短短十年，國產「鋼鐵穿山甲」何以躋身世界之強？

　　來源：我是科學家iScientist

　　經過多年的探索和研發，中國盾構走在了世界前列，不僅滿足了國內需求，同時也開始大規模開拓國際市場。從依賴進口到走出國門，中國盾構如何讓「鋼鐵穿山甲」通達四方？中國鐵建重工集團掘進機事業部土壓盾構研究所副所長，工藝技術部部長孫雪豐為大家帶來演講《從零起步，躋身世界之強的「鋼鐵穿山甲」》。

　　以下為孫雪豐演講實錄：

　　我是孫雪豐，是中國鐵建重工集團掘進機事業部的一名工程師，我主要做的是盾構機的研發設計工作。

　　大家不一定見過盾構機，但是它們跟我們的生活息息相關：我們的公路、鐵路和地鐵隧道，很多都是用盾構機來開挖的。它們形狀不一，大小、功能也各不相同；它們像鋼鐵穿山甲一樣，所經之處就會形成一條長長的隧道。

　　給大家看一張照片，這是我們在常德用到的盾構機，是不是很漂亮？我們中學有一篇課文叫《桃花源記》，照片中這個盾構機叫最美「桃花」。這個照片可能顛覆了大家的一個印象——地下工程機械都是傻大黑粗的。實際上，我們也可以把它做得很漂亮。它不僅顏值高，而且也很厲害，一天能夠掘進幾十米。

　　在沒有盾構機以前，我們開挖隧道和地洞都是靠人工。上面是我們小時候熟悉的電影《地道戰》的片段。在抗日戰爭時期，我們八路軍聯合當地老百姓，在華北地區藏兵千百萬。他們當時開挖隧道，就是一鍬土、一鋤頭地把土開挖下來，然後再用土兜把它給運出去。

　　再到我們北京修建地鐵一號線的時候，採用是礦山法施工——也就是大家所理解的爆破。大家看一下這個工作面，它的環境是不是很差，是不是很危險？而且工作效率也很低，一天只能開挖幾米。

　　那麼盾構機是怎麼產生的？19世紀初，英國要從倫敦的泰晤士河底下修建一條隧道。但是這個隧道如果直接開挖的話，很容易塌方；人在底下施工的話，就會被淹沒。當時修建隧道的重任落在法國工程師布魯諾爾（Marc Isambard Brunel）的身上，他左思右想都沒有結果；直到有一天，他在輪船上看到船蛆在輪船甲板上鑽洞，從中得到靈感，設計了世界上第一代盾構機。

　　後人在第一代盾構機的基礎上不停地進行升級，由人工開挖逐漸到機械開挖，到現在，盾構機都是一個全斷面的刀盤。現在的盾構機也從最初的鐵匣子，變成了巨大的「鋼鐵穿山甲」。

這是目前世界上最大的一台盾構機，直徑有17.5米，相當於七層樓這麼高。

　　我們再看一下「鋼鐵穿山甲」是怎麼工作的。前面的圓盤叫刀盤，相當於穿山甲的嘴，就是靠它來把前面的土壤和岩石開挖下來。然後這個刀盤的後面，有螺旋輸送機和皮帶輸送機，它們是穿山甲的腸胃，把渣土運輸出去。螺旋輸送機的四周有藍色的推進油缸，它是穿山甲的腿，這些腿頂在管片上面，把我們整個機器推著前進。

　　我們再看一個短片，看它具體是怎麼工作的。

　　十幾年前，中國不能夠自主研發製造盾構機。從2000年開始，中國開始新一輪的地鐵、鐵路和公路的大規模建設，這時候我們需要大量的盾構設備。

　　當時就需要大量從國外進口。中國如果沒有自己的盾構機，那麼工程建設的進度就得不到保障，技術也受制於人。

　　首先，國外的設備，非常昂貴。左邊的第一張圖的盾構機用於秦嶺隧道建設，是當時中國最貴的一台設備，花費了3.5億人民幣的外匯。

　　第二，國外的設備，研發設計人員多在海外，對中國的工程地質不是很了解，不能夠根據我們的工程地質進行一些針對性的設計。比如右上第二張圖，是用於廣州地鐵建設的一台盾構機。廣州有一種特殊的土層叫「紅層」，特別黏。所以盾構機的刀盤非常容易堵住，就沒法前進。

　　第三，國外的設備，生產周期特別長。他們要簽訂合同以後，才開始準備原材料——所以說一台地鐵盾構機，它的生產周期從簽訂合同到交付，總共需要12個月。而我們現在需要多久呢？只需要5到6個月。

　　第四，進口的設備，售後很差。我們設備在掘進過程中遇到問題，得聘請國外的工程師過來解決。但是售後周期很長，費用也很高——工程師從國外出發，就要開始計算費用，每天要1200歐元。如果需要國外的工程師長期駐守在工地，就要給他提供高檔的酒店餐飲。用在秦嶺隧道的這台設備，我們當時想請國外工程師到我們項目上，那行，你先得幫他建一個標準游泳池，這是他們生活的必需品。

　　所以說，中國如果要大規模地開展地鐵建設，要實現中國速度，我們必須要研發製造自己的盾構機。

　　我非常幸運，畢業以後就來到了我所工作的中國鐵建重工集團。那時候，國產盾構機的研發才剛剛起步。

　　這個是我們研製的第一台複合式土壓平衡盾構機，用在長沙地鐵2號線建設。當時我進我們單位的時候，廠房還沒有建好，我們就一邊搞建設，一邊搞研發，待在一個鐵皮房子裡面，冬天很冷，夏天很熱。

