从落后百年到世界第一，揭秘盾构机20年逆袭的心酸与喜悦

颠覆传统爆破和人力挖掘的新型机械设备你能想象吗？开山掘地毫不费力的大型设备你见识过吗？花费不到20年就能弥补落后120年的差距并领先其他国家，你能想象吗？但这些，都在我国盾构机的发展中得到了体现。


盾构机是集多种技术于一体的高端隧道掘进装备，零部件超过3万个，有着“工程机械之王”的称号，主要应用于城市地铁、管网、铁路等工程的建设。它既能对前方土壤进行挖掘推进，同时还能支撑起挖掘后的洞壁，向外排出渣土，以防止坍塌。与传统“钻爆法”相比，盾构机的施工效率可提高3-5倍，并提升施工环境的安全性。


国外已有百年历史



盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。顾名思义，“盾”就是用于防御的盾壳，“构”就是注浆和管片堆砌。整个盾构机呈一个圆柱体状，被分为前盾、中盾、尾盾三个部分。前盾位于整个盾构机最前端，用以安装刀盘和刀盘驱动，刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，用以切削土块；中盾又称支撑环，内置推进油，提供整个机体向前推进的动力；尾盾内置注浆管道等用于运送修筑隧道原材料的管道。


简而言之，就是前端用于挖洞，中部用以支撑和提供动力，尾部进行注浆等操作来形成隧道。其工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线一边向前推进，一边对土壤进行挖掘，挖掘的土能够通过传送皮带直接运送出隧洞。圆柱体的外壳就类似一个护盾，既起到支撑隧洞的作用，又起到保护其中工作人员安全作业的作用。


在没有盾构机以前，工作人员只能通过爆破手段炸开山体，然后用人工挖掘、排土，这种方式既没有安全保障，又需要花费很多人力和时间；盾构机出现以后，这种掘进和排土一体化的方式大大缩短作业时间，同时钢筑外壳也最大限度地保护施工人员安全。


这般便利的盾构机有着怎样的发展史呢？18世纪初，法国工程师布鲁诺尔通过一种船蛆在船的木头中钻洞并排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，提出隧道掘进机原理。1818年，布鲁诺尔完善盾构机械系统，并制作出世界第一台盾构机。1825年，盾构机首次被英国用于泰晤士隧道修建，当时是一个矩形盾构机。1847年，英国伦敦地下铁道城南线施工过程中，J.H.格雷特黑德第一次采用气压盾构法施工，优化了盾构机的发展。


此后，在此基础上，盾构机在日本和德国得到长足发展。目前，世界上最大的一台盾构机是由美国委托、日本建造的“混血”盾构机—贝莎，直径约17.5米，长度达110米，体重足达7000吨，整个机体十分庞大，被称为世界第一盾。由于其安装了1417片环管片，使得其掘进速度可以达到最大每小时3.6米，比传统盾构机快了近乎三倍，为美国西雅图市中心立体隧道建设立下汗马功劳，共计挖通两千八百多米的隧洞。


第一台国产盾构机的诞生



2008年是中国盾构机市场的分水岭。由中国中铁研制的“中国中铁1号”在当年诞生，为国内第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机，它适用于土质强度差别较大、断面土层不均匀的复杂地质。在此之前，国内所需的盾构机设备基本依靠进口。这些进口设备不但价格高昂，中国企业还需为此支付不菲的技术维修费用。


因此，盾构机一度成为困扰国内基建发展效率的重要问题。土压平衡盾构关键技术研制项目在2001年被列入“863计划”（即国家高技术研究发展计划），由中国中铁子公司中铁隧道局集团承担。 中国中铁正式启动研发国产盾构机，才有了七年后“中国中铁1号”的诞生。


隧道施工对设备安全可靠的要求极高，一旦出现问题，代价将十分惨重。在国产盾构机诞生之初，客户对新研发的国产设备并不信任。中铁装备副总经理王杜娟曾透露，成都地铁的建设与国产盾构的兴起同步，当时市场上主要是国外品牌盾构，几经波折，中国中铁的盾构机以更好的地质适应性和掘进效率的表现，才取得了客户、业主的认可，最终中标进入市场。


