盾构：地下空间的“开路先锋”

  地铁四通八达，隧道穿江越洋，在我们的脚下，地下空间这张网正在悄悄地不断生长。这样的一个过程中，一种叫做盾构的“大力士”立下汗马功劳，它能24小时不间断“埋头”掘进，一次性同时完成切削、排碴、衬砌等隧道掘进作业，将高风险、高强度、低效率的人工开挖，转变为安全、高效、连续的工厂化作业，是加快地铁、高铁、高速公路等隧道工程建设唯一有效的现代化大型复杂机电装备。

  当前我国已是盾构需求最大的国家，占全球市场的60%。但十年前，隧道掘进装备基本是“洋盾构”的天下，中国的企业只是担当了“施工队”与“加工装配队”的角色。德国、美国、日本等少数跨国公司掌握着盾构的核心技术，在我国市场赚取了高额利润，同时我国重大工程的建设也长期受制于人。

  本世纪以来，在国家“863”和“973”计划的支持下，浙江大学与上海隧道工程股份有限公司、中国中铁隧道集团有限公司、中国中铁隧道装备制造有限公司和杭州锅炉集团股份有限公司等有突出贡献的公司进行了长期稳定的产学研合作，经过持续12年的盾构关键技术攻关，终于改变了这一局面，实现了“盾构中国设计制造”的跨越发展。

  浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杨华勇教授说，高校主要做基础理论研究和关键技术的支撑。这样一个大盾构，在设计中考虑的工具和方法，浙大主要在电液控制管理系统做得多一点。大学和企业，谁也离不开谁，大学成果的出口是通过企业，企业需要新方案，新工具，我们长期稳定地合作，不分彼此已经十几年了。

  杨华勇教授领衔的科研团队主要是做电液驱动和控制管理系统的研发，这是盾构的“心脏”，国外技术封锁最严重的部分，也是盾构隧道工程项目施工中，出现失稳、失准和失效三大国际难题的根本所在。经过基础研究和关键技术攻关，项目组发明了密封舱压力动态平衡控制技术，能实时监控盾构密封舱的压力，进行多系统协调控制，始终让盾构在一个安全的状态下工作，有很大成效避免了盾构掘进过程中地表的塌陷或隆起，隧道施工的正常掘进得到了基本保障。同时，还实现了盾构速度的快速掘进和姿态的实时精准控制。

  在中铁装备公司，一个个电液控制管理系统的单元组件正在组装和反复调试，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室魏建华教授说，控制管理系统经过几代的升级研究，性能已十分好。中铁集团在上海的工地用了，速度和姿态很好，后来在天津的盾构中，总系统都是国产的，目前推进系统完全实现了国产，10年时间，达到大规模推广，前面的研发用了六七年，真正推广用了三年多。

  这些研究成果已用在全国超过四家盾构整机龙头生产企业，实现了盾构装备自主设计和产业化批量生产与应用，形成了上海、郑州、重庆、西安等多个盾构产业化基地，打破了“洋盾构”一统天下的局面。

  中铁隧道集团公司设计制造的“中国中铁一号”是我国第一台自主设计与制造的复合式盾构样机，在天津地铁3号线营口道和平站标段施工中，它穿越了瓷房子、渤海大楼等对地表变形很敏感的标志性建筑，地表局部变形小于2毫米，地面建筑完好无损，圆满完成了该标段的掘进任务。

  在国家泥水盾构工程技术研究中心，综合模拟试验台正在进行密封舱荷载测试。浙大作为技术股东单位参与了研究中心的建设，高校实验室产生的新方法、新成果可以先在这个地方进行工程中间试验。 2009年，上海隧道工程公司和浙大等单位联合研制的“进越号”泥水盾构样机直径达到11.22米，它按时圆满完成了上海世博会重大配套工程打浦路隧道复线的掘进任务。这台盾构创造了同等直径泥水盾构最小的转弯半径380米的世界纪录。杨华勇说：“在十一五成果11.22米直径的泥水盾构中，我们做了从设计的具体方案选型到具体的部件研制，早期还有控制方案的讨论。具体产品的设计，就到企业里来了。”

  1月6日，在中铁隧道装备公司的车间里，两台为马来西亚吉隆坡的地铁设计制造的盾构已完成最后测试，正在拆装打包，准备发运。我国自主设计制造的盾构产品已经小批量出口新加坡、印度、马来西亚、泰国和香港等国家与地区。

  在河南郑州的盾构及掘进技术国家重点实验室，中铁隧道和浙大共建了电液控制平台，用来验证新技术的控制可靠性和调整方向的灵活度。“制造盾构，一开始我们最害怕的就是做出来的东西 貌似神不似。在大学的帮助下，看不见摸不着的那部分被攻克的时候，我们终于有信心做接下来的事了。”中铁隧道集团有限公司总工程师洪开荣说。

  中国中铁隧道装备制造有限公司总经理韩亚丽说，以前我们从一个施工公司，转型为制造企业。08年第一台复合盾构下线以后，三年多的时间，我们达到了108台的订单，占了40%国内市场。在马来西亚政府采购中，我们和国外知名的企业PK，业主一开始看不上我们的产品，我很紧张，没有底，当他在现场看我们陈述的设计和原理，这些都是大学给我们提提供的，让他们建立了充分的信心。

  “我们企业是负责产，学研部分要负责基础理论的研究，基础的设计方法的研究。”上海隧道工程股份有限公司盾构制造分公司总经理张闵庆说，“这一些方法和设计对我们具体的单元部件集成和元器件的研制部分起到了很好的作用，支撑了产的部分完成，最终完成产品的全部系统，整机达到施工要求。”

  由于明显的技术和价格上的优势，我国自主研制的盾构迅速占领市场，完成了京、沪、穗、港、新加坡、印度等26 个国内外城市300 多个地铁、公路、铁路等隧道工程。2011年，我国新增“服役”的盾构中有六成以上为本土设计制造。这些成果的取得与应用，使我国进入了盾构装备设计制造先进国家行列。

  未来十年，我国将新建隧道超过1万公里，需要新增盾构超过1千台，带动相关投资超过1万亿。大学和企业的产学研合作还在继续“掘进”，目前，产学研团队正在向硬岩和超大直径掘进机进发，新的机型将比我国现有盾构的产品更大、更长、具有更强的破岩能力，将更多适用于西部多岩地区的隧道掘进。

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