[科普中國(guó)]-短短十年，國(guó)產(chǎn)“鋼鐵穿山甲”何以躋身世界之強(qiáng)？

經(jīng)過(guò)多年的探索和研發(fā)，中國(guó)盾構(gòu)走在了世界前列，不僅滿足了國(guó)內(nèi)需求，同時(shí)也開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)。從依賴進(jìn)口到走出國(guó)門(mén)，中國(guó)盾構(gòu)如何讓“鋼鐵穿山甲”通達(dá)四方？中國(guó)鐵建重工集團(tuán)掘進(jìn)機(jī)事業(yè)部土壓盾構(gòu)研究所副所長(zhǎng)，工藝技術(shù)部部長(zhǎng)孫雪豐為大家?guī)?lái)演講《從零起步，躋身世界之強(qiáng)的“鋼鐵穿山甲”》。 孫雪豐演講視頻：

以下為孫雪豐演講實(shí)錄：

我是孫雪豐，是中國(guó)鐵建重工集團(tuán)掘進(jìn)機(jī)事業(yè)部的一名工程師，我主要做的是盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

大家不一定見(jiàn)過(guò)盾構(gòu)機(jī)，但是它們跟我們的生活息息相關(guān)：我們的公路、鐵路和地鐵隧道，很多都是用盾構(gòu)機(jī)來(lái)開(kāi)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(jīng)之處就會(huì)形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的隧道。

給大家看一張照片，這是我們?cè)诔５掠玫降亩軜?gòu)機(jī)，是不是很漂亮？我們中學(xué)有一篇課文叫《桃花源記》，照片中這個(gè)盾構(gòu)機(jī)叫最美“桃花”。這個(gè)照片可能顛覆了大家的一個(gè)印象——地下工程機(jī)械都是傻大黑粗的。實(shí)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(jìn)幾十米。

在沒(méi)有盾構(gòu)機(jī)以前，我們開(kāi)挖隧道和地洞都是靠人工 。上面是我們小時(shí)候熟悉的電影《地道戰(zhàn)》的片段。在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，我們八路軍聯(lián)合當(dāng)?shù)乩习傩?，在華北地區(qū)藏兵千百萬(wàn)。他們當(dāng)時(shí)開(kāi)挖隧道，就是一鍬土、一鋤頭地把土開(kāi)挖下來(lái)，然后再用土兜把它給運(yùn)出去。

再到我們北京修建地鐵一號(hào)線的時(shí)候，采用是礦山法施工 ——也就是大家所理解的爆破 。大家看一下這個(gè)工作面，它的環(huán)境是不是很差，是不是很危險(xiǎn)？而且工作效率也很低，一天只能開(kāi)挖幾米。

那么盾構(gòu)機(jī)是怎么產(chǎn)生的？19世紀(jì)初，英國(guó)要從倫敦的泰晤士河底下修建一條隧道。但是這個(gè)隧道如果直接開(kāi)挖的話，很容易塌方；人在底下施工的話，就會(huì)被淹沒(méi)。當(dāng)時(shí)修建隧道的重任落在法國(guó)工程師布魯諾爾（Marc Isambard Brunel）的身上，他左思右想都沒(méi)有結(jié)果；直到有一天，他在輪船上看到船蛆在輪船甲板上鉆洞，從中得到靈感，設(shè)計(jì)了世界上第一代盾構(gòu)機(jī)。

后人在第一代盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上不停地進(jìn)行升級(jí)，由人工開(kāi)挖逐漸到機(jī)械開(kāi)挖，到現(xiàn)在，盾構(gòu)機(jī)都是一個(gè)全斷面的刀盤(pán)。 現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)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臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，直徑有17.5米，相當(dāng)于七層樓這么高。

