用近千萬元，而且為今后制造全系列盾構機提供了技術保障。油缸是盾構機的關鍵部件之一，此前，大型盾構機的油缸全部依賴進口。一臺超大直徑盾構機設計推力接近3萬噸，需要58根油缸，每根油缸重達8噸，國外企業開價每根50萬元。中交天和再一次給自己加壓，聯合國內企業共同研發。經過近半年時間，國產超大型盾構油缸研制成功，成本降低一半以上。通過聯合攻關，中交天和還開發出了超長距離掘進刀盤技術、刀盤伸縮機構、世界首創氦氧飽和帶壓換刀技術等，獲得知識產權18項，發明專利9項。2.制造創新廠房尚在興建，加工結構件的配套設備不齊全，中交天和就邊建廠邊造盾構，雙管齊下。大型鋼構件的焊接是一只攔路虎。在建廠初期需要焊接大批量不同規格種類的結構件，要保證長達130米，重達約4800噸的“鋼鐵巨龍”的鋼結構焊接質量也是難點之一。例如，刀盤的焊接，要將2000余片不同厚度的鋼板焊接成一體，同時要滿足水密性及氣密性0.8兆帕的抗壓，難度非常大。焊接技師需要通過正面、反面分別焊接15層和13層焊條，而且確保每層都要經過探傷，保證不存在比頭發絲還細微的裂紋和砂眼，每一層焊接前用鋼絲刷或氣爆清凈上一層的殘屑，反復焊接、清渣、再焊接的堆砌循環，一旦傷檢測發現有裂紋和砂眼馬上返工處理。此外要保持鋼板持續恒溫加熱狀態，兩組焊接人員24小時輪班作業。焊接結束后，需要解決電焊刀盤鋼構件之后內應力釋放的問題。由于大型焊接構件正常釋放能量需要幾年的時間，在缺少大型鋼構件的退火爐情況下，中交天和因地制宜地自制了“土制消能爐”——通過在鋼構件外面制作一個100多平方米的房間，房間內部貼滿加熱片和石棉保溫層，將刀盤包圍，用加熱保溫的方法，將需要數年時間釋放的內應力縮減成數天時完成，有效保證了建造工期。2011年12月，作為中國首臺擁有自主知識產權、直徑達15.03米的超大型泥水氣壓平衡復合式隧道掘進機，在中交天和工廠順利下線，“天和一號”從設計到交付使用只用了短短14個月。2012年3月孿生兄弟“天和號”盾構機也順利下線。2015年6月和7月，南京緯三路隧道南北兩條線先后貫通。在施工中，盾構機創造了單日最高掘進26米、長江底砂卵石地層連續掘進2580米不換刀等世界紀錄。兩臺盾構機獲得了工業和信息化部中國首臺套鑒定、中國機械工業科學技術一等獎、科技部國家重點新產品項目、江蘇省科學技術獎一等獎等殊榮。

（二）甩掉拐杖，全面推動實施國產化

1.調試自主盾構機是高智能化和集機械、電氣、液壓、控制、光學技術為一體的高端裝備。盾構機的出廠前調試既要檢驗設計安裝的各項部件技術參數，又要檢測整體性能是否滿足要求，是一項團隊合作密切、綜合性強的工作，需要調試人員具備扎實的專業知識和豐富的現場工作經驗。一開始，中交天和還是依賴外國人來進行調試。由于外國工人服務費用高昂，中交天和決心甩掉拐杖，培養人才自己干。事實證明，只要有決心，任何事情都能干成。從初期的“沒人會”到現在的“人人會”，無論小直徑還是超大直徑盾構，全部自己調，徹底斷掉了對國外的依賴，中交天和在調試方面成本大幅縮減。2.全面實施國產由于原材料及基礎性研究的不足，盾構機的核心關鍵部件如主驅動作為盾構機的最關鍵核心部件，其應用的關鍵零部件（電機、減速機、主密封、主軸承、變頻器等）大多依賴進口，長期被國外所壟斷，而且進口配件價格昂貴，供貨周期長，售后服務不及時。一系列卡脖子技術一直制約著我國盾構產業國產化的進展。中交天和在大力創新研發的同時，致力于推動核心零部件的國產化，聯合國內供應商陸續開發了電機、減速機、主密封、主軸承等關鍵部件。目前，許多核心零部件已實現國產化，并在多個項目廣泛應用，盾構國產化率已達95%以上。2021年9月，由中交天和自主研發的世界首創高寒高海拔、大深度、超大直徑硬巖豎向掘進機“首創號”下線，采用全智能化掘進技術，零部件實現全國產化。

（三）創新驅動，彎道超車

通過堅持持續創新，中交天和將超大直徑盾構核心技術牢牢掌握在自己手中，并實現了彎道超車，掌握著諸多世界首創或先進技術。比如超大直徑盾構機超長距離不換刀技術，可實現該盾構連續掘進5000米不換刀；超大直徑盾構機創抗浮技術，能有效解決管片上浮難于控制的世界級工程難題；刀具光纖磨損檢測技術，實現了刀具實時監測；盾尾磨損檢測技術，實現了盾尾磨損實時監測；全智能化管片拼裝技術，只需一個按鈕，盾構機就能實現隧道內管片的自動運輸抓舉拼裝，可以大幅提高管片拼裝質量，更可減輕工人作業強度；同步掘進技術實現了盾構機掘進拼裝同步，較國內外同類裝備掘進效率提升30%-50%；智慧化遠程安全監控管理系統，可實時記錄盾構掘進數據，管理風險邊界，及時報警并提供解決措施預案，還可實現盾構機遠程故障診斷及遠程控制，實現盾構機全生命周期管控；綠色環保管路延長裝置，徹底解決了隧道內泥水溢出的施工環境污染等。

