孙永福院士权威解读：中国铁路首次引进隧道掘进机详情2024年5月11日，我国自主研发的海底隧道盾构机“深江一号”已顺利掘进至海平面下。珠江口隧道为深江铁路重点控制工程，珠江口隧道全长13.69公里，是深江铁路重点控制工程。隧道工程水文、地质极其复杂，下穿多条主航道，隧道最大埋深106米，海水水压10.6巴（相当于指甲盖大小的面积上承受10.6公斤的压力），为目前我国最大埋深、最大水压的水下隧道，也是世界最深海底高铁隧道。格鲁吉亚当地时间2024年4月23日15时36分，伴随着清脆的岩石破碎声，全球最大直径盾构机“高加索号”掘进完最后半米岩石，标志着全长9068米的格鲁吉亚南北走廊KK公路古多里隧道贯通。“高加索号”是为工程量身定制的，直径达15.08米，总重3900吨，最大推力2.26万吨，总功率高达9900千瓦。“这是世界上最大的TBM，它就像一个180多米长的钢铁穿山甲，用坚硬的前爪和牙齿，生生在一座石头山里，钻出一条约9公里长、五层楼高的隧道。”掘进机生产厂家的副总工程师自豪地说。盾构是一种隧道施工的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、气、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送石砟、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，可实现隧道施工的工厂化作业。盾构现已广泛用于铁路、地铁、公路、市政、水电隧道工程，甚至于竖井、斜井工程也都有应用。隧道掘进机（TBM）主要分为两种类型：敞开式TBM，常用于硬岩；护盾式TBM，单护盾常用于软岩，双护盾既适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。 盾构是目前世界最先进的全断面隧道施工特种专用机械。在发达国家，使用盾构法施工已占隧道施工总量的50%以上bd半岛·体育。盾构机被称为“世界工程机械之王”。盾构机最早起源于英国，用盾构法修建隧道已有150多年的历史。从2000年中国开始自主研发盾构机，拉开了中国盾构机产业化的序幕；到2008年首台国产复合式土压盾构机下线年中国自主研制的盾构机产销量攀升至全球第一。从无到有、从有到优、从优到卓，中国盾构机产业仅仅用了二十多年时间。中国盾构产业与施工技术成长的历程，映射着中国由制造大国迈向制造强国的成长历程，成为中国民族制造工业逆境崛起的一个缩影。截至目前，我国盾构机累计出口至新加坡、韩国、意大利、澳大利亚、巴西等32个国家和地区。产量已占世界总产量的70%。其中，还包括传统的掘进装备生产强国德国、法国等。中国引进大盾构机，继而消化、吸收再创新，再到全面自主创新；从跟跑、并跑到领跑，始于西康铁路的秦岭隧道。作为中国铁路隧道首次运用TBM施工的决策者、推动者，中国工程院院士、原铁道部常务副部长（正部长级）孙永福回顾这段历史感想良多！孙永福院士回忆：进入20世纪90年代，在部署《“八五”铁路发展规划》时，我强调要集中力量加强“六大通道”建设，同时要求依托建设项目开展技术攻关提升铁路技术水平。以隧道工程技术为例，20世纪50年代修建宝成铁路时，隧道采用“矿山法”人工施工，“灯笼火把进洞，钢钎耳锤开路”；60年代修建贵昆、成昆铁路时，逐步走上半机械化，“钻爆法”施工取得了百米成洞好成绩；70年代修建湘黔、枝柳铁路时，普遍提升了“钻爆法”施工技术水平；80年代修建衡广复线公里）成功应用“新奥法”（即新奥地利隧洞施工法，new Austrian tunneling method，NATM），其机理是维护和提高围岩自承能力，使围岩与支护共同形成承载结构。大瑶山隧道实现了开挖、衬砌、出砟机械化，使“钻爆法”施工登上新台阶。孙永福院士说，20世纪90年代，我们应该有哪些新作为？那时，我国“钻爆法”施工技术同国际先进水平差距正在缩小，但隧道掘进机在铁路上仍是空白。中国铁路工程总公司（现中国中铁股份有限公司）和铁道部第一勘察设计院（现中铁第一勘察设计院集团有限公司，简称“中铁一院”）等提出了应用隧道掘进机施工的建议，开展了隧道掘进机施工方案研究。