孫永福院士權(quán)威解讀：中國鐵路首次引進隧道掘進機詳情
2024年5月11日，我國自主研發(fā)的海底隧道盾構(gòu)機“深江一號”已順利掘進至海平面下。珠江口隧道為深江鐵路重點控制工程，珠江口隧道全長13.69公里，是深江鐵路重點控制工程。隧道工程水文、地質(zhì)極其復(fù)雜，下穿多條主航道，隧道最大埋深106米，海水水壓10.6巴（相當于指甲蓋大小的面積上承受10.6公斤的壓力），為目前我國最大埋深、最大水壓的水下隧道，也是世界最深海底高鐵隧道。
格魯吉亞當?shù)貢r間2024年4月23日15時36分，伴隨著清脆的巖石破碎聲，全球最大直徑盾構(gòu)機“高加索號”掘進完最后半米巖石，標志著全長9068米的格魯吉亞南北走廊KK公路古多里隧道貫通。“高加索號”是為工程量身定制的，直徑達15.08米，總重3900噸，最大推力2.26萬噸，總功率高達9900千瓦。
“這是世界上最大的TBM，它就像一個180多米長的‘鋼鐵穿山甲’，用堅硬的前爪和牙齒，生生在一座石頭山里，鉆出一條約9公里長、五層樓高的隧道。”掘進機生產(chǎn)廠家的副總工程師自豪地說。
從國內(nèi)到國外，國產(chǎn)隧道掘進機遍地開花，是又一張閃光的中國名片！
盾構(gòu)是一種隧道施工的專用工程機械，現(xiàn)代盾構(gòu)集機、電、液、氣、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送石砟、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，可實現(xiàn)隧道施工的工廠化作業(yè)。盾構(gòu)現(xiàn)已廣泛用于鐵路、地鐵、公路、市政、水電隧道工程，甚至于豎井、斜井工程也都有應(yīng)用。隧道掘進機（TBM）主要分為兩種類型：敞開式TBM，常用于硬巖；護盾式TBM，單護盾常用于軟巖，雙護盾既適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。 盾構(gòu)是目前世界最先進的全斷面隧道施工特種專用機械。在發(fā)達國家，使用盾構(gòu)法施工已占隧道施工總量的50%以上。盾構(gòu)機被稱為“世界工程機械之王”。
盾構(gòu)機最早起源于英國，用盾構(gòu)法修建隧道已有150多年的歷史。從2000年中國開始自主研發(fā)盾構(gòu)機，拉開了中國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)化的序幕；到2008年首臺國產(chǎn)復(fù)合式土壓盾構(gòu)機下線；再到2017年中國自主研制的盾構(gòu)機產(chǎn)銷量攀升至全球第一。從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到卓，中國盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)僅僅用了二十多年時間。中國盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)與施工技術(shù)成長的歷程，映射著中國由制造大國邁向制造強國的成長歷程，成為中國民族制造工業(yè)逆境崛起的一個縮影。
截至目前，我國盾構(gòu)機累計出口至新加坡、韓國、意大利、澳大利亞、巴西等32個國家和地區(qū)。產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的70%。其中，還包括傳統(tǒng)的掘進裝備生產(chǎn)強國德國、法國等。
中國引進大盾構(gòu)機，繼而消化、吸收再創(chuàng)新，再到全面自主創(chuàng)新；從跟跑、并跑到領(lǐng)跑，始于西康鐵路的秦嶺隧道。
作為中國鐵路隧道首次運用TBM施工的決策者、推動者，中國工程院院士、原鐵道部常務(wù)副部長（正部長級）孫永?；仡欉@段歷史感想良多！