此后，国内盾构机生产商的市场份额迅速扩大。2009年，国内所使用的盾构机近95%来自进口。但从2012年开始，中铁装备的盾构机已连续十年保持国内市场占有率第一。2017年，国内自主研制的盾构机产销量攀升至全球第一。


在市场份额提升的同时，国产盾构机近年来还在不断实现技术突破。2020年9月，国内研制的最大直径盾构机“京华号”在长沙下线，标志着国内超大直径盾构成套技术跻身世界前列。“京华号”由中国铁建（601186.SH）下属公司铁建重工（688425.SH）和中铁十四局共同打造，中国铁建是另一家国内主要的盾构机生产商。“京华号”的最大开挖直径达16.07米，位列世界第三。


落后百年到世界第一


如果在20多年前，有人说中国未来可以拥有非常多的盾构机、成熟的配套系统和工业能力，想必很多人都会嗤之以鼻，要知道在过去那个时候，全球一些国家已经经过了将近百年的发展，拥有了成熟且不会轻易外传的盾构机技术，而我国直到2010年就连10米级别的盾构机都没有，更别提当下这些16米左右的庞然大物。



因此从2002年开始，中铁装备就始终围绕着生产先进盾构机的相关技术和工业难点进行突破，即便一切从零开始，为了走向“基建狂魔”路，中国人也从未停下奋斗的脚步，所以2010年的中国虽然还没有那种尖端的技术，但却已经不再是一无所有，而是积累并且拥有了相当程度的盾构机发展经验和能力。另外我国复杂的地形和基建需求，也成为了一大批技术人员的经验宝藏，让盾构机的话语权逐渐落到了中国人手上，这是从落后百年到世界第一的基础。


在有了基础之后，中铁装备以及相应的上下游企业，开始针对性的进行创新，着力攻坚那些“尖端技术”，尤其是被“卡脖子”的零部件和技术，于是很快，数年时间里，中国从艰难生产和推动国内的盾构机进步就发展到了对外签署和出售盾构机，马来西亚也是我国首次打入国际市场接待的第一个“客人”，值得一提的是，这次合作采用的是双线隧道，省时省力，但对技术成熟度要求相当高。


在这过程中，成都的案例显然已经充分证明了我国盾构机技术的突破。因为成都地区主要是冲积平原，也就是说它的地底环境相比一些内陆地区会有不小的差别，这对于盾构机来说就有明显的挑战，所以过去往往只有国外的一些机器才能够进入成都来施工，然而2012年之后，技术的飞速进步使得我国技术人员能够因地制宜找出解决办法，国外机器不再是唯一选择，中国盾构机在国际上的影响力也在逐渐增强。


据了解，在20年左右的时间里，我国已经攻克了超过八成的卡脖子的技术，其中更是有13项国际领先，达到先进水平的也有10项，要知道全球一些发达国家发展到如今的水平用了近百年，而我国只用了20年，更令人振奋的是，我国国产盾构机的销量已经连续4年世界第一，这不仅意味着技术的进步，更意味着我国对于基建以及世界各国合作共赢的态度是明确的，方案也是成熟的。


截止2019年为止，国产盾构机占据世界三分之二的市场份额，同时，2017年、2018年、2019年三年中，我国盾构机产销量皆居世界第一。国内的市场占有率也从2008年以前的0增加到现在的90%以上，可谓是天翻地覆的变化。不仅仅是数量，价格方面，中国也充分发挥“价格屠夫”这一称号的作用，使得国际盾构机价格大跌。目前一台普通的盾构机2500万，与此前我国花费三亿购买一台二手盾构机的价格相比，实在称得上白菜价。


随后，中铁装备又敲开了以高标准著称的新加坡、意大利等25个国家和地区的市场，出口到海外的盾构机累计达到80台左右。出口国产盾构机的品质也在不断提升。2021年8月，中铁装备研制的“中铁977号”盾构机用于意大利那不勒斯—巴里高速铁路项目，开挖直径12.2米，是目前中国出口欧洲最大直径的盾构机。

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来源：贤集网
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