在全球隧道建设的宏大舞台上,中国产盾构机正以无可阻挡之势成为主角。如今,中国盾构机已热销海外,出口至全球约 40 个国家和地区 。从亚洲的韩国、印度,到欧洲的意大利、俄罗斯,再到非洲、澳洲等地区,都能看到中国盾构机忙碌作业的身影。
在韩国,2024 年新年伊始,河南郑州中铁装备总装车间一台直径近 10 米、总重约 1250 吨的盾构机,正准备发往韩国。这已是中铁装备出口韩国的第 10 台盾构机,专为当地特殊地质条件设计,可实现全自动化操作和精准掘进。而在俄罗斯,一台 11 米级大直径土压平衡盾构机从长沙铁建重工产业园出发,其小转弯半径设计和耐低温性能,完美契合俄罗斯的施工需求。
不仅如此,中国盾构机在中东地区的沙漠隧道建设、欧洲复杂地质条件下的地铁工程中,都凭借卓越性能和稳定表现,赢得了广泛赞誉。据统计,国产盾构机全球市场份额已接近七成 ,成为全球隧道建设领域不可或缺的 “工程机械之王”。
二、盾构机的前世今生(一)起源与发展盾构机的故事,要从 19 世纪初讲起。1818 年,法国工程师马克・布鲁内尔,从船蛆在木头中钻洞并分泌粘液加固洞穴的现象中获得灵感,提出了盾构掘进隧道的原理,并在英国取得专利 。此后,布鲁内尔不断改进技术,于 1825 年研制出矩形盾构机,首次用于伦敦泰晤士河隧道工程。
然而,首次施工并非一帆风顺,河水倒灌和瓦斯爆炸等问题接踵而至。但布鲁内尔并未放弃,经过 7 年的改进,盾构机性能大幅提升,并于 1843 年成功贯通泰晤士河隧道。这一成果,不仅标志着盾构机首次在大型工程中取得成功,也为后续盾构技术的发展奠定了基础。
19 世纪末 20 世纪初,盾构机开始在全球范围内得到应用。1887 年,英国工程师格雷特海德在南伦敦铁路隧道施工中,成功使用圆形盾构和压气组合工法,进一步完善了盾构技术。此后,盾构机逐渐传入美国、法国、德国、日本等国家,并在这些国家的隧道建设中发挥了重要作用。
在随后的发展中,盾构机技术不断革新。20 世纪 70 年代,针对松软含水地层中盾构机施工引起的地表沉陷问题,日本研制出土压平衡式盾构机,德国则推出泥水式平衡盾构机,这两种机型的出现,让盾构机技术实现了质的飞跃。到了 20 世纪末,盾构机已广泛应用于全球各地的地铁、铁路、公路、水利等隧道工程建设中,成为隧道施工领域不可或缺的重要装备。
(二)中国盾构机的追赶之路与国外盾构机的发展历程相比,中国盾构机的起步较晚。20 世纪 50 年代,中国才开始在一些小型工程中尝试使用盾构机,且技术水平相对落后。直至 90 年代,随着国内基础设施建设的加速,对盾构机的需求急剧增加,中国不得不从国外大量进口盾构机。
1996 年底,为修建西康铁路秦岭隧道,中国从德国购入两台盾构机,花费高达 7 亿元。可外方在技术上的垄断和傲慢态度,让中国工程界深感屈辱。不仅盾构机价格高昂,毫无议价空间,维修保养时也不许中方人员参与,严重影响工程进度。这些经历让中国深刻认识到,必须掌握盾构机的核心技术,实现自主研发。
2002 年,盾构机研发被列入国家 “863 计划”,中铁隧道集团等企业肩负起自主研发的重任。在技术封锁的困境下,中国科研人员踏上了艰难的探索之路。他们日夜攻关,面对盾构机涉及的机械、力学、液压、电气等数十个领域的复杂技术问题,毫不退缩。仅在刀盘刀具问题的研究上,科研人员就耗时近 5 年 。
功夫不负有心人,2008 年,中国首台具有自主知识产权的复合式盾构机 “中国中铁 1 号” 成功下线,并应用于天津地铁项目。这一成果,标志着中国盾构机从 “用盾构” 到 “造盾构” 的重大转变,开启了中国盾构机产业的新篇章。
此后,中国盾构机技术发展驶入快车道。2013 年,超大断面矩形盾构机研制成功;2016 年,世界最小直径 3.5 米硬岩盾构机、马蹄形盾构机相继问世。中国盾构机在大直径、异形断面、复杂地质适应性等方面不断取得突破,技术水平逐渐达到国际领先。
三、热销背后的核心密码(一)技术创新,突破壁垒中国盾构机热销海外的背后,是持续不断的技术创新。近年来,中国盾构机在智能化、环保节能、超大直径等方面取得了众多成果。
