上世纪90年代中期。全长256米、刀盘直径8.8米，价值3.5亿元人民币的世界名牌、德国造“维尔特”硬岩掘进机，在秦岭隧道施工时发生故障。换零件?等两年。找人修?德国专家从离家那刻起计费，每天3000美元。
从今天回溯10年。科学家“七年磨一剑”自主研发出盾构“心脏”——液压驱动和控制系统，想“移植”到德国产品“海瑞克”身上一试身手，却屡屡碰壁。首台“中国造”靠谱吗?施工方打退堂鼓，不肯给新系统通电，多次沟通无果，科学家发脾气撂电话。
故事或将在此戛然而止。撂下电话的是中国工程院院士、浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授杨华勇。无奈之余，他只好准备“给国家打报告说项目做不下去了”。
谁料峰回路转。第二天，施工方——中铁隧道集团有限公司有关负责人意外松口：“可以通电!”于是，盾构“中国梦”的故事翻开新篇。
2009年，天津地铁3号线营口道至和平路标段，首台国产复合盾构——“中铁1号”以日掘进22.8米的速度在“督军街”——赤峰道下潜行。它静悄悄经过建筑史上的奇葩、全球独一无二的“瓷房子”(现值98亿)，穿过张学良、段祺瑞等名人故居，几乎检测不到地表沉降。
同一年，国产直径11.22米的“进越号”首台泥水盾构为上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线画了个完美的弧度：380米的最小转弯半径刷新世界纪录。
2012年，杨华勇及其产学研团队的“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”项目，将国家科学技术进步一等奖揽入怀中。
国家褒奖的背后，是2009年至2011年新增产值62.83亿元，实现利润10.21亿元，创造税收4.25亿元。
灵感源自船蛀打孔
有“工程机械之王”、“移动式掘进工厂”之称的盾构机，其设计灵感源自小小的船蛀。
1818年，侨居英国的法籍工程师布鲁诺尔看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被灵感眷顾，构建了盾构法隧道掘进施工的原理，发明了敞开式手掘盾构原型。
泰晤士河成了布鲁诺尔的“试验田”。始于1825年，在经历了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。
现代盾构机十足“高大上”。集土木、材料、机械、电压、液压、信息、控制等技术之大成。它是在护盾钢筒结构掩护下，能够连续、同步实现切削、排碴、衬砌等隧道一体化掘进作业的高端装备。
回想上世纪六七十年代开挖隧道的经典场面：炸药开道，千余人赤膊挥汗，镐锨锹锄齐上阵，扁担肩扛加手推车一趟趟运土，“工效低、事故多、伤亡大。”杨华勇说，坐火车过秦岭或襄渝线，在每个长点儿的隧道口几乎都看得到当年施工人员长眠的坟头。
而由刀盘刀具系统、刀盘旋转驱动系统、螺旋输送机与密封舱系统、推进系统、管片拼装系统、后配套系统和导向纠偏系统组成的现代盾构机，工作起来“一气呵成”。
先将后配套拖车和设备调入基坑后部，安装始发液压缸和始发反力托架，再将盾首吊入始发井，调整始发位置和姿态。始发液压缸推动盾构进行初始掘进，期间测量系统实时反馈盾构姿态，确保其按预设方向和轨迹掘进。
“钢铁蚯蚓”吞土吐石。在刀盘挤压和刀具切削作用下，刀盘前方土体和岩石被切割破碎，沿刀盘开口进入密封舱，再经螺旋输送机排至输送带，而后到达盾构机尾的矿车，运至隧道口提升至地表，管片也可由矿车运送到盾构机靠近刀盘的前部分。
在切削土体时，推进机构推动盾首前进，当推进距离达到一环管片宽度时停止，盾构进行管片拼装。管片运至拼装机后部，拼装机后退取管片，再回到盾体内部进行拼装，管片环与环之间错开衬砌，一环管片分为六片，分别按照上述步骤进行拼装。拼装完毕后进行同步注浆，推进机构继续向前。
在直径6~15米的大型隧道施工现场完成如此复杂的流程，需要多少人?答案是：每班组仅需12人。
“急诊医生”要当设计师
浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授龚国芳给《瞭望东方周刊》讲了个故事：1995年，中铁隧道集团有限公司从德国购买了一台敞开式全断面硬岩掘进机，用于国家“九五”重点工程西安安康铁路“咽喉”秦岭隧道的开挖。
价格超过3.5亿元的一堆零部件在江南造船厂合体，成为全长256米、刀盘直径8.8米的“巨龙”。工程接近尾声时机器“罢工”，德国专家说要更换液压装置，可新装置要两年后才能到。
施工方把求助电话打到了浙江大学。次日，重点实验室的魏建华教授出发去了秦岭，拆出“生病”的液压装置。魏建华拦了一辆上山接孕妇的救护车才得以下山，而另两位中铁隧道集团的工程师硬是沿着已经打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皑皑的大山。
魏建华“闭关”半年，终于将液压装置修复，德国巨龙的“心脏”重新起搏。
科研人员被迫穿山入林做盾构“急诊医生”，其时代大背景是经济驶入快车道的中国已经拉开基建大幕——公路、铁路、地铁、水利工程接连上马，城市化建设迅速推进。但国内对盾构的自主研发水平，远远不能支撑市场对盾构的巨大需求。
于是“洋盾构”唱起主角。1990年，上海地铁1号线用的是七台“法国造”;1996年二号线开工，七台不够，又从法国引进两台。同年，延安东路隧道南线工程1300米圆形主隧道，用的是日本造直径11.22米泥水盾构掘进机。2001年后，广州、南京、深圳、北京、天津先后从德、日引进14台直径6.14米~6.34米的土压平衡盾构和复合盾构机，掘进地铁隧道50千米。
“盾构设计技术一直被国外垄断，产品长期依赖进口，高昂的价格制约了盾构的应用，延缓了我国城市地铁的发展，自主研制势在必行。”杨华勇表示。
经济账更能说明问题：单价4000万至6000万元人民币的地铁盾构机，单台平均寿命10~15公里，一条地铁线路有时需20台盾构同时施工。
而处于基础建设期的中国对盾构机的需求占全球50%以上。未来十年，中国还将建设隧道超过一万公里，新增盾构机超过1000台，拉动直接投资超过一万亿元。
2000年7月，在科技部863计划支持下，建设部在北京组织了全国第一次针对盾构装备研制的大学与企业的联合论证会。“这是一件应该上升为国家战略的大事。”作为论证专家之一的杨华勇说。
中国合伙人
2002年，863计划机器人主题启动了对盾构项目的支持，多家企业和高校联合攻关。杨华勇主持召开全国性技术论证会。从北京到杭州，从上海到广州，会开了一个又一个，收集、汇总、分析来自国内外隧道施工现场和制造第一线的难题。
然后是分技术包干——浙江大学负责液压系统，中铁隧道做刀盘刀具，上海隧道做控制系统和后配套系统……
事实上，常年“出急诊”的浙江大学团队早已看清洋盾构有“先天缺陷”——盾构掘进过程中，工程事故占施工量的10%，其中80%是界面失稳、装备失效和方向失准引起的。
失稳——盾构密封舱内控制压力不能与舱外随时变化的水土压力保持始终平衡，偶尔会导致地面塌陷;失效——掘进中突变载荷对盾构动力系统所带来的冲击时常会导致关键部件损坏;失准——纠偏滞后有时使隧道掘进方向偏离设计轴线。
多年攻关，以浙江大学为首的973计划科研团队用三个首创实现“对症下药”：盾构密封舱压力稳定性控制技术、载荷顺应性设计技术、姿态协调性纠偏技术。
“中铁一号”穿过天津“瓷房子”，这里的街道静悄悄，地面沉降小于2毫米，除这一难以测量的骄人成绩令国外同行大跌眼镜外，每米掘进成本还降低了8.3%;
“进越号”在黄浦江底实现了半径380米的转弯，还优雅地下穿500米长的污水南干线、日晖港防汛墙、大楼桩基群和复杂地下管线。
这些是后话。回到21世纪头七年，这些画面只存在于盾构“中国合伙人”的憧憬中。
2004年，浙江大学团队想把自主研发的“中国心”换给正在上海地铁二号线延长段施工的“海瑞克”。
“遭到现场施工人员拒绝，”龚国芳回忆。原因很简单，掘进速度和长度决定工资收入，国货“趴窝”怎么办?