孫永福院士回憶：進入20世紀90年代，在部署《“八五”鐵路發(fā)展規(guī)劃》時，我強調(diào)要集中力量加強“六大通道”建設(shè)，同時要求依托建設(shè)項目開展技術(shù)攻關(guān)提升鐵路技術(shù)水平。以隧道工程技術(shù)為例，20世紀50年代修建寶成鐵路時，隧道采用“礦山法”人工施工，“燈籠火把進洞，鋼釬耳錘開路”；60年代修建貴昆、成昆鐵路時，逐步走上半機械化，“鉆爆法”施工取得了百米成洞好成績；70年代修建湘黔、枝柳鐵路時，普遍提升了“鉆爆法”施工技術(shù)水平；80年代修建衡廣復(fù)線時，大瑤山隧道（全長14.3公里）成功應(yīng)用“新奧法”（即新奧地利隧洞施工法，new Austrian tunneling method，NATM），其機理是維護和提高圍巖自承能力，使圍巖與支護共同形成承載結(jié)構(gòu)。大瑤山隧道實現(xiàn)了開挖、襯砌、出砟機械化，使“鉆爆法”施工登上新臺階。
孫永福院士說，20世紀90年代，我們應(yīng)該有哪些新作為？那時，我國“鉆爆法”施工技術(shù)同國際先進水平差距正在縮小，但隧道掘進機在鐵路上仍是空白。中國鐵路工程總公司（現(xiàn)中國中鐵股份有限公司）和鐵道部第一勘察設(shè)計院（現(xiàn)中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，簡稱“中鐵一院”）等提出了應(yīng)用隧道掘進機施工的建議，開展了隧道掘進機施工方案研究。對此，我表示完全支持，組織科技人員出國考察（如考察英吉利海峽隧道、瑞士鐵路隧道等），深入調(diào)查研究隧道掘進機發(fā)展歷程和經(jīng)驗教訓(xùn)。
孫永福院士以親身經(jīng)歷講述了自己的感受：對隧道掘進機的認識，最初來自20世紀50年代的教科書，真正見到實物是在20世紀70年代。鐵道部第二工程局于1971年5月在湘黔鐵路貴州段老羅寨隧道導(dǎo)坑施工、1972年8月在枝柳鐵路湖南段團頭隧道導(dǎo)坑施工，采用廣州產(chǎn)LJ-25型隧道掘進機（直徑2.5米）分別開展了4個月工程試驗。我到現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試用情況并不理想，主要問題有：刀具磨損嚴重，定位十分困難（存在慣性右偏現(xiàn)象），技術(shù)人員缺乏。那時，水利系統(tǒng)開始應(yīng)用隧道掘進機建設(shè)水利工程，如武警水電部隊引進直徑10.8米敞開式掘進機施工的貴州天生橋水電站工程、鐵道兵（現(xiàn)中國鐵建股份有限公司）使用自行研制的隧道掘進機（直徑5.5米）建設(shè)天津引灤入津工程，加上其他部門研制的多種不同直徑的隧道掘進機，基本上還處于TBM研發(fā)探索階段。
孫永福院士說，真正展示了隧道掘進機顯著優(yōu)勢的實例，我們看到的是由意大利CMC公司承建的水利工程項目。我到意大利CMC公司和中國華水公司聯(lián)營體承建的甘肅引大入秦水利工程現(xiàn)場考察時，看到采用美國羅賓斯公司制造的180型雙護盾全斷面隧道掘進機施工，對隧道掘進機創(chuàng)造月掘進1300米的驚人成績深表贊賞。這在很大程度上增強了我對鐵路推進隧道掘進機技術(shù)的信心。
孫永福院士說，對于鐵路隧道采用掘進機施工，各方意見并不一致，存在著很大分歧。1993年2月，我到西安參加了中鐵一院召開的專家論證會。1993年9月，鐵道部又在北京召開了專家論證會。專家們暢所欲言，充分交流，熱烈討論。隧道掘進機除了掘進、出砟、導(dǎo)向、支護四項基本功能，還拓展了通風(fēng)排水、地質(zhì)監(jiān)測預(yù)報等功能。其突出優(yōu)點是快速（開挖速度是鉆爆法的3一5倍）、優(yōu)質(zhì)（洞壁光滑誤差?。?、安全（對圍巖擾動少）、環(huán)保（沒有爆炸污染）。缺點是對地質(zhì)比較敏感，不同地質(zhì)需要不同類型的掘進機。有的專家認為，隧道掘進機施工造價比“鉆爆法”高很多，很難投贊成票；有的專家認為，靠引進國外隧道掘進機，以后難以推廣應(yīng)用。我在會上做了總結(jié)發(fā)言。我認為，關(guān)于“鉆爆法”與TBM的造價比較，由于我們?nèi)狈嵺`資料，所以可能有不符合實際之處，在熟練掌握TBM技術(shù)后可以提高效率、降低造價。我們引進TBM后，一定要盡快實現(xiàn)配件國產(chǎn)化，然后實現(xiàn)整機國產(chǎn)化，不會完全依賴進口裝備。因此，用發(fā)展眼光看，這些問題都能得到妥善解決。
