超大型盾构机：我国自主创新的“新名片”

有“工程机械之王”“地下蛟龙”之称的盾构机（又叫全断面隧道掘进机）主要用于铁路、公路、地铁和水利等基建工程的隧道挖掘。然而长期以来，盾构机的核心技术掌握在国外企业手中，一台盾构机动辄上亿元，甚至数亿元的价格让许多企业望洋兴叹。

近日，我国最大直径泥水平衡盾构机——“运河号”在北京东六环改造项目中向着出口端掘进引发关注。这款由中交天和机械设备制造有限公司（下称中交天和）研制的“国之重器”进京后在北京副中心建设项目中发挥了重要作用。一直以来，包括中交天和在内的一大批自主骨干企业不断创新，改写了我国超大型盾构机长期依赖进口的历史。

自研技术趟出

一条新路

1996年12月18日，北起西安、南到安康的西康铁路正式修建，其中著名的秦岭隧道全长18.46公里。在施工中，我国首次引进了两台德国盾构机进行施工，大大缩短了工期。2002年，为打破我国盾构机长期依赖进口的局面，国家将土压平衡盾构关键技术研制列入“863计划”。2002年10月，中铁隧道集团盾构机研发项目组正式成立；2007年，北方重工集团有限公司与法国NFM公司签订并购框架协议，获得相关技术；2010年中交天和参与研制直径超过15米的超大型盾构机……在国产盾构机研发过程中，华中科技大学、中南大学、上海交通大学、大连理工大学、天津大学、清华大学和西安交通大学等高校相继加入进来。

“我国超大型盾构机的许多创新都是被逼出来的！”回忆起国产盾构机的研制历程，中交天和副总经理、总工程师周骏对中国知识产权报记者表示，2010年，中国交通建设集团承接的南京纬三路过江隧道工程需要两台开挖直径超过15米的超大直径盾构机。当时，我国还没有直径14米以上的超大型盾构机，只能依赖进口。可是德国企业一台设备要价7亿元，两台盾构机要花14亿元，而当时整个项目的预算才50亿元。

“进口设备这么贵，我们的需求又这么大，外国企业能够制造，为什么中国人不能自己制造？”时任南京纬三路隧道指挥长、总工程师，现任中交天和党委书记、董事长的张伯阳对当时窘迫的情况记忆犹新。在此背景下，2010年4月，中交天和在常熟注册成立，工厂还没建好，做梦都想造出超大型盾构机的中交天和人接下了研发这两台开挖直径超过15米的超大直径盾构机的研制任务。

在研发过程中，中交天和多次遭到国外的技术封锁。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，不过，当这家企业知道中交天和在自主研发盾构机后，开出了天价合作费。

历时14个月，420个日日夜夜，6700多张设计图纸，10万多个大小零部件，最后汇成了刀盘开挖直径达15.03米、足有5层楼高、长达130米、重达4800吨的中国首台泥水气压平衡复合式盾构机——“天和号”。这台盾构机的成功研发，不仅为国家节约支出近8亿元，还在国际上首创了多项新技术，其中刀盘伸缩技术、氦氧饱和带压换刀技术、长距离掘进刀盘都解决了盾构机领域的世界性难题。

专利让“地下蛟龙”

游刃有余

“运河号”又名“长城号”，开挖直径达16.07米，整机总长约145米，总重量约4500吨，国产化率95%以上。“‘运河号’盾构机国产化的背后有近80件专利的支撑，其中包括60件核心专利，另有十多件专利申请，涉及超大直径盾构机光纤磨损检测、盾尾磨损检测、绿色环保管路延长装置、泥水分层逆洗循环技术、刀盘伸缩摆动装置等。”周骏表示。

主轴承有盾构机“心脏”之称，承担盾构机运转过程中的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件。盾构机在掘进过程中面临鹅卵石、复合地质、泥水地质、岩石甚至混合体等复杂的地层，主轴承需承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。在此情况下，刀盘主轴承的稳定性是压倒一切技术指标的关键。国家知识产权局专利局机械发明审查部审查员许亭对“运河号”的相关专利进行梳理分析后发现，“运河号”主驱动系统的其中一件代表性专利（公告号：CN213655472U）从以往的需要依托于盾体内周和主驱动外周的联动设计来实现伸缩功能，变为通过一个独立轴承连接盾体和主驱动来解决盾构主驱动的伸缩滑动问题，简化了盾构刀盘伸缩功能的设计方案。