杨华勇“公关”到中铁隧道一位副局级领导那里，仍然无果。“花了国家863计划的经费，就要替国家做事。”正当杨华勇等人黯然神伤，没想到第二天施工现场同意通电。
上海隧道工程股份研制出整台样机“先行号”，也遭冷遇。最后得到时任上海市副市长严隽琪的“背书”，“先行号”才获准试掘一个标段。
结局皆大欢喜。“十五”重大成就展上，中铁隧道和上海隧道各做一台盾构模型参展。时任上海市委书记问展台边的杨华勇：“有什么困难?”
“没有订单!”杨华勇答。
上海市领导视察了上海隧道工程股份，时任市长韩正随后也来到盾构制造工厂。不久，上海市政府下文：不再进口同类盾构。
上海隧道工程股份有限公司因此一下子拿到20多台盾构订单，在迎接世博会的地铁工程中，该公司设计制造的盾构占三成以上。
盾构“国家队”
2014年5月10日，习近平总书记考察郑州中铁工程装备集团有限公司。
这位中国最高领导人说，实现中国梦，装备制造业这个基础必须打牢。装备制造业的核心是技术创新，一个国家综合实力的核心还是技术创新。
“中铁一号”静悄悄经过“瓷房子”，一役成名。中铁隧道随后拿到八台盾构机新订单。此后不久，这家隧道施工行业的“大佬”孵化出独立的中铁工程装备集团有限公司，专门从事盾构机的设计制造。目前订单编号已经超过202台。
仅2009~2011年国产盾构机就达132台，行销国内26个城市，并向新加坡、印度、马来西亚、泰国和伊朗小批量出口，与英国和俄罗斯等五国签订了出口意向。
国产盾构机在300多个地铁、公路、铁路、水利与国防等各类隧道工程施工中得到应用。
2011年，国产盾构机已占当年新增盾构机的60%。预计2015年可占国内新增市场的80%以上。德日产品在中国市场售价降低四分之一以上，订单继续剧减。
习近平登上一台近百米长的盾构机后配套平台，进入小小的主控室，问中铁装备设计研究总院副院长蒲晓波：“这么大的一台设备，一个人可以操作吗?”
11年前，中铁隧道集团有限公司内打算自主设计制造盾构装备，28名青年每人一台笔记本电脑，加入产学研团队。
没过多久，工资发不出，20人各奔前程，只剩下“八大金刚”，其中就有指着60多个实体按钮及屏幕上的触控按钮，给总书记作介绍的蒲晓波。
彼时，没人会料想到中铁工程装备集团有限公司——中国最大、全球第二的盾构机设计和制造基地的诞生。2013年，中铁装备自主研制的世界最大矩形盾构机，成功应用于郑州中州大道下穿工程，开创矩形盾构机应用于市政道路建设的先河。
2013年，“郑州造”盾构机交货47台，新签合同额21.38亿元，产值22.52亿元。
“中铁一号”在天津一战成名后，与中国中同台竞争的中国铁建股份有限公司，2009年起在长沙也开始了盾构自主设计制造，“八大金刚”之一程永亮受邀加入新成立的中国铁建重工集团有限公司，铁建重工很快也与以杨华勇为首席的863、973科研团队对接成功。2013年，“长沙造”盾构机交货32台，产值15.83亿，在手合同22.52亿元。目前他们的盾构产品订单累计到了120号。
中国造，中国梦，未完待续。
热门推荐