　　很幸運，我們沒有購買國外的圖紙，憑藉自己摸索畫圖，畫了十多萬張圖紙，製造出了我們第一台盾構機。

　　但是製造出第一台盾構機，才是剛剛起步。大家都知道，我們中國地大物博，工程地質複雜多樣。單一類型的盾構機不能適應所有工程地質掘進。

　　城市大部分都是軟土軟岩地層，適合用盾構機（圖中）掘進。但是在一些特殊的地方，比如說重慶，地底下是堅硬的岩層；如果用盾構機掘進，刀具就很容易磕壞。所以我們給它設計了一台硬岩適用的掘進機，業內叫做TBM（圖左）。再比如右邊，這個設備我們叫「頂管機」——它的設備比較短，可以看作是一台迷你版的盾構機，它適合在短距離隧道（比如城市裡的過街通道）的地層掘進。

　　針對三種不同的地質，我設計了三台不同的盾構機。但是如果兩種地層碰到一起了怎麼辦？

　　比如在廣州到佛山的一段城際鐵路建設中，有一條六公里的隧道——前面的400多米是軟土，中間的4公里是硬岩，再出來又變到軟土。怎麼辦？我們聰明的工程師把盾構機和TBM的功能結合在一起，就像給穿山甲設計了兩套牙齒、兩套腸胃。它根據地形的變化，可以自由地切換。

　　經過這些年的探索與實踐，我們完成了從適應單一地層到適應複合地層的突破。

　　近段時間，我又做了一些新的嘗試。這個是我們給上海設計的一批盾構機，這些盾構機具備一定的「思考」能力。我為什麼做這件事呢？大家可能沒有進過隧道，所以可能不了解——隧道底下溫度很高，有40多度，還很潮濕，裡面的工作環境很苦悶。

　　怎麼讓我們的作業人員能夠解放出來呢？是不是可以少人化，甚至無人化？普通的盾構機都是人下達指令，然後盾構機來掘進；而我們這批盾構機，它前面有感測器，所以能夠根據前面地層的變化自主調整設定參數，實現了從人工操作到人工監管的突破。

　　隨著國產技術的飛速發展，我們現在的盾構技術不僅僅能夠滿足國內需求，還漸漸走出了國門。

　　比如2017年，我們中國在莫斯科拿到了第一個地鐵項目，需要五台盾構機。大家知道，我們北京在建設地鐵一號線的時候，有一批蘇聯的老專家過來援助我們；現在我們回到莫斯科，相當於學生到師傅家給老師講課，壓力很大。

　　當時，這樣的重任落在我和我的團隊的身上。接到任務之後，我第一時間就飛莫斯科去當地調研，結果發現，難度比我預想的還要大。

　　為什麼？

　　第一，莫斯科的溫度很低，一年的冰凍期有六個月，所以盾構機要適應零下30度的低溫。

　　第二，莫斯科具有很複雜的工程地質條件。盾構機的轉彎半徑特別小，掘進的時候坡度很大，然後還有40米以上的富水深埋地層；再一個，它要穿越既有的一些車站——在國內遇到這樣一個難題，就需要請專家過來援助，在莫斯科我們一下碰到了四五個。

　　第三，他們的施工習慣也不一樣。莫斯科有80年的地鐵建設經驗，如何讓我們的盾構機滿足他們的習慣，就需要我們進行深入考量。

　　第四，標準體系也不同。我們採用的是國標（GB），而他們有自己的標準。如何讓我們的設備符合當地的法律法規，是中國設備走出去的必經之路。

　　為這五台盾構機，我們特地開展了一些針對性的設計：我們研發了能夠耐零下30度低溫的主驅動系統，給設備做了很多加熱的裝置——普通設備大部分都做冷卻，而這個設備我們給它做了加熱裝置，這樣的設計應該還是第一次。

　　這個設備研發出來以後，深受當地人喜歡。他們用俄羅斯家喻戶曉的一部電視劇叫《爸爸的女兒們》其中五個女兒的名字來命名。這個設備到了當地之後，也覺得非常好。現在五台設備，有三台已經貫通了，並且創造了俄羅斯每天最高掘進35米的記錄。

　　回想十多年前，我們的設備完全依賴進口，到今天，我們中國的設備已經佔據了國內市場90%的份額，並且佔據全球三分之二以上的市場。可以非常自豪地說，中國已經成為全球高端地下工程裝備的第一軍團。

　　但是創新的步伐永不止步，我們會一直並且將來要繼續引領技術前進的步伐。

　　比如說我們已經成功研發出來的常壓換刀技術。這東西為什麼這麼重要呢？因為盾構機在掘進的時候，是靠牙齒來咬前面前方的岩土；時間長了之後，牙齒容易崩掉。我們普通的盾構機，工人都是在進到前方的土體裡面進行換刀，水壓很高，非常危險。我們設計了這種常壓換刀的技術之後，人可以進到刀盤的結構裡面去，由高壓變成常壓——這樣我們的作業人員就可以很安全。

　　又比如說我們正在研發的隧道智能拼裝機器人技術——這個就是讓機器來代替人去進行管片的拼裝和TBM的鋼拱架安裝。在我們TBM掘進過程中，後方的岩體非常容易坍落，人拼裝鋼拱架就非常危險。我們用機器來代替人，就可以減輕他們的勞動強度，從而讓我們的隧道施工更加安全、更加高效。

　　21世紀是地下空間開發的世紀，我們盾構機研發會更加彭勃——比如說我們在進行的超大豎井掘進機，還有面向川藏鐵路設計的超級掘進機。

　　向未知的地層掘進，充滿挑戰，但是我樂在其中。謝謝。

演講嘉賓孫雪豐：《中國盾構：從零起步，躋身世界之強的「鋼鐵穿山甲」》

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