2014 年12 月27 日，我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(敞開(kāi)式TBM)正式誕生。這臺(tái)TBM 由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司(鐵建重工)牽頭研制成功，打破了國(guó)外對(duì)TBM 的長(zhǎng)期壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)大直徑TBM 的空白，標(biāo)志著我國(guó)在大型高端裝備制造領(lǐng)域取得重大突破。

一、 首臺(tái)國(guó)產(chǎn)隧道掘進(jìn)機(jī)誕生，攻克世界級(jí)難題

盾構(gòu)機(jī)是指作用于軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)，而作用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱(chēng)為T(mén)BM。相比于盾構(gòu)機(jī)，TBM 在技術(shù)工藝上更復(fù)雜，可以應(yīng)用于較嚴(yán)峻的工程狀況，產(chǎn)品附加值也更高。TBM 以其自身的優(yōu)越特點(diǎn)，被稱(chēng)為工程機(jī)械的“航空母艦”和“掘進(jìn)機(jī)之王”，可以說(shuō)它是目前最先進(jìn)的大型隧道施工成套裝備。我國(guó)首次使用TBM 施工是在20 世紀(jì)90 年代初，TBM 被用于西康鐵路秦嶺隧道，設(shè)備及施工技術(shù)全部由國(guó)外引進(jìn)。這一次的成功嘗試使得TBM 相繼在我國(guó)重大鐵路、引水隧道工程中得到推廣應(yīng)用。然而在隨后的十幾年內(nèi)，國(guó)外對(duì)TBM一直處于長(zhǎng)期壟斷狀態(tài)，我國(guó)只能依賴(lài)進(jìn)口，這成為國(guó)產(chǎn)高端地下工程裝備自主化的薄弱環(huán)節(jié)。2014 年12 月27 日，我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)大直徑敞開(kāi)式TBM 在長(zhǎng)沙順利下線，填補(bǔ)了我國(guó)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)空白。很難想到的是，填補(bǔ)這一空白的是一支年輕的“80 后”團(tuán)隊(duì)。這支由鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院工程師組成的團(tuán)隊(duì)雖然稚嫩，但是他們以團(tuán)隊(duì)的智慧和協(xié)作的精神為地基，建成了一座屬于中國(guó)大型高端裝備制造領(lǐng)域的高樓。作為團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人的龍斌接手這項(xiàng)重任時(shí)也感覺(jué)到壓力大，畢竟在隧道施工中會(huì)面臨很多地質(zhì)難題?！皬牧闫鸩?，如何研制出首臺(tái)樣機(jī)”是擺在研發(fā)團(tuán)隊(duì)面前的第一道難題。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先從圖紙的設(shè)計(jì)著手，反復(fù)審核了約3 000 張機(jī)械部分圖紙，從參數(shù)配置、主機(jī)及后配套系統(tǒng)布置、刀盤(pán)刀具、主梁支撐推進(jìn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等方面進(jìn)行個(gè)性化、定制化設(shè)計(jì)。其中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員考慮到隧道施工最大的噩夢(mèng)莫過(guò)于掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)遇到卡死的狀況。刀盤(pán)是無(wú)法更換的，如果遇到刀盤(pán)卡死的情況，只能通過(guò)人工清理渣滓，工期往往會(huì)延長(zhǎng)一兩個(gè)月甚至半年。研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員冥思苦想用什么裝置才能更好、更有效率地驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)。龍斌和團(tuán)隊(duì)成員想到超過(guò)7 m 直徑的大型掘進(jìn)機(jī)至少要配有8 個(gè)電機(jī)，如果他們將其中一個(gè)換成液壓馬達(dá)，是不是可以解決卡機(jī)問(wèn)題？龍斌拿著圖紙介紹說(shuō)：“團(tuán)隊(duì)成員都在想如果能設(shè)計(jì)出用液壓馬達(dá)和電機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的掘進(jìn)機(jī)，就可能可以完全解決卡機(jī)問(wèn)題！”經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的不懈努力，他們研發(fā)出了能讓掘進(jìn)機(jī)起死回生的驅(qū)動(dòng)軸，只需要30 min 就可以修復(fù)卡機(jī)問(wèn)題。這一突破性的研發(fā)成果使他們破解了困擾挖掘行業(yè)50 年的世界級(jí)難題——卡機(jī)，也為中國(guó)制造贏得了尊嚴(yán)。

