文　杨华勇

“飞天有神舟，潜海有蛟龙，追风有高铁，入地有盾构”，我国在关键技术领域取得的多项重大突破令人振奋。盾构机是一种全断面隧道掘进机。“盾构”之“盾”，是指在一段钢筒的保护下，完成隧道掘进与排渣，而“构”则是指在掘进、排渣的同时，用预制混凝土管片，构建起隧道的坚实壁面。因此，盾构机被称为“世界工程机械之王”，广泛应用于地铁和高铁、公路、市政、水电等隧道工程建设。

盾构机是一个国家综合制造能力的体现，是名副其实的大国重器。然而，由于不掌握核心技术，在很长一段时间内，我国的盾构机只能依赖进口，一旦设备出现故障就只能停工，花高价请国外工程师来维修，每天都要承受近百万元的损失。2006年，国务院正式将盾构机的研制列入16项重大技术装备之一。2008年，我国第一台拥有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机正式下线。2017年，中国盾构机的产销量攀升至全球第一。在国际上越来越多的工程项目、施工现场，都可以看到中国盾构机作业的雄姿。从无到有，从模仿学习到与外国知名品牌同台竞技，短短10多年，中国盾构机完成了看似不可能的跨越。

盾构为什么是大国重器

盾构是一个非常复杂的机电液装备，是把一个移动的工厂搬到地下去，它在一个钢筒里，同时完成掘进、排渣和衬砌，把分散的流程集成在一起同时完成。目前为止，盾构直径最大达到17米，这样一台装备最贵的要超过5亿元人民币。

我国目前是全球使用盾构装备最多的国家，因为我国处在工业化的后期，同时处在城市化的中期，所以有大量隧道的建造需求，各种隧道施工都离不开盾构。预计在未来的15年内，中国的高铁密度还会增加1倍，总长度从现在的3.5万公里增加到7万公里；高速公路也会延伸，网络的密度还会增加，因为县县都希望通高速。还有南水北调、西气东输、市政管线、国防工程、水利工程等隧道的施工，都离不开盾构装备。目前我国在用的盾构超过3000台，因为杭州在迎接亚运会，整个杭州就有300台盾构在施工，从这个意义上来说，盾构装备的市场需求非常旺盛。

中国也能自主设计制造盾构

十几年前，中国还不能自主设计盾构，当时我们是完全依赖国外的装备，从欧洲、美国、日本引进各种品牌的盾构。国外的盾构在中国各个城市做地铁施工的时候，也发生各种各样的事故，地面塌陷、房屋倾斜也很多。当年我们解决不了装备的故障或者事故，都要依赖国外的专家。我就亲身经历过一次，2001年在广州，德国一个海瑞克盾构在运行掘进过程中遇到故障，只能停工，整个工程都在等待一个德国来的专家。我当时也好奇，想看看德国的专家水平有多高。我们等了很久，等我看到德国专家的时候，很诧异，因为我见到的是一个26岁的来自哥伦比亚的工程师，而这个工程师只是在台北工作过两年以后，被德国海瑞克公司聘任为现场工程师，到了大陆就变成了专家。从他离开家门开始计算，每天要付3000美金的服务费，而他在整个维修过程当中，不允许当地的工程师介入。

随着铁路、公路、地铁、水利、海底隧道等大量基础设施的建设，我国对盾构机的需求占到了全球60%以上。我国幅员辽阔，地质条件又极其复杂，盾构机使用遇到的问题是世界上最多最难的，诸多不同地质条件下的施工技术难题亟须突破，而核心技术的缺失、高昂的成本，让我国在相当长的时期内，在盾构机的使用上，处处受制于人，自主研发和生产盾构机成为摆在我们面前别无选择的唯一出路。

2007年我们研制了中国首台套复合式土压平衡盾构，它是从头到尾都由我国自主设计制造的。当时研制完成后，在河南新乡的车间里面放了一年，因为我们找不到工地来验证国产的首台套设备。