（四）品牌傳播，打造中國盾構名片

加強品牌宣傳，通過策劃創新產品下線、成功應用等重大新聞事件的傳播引起廣泛關注，大幅度提升中交天和的品牌形象。中交天和新型海上風電嵌巖鉆機在三川風電莆田平海灣海上風電場完成國內海上最大直徑嵌巖單樁鉆孔項目、中國首臺救援掘進機“天和一號”、馬來西亞東海岸鐵路用“巨無霸”走出國門、全球首創壓注工法（DTSES）新型TBM掘進機下線、史上最“萌”盾構機——“振興號”已順利過江、世界首臺大直徑、大扭矩加壓鉆進式豎向掘進機刷新紀錄、大國重器打破壟斷成就孟加拉國人民隧道夢、國產最大直徑盾構機下線等專題被央視、人民日報、新華社、經濟日報、中國日報、科技日報、環球網等國內主流媒體爭相報道，多家媒體轉載，其中多條新聞被新華社進行外文報道，向世界展示了中國“智造”“中國創造”風采。創新形式，通過邀請國內主流媒體走進南京和燕路過江通道項目施工，眾多重磅媒體平臺對現場的深度報道讓更多的人近距離、深程度了解天和盾構機的創新應用與顯著成績等，宣傳效果顯著，中交天和品牌影響力持續擴大。

三、國產超大型盾構品牌建設取得的成效

（一）突出重圍，引領行業迅速發展

中交天和兩臺超大型盾構機的研制成功，一舉打響了國產盾構機的品牌，樹立了國產超大型盾構機的嶄新形象。結束了大型和超大直徑盾構機完全依賴進口的局面，對我國基礎設施建設提供了有力的技術支撐，不僅節約了數十億元人民幣的費用，更自此開創了中國盾構隧道掘進的新篇章，超大型盾構機自此開始國產化歷程。中交天和的成功也推動了國內同行及配套企業的發展。此后，國內其他盾構機企業也異軍突起，刀盤直徑14米以下的盾構機已經基本不再需要進口，中國出口的盾構機油缸等重要配件占領了世界市場的一半以上，并且返銷到了原先的盾構機強國。從打破國外壟斷的中國首臺套超大直徑盾構“天和號”，到首臺采用自主技術和多項國產核心零部件設計制造的南京和燕路過江通道工程“振興號”、全球首創的新型TBM掘進機“雪山號”“雪蓮號”、國內首臺超大直徑同步掘進機“興業號”、中國最大直徑盾構機北京東六環改造工程“運河號”、國內在建承受水壓最高直徑最大盾構隧道用超大直徑盾構機“聚力一號”、全球首創高寒高海拔大深度超大直徑硬巖豎向掘進機“首創號”，這些年中交天和堅持自主創新、堅韌攻關，克服風險挑戰，形成了系列具有中國自主知識產權的核心技術，引領隧道掘進機研制不斷邁向新高端，推動了隧道施工技術與工藝的創新發展。

（二）走出國門，服務一帶一路建設

自2016年始，中國超大型盾構品牌積極向外突破。2018年3月13日，孟加拉國卡納普里河河底隧道用12.12米超大直徑盾構機下線儀式在中交天和舉行。這是中國出口的第一臺超大直徑盾構機，也是南亞地區使用的最大直徑盾構機。這場慶典被視為中國盾構機發展歷程中的里程碑事件，終結了海外超大直徑盾構機市場一直為國外壟斷的局面。同年9月，用于中印尼兩國元首親自確認和直接推動的新時代中印尼兩國發展戰略對接、共建“一帶一路”的旗艦項目和印尼海洋支點戰略對接的重大項目，中國高鐵全方位整體走出去的第一單，東南亞第一條最高時速達350公里的高鐵——印尼雅萬高鐵1號隧道的直徑13.19米超大盾構機在中交天和下線，再次刷新中國出口海外超大直徑盾構機紀錄，并成為亞洲鐵路建設中最大的盾構機。孟加拉國卡納普里河河底隧道用盾構機于2020年8月抵達，孟加拉國歷史上首條超大直徑隧道順利貫通；同年11月，雅萬高鐵一號隧道順利貫通，為該高鐵早日實現全線通車奠定了堅實基礎。中國超大型盾構品牌和技術在一帶一路建設中大放異彩。

四、結語

從落后百年逆襲到世界領先，高端裝備制造國產化這條路走得并不容易。中交天和憑借鍥而不舍的鉆研精神和自主創新能力，帶領中國超大型盾構機不斷“掘進世界”。綜上所述，中國高端裝備制造品牌要突出重圍，歸根結底要以自主創新為內核，堅持創新驅動，不斷增強原始創新能力，掌握核心關鍵技術，實現高水平科技自立自強，才能讓品牌穩立世界之林。

參考文獻

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作者：姚柳 單位：中交天和機械設備制造有限公司