地鐵6號線2期近日開通、10號線計劃年底通車……這兩年，隨著2022年杭州亞運會的日益臨近，杭州地下軌道交通建設又掀起了新浪潮。

地鐵工程開挖隧道，離不開一個重要的開路先鋒：盾構。有報道說最多的時候同時有300台盾構在地下默默工作著——中國盾構行業的蓬勃發展也可見一斑。

然而，時光倒轉20年，中國市場還一直被外國公司壟斷，“洋盾構”動辄五六千萬元以上一台，還老是“鬧脾氣”，不時造成裝備損壞、工程延期、人員傷亡，中國企業只是擔當了“施工隊”與“整機裝配隊”的角色，一遇到問題只能幹著急。

怎麽辦？“我們自己的事，必須全力以赴！”

中國工程院院士、浙江大學機械工程學院院長楊華勇教授帶領團隊成員經過十多年的産學研聯合攻關，攻克了盾構自主設計制造關鍵技術，給盾構裝上了“中國心”，大力推動了中國盾構設計制造的産業化。至此，中國終于打破“洋盾構”一統天下的局面。

目前我國已經實現直徑16米及以下盾構機的自主設計和量産，形成鄭州、長沙、常熟等多個盾構産業化基地。國産盾構不僅在掘進速度和性能上表現優異，占據國內新增市場份額的95％以上，而且走出國門，名揚四海。中國已然進入了盾構裝備設計制造發達國家行列，引領未來發展！

求人不如求己

盾構是一種現代化隧道掘進專用的大型工程機電成套裝備，工作的時候就像蚯蚓鑽洞，“啃”地下的土石，然後將其變成泥石餅吐送到身後的傳送帶上運出隧道。以盾構代替大量工人和風鎬、鋼釺，可以極大地提升工作效率並極大改善安全性，已經普遍應用到隧道挖掘工程中。可以說，修地下管道、建地鐵、造高速，挖掘跨越江河、洞穿大山的隧道，都離不開它。

新世紀以來，我國交通建設如火如荼，由于開挖隧道的需要，從國外進口了大量盾構，雖然使用起來上手很快，但是一旦出問題就懵圈了——不會修。如果求助于國外技術人員，要等很長時間，可工程進度耽擱不起啊。有的時候，楊華勇就會被請去扮演“急診醫生”的角色，去施工現場救場。

在“出診”的過程中，楊華勇了解到，德國、美國等少數跨國公司掌握著盾構的核心技術，不但在我國賺取高額利潤，還依靠技術壟斷制約我國重大工程建設的速度，時不時就“玩一次心梗”。

被人掐住咽喉的滋味不好受，楊華勇決心帶領團隊設計出中國自己的盾構，“我們的目標是改變長期依賴國外的局面，爭取掌握自主設計制造盾構的能力，不再受制于人。”

電液驅動、推進和控制系統的研發，是盾構的“心髒”，是國外技術封鎖最嚴的部分，也是盾構隧道工程施工中，解決失穩、失效、失准三大國際難題的核心所在。楊華勇團隊以此爲突破口，聯合企業共同攻關。

盾構這樣的大家夥，只要方向稍微有一點點誤差就會嚴重“跑偏”，所謂“失之毫厘，差之千裏”。如何在設計的時候就預防性糾偏？楊華勇團隊首次提出了基于盾構姿態預測的推進控制方法，發明了盾構推進壓力/流量複合糾偏技術，研制了盾構電液推進系統，實現了掘進方向的准確控制和大曲率轉彎時的姿態調整。國內首台大直徑11.22 m泥水盾構“進越號”在世博會重大配套工程——上海打浦路隧道複線掘進中，創造了同等類型盾構最小轉彎半徑380米的世界新紀錄。

從理論到實踐再回到理論，一遍遍仿真計算，一遍遍試驗，一遍遍修改，團隊就這樣不斷“逼”自己完善再完善，在研制過程中，楊華勇和團隊成員不知道跑了多少次工地。他說：“離現場越近，才越能發現工程中的關鍵技術問題，也才越能解決問題。”

終于，團隊解決了失穩、失效和失准這三大國際性行業難題。集成了壓力穩定性控制、載荷順應性設計和姿態協調糾偏控制三大創新成果的盾構成套關鍵技術也呼之欲出。在曆經十余年的研究過程中，團隊獲得了盾構設計制造的完全自主知識産權，其中包括授權發明專利77項、軟件登記16項、國家及行業標准2項以及一批高水平論文和專著3部等。

從跟跑到領跑

2008年，楊華勇團隊研制出國內首台複合盾構。“盾構有個特性，只能朝前打，不能往後退，而地鐵線路又是由地面人群分布決定的，不允許廢棄重來。”楊華勇說，新研發的國産盾構帶來的未知風險使得施工企業起初誰也不願意第一個嘗試。