谁都不愿意第一个吃螃蟹，每一条地铁线都很关键，我们早期做科研的时候，科研体系都支持，但是在施工体系，建委、地铁公司、施工队谁也不愿意第一个来试用。因为现在每一个打隧道的班组，他们的业绩和收入完全以每天掘进的量来判断，所以任何人都不敢去作决策。

后来有一个机会，我们这台盾构跟德国盾构一起在天津一个老城区掘进。这一条线上的地面结构是老城区，有很多古建筑，其中包括张学良故居和有名的瓷房子，还有一个博物馆。尤其是瓷房子，它造价很高，保费也非常高。盾构掘进隧道要从瓷房子下面穿过，如果地表下沉量控制不好，这样一座建筑就会产生裂痕，赔偿金会很多，所以当时大家非常紧张。结果几个月施工下来，我们的设备安全穿过这些文物古建筑，地表的下沉量完全优于国外同等的盾构，这台盾构一战成名。后来，制造这台盾构的中铁工程装备集团有限公司一下就拿到了8台的订单，我们国产化的盾构批量生产就开始起步。

最近10年，中国掀起城市化高潮，地铁盾构需求很大。目前国内有多个城市在建地铁，有地质很复杂的，像广州、深圳、成都、青岛、重庆等。现在各大工程，只要有隧道工程，都是我国自主设计制造的盾构完成的。现在高铁在延伸，高铁增加密度，有很多长的隧道，都用我国自己的设备。不到10年时间，中国成长为盾构设计制造的世界强国。从进口盾构到开始批量出口盾构，我们自主设计制造的盾构到了五大洲24个国家，不仅到了发展中国家，去了“一带一路”沿线国家和东南亚国家，而且也进入欧洲国家，实现了盾构装备的“逆袭”。

中国盾构的新技术与未来

目前，中国盾构机的设计制造和施工技术已经达到国际水平，甚至在有的领域实现了超越。中国盾构机走出国门，并不是单一的出口大型装备，而是将“大型装备、施工技术、精细管理、中国标准、中国品牌”集中打包“走出去”，这是中国装备制造的一个历史性跨越。

下一步我们将研究新的技术来实现领跑，朝信息化、无人化和智能化方向发展。我们用最先进的虚拟现实技术——VR和AR技术，不管是设计人员，还是生产工程师、装配人员，包括售后服务、维修保养和操作盾构的司机都可以用最先进的虚拟样机，就是从VR虚拟的整个盾构施工和硬岩掘进的全过程来看在不同地质条件下，如果遇到故障，遇到意想不到的情况，应该如何来处理。我们也在运用华为的5G技术来做盾构的整个监控系统，让涉及设计、制造、生产、运维到整个产业链配套的各个环节都共享数据。

在运维过程，现在需要智能化的数据系统来支撑，所以我们正在打造这样的系统。因为大量的盾构开始出口，尤其在疫情波及全世界的情况下，很多服务的工程师派不到位，这就需要现场的数据及时反馈到总部，我们正在加速打造这样的智能感知采集和决策系统。我们也应用AI人工智能技术来管理大量的数据，及时地反馈和支撑前端的司机来做决策。

我们不仅要实现样机的研发，而且也在慢慢补齐自己的产业链。我们想把盾构大直径的轴承设计制造放在中国；大排量的液压柱塞泵以及减速器、控制器，这些关键的零部件也要留在中国，这个产业链在中国更安全，争取把盾构产业打造成中国制造一张新的金名片。

（本文转载自《学习时报》，责编：杨思玄）

专家简介

杨华勇，著名流体传动与控制领域专家，中国工程院院士，中国机械工程学会流体传动及控制分会名誉主任，现任浙江大学机械工程学院院长、高端装备研究院院长。在国家自然科学基金、“863计划”和“973计划”支持下，杨华勇组建了稳定的产学研团队，突破了盾构压力稳定性控制、载荷顺应性设计和姿态预测性纠偏等关键技术，攻克了掘进机掘进过程失稳、失效、失准三大国际难题，研发出土压、泥水和复合三大类盾构样机，走完了研究—设计—制造—工程—产业化的全部过程，实现了盾构机“中国设计—中国制造—中国品牌”的跨越式发展，使我国进入盾构技术先进国家行列。