像這樣的技術(shù)難題不止一個(gè)，團(tuán)隊(duì)成員同心協(xié)力相繼攻克了單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式及雙模式等多種類(lèi)型TBM。經(jīng)過(guò)連續(xù)3 年的緊張技術(shù)攻關(guān)，2014 年12 月，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑TBM 在長(zhǎng)沙順利下線。這臺(tái)大直徑敞開(kāi)式TBM開(kāi)挖直徑7.93 m，總長(zhǎng)180 m，總質(zhì)量達(dá)1 500 t，裝機(jī)功率超過(guò)5 000 kW，集隧道開(kāi)挖、支護(hù)、出渣、通風(fēng)、排水等功能于一體，掘進(jìn)精度達(dá)到毫米級(jí)，能安全、環(huán)保、高效地一次完成隧道施工。

然而，研發(fā)團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有因?yàn)槭着_(tái)樣機(jī)的研制成功就停下腳步，他們面臨的第二輪考驗(yàn)是設(shè)備能否成功高效掘進(jìn)。2015 年1 月，樣機(jī)開(kāi)始陸續(xù)抵達(dá)工地進(jìn)行組裝，在零下30℃的室外，他們要呆七八個(gè)小時(shí)確保樣機(jī)的順利安裝。雖然他們要面臨嚴(yán)酷的環(huán)境條件，但這一切的付出是值得的。這臺(tái)設(shè)備不僅打破了國(guó)內(nèi)敞開(kāi)式TBM 施工紀(jì)錄，而且開(kāi)創(chuàng)了TBM 同類(lèi)斷面施工之最，設(shè)備性能和施工水平整體都達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，并且與同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品相比價(jià)格便宜5 000 萬(wàn)元以上，國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品往往只擁有20 km 的壽命，而國(guó)產(chǎn)TBM 能夠達(dá)到30 km。這臺(tái)設(shè)備推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)TBM 產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平、市場(chǎng)份額實(shí)現(xiàn)后來(lái)居上的驚人蝶變。

以掘進(jìn)機(jī)為代表，中國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域液壓、變頻、控制系統(tǒng)等核心技術(shù)，都取得了關(guān)鍵突破，中國(guó)在工程裝備上的研發(fā)和制造實(shí)力已經(jīng)絲毫不遜色于任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

國(guó)產(chǎn)首臺(tái)TBM 自主化攻關(guān)，龍斌和團(tuán)隊(duì)扛起了大國(guó)重器自主研發(fā)的責(zé)任。從推動(dòng)國(guó)產(chǎn)TBM 打破國(guó)外壟斷，到推動(dòng)產(chǎn)業(yè)向著超長(zhǎng)距離、超長(zhǎng)壽命的高端化邁進(jìn)，龍斌和團(tuán)隊(duì)不負(fù)青春和使命。他們不僅實(shí)現(xiàn)了隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從有到大的快速成長(zhǎng)，還成為產(chǎn)業(yè)蝶變的發(fā)展引擎，創(chuàng)造了從“蹣跚學(xué)步”到行業(yè)領(lǐng)跑的發(fā)展奇跡。

二、 自主攻關(guān)首臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”

十幾年前，由于國(guó)外隧道掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)的壟斷，我國(guó)的地下工程幾乎都是靠著進(jìn)口設(shè)備來(lái)完成?？墒前嘿F的費(fèi)用、供應(yīng)不及時(shí)的零配件及跟不上的服務(wù)，這些痛點(diǎn)讓科研人員意識(shí)到，不能永遠(yuǎn)低聲下氣地跟在別人身后，中國(guó)的高端地下工程裝備必須實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。因此，鐵建重工從籌集人才入手，決定自己干，就這樣開(kāi)始了自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)的第一步。萬(wàn)事開(kāi)頭難，盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)更是難上加難。在非常艱苦的條件下，大半年的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)出了10 多萬(wàn)張圖紙，做了無(wú)數(shù)次優(yōu)化。

修改、優(yōu)化，循環(huán)往復(fù)。最終在2010 年，我國(guó)首臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)自主研制成功，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到87%。這使得進(jìn)口盾構(gòu)機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)被迫降價(jià)30%。有了一次成功的經(jīng)驗(yàn)，鐵建重工不斷地向前看，致力于研發(fā)原始性、首創(chuàng)性產(chǎn)品和技術(shù)。技術(shù)創(chuàng)新的強(qiáng)大動(dòng)力，促使鐵建重工不斷利用核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的無(wú)縫銜接，相繼研發(fā)了七大系列、50 余個(gè)規(guī)格的盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品，不僅滿足國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的需要，更是走出國(guó)門(mén)，出口至俄羅斯、土耳其等“一帶一路”國(guó)家。

隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)后發(fā)趕超的關(guān)鍵離不開(kāi)“堅(jiān)持原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新的自主創(chuàng)新模式，完成逆襲突圍，快速領(lǐng)跑行業(yè)”，鐵建重工掘進(jìn)機(jī)研究設(shè)計(jì)院的成功絕非偶然，鐵建重工通過(guò)創(chuàng)新科研項(xiàng)目管理制度，讓科技創(chuàng)新跑出“加速度”：實(shí)行研發(fā)項(xiàng)目制，以科研項(xiàng)目代表“戰(zhàn)區(qū)”，以各研究院、各研究所代表“兵種”，以科研項(xiàng)目為紐帶，將不同專(zhuān)業(yè)、不同研究院的研發(fā)人員協(xié)同起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“兵種+ 戰(zhàn)區(qū)”的研發(fā)自組織模式。項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師實(shí)行競(jìng)選制，通過(guò)推薦、自薦或公開(kāi)競(jìng)聘等方式任命總設(shè)計(jì)師、副總設(shè)計(jì)師，再由總設(shè)計(jì)師甄選項(xiàng)目組成員，通過(guò)項(xiàng)目制的自由組合，打造跨部門(mén)、高效率、開(kāi)放式協(xié)同研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

三、 出口11米級(jí)大直徑盾構(gòu)機(jī)，走出超強(qiáng)底氣

2019 年9 月，由中國(guó)自主研制的直徑11 米級(jí)盾構(gòu)機(jī)于上海發(fā)往莫斯科，參與莫斯科地鐵建設(shè)。這臺(tái)11 米級(jí)、總質(zhì)量1 700 t 的盾構(gòu)機(jī)是有史以來(lái)我國(guó)出口歐洲直徑最大的機(jī)械設(shè)備，是名副其實(shí)的“地下巨無(wú)霸”。由于莫斯科所需施工隧道位于莫斯科河畔，地面交通繁忙、建筑密集，需連續(xù)掘進(jìn)3 000 m，以大直徑斷面?zhèn)却┠箍坪?，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑僅400 m。這樣惡劣的條件及更苛刻的環(huán)境對(duì)盾構(gòu)機(jī)提出了更高的要求。為解決這一問(wèn)題，研發(fā)人員通過(guò)對(duì)主機(jī)增設(shè)鉸接和超挖功能，輔以浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，使整機(jī)具備300 m 半徑的轉(zhuǎn)彎能力。

由于俄羅斯的氣候特點(diǎn)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)都與國(guó)內(nèi)具有較大的區(qū)別，因此，研發(fā)人員結(jié)合實(shí)際情況，研發(fā)適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)采用防寒設(shè)計(jì)，在零下30℃低溫環(huán)境中可以正常掘進(jìn)。在地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)上，盾構(gòu)機(jī)采用強(qiáng)度、剛度更高的六輻臂重型復(fù)合式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，配置19 寸大直徑重型滾刀，可以應(yīng)對(duì)120 MPa 以上的巖層、卵石等復(fù)合地層。

近年來(lái)，越來(lái)越多鐵建重工的設(shè)備憑借過(guò)硬質(zhì)量贏得海外客戶青睞，“走出去”參與重大工程。在鐵建重工長(zhǎng)沙第二產(chǎn)業(yè)園的車(chē)間里，一臺(tái)將被發(fā)往秘魯?shù)某ㄩ_(kāi)式TBM 靜靜矗立，工人們正在按步驟調(diào)試、拆機(jī)。不久的將來(lái)，它將用于圣加旺水電站隧洞工程建設(shè)，在圣加旺水電站隧洞工程最大硬度達(dá)到150 MPa 的巖體環(huán)境中施工。這臺(tái)TBM 集機(jī)械、電氣、液壓等技術(shù)于一體，適合在圍巖穩(wěn)定性好、中高強(qiáng)度巖層環(huán)境中掘進(jìn)，具有施工速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)。

十幾年前中國(guó)幾乎所有的高端地下裝備全部依賴(lài)進(jìn)口，如今中國(guó)的掘進(jìn)機(jī)在全球占據(jù)了2/3 的市場(chǎng)份額，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到90% 以上。中國(guó)的掘進(jìn)機(jī)在國(guó)外市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。在這背后彰顯的是，10 多年來(lái)中國(guó)地下裝備制造技術(shù)和質(zhì)量發(fā)生的翻天覆地的變化，中國(guó)制造“走出去”更有底氣了。

逢山鑿洞，從鋼釬大錘的手工勞作，到風(fēng)槍電瓶車(chē)等小型機(jī)械運(yùn)用，再到鑿巖臺(tái)車(chē)盾構(gòu)機(jī)……中國(guó)的隧道技術(shù)日新月異，征服各種世界級(jí)的復(fù)雜地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)了隧通天下！中國(guó)隧道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程很艱辛，鐵建重工研發(fā)團(tuán)隊(duì)在艱辛中磨練意志，錘煉修養(yǎng)。在未來(lái)，必將直掛云帆濟(jì)滄海。