日前，国内自主设计制造最大直径土压平衡盾构机在中国中铁装备集团国家TBM产业化中心下线，盾构机直径为12.14米，为目前国内最大，将用于太原铁路枢纽西南环线项目。该设备的问世，打破了我国超大直径盾构产品技术长期依赖进口、核心技术受制于国外制造商的不利局面，对满足未来城市交通路网发展建设有着重要意义。
打破技术垄断赢得市场发展 直径为12.14米盾构机下线
原理好懂技术难
简单说，如果需要挖一条能跑火车那样大车型的隧道，盾构机就出场了。视觉上最直观看见的是一个跟隧道横截面大致相同的钢筒或者框架，这个圆筒形的外壳里面长长的一条就是各种作业机械。从横截面看，它像一个盾牌，所以叫“盾构机”。但是，从这种设备的整体结构看，人们更愿意叫它“地下蛟龙”。这条“龙”的龙嘴就是最前端的切削刀盘，把地下这些泥沙石头吃进“嘴”里以后，通过“龙肚子”里的各种“消化器官”，把这些高浓度泥水里的泥沙分离，沙子排出去，剩下的泥浆输送回开挖面提供压力，否则这个开挖面就不稳定，容易坍塌。如此挖掘、排土、推进，隧道就完成了。
虽然泥水平衡盾构机的基本工作原理。听起来容易，但是外行也能猜出来，这里头处处是难点。首先，在地下打洞不比在地上施工，会遇到各种复杂的地质条件、水文条件。
另外，除了如何确保开挖面的稳定，不能挖着挖着塌了之外，还有刀具的使用寿命、盾构机的有效密封、密封条件下的刀具更换等问题。总之，这是一种集光、机、电、液、传感、信息技术等各尖端技术于一身的高精尖设备。所以以前，很多有盾构机需求的国家都会从德国或者日本进口，造价动辄几亿元人民币一台。
浙江大学机械学院院长、工程院院士杨华勇说：“长期以来，大型盾构成套设备都被发达国家垄断，现在中国有了这个能力，在五、六个方面，比如常压换刀刀盘技术、刀盘刀具的实时监测技术、地质的超前预报等方面都进行了创新和探索，所以这台盾构不仅填补了技术和装备技术的空白，而且在局部的技术上实现了引领。”
接受挑战勇创新
2010年7月28日，声势浩大的太原铁路枢纽西南环线有限责任公司创立大会召开，标志着由太原市和原国家铁道部共同建设和运营的太原铁路枢纽西南环线工作进入了正式实施阶段。
2016新年前后，太原铁路西南环线东晋支线工程进场开工，本次工程将采用土压平衡盾构技术进行隧道挖掘，该技术在山西属首次使用。与此同时，中铁工程装备集团设计研究总院的研发人员接到一个前所未有的任务——为太原铁路西南环线东晋支线工程项目设计一台超大直径盾构机，这令他们紧张又兴奋。
“以前我们生产的主流盾构机产品，刀盘直径多在6米左右。”中国中铁装备集团设计研究总院结构所所长袁文征说，相对而言，研发这台盾构机无疑是对大家的一个巨大的挑战。
自2008年成功研制出第一台国产盾构机起，中国中铁装备集团的盾构机研发之路已经走过8个年头，多达300余台不同直径、样式的盾构机，从中铁工程装备集团盾构总装车间生产线上诞生，并在各类地铁隧道、供水项目、电力管道等工程项目上大放异彩。产品技术的创新积累，中铁工程装备集团逐步走向成熟、壮大，成为国内盾构机市场的引领者。
袁文征告诉笔者，太原铁路西南环线东晋支线工程项目，断面较大、隧道推进距离长（4850米），如果仍然按照常规盾构机设计模式，那么势必会加大隧道设计的研发投入，且耗时费力。
在做中学。经过这些年的技术经验积累，中国中铁装备集团的创新能力和技术水平均已达到一定水准，“直径12米到15米的盾构机，我们都能够研制。”袁文征说，得知将要参与超大直径盾构机的研发设计，设计研究总院的工程师们自信满满、跃跃欲试。
打破垄断赢市场
新盾构机设计要求开挖直径大，于是便带来了刀具磨损速率加快、开挖舱内碴土改良难度加大等诸多设计难题。此外，盾构应用的隧道位于太原市城郊结合区域，上方建筑物较多，盾构机还将穿越地下长达2公里的卵石层，卵石粒径甚至达到了60厘米，如此大直径盾构隧道穿越长距离复杂地层也是全国首例，这对盾构机刀具耐磨性提出了挑战。
问题的难度陡然上升，但这些都被盾构研发小组一一破解。