对此，我表示完全支持，组织科技人员出国考察（如考察英吉利海峡隧道、瑞士铁路隧道等），深入调查研究隧道掘进机发展历程和经验教训。孙永福院士以亲身经历讲述了自己的感受：对隧道掘进机的认识，最初来自20世纪50年代的教科书，线年代。铁道部第二工程局于1971年5月在湘黔铁路贵州段老罗寨隧道导坑施工、1972年8月在枝柳铁路湖南段团头隧道导坑施工，采用广州产LJ-25型隧道掘进机（直径2.5米）分别开展了4个月工程试验。我到现场调查发现，试用情况并不理想，主要问题有：刀具磨损严重，定位十分困难（存在惯性右偏现象），技术人员缺乏。那时，水利系统开始应用隧道掘进机建设水利工程，如水电部队引进直径10.8米敞开式掘进机施工的贵州天生桥水电站工程、铁道兵（现中国铁建股份有限公司）使用自行研制的隧道掘进机（直径5.5米）建设天津引滦入津工程，加上其他部门研制的多种不同直径的隧道掘进机，基本上还处于TBM研发探索阶段。孙永福院士说，真正展示了隧道掘进机显著优势的实例，我们看到的是由意大利CMC公司承建的水利工程项目。我到意大利CMC公司和中国华水公司联营体承建的甘肃引大入秦水利工程现场考察时，看到采用美国罗宾斯公司制造的180型双护盾全断面隧道掘进机施工，对隧道掘进机创造月掘进1300米的惊人成绩深表赞赏。这在很大程度上增强了我对铁路推进隧道掘进机技术的信心。孙永福院士说，对于铁路隧道采用掘进机施工，各方意见并不一致，存在着很大分歧。1993年2月，我到西安参加了中铁一院召开的专家论证会。1993年9月，铁道部又在北京召开了专家论证会。专家们畅所欲言，充分交流，热烈讨论。隧道掘进机除了掘进、出砟、导向、支护四项基本功能，还拓展了通风排水、地质监测预报等功能。其突出优点是快速（开挖速度是钻爆法的3一5倍）、优质（洞壁光滑误差小）、安全（对围岩扰动少）、环保（没有爆炸污染）。缺点是对地质比较敏感，不同地质需要不同类型的掘进机。有的专家认为，隧道掘进机施工造价比“钻爆法”高很多，很难投赞成票；有的专家认为，靠引进国外隧道掘进机，以后难以推广应用。我在会上做了总结发言。我认为，关于“钻爆法”与TBM的造价比较，由于我们缺乏实践资料，所以可能有不符合实际之处，在熟练掌握TBM技术后可以提高效率、降低造价。我们引进TBM后，一定要尽快实现配件国产化，然后实现整机国产化，不会完全依赖进口装备。因此，用发展眼光看，这些问题都能得到妥善解决。孙永福院士特别强调，这是一个关系中国铁路隧道技术发展的战略问题，具有里程碑意义，是铁路隧道技术再上新台阶的重要举措。多年来，我们熟悉“钻爆法”施工，这只是应对挑战的一个拳头；今后如果掌握了TBM技术，我们就有两个拳头来应对挑战。这对行业技术进步、企业增强竞争力，具有十分重要的意义。从哪里突破？首选西安安康铁路秦岭隧道。孙永福院士分析道：西安安康铁路秦岭隧道位于青岔站至营盘站之间，全长18.46公里，是当时中国最长的铁路隧道，也是我国首座采用TBM施工的铁路隧道。在20世纪80年代末西安安康铁路全线勘测工作暂停的情况下，铁道部批准增设初测子阶段，专门安排资金确保秦岭隧道方案研究。中铁一院采用遥感、物探、地面测绘和钻探验证等综合勘测手段，查明了线平方公里范围内控制线路方案的主要地质因素，从17个越岭方案中推荐了石砭峪垭口方案。国内专家评议后，给予了充分肯定。确定的秦岭隧道方案地质情况相对较好，隧道进口以混合片麻岩为主，出口以混合花岗岩为主，地下水以基岩裂隙水为主，除了断层还会遇到深埋隧道频发的岩爆、热害、涌水等地质灾害。中铁一院高质量完成地质勘察工作，为采用TBM施工创造了条件。孙永福院士说，铁道部利用日本海外经济协力基金（OECF），1995年12月委托中国技术进出口总公司进行国际招标，购买2台TBM。经过美国罗宾斯（Robbins）公司等激烈的竞争，最终由德国威尔特公司（Wirth）中标，其中部分后配套辅助设备由铁道部宝鸡工程机械厂生产。中方派出设计联络组，一方面反映中方对TBM设计制造的要求，另一方面全面了解TBM设计制造过程，进行技术培训，为施工运用打基础。