地鐵四通八達(dá)，隧道穿江越洋，在我們的腳下，地下空間這張網(wǎng)正在悄悄地不斷生長。這個過程中，一種叫做盾構(gòu)的“大力士”立下汗馬功勞，它能24小時不間斷“埋頭”掘進(jìn)，一次性同時完成切削、排碴、襯砌等隧道掘進(jìn)作業(yè)，將高風(fēng)險、高強(qiáng)度、低效率的人工開挖，轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩?、高效、連續(xù)的工廠化作業(yè)，是加快地鐵、高鐵、高速公路等隧道工程建設(shè)唯一有效的現(xiàn)代化大型復(fù)雜機(jī)電裝備。
當(dāng)前我國已是盾構(gòu)需求最大的國家，占全球市場的60%。但十年前，隧道掘進(jìn)裝備基本是“洋盾構(gòu)”的天下，中國的企業(yè)只是擔(dān)當(dāng)了“施工隊”與“加工裝配隊”的角色。德國、美國、日本等少數(shù)跨國公司掌握著盾構(gòu)的核心技術(shù)，在我國市場賺取了高額利潤，同時我國重大工程的建設(shè)也長期受制于人。
本世紀(jì)以來，在國家“863”和“973”計劃的支持下，浙江大學(xué)與上海隧道工程股份有限公司、中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司、中國中鐵隧道裝備制造有限公司和杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司等龍頭企業(yè)進(jìn)行了長期穩(wěn)定的產(chǎn)學(xué)研合作，經(jīng)過持續(xù)12年的盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，終于改變了這一局面，實現(xiàn)了“盾構(gòu)中國設(shè)計制造”的跨越發(fā)展。
浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室楊華勇教授說，高校主要做基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的支撐。這樣一個大盾構(gòu)，在設(shè)計中考慮的工具和方法，浙大主要在電液控制系統(tǒng)做得多一點。大學(xué)和企業(yè)，誰也離不開誰，大學(xué)成果的出口是通過企業(yè)，企業(yè)需要新方案，新工具，我們長期穩(wěn)定地合作，不分彼此已經(jīng)十幾年了。
楊華勇教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊主要從事電液驅(qū)動和控制系統(tǒng)的研發(fā)，這是盾構(gòu)的“心臟”，國外技術(shù)封鎖最嚴(yán)重的部分，也是盾構(gòu)隧道工程施工中，出現(xiàn)失穩(wěn)、失準(zhǔn)和失效三大國際難題的根本所在。經(jīng)過基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，項目組發(fā)明了密封艙壓力動態(tài)平衡控制技術(shù)，能實時監(jiān)控盾構(gòu)密封艙的壓力，進(jìn)行多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，始終讓盾構(gòu)在一個安全的狀態(tài)下工作，有效避免了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表的塌陷或隆起，隧道施工的正常掘進(jìn)得到了基本保障。同時，還實現(xiàn)了盾構(gòu)速度的快速掘進(jìn)和姿態(tài)的實時精準(zhǔn)控制。
在中鐵裝備公司，一個個電液控制系統(tǒng)的單元組件正在組裝和反復(fù)調(diào)試，浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室魏建華教授說，控制系統(tǒng)經(jīng)過幾代的升級研究，性能已相當(dāng)不錯。中鐵集團(tuán)在上海的工地用了，速度和姿態(tài)很好，后來在天津的盾構(gòu)中，整個系統(tǒng)都是國產(chǎn)的，目前推進(jìn)系統(tǒng)完全實現(xiàn)了國產(chǎn)，10年時間，達(dá)到大規(guī)模推廣，前面的研發(fā)用了六七年，真正推廣用了三年多。
這些研究成果已用在全國超過四家盾構(gòu)整機(jī)龍頭生產(chǎn)企業(yè)，實現(xiàn)了盾構(gòu)裝備自主設(shè)計和產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)與應(yīng)用，形成了上海、鄭州、重慶、西安等多個盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化基地，打破了“洋盾構(gòu)”一統(tǒng)天下的局面。