在盾构机地下掘进的过程中，不仅要有一颗强大的“心脏”，更需要武装“牙齿”，啃下复杂的地况。这副“牙齿”就是它的刀盘。一般情况下，在砂卵石地层超大直径盾构机平均每掘进200米需进行刀具更换。“运河号”首创了长距离掘进不换刀技术，可实现连续掘进4800米不换刀。为解决相关技术难题，中交天和进行技术研发并提交了与“运河号”刀盘系统相关的专利申请。其中代表性专利（公告号：CN210289784U）采用气压辅助掘进减小盾构机掘进时的负载，通过气压逼退地下水，保证同步注浆质量，有效降低土仓内渣土量，提高渣土流动性，同时切削下来的渣土快速进入土仓内，减轻了开挖面和土仓内渣土对刀盘及刀具的磨损，可避免刀盘结泥饼，提高掘进效率。

为了实时关注着这只“地下蛟龙”的工作状态，工程师们为盾构机设计了一双智慧的“眼睛”，这双“眼睛”就是它的监控管理系统。中交天和的专利（公开号：CN101148989A）提出一种盾构掘进机本地及远程监控方法，可实时、准确、全面地反映盾构机主要机构的运行状态，并可结合远程网络技术，进行网络浏览和监控，方便进行盾构机的管理和维护。

有了一双智慧的“眼睛”，工程师们又为它配置了强健的“四肢”，这“四肢”就是它的推进装置。“运河号”的代表性专利（公告号：CN210033439U）提出一种盾构机的可自动纠偏的推进装置，其利用弹簧力的作用，在推进状态下靴板与管片自动贴合，推进油缸回缩时，靴板自动复位，没有其他的液压阀、液压油缸等控制元件，尺寸紧凑，结构简单可靠、成本低、易维护。

一副健康的“肠胃”让“运河号”不但能把活儿干得干净漂亮，而且可延长使用寿命，这副“肠胃”就是它的泥水循环系统。在该技术领域，中交天和的专利（公开号：CN110966010A）提出一种可调密度的泥水土压双模式盾构机。该技术能有效结合土压平衡系统和泥水平衡系统，针对不同地层地质，进行泥水和土压模式切换，实现复杂地质下的高效掘进。

不仅如此，中交天和目前还掌握着超大直径盾构机创抗浮技术、光纤磨损检测、盾尾磨损检测、管片自动化拼装、同步掘进、智慧化远程安全监控管理、管片自动化拼装技术、绿色环保管路延长装置、泥水分层逆洗循环技术、刀盘伸缩摆动装置等诸多创新技术，并且在相关技术领域都进行了有效的专利布局。

走出国门打造

创新名片

2018年3月13日，孟加拉国卡纳普里河河底隧道用超大直径盾构机下线仪式如期举行，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29日，中国出口海外最大直径盾构机下线，后来该盾构机服务于东南亚第一条最高时速达350公里的高铁——印度尼西亚雅万高铁1号隧道。

2020年，我国机械行业年销售收入突破7600亿元，包括盾构机、混凝土机械、压路机、推土机等在内的一大批工程机械产品产量跃居世界首位，我国作为世界工程机械制造大国的地位更加稳固。“随着我国经济发展维度更宽，层次更深，基础设施建设呈现多样性、大型化、高效化、个性化趋势，激励了企业新材料、新技术、新工艺、新产品的创新与应用，使工程机械满足了不断变化的市场需求，国内市场工程机械自给率2020年高达96%以上。”中国工程机械工业协会会长苏子孟表示。

“十余年来，我们实现了从国产首台超大直径盾构机——‘天和号’横空出世，到孟加拉国卡纳普里河河底隧道及印度尼西亚雅万高铁用超大直径盾构机走出国门，到‘振兴号’超大直径泥水平衡盾构机在扬子江底79米水深处前行，再到中国最大直径盾构机‘长城号’的历史性跨越。”张伯阳表示。

“未来，中交天和将坚持走自主研发、科技创新之路，秉持做大做强中国盾构机的初心，坚持原始创新，不断提升我国工程机械的创新水平。”中交天和党委副书记、总经理张英明表示。