在種種努力之後，天津地鐵3號線營口道——和平路標段的地下隧道掘進率先“嘗鮮”。

這一標段地處天津鬧市區，相當于杭州的解放路——鳳起路，沿途不僅有張學良故居、渤海大樓這樣的文保建築，還有一座由四千多件古瓷器、四百多件漢白玉石雕、四十多噸水晶石與瑪瑙、七億多古瓷片裝飾而成的瓷房子。

業主單位要求盾構隧道掘進導致的局部地面沉降要遠低于國際標准規定的30mm，結果這一首台國産複合盾構交出的成績單是局部地面沉降2mm。“知道這個結果，大家都舒了口氣，當初機器運到施工現場的時候，我們是先斬後奏，沒敢說是國産首台樣機，現在我們終于可以揚眉吐氣一回了。”

國産盾構研制成功，正好趕上中國各大城市發展地下軌道交通的大潮。過硬的技術再加上不斷積累的信心，楊華勇團隊研發的國産盾構終于實現了産業化，替代了進口，經過與德日美頂尖産品的激烈國際競爭，還出口到了新加坡、印度、馬來西亞、泰國、以色列等四大洲27個國家，其中包括了盾構的老家法國和制造業傳統強國俄羅斯。“之前我們一直依賴進口，國外盾構價格擡得很高，以6.3米地鐵盾構爲例，原來要6000萬元左右一台，現在降低到了3000萬元左右。我們掌握了核心技術，就再也不受發達國家欺負了。”

隨著我國經濟社會的快速發展，在地鐵、公路、鐵路、水利等基本建設中盾構發揮的作用越來越大，目前我國已成爲盾構需求最大的國家，占全球市場65%以上。另一方面，因爲盾構的關鍵技術難度大、産品附加值高，盾構裝備的自主設計制造能力在一個側面反映了一個國家裝備制造業的水平。我國盾構行業從跟跑到領跑的過程，再一次證明了，只有自己掌握了核心技術，才能掌握發展的主動權。

楊華勇說：“國家大量工程急需，這是時代給我們的命題。現在有了國産盾構，大型建設工程如虎添翼，國民經濟發展得到了有力保障。我們也算是爲國家解決了一個棘手的難題。能夠通過自己的工作爲國添磚加瓦，我們感到很幸運。”

加強“造血功能”

楊華勇帶領團隊走出了一條自主研發的成功之路，實現了重大裝備“中國設計—中國制造—中國品牌”的跨越式發展。2013年1月，這個以浙江大學爲第一完成單位的“盾構裝備自主設計制造關鍵技術及産業化”項目獲得了2012年度國家科技進步獎一等獎。

雖然已經取得了令人矚目的成績，但團隊前行的腳步不曾停歇。楊華勇說，社會進步有兩個驅動力，一個是技術創新，一個是需求牽引，“國際前沿，大家都盯著，但是生産生活中的實際需求，卻容易被忽視。我們要做的就是增加産業的‘造血功能’。”

2012年，楊華勇團隊開始向硬岩盾構進軍。相比普通盾構，硬岩盾構的“牙齒”更鋒利，主要用在岩石隧道的掘進上，因此更適用于地質更硬的西部地區。不過，硬岩掘進裝備的設計技術要求更高，面臨的三大國際難題是掘不快、掘不准、掘不動，爲此團隊采用了與以往不同的技術創新思路，成功設計制造了國內首台全新硬岩掘進裝備。

國産裝備與進口裝備同場較量的好戲又一次上演。

在“引松入長”工程中，兩台直徑８米的國産硬岩掘進裝備樣機與一台進口的硬岩掘進裝備一起工作，建設起從松花江到長春的地下“水動脈”，無論是時間、裏程還是工程質量，國産硬岩掘進機性能都超越國外同類産品，而價格要比國外的便宜三分之一，國産裝備又一次戰勝了進口貨。長沙、鄭州國産裝備生産基地也由此拿到了後續幾乎全部訂單，目前國産硬岩掘進裝備也已經批量出口了。

同時，智能盾構也成爲了團隊在研的重點工作之一。楊華勇希望在引入包括大數據和實時視頻系統在內的最新信息技術後，可以逐步實現盾構的智能設計、操作和遠程維護。

在盾構方面，隨著技術工藝的日漸成熟，直徑也越做越大。今年楊華勇團隊准備開始設計制造直徑18米的超大盾構機，它的橫截面有6層樓那麽高，如果挑戰成功將成爲新的世界紀錄。

隨著更多城市將地鐵建設納入城市發展規劃，再加上高鐵、高速公路、西氣東輸、南水北調、城市地下管廊等重大工程的需求，可以預見，盾構這個“國之重器”將繼續在華夏大地上穿山過江、大顯身手。

楊華勇說：“未來，我國地下空間開發的規模會越來越大，我相信下一代的盾構技術也會打上中國烙印，中國一定會成爲國際市場的風向標。”

文字記者：吳雅蘭

圖片由楊華勇院士團隊提供

今日編輯：浙江大學融媒體中心學生記者團 葉靜

責任編輯：周亦穎