自主研发国产盾构机，产品走向国际，中国铁建——
“地下蛟龙”向梦想掘进(科技自立自强·强化国家战略科技力量)
本报记者 王云娜
《 人民日报 》( 2022年01月19日 第13版)
核心阅读
盾构机是专门用于隧道掘进的工程机械，是名副其实的大国重器。中国铁建聚焦隧道施工、轨道交通等领域，加大关键核心技术攻关力度，自主研发不同型号的盾构机，实现了我国盾构机从无到有、从进口到出口、从“跟跑”到“领跑”的跨越。
直径达14.02米，红蓝相间的圆形刀盘上，数百个白色刀头组成一道道美丽的弧线。
1月18日，在上海轨道交通市域线机场联络线工程中，国产超大直径泥水平衡盾构机“建勋号”向前钻进，犹如一条钢铁巨龙。
2021年7月29日，超大直径盾构机“建勋号”在湖南长沙下线
“刀头由硬度极高的合金组成，是‘铁齿铜牙’，既能吃软土，也能啃硬岩。”铁建重工掘进机研究设计院泥水盾构研究所副所长范瑞强说：“光是刀头相关技术，就凝聚着企业多年来的科技创新成果。”
铁建重工是中国铁建股份有限公司在工业制造板块的核心企业。近年来，中国铁建聚焦隧道施工、轨道交通等领域，加大关键核心技术攻关力度。“十三五”期间，中国铁建获得国家科学技术奖17项，新增授权专利14389件，新增国家级创新平台4个，新增主持国家科研项目8项、课题26个。
因地制宜研发
量身定做产品
盾构机是专门用于隧道掘进的工程机械，在重大基础设施建设领域应用广泛，是名副其实的大国重器。因为拥有穿山打洞的超强能力，享有“地下蛟龙”“钢铁穿山甲”的美誉。
全球最大的高端地下工程装备制造基地--铁建重工长沙第二产业园
如此重器，如何工作?盾构机在前进时，用刀头将泥土、岩石碾碎，“吃”进肚子里，再通过专门的管道运送至机身后方排出。与此同时，通过注浆和管片砌衬，为挖好的隧道、地道加固定型，形成永久性结构。“盾”与“构”分步进行，一条龙作业。
“一台大型盾构机，重量超过3000吨，零部件超过3万个，涉及电气、光学、力学、土木、机械等众多学科，制造工艺复杂。”范瑞强说。
不同工程项目面临的地质条件、隧道规模大小和施工环境千差万别，对设备选型要求各异，所以盾构机不能批量化生产，需要因地制宜研发、量身定做产品。这也意味着，每一台盾构机都“个性十足”。
“建勋号”主要用于上海轨道交通市域线机场联络线工程。联络线沿线穿越轨道交通、市政公路、桥梁等重要建筑物，对地表沉降控制精度和环境保护要求较高。研发团队在设计管片砌衬技术时，对隧道底部的大弧形块，首次采用整体预制拼装工艺施工，代替传统箱涵两侧现浇的工法，提高隧道整体施工速度，确保隧道成型质量。
2017年7月，5台国产盾构机第一次走向欧洲。面对超低温施工环境，铁建重工开发了可耐零下30摄氏度低温的主驱动，增加液压泵站、变频器等辅助加热系统。“工业产品设计通常考虑的是散热，但这一次我们给盾构机增加加热装置和温度在线监测系统，让冷热两套系统完美兼容。”这5台盾构机的总设计师孙雪丰说，团队反复推导计算和热力学仿真，画了800多张系统原理图和结构图纸，最终确保油箱内液压油合理升温，又没有影响液压油的使用性能。
2018年6月11日，首台适应极寒施工环境的“波丽娜”号盾构机顺利始发，标志着中国高端地铁隧道施工装备首次在欧洲投入使用
经过多年努力，针对“超恶劣自然环境、超风险地质条件、超常规长大隧道”等不同类别的施工场景，铁建重工研制出一个个“身怀绝技”的国之重器，在行业内处于领先地位。
搭建科创平台
攻克核心技术
伴着机器轰鸣声，在北京东六环改造工程建设中，由铁建重工研制的“京华号”正在开展地下穿越之旅。这台我国迄今研制的最大直径盾构机，开挖直径达16米级，整机长150米，总重量4300吨。它的刀盘上，有近400个硬质合金的刀头，硬度媲美金刚石。
