探訪大國重器盾構機：鋼鐵巨獸掘進地下城

有舞獅舞龍、捏糖人，又有小吃店、書屋，甚至還有麻將桌——電影《流浪地球》里充滿生活氣息的地下城場景，引發觀眾對這一神秘空間的無限遐想：如此廣闊的地下空間真的能挖掘出來嗎？

答案是肯定的。除了科技迷，大多數人對于工程“遁地術”的理解，或許還停留在鉆爆技術的年代。比起載人航天、深海探測等領域，同為大國重器的盾構機雖然與人們生活更緊密，卻相對低調神秘得多。

盾構機，即使用盾構法的隧道掘進機，與敞開式施工法相對，在掘進的同時構建隧道之“盾”（支撐管片），是當前主流的隧道施工工程機械。近日，記者參加“科幻作家走進新國企”活動，分別赴河南鄭州、湖南長沙實地探訪中國中鐵工程裝備集團有限公司（簡稱“中鐵裝備”）和中國鐵建重工集團有限公司（簡稱“鐵建重工”）的盾構機生產制造環境，感受國產重型裝備的強悍實力。

“鋼鐵巨獸”指哪打哪

中間有預制管片、渣土運送車，頭頂有換氣風筒、各類水管和粗壯的電纜，左右兩邊是全電子化主控室和智能控制臺——記者沿著悶熱、喧噪的施工隧道里步行1.5公里，終于走到了這個“鋼鐵巨獸”跟前。

這是一臺直徑4.6米的土壓平衡盾構機，正在為鄭州城際高鐵項目的隧道貫通作業。

中鐵裝備項目經理萬建南告訴記者，盾構機前端“咀嚼吞食”巖石、砂土的刀盤和刀頭正在高速旋轉，靠向前的推力和刀具旋轉的擠壓力將巖石擠壓破碎。

“刀頭將巖石、砂土磨碎后，刀盤轉動將渣土通過傳送帶和軌道運送車向后輸送，運輸車司機只需要在設備的尾部靜靜等待渣土的到來。”萬建南說。

只需一兩名工程師在總控室操作，整臺盾構機便通過電力驅動不斷向前掘進。開挖的同時，預制管片自動將隧道四壁一圈圈固定起來，再由五六個施工人員擰上管片螺栓，完工時就能擁有一條與盾構機直徑等寬的鋪設好的隧道。所有人都在堅固盾殼的保護下安全作業，以往隧道施工常見的粉塵、油煙以及爆破后刺鼻的火藥味都不復存在。

現場工人說，一個白班12小時，盾構機可以推進10—12米的距離，跟以前打眼放炮的開挖方式相比，堪稱神速。

不僅如此，身形龐大的盾構機還有著“親民”的內秀品格。破壞路面、建筑拆遷、影響居民生活，這些對于盾構施工來說都不會出現。

正如每天乘坐北京地鐵10號線的乘客，不會感受到10號線下方僅1.5米的地方，竟然存在一條由盾構機貫穿的京張高鐵隧道。更不要說這條長6022米、直徑12米多的隧道，還與地鐵12號線、15號線交叉穿過，同時下穿7處重要城市道路和88條重要市政管線。即便是如此苛刻的施工要求，盾構機僅用11個月就實現了隧道貫通，與計劃圖紙誤差不超1毫米。

從無到有再到走向世界

前段時間，《從一無所有到世界第一！4分鐘看完中國城軌超燃逆襲》在網上“刷屏”。國務院國資委新聞中心官方微博“@國資小新”分享的這段視頻，令無數網友“淚目”。

回首上世紀60年代，為了掘進“地下城”，中國老一輩建設者靠人力挖通了新中國第一條地鐵。

鑿山開礦、修路通車，許多重要的工程都需要挖掘隧道。直到80年代末，國內修建隧道仍主要依靠人工鉆爆，不僅耗時耗力，還會遇到塌方、水淹等危險。

到了90年代，北京、上海、廣州等大城市開始大規模建設地鐵，對新型機械裝備的需求也急劇增加。也是在這時，德國、日本、美國的盾構機大量涌入中國。

然而，對進口設備的依賴也帶來了許多問題。“一方面，國外廠商的設備無法完全滿足國內復雜地質結構的需求；再一個，設備價格很高，技術專家要人家配，檢修時還拉警戒線。我們為什么不能自己造？”鐵建重工掘進機事業部土壓盾構研究所副所長孫雪豐回憶。

盾構機的原型早在19世紀初就已出現。一位法國工程師從啃食甲板的小蟲上獲得靈感，在隧道內修建很多小隔間，讓工人在隔間里挖掘前方的土。

經過一個多世紀的發展，盾構技術不斷更新換代。“從純手工開挖，到半機械化，再到全斷面的刀盤，越來越安全，作業人員也越來越少。”孫雪豐說。

憑著一股子韌勁，中國盾構人從零起步，從設計圖紙開始自主研發制造國產盾構機。

在中鐵裝備，記者了解到這樣一個故事：1997年，我國斥資6億元購買德國維爾特公司兩臺二手敞開式隧道掘進機，用于西康鐵路秦嶺隧道建設。16年后的2013年，中鐵裝備反過來收購了德國維爾特公司硬巖掘進機及豎井鉆機的知識產權和品牌使用權，成為世界上能獨立生產硬巖掘進機并具有自主知識產權的三大企業之一。