在智能化领域,中铁十四局和铁建重工联合打造的 “领航号” 盾构机,是全球首台应用智能融合感知系统的盾构机,它拥有能智能分析、自主判断的 “超级大脑”。该盾构机可对 2000 多个数据进行实时采集与分析,提前感知刀具磨损、渣土改良效果等情况,实现 “有人值守、无人操作” 的智能掘进 。在沪渝蓉高铁崇太长江隧道施工中,“领航号” 凭借其智能化技术,成功穿越复杂地层,大幅提升了施工效率与安全性。
环保节能方面,中车株洲电机公司研制的永磁同步电机,作为盾构机的 “永磁动力”,节能效果显著。这款电机效率比普通电机高出 10%,每小时可省电 100 千瓦时,且更适应盾构机多电机协同工作模式 。全球首台采用永磁电机驱动的盾构机在武汉地铁 27 号线成功始发,标志着中国在盾构机节能技术上处于行业领先。
超大直径盾构机的研发,也是中国盾构机技术的一大亮点。2023 年 10 月 31 日,我国自主研制的最大开挖直径达 16.64 米的 “江海号” 盾构机下线,将用于世界最长公路水下盾构隧道 —— 海太长江隧道施工。“江海号” 针对工程中的高水压、大埋深、复杂地质等难题,在刀盘刀具、主驱动等关键部件上进行创新设计,配置了常压换刀功能的软土刀盘、合金大且硬度高的切削刀具,以及主驱动伸缩功能和状态监测系统等,有效解决了超大直径盾构机在施工中的诸多世界级难题 。
(二)定制服务,精准适配不同国家和地区的地质条件、工程需求千差万别,中国企业深谙这一点,为客户提供个性化的盾构机定制方案。
在新加坡地铁建设中,由于当地地下水位高、地质松软,对盾构机的防渗漏和稳定性要求极高。中国企业专门研发了适用于新加坡地质的盾构机,采用特殊的盾尾密封技术和高精度的导向系统,确保盾构机在施工过程中不会出现渗漏现象,且能精准掘进,满足了新加坡地铁工程的严格要求。
而在印度孟买的地铁项目中,考虑到当地人口密集、施工场地狭窄等特点,中国企业设计了小型化、高灵活性的盾构机。这种盾构机占地面积小,便于在狭窄场地内组装和拆卸,同时具备高效的掘进能力,能在复杂的城市环境中快速施工,减少对周边居民生活的影响。
中国企业还会根据客户的特殊需求,对盾构机的功能进行定制。例如,为满足某些项目对隧道内壁平整度的特殊要求,中国企业研发了具有高精度衬砌拼装系统的盾构机,可使隧道衬砌的拼接误差控制在极小范围内,提高了隧道的质量和稳定性。
(三)性价比优势,经济之选价格,是中国盾构机在海外市场竞争中的一大有力武器。相比国外同类产品,中国盾构机在保证质量的前提下,价格优势明显。
一般来说,国外知名品牌的盾构机价格动辄数千万美元,而中国同类型号的盾构机价格往往只有其一半甚至更低。如德国制造的某大型盾构机售价高达 3.5 亿元人民币,而中国自主研发的类似规格盾构机平均售价仅 3000 万元人民币 。这一巨大的价格差距,让许多国家尤其是发展中国家在选择盾构机时,更倾向于中国产品。
中国盾构机价格优势的背后,是完善的产业链和规模化生产带来的成本控制。经过多年发展,中国已形成了从盾构机设计、零部件制造到整机装配的完整产业链,关键零部件的国产化率大幅提高,减少了对进口的依赖,降低了采购成本。同时,随着国内基础设施建设的大规模开展,盾构机的市场需求旺盛,企业通过规模化生产,进一步降低了单台设备的制造成本。
在保证价格优势的同时,中国盾构机的质量也毫不逊色。通过严格的质量管控体系和不断的技术创新,中国盾构机在性能、可靠性等方面已达到国际先进水平,能够满足各类复杂工程的施工需求。在众多海外项目中,中国盾构机凭借稳定的质量和出色的表现,赢得了客户的高度认可,树立了良好的口碑。
四、海外市场的经典案例(一)欧洲:法国地铁项目的 “中国力量”2023 年,两台由中铁工程装备集团研制的直径 9.86 米土压平衡盾构机,从郑州出发,奔赴法国巴黎,参与巴黎地铁 16 号线 2 标隧道建设 。这一项目意义非凡,巴黎地铁向来以高标准、高要求著称,能参与其中,是中国盾构机技术实力的有力证明。