中鐵隧道集團(tuán)公司設(shè)計制造的“中國中鐵一號”是我國第一臺自主設(shè)計與制造的復(fù)合式盾構(gòu)樣機(jī)，在天津地鐵3號線營口道—和平站標(biāo)段施工中，它穿越了瓷房子、渤海大樓等對地表變形特別敏感的標(biāo)志性建筑，地表局部變形小于2毫米，地面建筑完好無損，圓滿完成了該標(biāo)段的掘進(jìn)任務(wù)。
在國家泥水盾構(gòu)工程技術(shù)研究中心，綜合模擬試驗臺正在進(jìn)行密封艙荷載測試。浙大作為技術(shù)股東單位參與了研究中心的建設(shè)，高校實驗室產(chǎn)生的新方法、新成果可以先在這里進(jìn)行工程中間試驗。 2009年，上海隧道工程公司和浙大等單位聯(lián)合研制的“進(jìn)越號”泥水盾構(gòu)樣機(jī)直徑達(dá)到11.22米，它按時圓滿完成了上海世博會重大配套工程——打浦路隧道復(fù)線的掘進(jìn)任務(wù)。這臺盾構(gòu)創(chuàng)造了同等直徑泥水盾構(gòu)最小的轉(zhuǎn)彎半徑380米的世界紀(jì)錄。楊華勇說：“在‘十一五’成果11.22米直徑的泥水盾構(gòu)中，我們做了從設(shè)計方案選型到具體的部件研制，早期還有控制方案的討論。具體產(chǎn)品的設(shè)計，就到企業(yè)里來了。”
1月6日，在中鐵隧道裝備公司的車間里，兩臺為馬來西亞吉隆坡的地鐵設(shè)計制造的盾構(gòu)已完成最后測試，正在拆裝打包，準(zhǔn)備發(fā)運。我國自主設(shè)計制造的盾構(gòu)產(chǎn)品已經(jīng)小批量出口新加坡、印度、馬來西亞、泰國和香港等國家與地區(qū)。
在河南鄭州的盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，中鐵隧道和浙大共建了電液控制平臺，用來驗證新技術(shù)的控制可靠性和調(diào)整方向的靈活度。“制造盾構(gòu)，一開始我們最害怕的就是做出來的東西 ‘貌似神不似’。在大學(xué)的幫助下，‘看不見摸不著’的那部分被攻克的時候，我們終于有信心做接下來的事了。”中鐵隧道集團(tuán)有限公司總工程師洪開榮說。
中國中鐵隧道裝備制造有限公司總經(jīng)理韓亞麗說，以前我們從一個施工企業(yè)，轉(zhuǎn)型為制造企業(yè)。08年第一臺復(fù)合盾構(gòu)下線以后，三年多的時間，我們達(dá)到了108臺的訂單，占了40%國內(nèi)市場。在馬來西亞政府采購中，我們和國外知名的企業(yè)PK，業(yè)主一開始看不上我們的產(chǎn)品，我很緊張，沒有底，當(dāng)他在現(xiàn)場看我們陳述的設(shè)計和原理，這些都是大學(xué)給我們提提供的，讓他們建立了充分的信心。
“我們企業(yè)是負(fù)責(zé)產(chǎn)，學(xué)研部分要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論的研究，基礎(chǔ)的設(shè)計方法的研究。”上海隧道工程股份有限公司盾構(gòu)制造分公司總經(jīng)理張閔慶說，“這些方法和設(shè)計對我們具體的單元部件集成和元器件的研制部分起到了很好的作用，支撐了產(chǎn)的部分完成，最終完成產(chǎn)品的全部系統(tǒng)，整機(jī)達(dá)到施工要求。”
由于明顯的技術(shù)和價格優(yōu)勢，我國自主研制的盾構(gòu)迅速占領(lǐng)市場，完成了京、滬、穗、港、新加坡、印度等26 個國內(nèi)外城市300 多個地鐵、公路、鐵路等隧道工程。2011年，我國新增“服役”的盾構(gòu)中有六成以上為本土設(shè)計制造。這些成果的取得與應(yīng)用，使我國進(jìn)入了盾構(gòu)裝備設(shè)計制造先進(jìn)國家行列。
未來十年，我國將新建隧道超過1萬公里，需要新增盾構(gòu)超過1千臺，帶動相關(guān)投資超過1萬億。大學(xué)和企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作還在繼續(xù)“掘進(jìn)”，目前，產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊正在向硬巖和超大直徑掘進(jìn)機(jī)進(jìn)發(fā)，新的機(jī)型將比我國現(xiàn)有盾構(gòu)的產(chǎn)品更大、更長、具有更強(qiáng)的破巖能力，將更多適用于西部多巖地區(qū)的隧道掘進(jìn)。
（文 周煒/攝影 盧紹慶）