孙永福院士说，1996年12月，我率团访问德国铁路期间，专程到德国埃克伦茨访问了威尔特公司总部，洽谈了秦岭隧道TBM设计制造问题，中方派遣TBM设计联络组驻厂工作，落实中方设计要求，同时掌握设备使用和维护技术，希望双方密切合作造好用好TBM。1996年12月，铁道部副部长孙永福一行在德国访问期间，专程赴德国埃克伦茨维尔特公司总部，参观了用于秦岭铁路隧道的TBM制造工厂，详细了解TBM的生产流程。图为孙永福和以铁道部副总工程师兼建设司司长周振远为组长的TBM设计联络组全体成员，在维尔特公司工厂前草坪上的TBM刀盘实物展台前合影。隧道掘进机是典型的非标准设计，多数是需要“量身定制”的特殊产品。我们组织设计、制造、施工方面的专家，针对西安安康铁路秦岭隧道的需要，确定了主要技术要求：电气化铁路，I线采用敞开式TBM，刀盘直径8.8米（隧道设计内径7.7米，另外加上衬砌厚度及预留变形和误差）。在II线位置设置平行导坑，发挥探明地质、通风排水及运输物资等作用。孙永福院士肯定地说，秦岭隧道作为我国铁路首座采用TBM施工的项目，是非常正确的选择。铁道部精心组织做好TBM施工各项准备工作。在优化秦岭隧道设计的同时，成立TBM引进小组审定设备规格、标准及对外招标引进； 组织技术干部队伍和操作骨干队伍进行系统技术培训；编写施工技术要求和具体操作细则；做好零配件等物资供应工作；做好应急准备，确保安全、质量、环保达标。孙永福院士清楚地记得：1997年7月，德国Wirth公司TB880E型TBM运抵秦岭隧道，经过安装、调试之后投入试用。铁道部组织隧道工程局、中铁第十八工程局、中铁一院以及有关科研单位和院校，共同开展科技攻关活动，努力攻克TBM施工技术及部分后配套国产化等难题，取得了显著成绩。例如，直径432毫米大推力盘形滚刀刀圈经常损坏需要更换。我国科研单位联合攻关，采用CrMoV低合金结构钢，刀刃为等截面式，硬度为HRC50至60，金相组织为回火马氏体。经过运转试验，在磨损率和使用寿命方面，我国研制的产品与Wirth公司产品持平，但国产价格要比Wirth公司价格低三分之一。孙永福院士说，秦岭隧道成功引进TBM的实践，点燃了我国企业研发、制造和推广应用隧道掘进机的熊熊烈火。多年来，中铁工程装备集团有限公司、中国铁建重工集团有限公司等企业瞄准国内、国际两个市场，对标世界先进水平，在引进、消化、吸收基础上实现再创新，从模仿者到追随者逐步迈向并跑者和引领者，实现了隧道施工技术跨越式发展，走出了一条施工装备创新发展的新路子。孙永福院士把我国企业成长的宝贵经验概括为四个主要方面。第一，需求引领。国际国内大规模基础设施建设，包括铁路公路交通、城市轨道交通、综合管廊工程、水利水电工程、储油储气工程、大型煤矿斜井等，隧道掘进机市场前景宽广，中国企业大有可为之地。第二，企业主体。在市场机制作用下，我国企业彻底摆脱了过去那种“等靠要”的落后状态，真正成为科技创新主体，形成内在动力机制，把掌握核心技术视为企业的命根子，展现了明显的主动性、积极性。第三，协同创新。在改革开放形势下，吸引国内外研发力量组成实力强大的创新团队，迎着难题创新突破。建立有效的激励机制，培育高水平创新人才，不断增强企业创新能力。第四，服务用户。企业以高度负责的精神为用户提供技术服务，现场指导，加强维护，使隧道掘进机正常运转取得良好绩效，并从使用中发现问题及时研究改进，建立制造厂商与用户之间的新型合作伙伴关系。这些宝贵经验都值得继续发扬光大。孙永福院士充满信心地说：党的十九大发出了建设“科技强国”“交通强国”的战斗号令，铁路要当好先行，优化铁路网络设施，研制先进运载装备，提供优质运输服务，为实现国家现代化做出新贡献。要把川藏铁路、跨海通道等超级工程建设成现代铁路示范工程。面对长大山区隧道、深水海底隧道、城市隧道等艰巨工程的严峻挑战，隧道掘进机将迎来良好发展机遇。必须坚持发展新理念，坚持自主创新道路，加强基础性技术研究和突破性技术研究，特别是应用大数据、互联网、人工智能等新技术，积极研发适应特殊功能需要的大直径隧道掘进机、适应复杂地质需要的高性能隧道掘进机、绿色智能隧道掘进机，以及提高使用寿命的新材料、新工艺，提高完好率和使用率的新维修制度等，占领隧道掘进机技术制高点，让中国大盾构品牌享誉世界！