孫永福院士特別強調(diào)，這是一個關(guān)系中國鐵路隧道技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題，具有里程碑意義，是鐵路隧道技術(shù)再上新臺階的重要舉措。多年來，我們熟悉“鉆爆法”施工，這只是應(yīng)對挑戰(zhàn)的一個拳頭；今后如果掌握了TBM技術(shù)，我們就有兩個拳頭來應(yīng)對挑戰(zhàn)。這對行業(yè)技術(shù)進步、企業(yè)增強競爭力，具有十分重要的意義。
從哪里突破？首選西安安康鐵路秦嶺隧道。孫永福院士分析道：西安安康鐵路秦嶺隧道位于青岔站至營盤站之間，全長18.46公里，是當時中國最長的鐵路隧道，也是我國首座采用TBM施工的鐵路隧道。在20世紀80年代末西安安康鐵路全線勘測工作被迫暫停的情況下，鐵道部批準增設(shè)初測子階段，專門安排資金確保秦嶺隧道方案研究。中鐵一院采用遙感、物探、地面測繪和鉆探驗證等綜合勘測手段，查明了線路可能經(jīng)過的460平方公里范圍內(nèi)控制線路方案的主要地質(zhì)因素，從17個越嶺方案中推薦了石砭峪埡口方案。國內(nèi)專家評議后，給予了充分肯定。確定的秦嶺隧道方案地質(zhì)情況相對較好，隧道進口以混合片麻巖為主，出口以混合花崗巖為主，地下水以基巖裂隙水為主，除了斷層還會遇到深埋隧道頻發(fā)的巖爆、熱害、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。中鐵一院高質(zhì)量完成地質(zhì)勘察工作，為采用TBM施工創(chuàng)造了條件。
孫永福院士說，鐵道部利用日本海外經(jīng)濟協(xié)力基金（OECF）貸款，1995年12月委托中國技術(shù)進出口總公司進行國際招標，購買2臺TBM。經(jīng)過美國羅賓斯（Robbins）公司等激烈的競爭，最終由德國威爾特公司（Wirth）中標，其中部分后配套輔助設(shè)備由鐵道部寶雞工程機械廠生產(chǎn)。中方派出設(shè)計聯(lián)絡(luò)組，一方面反映中方對TBM設(shè)計制造的要求，另一方面全面了解TBM設(shè)計制造過程，進行技術(shù)培訓(xùn)，為施工運用打基礎(chǔ)。
孫永福院士說，1996年12月，我率團訪問德國鐵路期間，專程到德國?？藗惔脑L問了威爾特公司總部，洽談了秦嶺隧道TBM設(shè)計制造問題，中方派遣TBM設(shè)計聯(lián)絡(luò)組駐廠工作，落實中方設(shè)計要求，同時掌握設(shè)備使用和維護技術(shù)，希望雙方密切合作造好用好TBM。
1996年12月，鐵道部副部長孫永福一行在德國訪問期間，專程赴德國?？藗惔木S爾特公司總部，參觀了用于秦嶺鐵路隧道的TBM制造工廠，詳細了解TBM的生產(chǎn)流程。圖為孫永福和以鐵道部副總工程師兼建設(shè)司司長周振遠為組長的TBM設(shè)計聯(lián)絡(luò)組全體成員，在維爾特公司工廠前草坪上的TBM刀盤實物展臺前合影。
隧道掘進機是典型的非標準設(shè)計，多數(shù)是需要“量身定制”的特殊產(chǎn)品。我們組織設(shè)計、制造、施工方面的專家，針對西安安康鐵路秦嶺隧道的需要，確定了主要技術(shù)要求：電氣化鐵路，I線采用敞開式TBM，刀盤直徑8.8米（隧道設(shè)計內(nèi)徑7.7米，另外加上襯砌厚度及預(yù)留變形和誤差）。在II線位置設(shè)置平行導(dǎo)坑，發(fā)揮探明地質(zhì)、通風(fēng)排水及運輸物資等作用。
孫永福院士肯定地說，秦嶺隧道作為我國鐵路首座采用TBM施工的項目，是非常正確的選擇。鐵道部精心組織做好TBM施工各項準備工作。在優(yōu)化秦嶺隧道設(shè)計的同時，成立TBM引進小組審定設(shè)備規(guī)格、標準及對外招標引進； 組織技術(shù)干部隊伍和操作骨干隊伍進行系統(tǒng)技術(shù)培訓(xùn)；編寫施工技術(shù)要求和具體操作細則；做好零配件等物資供應(yīng)工作；做好應(yīng)急準備，確保安全、質(zhì)量、環(huán)保達標。