我們?cè)倏匆幌隆颁撹F穿山甲”是怎么工作的。前面的圓盤(pán)叫刀盤(pán)，相當(dāng)于穿山甲的嘴，就是靠它來(lái)把前面的土壤和巖石開(kāi)挖下來(lái)。然后這個(gè)刀盤(pán)的后面，有螺旋輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)，它們是穿山甲的腸胃，把渣土運(yùn)輸出去。螺旋輸送機(jī)的四周有藍(lán)色的推進(jìn)油缸，它是穿山甲的腿，這些腿頂在管片上面，把我們整個(gè)機(jī)器推著前進(jìn)。

我們?cè)倏匆粋€(gè)短片，看它具體是怎么工作的。

十幾年前，中國(guó)不能夠自主研發(fā)制造盾構(gòu)機(jī)。從2000年開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始新一輪的地鐵、鐵路和公路的大規(guī)模建設(shè)，這時(shí)候我們需要大量的盾構(gòu)設(shè)備。

當(dāng)時(shí)就需要大量從國(guó)外進(jìn)口。 中國(guó)如果沒(méi)有自己的盾構(gòu)機(jī)，那么工程建設(shè)的進(jìn)度就得不到保障，技術(shù)也受制于人 。

首先，國(guó)外的設(shè)備，非常昂貴。左邊的第一張圖的盾構(gòu)機(jī)用于秦嶺隧道建設(shè)，是當(dāng)時(shí)中國(guó)最貴的一臺(tái)設(shè)備，花費(fèi)了3.5億人民幣的外匯。

第二，國(guó)外的設(shè)備，研發(fā)設(shè)計(jì)人員多在海外，對(duì)中國(guó)的工程地質(zhì)不是很了解，不能夠根據(jù)我們的工程地質(zhì)進(jìn)行一些針對(duì)性的設(shè)計(jì)。比如右上第二張圖，是用于廣州地鐵建設(shè)的一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。廣州有一種特殊的土層叫“紅層”，特別黏。所以盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)非常容易堵住，就沒(méi)法前進(jìn)。

第三，國(guó)外的設(shè)備，生產(chǎn)周期特別長(zhǎng)。他們要簽訂合同以后，才開(kāi)始準(zhǔn)備原材料——所以說(shuō)一臺(tái)地鐵盾構(gòu)機(jī)，它的生產(chǎn)周期從簽訂合同到交付，總共需要12個(gè)月。而我們現(xiàn)在需要多久呢？只需要5到6個(gè)月。

第四，進(jìn)口的設(shè)備，售后很差。我們?cè)O(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中遇到問(wèn)題，得聘請(qǐng)國(guó)外的工程師過(guò)來(lái)解決。但是售后周期很長(zhǎng)，費(fèi)用也很高——工程師從國(guó)外出發(fā)，就要開(kāi)始計(jì)算費(fèi)用，每天要1200歐元。如果需要國(guó)外的工程師長(zhǎng)期駐守在工地，就要給他提供高檔的酒店餐飲。用在秦嶺隧道的這臺(tái)設(shè)備，我們當(dāng)時(shí)想請(qǐng)國(guó)外工程師到我們項(xiàng)目上，那行，你先得幫他建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池，這是他們生活的必需品。

所以說(shuō)， 中國(guó)如果要大規(guī)模地開(kāi)展地鐵建設(shè)，要實(shí)現(xiàn)中國(guó)速度，我們必須要研發(fā)制造自己的盾構(gòu)機(jī) 。

我非常幸運(yùn)，畢業(yè)以后就來(lái)到了我所工作的中國(guó)鐵建重工集團(tuán)。那時(shí)候，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)才剛剛起步。

這個(gè)是我們研制的第一臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，用在長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線建設(shè)。當(dāng)時(shí)我進(jìn)我們單位的時(shí)候，廠房還沒(méi)有建好，我們就一邊搞建設(shè)，一邊搞研發(fā)，待在一個(gè)鐵皮房子里面，冬天很冷，夏天很熱。

很幸運(yùn)，我們沒(méi)有購(gòu)買國(guó)外的圖紙，憑借自己摸索畫(huà)圖，畫(huà)了十多萬(wàn)張圖紙，制造出了我們第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。