經過十多年的探索和研發，中國盾構技術漸漸走在了世界前列，不僅滿足90%的國內市場需求，同時大規模開拓國際市場，占到全球市場份額的2/3。與之相對應，截至去年底，中國地鐵以5013.3公里的總運營里程排名全球第一，占全球地鐵總里程的35.26%。

“地鐵、高鐵、公路隧道，還有引水隧道，許多國家重點工程都可以用到我們的盾構設備。國外的設備很難再像以前那樣輕松進入中國市場。”在孫雪豐看來，國產盾構機在硬巖隧道中挖出的同心圓是世間最美的畫面，“比任何花朵都漂亮”。

造全球最好的掘進裝備

泥類地質案例、砂類地質案例、砂卵類地質案例……走進中鐵裝備的地質展覽館，盾構機的各類“牙齒”和它們曾經“咀嚼”過的泥土、砂石陳列在展臺上，完美詮釋“見招拆招”。

“國內陸質條件復雜多樣，但對國產掘進設備來說，都不在話下。”中鐵裝備集團董事長譚順輝對國產設備頗為自豪。

我國西南地區的硬巖地質十分“難啃”，但在國內最大直徑硬巖掘進機“彩云號”面前，仍甘拜下風。據了解，“彩云號”正準備穿越青藏高原南部的高黎貢山、鉆過18種巖層及19條斷裂帶的地層，打造中國乃至亞洲最長的一條鐵路山嶺隧道。

為了改善濱河大道-羅沙路通道擁堵的交通狀況，深圳需要一條雙層的機動車隧道，直徑15.8米的“春風號”泥水平衡盾構機接受了這項任務。“春風號”擁有高達2.46萬噸的強大推力，是我國最大運載火箭“長征五號”的24倍，可以通過加壓泥漿平衡水土壓力，精準控制地面沉降。

譚順輝說，除了“彩云號”和“春風號”，中鐵裝備在異形盾構機研制上也取得了新的突破。全球首臺馬蹄形盾構機、全球最大矩形盾構機……這些全球領先技術都出自于此。

去年4月，中國工程機械工業協會為中鐵裝備和鐵建重工頒發全斷面隧道掘進機特級資質證書，全國僅此兩家。

作為國內唯一一家完全依靠自主研發、沒有引進國外技術的掘進機企業，鐵建重工在長沙擁有全球規模最大的高端地下工程裝備制造基地。全球首臺煤礦斜井雙模式TBM（硬巖掘進機）、全球首臺永磁電機驅動盾構機、全球首臺護盾式掘錨機、國產首臺大直徑敞開式TBM……鐵建重工自主研發了50余項具有原創性、戰略性、顛覆性的國內和全球首臺套產品。

如今的盾構機領域，“中國制造”已成為響當當的品牌，國產盾構機出口到法國、意大利、馬來西亞、新加坡、印度、中東等國家及地區，贏得全世界工程建設者的贊譽。

向更深地下空間進軍

除了挖隧道，盾構機還能做什么？

在中鐵裝備位于鄭州的廠區里，就有一個用組合式矩形盾構機挖掘的地下停車場。據工作人員介紹，地下停車場施工通常采用明挖現澆鋼筋混凝土工藝敞開了挖，而用盾構法修筑幾乎不影響地面，而且支撐結構都采用預制件，更加快速環保。

“城市發展空間由地面及上部空間向下延伸，是城市發展的必然趨勢。”譚順輝說，越來越多的地下空間開發項目開始走進人們的生活，如地下快速通道、地下科研、地下商場、地下倉儲和物流、綜合管廊，等等。由于地下工程作業環境帶來的高風險性，裝配式結構和機械化施工將成為標配。

昨天的科幻已變為今天的現實，而“創造全新的科幻”才是盾構人努力的方向。

有研究表明，城市建成立交橋后，橋周邊的商業環境會變差；如果改成地下隧道，道口附近的商業環境反而會變好。所以，單從提升商業環境的角度看，修地下隧道比修橋要好。為此，中鐵裝備專門成立了地下空間設計研究院，探索地下空間新結構、新工法和新設備，創造新市場，推動企業轉型升級。

活動期間，同行的科幻作家和科普作家與大國重器的工程師們腦洞大開，共同探討未來地下城的樣子：過街人行道全部地下化，這樣更立體也更安全；像《流浪地球》那樣向地下拓展城市，既擴大城市容量又降低能耗。

鐵建重工總經理程永亮介紹，當前，盾構機的研究方向是智能化和無人化，即采用人工智能控制掘進設備，實現無人、無燈、無氧環境的隧道掘進。但在未來10到15年，盾構機將朝著長、大、深三方面發展——

盾構機的連續掘進壽命目前是10千米，而將來即便是20多千米寬的瓊州海峽也可以一次打通；多建大直徑的隧道，緩解城市交通問題；以往地鐵隧道深度基本在30米以內，下一步將開發深度在50—100米內的城市地下空間，拓展居民的活動區域。

中國科學技術館副研究員、科普作家趙洋想得更為長遠：“在未來的深空探測和太空資源獲取過程中，有沒有考慮如何在天體上掘進？”

“在天體上挖掘隧道，現有盾構技術已不是障礙，只不過需要用核能來為盾構機供能，最終能否實現也主要看需求的拉動。”程永亮的回答信心滿滿。(本報記者 姜永斌 實習記者 伍中婷 陳麗）