孫永福院士清楚地記得：1997年7月，德國Wirth公司TB880E型TBM運抵秦嶺隧道，經(jīng)過安裝、調(diào)試之后投入試用。鐵道部組織隧道工程局、中鐵第十八工程局、中鐵一院以及有關(guān)科研單位和院校，共同開展科技攻關(guān)活動，努力攻克TBM施工技術(shù)及部分后配套國產(chǎn)化等難題，取得了顯著成績。例如，直徑432毫米大推力盤形滾刀刀圈經(jīng)常損壞需要更換。我國科研單位聯(lián)合攻關(guān)，采用CrMoV低合金結(jié)構(gòu)鋼，刀刃為等截面式，硬度為HRC50至60，金相組織為回火馬氏體。經(jīng)過運轉(zhuǎn)試驗，在磨損率和使用壽命方面，我國研制的產(chǎn)品與Wirth公司產(chǎn)品持平，但國產(chǎn)價格要比Wirth公司價格低三分之一。
孫永福院士說，秦嶺隧道成功引進TBM的實踐，點燃了我國企業(yè)研發(fā)、制造和推廣應(yīng)用隧道掘進機的熊熊烈火。多年來，中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團有限公司等企業(yè)瞄準國內(nèi)、國際兩個市場，對標世界先進水平，在引進、消化、吸收基礎(chǔ)上實現(xiàn)再創(chuàng)新，從模仿者到追隨者逐步邁向并跑者和引領(lǐng)者，實現(xiàn)了隧道施工技術(shù)跨越式發(fā)展，走出了一條施工裝備創(chuàng)新發(fā)展的新路子。
孫永福院士把我國企業(yè)成長的寶貴經(jīng)驗概括為四個主要方面。第一，需求引領(lǐng)。國際國內(nèi)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括鐵路公路交通、城市軌道交通、綜合管廊工程、水利水電工程、儲油儲氣工程、大型煤礦斜井等，隧道掘進機市場前景寬廣，中國企業(yè)大有可為之地。第二，企業(yè)主體。在市場機制作用下，我國企業(yè)徹底擺脫了過去那種“等靠要”的落后狀態(tài)，真正成為科技創(chuàng)新主體，形成內(nèi)在動力機制，把掌握核心技術(shù)視為企業(yè)的命根子，展現(xiàn)了明顯的主動性、積極性。第三，協(xié)同創(chuàng)新。在改革開放形勢下，吸引國內(nèi)外研發(fā)力量組成實力強大的創(chuàng)新團隊，迎著難題創(chuàng)新突破。建立有效的激勵機制，培育高水平創(chuàng)新人才，不斷增強企業(yè)創(chuàng)新能力。第四，服務(wù)用戶。企業(yè)以高度負責的精神為用戶提供技術(shù)服務(wù)，現(xiàn)場指導(dǎo)，加強維護，使隧道掘進機正常運轉(zhuǎn)取得良好績效，并從使用中發(fā)現(xiàn)問題及時研究改進，建立制造廠商與用戶之間的新型合作伙伴關(guān)系。這些寶貴經(jīng)驗都值得繼續(xù)發(fā)揚光大。
孫永福院士充滿信心地說：黨的十九大發(fā)出了建設(shè)“科技強國”“交通強國”的戰(zhàn)斗號令，鐵路要當好先行，優(yōu)化鐵路網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，研制先進運載裝備，提供優(yōu)質(zhì)運輸服務(wù)，為實現(xiàn)國家現(xiàn)代化做出新貢獻。要把川藏鐵路、跨海通道等超級工程建設(shè)成現(xiàn)代鐵路示范工程。面對長大山區(qū)隧道、深水海底隧道、城市隧道等艱巨工程的嚴峻挑戰(zhàn)，隧道掘進機將迎來良好發(fā)展機遇。必須堅持發(fā)展新理念，堅持自主創(chuàng)新道路，加強基礎(chǔ)性技術(shù)研究和突破性技術(shù)研究，特別是應(yīng)用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)，積極研發(fā)適應(yīng)特殊功能需要的大直徑隧道掘進機、適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)需要的高性能隧道掘進機、綠色智能隧道掘進機，以及提高使用壽命的新材料、新工藝，提高完好率和使用率的新維修制度等，占領(lǐng)隧道掘進機技術(shù)制高點，讓中國大盾構(gòu)品牌享譽世界！