但再坚硬的刀头也会被磨损。铁建重工掘进机研究设计院副院长暨智勇介绍，盾构机作业的地方往往在地下几十米。过去只能采取带压换刀的方式，即由专业的施工人员到刀盘背部，手动更换一个个刀头。带压的感觉，就像在深海潜水，人体内部需要承受相应的压力，具有一定的危险系数。因此，为了保证施工人员安全，必须在带压换刀开展前准备充足，构建好稳定的作业环境。“也就是说，以前盾构机每往前掘进200米，就需要‘修整’一周。”暨智勇说，为此，铁建重工和中南大学等高校合作，搭建了基础技术和应用研究试验平台这一省级科技创新平台，研发出常压换刀技术，大幅提高了换刀效率。“如今，工作人员钻进刀盘后方的箱体，将刀头抽回箱体，泄压后直接更换，换刀只需要四五十分钟。”暨智勇说。
“过去刀盘刀具长期依赖进口，不仅价格昂贵，交货时间也不可控。现在，我们在试验平台上不断测试性能和数据，设计出适合不同地质结构的盾构机刀具，实现了‘卡脖子’技术的突破。”铁建重工科技发展研究院院长廖金军说，目前，包括极硬岩滚刀在内的各品类盾构刀具，已能做到完全国产化。
国产最大直径盾构机“京华号”闪耀国家“十三五”科技创新成就展，接受党和国家领导人检阅
中国铁建不断加强科技创新平台建设。目前全系统拥有国家级科技创新平台23个、省部级科技创新平台122个。“十三五”期间，铁建重工面向国家战略、重大工程、通用市场需求，承担和参与国家级科技项目30余项，聚焦攻克关键核心技术过百项，实现“卡脖子”技术的创新突破和部分领跑。
从跟跑到领跑
从配角到主角
巨大的圆形刀盘上，一只怀抱嫩竹的大熊猫占据“C位”……这是被网友称为“最萌大国重器”的“锦绣号”盾构机，也是一台国产土压平衡盾构机，正在参与成(都)自(贡)高铁锦绣隧道建设。其最大的特点，在于高承压能力。
2021年7月，成自铁路锦绣隧道国产最大土压平衡盾构机“锦绣号”在湖南长沙下线
原来，锦绣隧道“深浅不一”，最小覆土厚度不足8米，而最大埋深则达到60米。为了应对覆土浅和沿线地面多建构物的复杂情况，研发团队为盾构机增设23个超前注浆孔、28个径向注入口，可预先对周围土体注浆加固，径向注入支撑介质，有效控制地面沉降，确保地面建筑不受影响。
“面对极高的水土压力，‘锦绣号’采用了具有高承压能力的聚氨酯密封技术，可承受10巴水土压力，相当于用一个鸡蛋支撑5个成年人的重量。”铁建重工掘进机研究设计院土压盾构研究所工程师钟晴说。
同时，“锦绣号”是我国迄今研制的具有完全自主知识产权的最大直径土压平衡盾构机，进一步巩固了国产隧道掘进技术装备的自主可控能力。
时间倒回10多年前，盾构机技术长期被国外垄断，“洋品牌”盾构机几乎占据了国内市场，价格高昂。2010年，铁建重工研制出国产首台复合式土压平衡盾构机，设备国产化率达到87%。这一重大突破，让均价1.5亿元的洋盾构被迫降价30%。
经过10多年发展，国产品牌盾构机在国内市场占有率达90%以上。以铁建重工为代表的国内地下工程装备企业，技术从跟跑到部分领跑，市场份额从配角到主角。
不过，创新过程中仍有一些需要攻克的问题。铁建重工党委书记、董事长刘飞香介绍，产业链供应链中的每一环都至关重要，只有供应链稳定才能保证生产、确保供应。
“我们的首要任务，仍是把产业链自主创新进行到底，坚持差异化、高端化的产业产品战略。”刘飞香说，产品开发上，国内企业要进一步完善产品型谱，满足细分领域不同场景的施工需求;要加强行业共性技术研究，积极参与国际标准制定修订，在关键领域形成以自主知识产权为主导的技术标准体系。
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