但是制造出第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，才是剛剛起步。大家都知道，我們中國(guó)地大物博，工程地質(zhì)復(fù)雜多樣。單一類型的盾構(gòu)機(jī)不能適應(yīng)所有工程地質(zhì)掘進(jìn)。

城市大部分都是軟土軟巖地層，適合用盾構(gòu)機(jī)（圖中）掘進(jìn)。但是在一些特殊的地方，比如說(shuō)重慶，地底下是堅(jiān)硬的巖層；如果用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，刀具就很容易磕壞。所以我們給它設(shè)計(jì)了一臺(tái)硬巖適用的掘進(jìn)機(jī)，業(yè)內(nèi)叫做TBM（圖左）。再比如右邊，這個(gè)設(shè)備我們叫“頂管機(jī)”——它的設(shè)備比較短，可以看作是一臺(tái)迷你版的盾構(gòu)機(jī)，它適合在短距離隧道（比如城市里的過(guò)街通道）的地層掘進(jìn)。

針對(duì)三種不同的地質(zhì)，我設(shè)計(jì)了三臺(tái)不同的盾構(gòu)機(jī)。但是如果兩種地層碰到一起了怎么辦？

比如在廣州到佛山的一段城際鐵路建設(shè)中，有一條六公里的隧道——前面的400多米是軟土，中間的4公里是硬巖，再出來(lái)又變到軟土。怎么辦？ 我們聰明的工程師把盾構(gòu)機(jī)和TBM的功能結(jié)合在一起，就像給穿山甲設(shè)計(jì)了兩套牙齒、兩套腸胃。它根據(jù)地形的變化，可以自由地切換 。

經(jīng)過(guò)這些年的探索與實(shí)踐，我們完成了從適應(yīng)單一地層到適應(yīng)復(fù)合地層的突破。

近段時(shí)間，我又做了一些新的嘗試。這個(gè)是我們給上海設(shè)計(jì)的一批盾構(gòu)機(jī)，這些盾構(gòu)機(jī)具備一定的“思考”能力。我為什么做這件事呢？大家可能沒(méi)有進(jìn)過(guò)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，里面的工作環(huán)境很苦悶。

怎么讓我們的作業(yè)人員能夠解放出來(lái)呢？是不是可以少人化，甚至無(wú)人化？普通的盾構(gòu)機(jī)都是人下達(dá)指令，然后盾構(gòu)機(jī)來(lái)掘進(jìn)；而我們這批盾構(gòu)機(jī)， 它前面有傳感器，所以能夠根據(jù)前面地層的變化自主調(diào)整設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了從人工操作到人工監(jiān)管的突破 。

隨著國(guó)產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，我們現(xiàn)在的盾構(gòu)技術(shù)不僅僅能夠滿足國(guó)內(nèi)需求，還漸漸走出了國(guó)門(mén)。

比如2017年，我們中國(guó)在莫斯科拿到了第一個(gè)地鐵項(xiàng)目，需要五臺(tái)盾構(gòu)機(jī)。大家知道，我們北京在建設(shè)地鐵一號(hào)線的時(shí)候，有一批蘇聯(lián)的老專家過(guò)來(lái)援助我們；現(xiàn)在我們回到莫斯科，相當(dāng)于學(xué)生到師傅家給老師講課，壓力很大。

當(dāng)時(shí)，這樣的重任落在我和我的團(tuán)隊(duì)的身上。接到任務(wù)之后，我第一時(shí)間就飛莫斯科去當(dāng)?shù)卣{(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，難度比我預(yù)想的還要大。

為什么？

第一，莫斯科的溫度很低，一年的冰凍期有六個(gè)月，所以盾構(gòu)機(jī)要適應(yīng)零下30度的低溫。

第二，莫斯科具有很復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑特別小，掘進(jìn)的時(shí)候坡度很大，然后還有40米以上的富水深埋地層；再一個(gè)，它要穿越既有的一些車站——在國(guó)內(nèi)遇到這樣一個(gè)難題，就需要請(qǐng)專家過(guò)來(lái)援助，在莫斯科我們一下碰到了四五個(gè)。