巴黎地铁 16 号线 2 标隧道全长 11.1 公里,最小转弯半径为 600 米,埋深 8 - 52 米,最大水压约 5 兆帕,穿越的地层复杂多样,包括粒状石膏层、粉质粘土、石膏泥灰层、石灰岩层、砂层等。面对如此复杂的地质条件,中国企业并未退缩。中铁装备针对项目特点,精心设计、精益制造,通过优化刀盘刀具配置,使其能更好地适应不同地层的掘进需求;采用先进的盾尾密封技术,有效防止了地下水渗漏。
在施工过程中,中国盾构机展现出了卓越的性能。其稳定的掘进速度和高精度的导向系统,确保了隧道的精准开挖,减少了对周边环境的影响。同时,中国企业还为项目提供了全方位的技术支持和售后服务,派遣专业技术人员常驻现场,及时解决施工中出现的问题。经过不懈努力,中国盾构机顺利完成了掘进任务,赢得了法国客户的高度赞誉,为中国盾构机在欧洲市场树立了良好的口碑。
(二)亚洲:新加坡地铁的 “中国速度”在亚洲,新加坡地铁建设对盾构机的需求也十分迫切。由于新加坡地处热带,地下水位高,地质条件复杂,对盾构机的技术要求极高。中国盾构机凭借其出色的性能和适应性,在新加坡地铁建设中发挥了关键作用。
多年来,中国已向新加坡市场提供盾构设备 30 余台,市场占有率超 50% ,服务于 10 多个基础轨道交通项目建设。在新加坡跨岛地铁线一期工程中,一台开挖直径 7.25 米的国产盾构机大显身手。该盾构机针对当地地质特点进行了特殊设计,采用了先进的防渗漏技术和高效的渣土处理系统,有效解决了地下水位高和渣土运输难题。
在施工过程中,盾构机的掘进速度令人惊叹。它以每天数米的速度稳步推进,且施工质量严格可控。通过精准的导向系统和自动化控制系统,确保了隧道的开挖精度和衬砌质量,大大缩短了施工周期。中国盾构机的高效施工,为新加坡地铁建设节省了大量时间和成本,助力新加坡快速构建起便捷的地铁网络,赢得了新加坡政府和民众的广泛认可。
(三)澳洲:水电站项目的 “中国方案”澳大利亚雪山 2.0 水电站项目,是澳大利亚重要的能源基础设施建设项目。该项目规模宏大,地质条件复杂,对施工设备的要求极高。中国中铁装备集团研制的 11.09 米硬岩 TBM(“中铁 783 号”)成功中标该项目,为项目建设提供了强有力的技术支持。
“中铁 783 号” 针对雪山 2.0 水电站项目的地质特点,采用了重载硬岩刀盘、盾体反扭装置、反坡排水系统等针对性设计。在施工过程中,它充分发挥了硬岩掘进的优势,面对坚硬的岩石地层,毫不退缩,以稳定的掘进速度和高效的破岩能力,顺利推进隧道施工。
“中铁 783 号” 的应用,不仅提高了施工效率,还降低了施工成本。它的出色表现,得到了澳大利亚项目方的高度评价,为中国盾构机在澳洲市场赢得了声誉。该项目的成功实施,也为中国盾构机在国际大型水利水电项目中的应用积累了宝贵经验,进一步推动了中国盾构机技术在全球的推广和应用。
五、“中国盾构” 的未来蓝图(一)技术展望:持续创新,引领未来展望未来,中国盾构机将在智能化、无人化、绿色化等前沿领域持续发力。在智能化方面,盾构机将配备更先进的传感器和人工智能算法,实现对施工过程的全方位实时监测与精准控制。例如,通过对地层数据的深度分析,盾构机能够自动调整掘进参数,确保施工的高效与安全。
无人化施工也将成为未来发展的重要方向。随着 5G 技术和远程控制技术的不断进步,操作人员可以在远离施工现场的控制中心,对盾构机进行远程操控,实现真正意义上的无人作业,这不仅能降低施工风险,还能提高作业效率 。
绿色化方面,中国盾构机将更加注重节能减排,采用新型环保材料和节能技术,降低施工过程中的能源消耗和环境污染。同时,在盾构机的设计和制造过程中,也将充分考虑资源的回收利用,实现可持续发展。
(二)市场拓展:“一带一路”,互联互通“一带一路” 倡议的深入推进,为中国盾构机的海外市场拓展提供了广阔空间。沿线国家基础设施建设需求旺盛,众多铁路、公路、隧道等项目纷纷上马,这为中国盾构机企业带来了前所未有的机遇。
中国盾构机凭借其卓越的性能、合理的价格和优质的服务,在 “一带一路” 沿线国家的基础设施建设中发挥着越来越重要的作用。未来,中国盾构机企业将进一步加强与沿线国家的合作,积极参与当地的重大项目建设,为推动区域互联互通贡献中国力量。同时,通过技术输出和本地化生产,中国盾构机将更好地融入当地市场,实现互利共赢的发展局面。