研发团队经过多次讨论，最终将问题的关键所在放到了对盾构刀盘的针对性设计上，他们在盾构刀盘上安装了可拆卸格栅及挡板，使之既适应全断面泥岩、粘土掘进，也适应大粒径卵石地层掘进；同时在刀盘布置直径达到17寸刀体19寸刀圈盘型滚刀，提高了滚刀的耐磨性和抗冲击性，以应对密实卵石及瓢石地层。
为了保证盾构机的安全高效，设计人员还为盾构机配置了双舱并联人仓，设计有成熟的全气动压力调节装置，此套系统为全气控装置，在网电断电时系统仍能正常工作，确保带压换刀时舱内人员安全。
凭着敢于创新的精神、勇于探索的勇气，盾构机研发团队们迈过一道道坎，渐渐看到前方熹微的曙光。而最让研发负责人袁文征欣慰的，是整个团队高度的责任心和融洽的凝聚力。“自9月开始进入组装工序以来，大家昼夜工作，很多人国庆节期间都还待在单位加班加点。”袁文征说，没有团队的辛勤付出，就没有如今呈现在世人面前的完美的国内最大直径的盾构机。
当初，为了建秦岭隧道，中国整整花了3.5亿从德国进口一台盾构机。今天看来，这简直是天文数字。即便如此，当时的服务还跟不上。谭顺辉说，一旦出现小病小灾，他们就会抓狂。一台掘进机停工，每天都会带来近百万元的损失。可是外国专家严守8小时工作制，甚至从走出家门那一刻便开始计算费用，一个小时的工资就达到600到800欧元。
如今，中国盾构机取得了令世界同行都为之钦佩的成绩。中铁工程装备集团有限公司党委书记、董事长谭顺辉就曾对笔者说起过，由于制造难度太大，之前在全球范围，盾构机这个领域，我们没一点话语权，“他说多少钱就是多少钱，你要进行任何一个变更，都得先把价钱加上来再谈，他那种傲慢是让你最不接受的。这种傲慢不是性格上的，而是他站在技术最高点，眼睛往下看你的那种傲慢，很难受。”
通过不断努力，今天，我国已全面掌握盾构机的核心制造技术，彻底摆脱了盾构机关键技术被国外垄断的局面。中铁股份有限公司副总裁、总工程师刘辉透露，我国已启动掘进机器人的研发，中国盾构机正朝着智能化方向迈进，“所谓智能化就是将传感技术和检测技术加入其中，包括人工操作向智能化操作转变，实现机械化和信息化的集成，以达到盾构的智能化。未来的盾构掘进机在不同的地质条件下会最大限度的避开地质风险，中国盾构机发展的终极目标是‘掘进机器人’。目前，已经在做这方面的规划，中铁装备已在开展掘进机器人的研发和试验。
如今，杨华勇乐观地预期，很快，有着中国基因的超大直径盾构机将追随“家族”成员的步伐，大步走向世界，“比如，上海崇明岛迎来大规模开发，会需要这种超大盾构机，还有未来的中心城市和跨海的隧道都需要，所以中国除了中小盾构批量出口之外，未来‘一带一路’一定会把这样的技术和装备能力批量出口，走向国际市场，由此带来的经济效益也会非常显著。”
没有最惊喜，只有更惊喜。杨华勇表示，接下来即将闪亮登场的将是一位更加硕壮的侠士，“它直径将达到18米，单台的价格在3-4亿，而且有些隧道的施工需求量不是一台，7-8台，甚至10台。常规6米直径的单价在3000万-4000万左右。所以从单台看，这种超大盾构机一台的价格就是4-6台普通盾构机的价格。因此，经济性毋庸质疑。”
仅就正在发展的中国来说，铁路、公路、水利、城市地铁、海底隧道等大量基础设施的建设，对盾构机的需求占到了全球6成以上。
国家标准引领发展
截至目前，我国累计生产制造隧道掘进机突破1500台，妥妥成了隧道掘进机制造大国。昨天下线的这台超大直径盾构也将应用于6.8公里长、双向六车道的汕头海湾隧道项目。但遗憾的是，隧道掘进机的国家标准一直缺位。
因此，日前，隧道掘进机系列国家标准新闻发布会在中铁装备国家TBM产业化中心举行。我国首次发布五项隧道掘进机国家标准，以规范隧道掘进机术语、商业规格以及设计制造技术要求。
这一标准的发布将有助于在国家“一带一路”倡议下，带动中国隧道掘进机等重大装备走出去，助推隧道掘进机系列国家标准迈向国际标准更大的舞台。同时也标志着中国盾构机在世界领域将由跟随者向引领者转变，中国从掘进机制造大国向制造强国转变。（曹括之）