第三，他們的施工習(xí)慣也不一樣。莫斯科有80年的地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，如何讓我們的盾構(gòu)機(jī)滿足他們的習(xí)慣，就需要我們進(jìn)行深入考量。

第四，標(biāo)準(zhǔn)體系也不同。我們采用的是國(guó)標(biāo)（GB），而他們有自己的標(biāo)準(zhǔn)。如何讓我們的設(shè)備符合當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)，是中國(guó)設(shè)備走出去的必經(jīng)之路。

為這五臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，我們特地開(kāi)展了一些針對(duì)性的設(shè)計(jì)：我們研發(fā)了能夠耐零下30度低溫的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，給設(shè)備做了很多加熱的裝置——普通設(shè)備大部分都做冷卻，而這個(gè)設(shè)備我們給它做了加熱裝置，這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)該還是第一次。

這個(gè)設(shè)備研發(fā)出來(lái)以后，深受當(dāng)?shù)厝讼矚g。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(gè)女兒的名字來(lái)命名。這個(gè)設(shè)備到了當(dāng)?shù)刂?，也覺(jué)得非常好。現(xiàn)在五臺(tái)設(shè)備，有三臺(tái)已經(jīng)貫通了，并且創(chuàng)造了俄羅斯每天最高掘進(jìn)35米的記錄。

回想十多年前,我們的設(shè)備完全依賴進(jìn)口，到今天,我們中國(guó)的設(shè)備已經(jīng)占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)90%的份額，并且占據(jù)全球三分之二以上的市場(chǎng)?？梢苑浅Ｗ院赖卣f(shuō)， 中國(guó)已經(jīng)成為全球高端地下工程裝備的第一軍團(tuán) 。

但是創(chuàng)新的步伐永不止步，我們會(huì)一直并且將來(lái)要繼續(xù)引領(lǐng)技術(shù)前進(jìn)的步伐。

比如說(shuō) 我們已經(jīng)成功研發(fā)出來(lái)的常壓換刀技術(shù) 。這東西為什么這么重要呢？因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)在掘進(jìn)的時(shí)候，是靠牙齒來(lái)咬前面前方的巖土；時(shí)間長(zhǎng)了之后，牙齒容易崩掉。我們普通的盾構(gòu)機(jī)，工人都是在進(jìn)到前方的土體里面進(jìn)行換刀，水壓很高，非常危險(xiǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)了這種常壓換刀的技術(shù)之后，人可以進(jìn)到刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)里面去，由高壓變成常壓——這樣我們的作業(yè)人員就可以很安全。

又比如說(shuō) 我們正在研發(fā)的隧道智能拼裝機(jī)器人技術(shù) ——這個(gè)就是讓機(jī)器來(lái)代替人去進(jìn)行管片的拼裝和TBM的鋼拱架安裝。在我們TBM掘進(jìn)過(guò)程中，后方的巖體非常容易坍落，人拼裝鋼拱架就非常危險(xiǎn)。我們用機(jī)器來(lái)代替人，就可以減輕他們的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而讓我們的隧道施工更加安全、更加高效。

21世紀(jì)是地下空間開(kāi)發(fā)的世紀(jì)，我們盾構(gòu)機(jī)研發(fā)會(huì)更加蓬勃——比如說(shuō)我們?cè)谶M(jìn)行的超大豎井掘進(jìn)機(jī)，還有面向川藏鐵路設(shè)計(jì)的超級(jí)掘進(jìn)機(jī)。

向未知的地層掘進(jìn)，充滿挑戰(zhàn)，但是我樂(lè)在其中。謝謝。

(演講嘉賓孫雪豐：《中國(guó)盾構(gòu)：從零起步，躋身世界之強(qiáng)的“鋼鐵穿山甲”》)

作者：孫雪豐

編輯：Yuki、凝音