这么自信？工人敢坐在盾构机上喝咖啡

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顶端新闻·河南商报首席记者 郭丁然/文 记者 时硕 张舵 /影像

在盾构机上喝咖啡?这并不是异想天开，而是工人敢坐中国工程师技术自信的体现。

盾构机是盾构现代化基础设施建设中重要的重型装备，在隧道等施工中可以发挥重要作用。机上但长期以来，喝咖盾构机技术被国外垄断，自信国内许多重要工程需要高价从国外进口盾构机。工人敢坐

直至2008年，盾构中铁装备打破了国外垄断，机上中国首台具有自主知识产权的喝咖复合式盾构机在河南下线。而后，自信中国盾构机进入到从无到有，工人敢坐从有到强的盾构发展快车道，也使盾构机成为了河南的机上一张名片。

2016年，喝咖他们研发出了世界首台马蹄形盾构机，收获得了国际隧道领域的最高奖项，也被评为了河南十大科技创新成果。

这台“钢铁巨兽”不仅施工效率高，还改进了施工环境。工人可以在坐在空调间里操作，还能从容地喝着“盾构咖啡”。

打破垄断，造出第一台国产盾构机

“加压测试……好!停!……”

2022年9月15日，中铁工程装备集团有限公司(以下简称“中铁装备”)的车间里，一台约3层楼高的白色盾构机正在进行调试。现场工作人员一边与同事协作，一边与海外客户进行视频通话。

这是即将出口到土耳其的盾构机，因为疫情原因，技术人员正在通过视频方式给对方展示机器性能，进行线上验收。把盾构机卖到国外，已经成为了这里的家常便饭。

盾构机是一种先进的地下隧道施工设备，学名叫全断面隧道掘进机。顾名思义盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，其涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术。

它可在不影响地面状况的条件下作业，大大提高了施工效率并降低了施工成本。在城市地下轨道交通、公路铁路隧道、过江跨海隧道和水电工程隧道等施工中有着广泛用途。但由于盾构机制造工艺复杂，此前，其核心技术长期被德国、法国、加拿大、日本等少数国家垄断，且价格十分高昂。

国内首台自主知识产权的复合式盾构机 受访者供图

2008年，中铁装备联合国内高校、业内专家经过6年不懈创新研发，成功研制出中国首台具有自主知识产权的复合式盾构机，这台盾构机直径6.3米，填补了我国在该领域的一项空白。

此后，中铁装备的盾构机不仅在国内各大工程中发挥了巨大作用，还出口到韩国、法国、意大利、以色列等国。

数据显示，到2021年底，中铁装备盾构机产销量已连续5年世界第一。

世界之最的盾构机，攻克3大难题

自此，从无到有、从有到精，国内盾构机产业踏上了研发的快车道。

世界首台马蹄形盾构机——蒙华号 受访者供图

2016年底，中铁装备成功研发了世界首台马蹄形盾构机——蒙华号，填补了世界马蹄形盾构机的空白。该盾构机的断面尺寸为11.9米×10.95米，整机长度112米，重1300吨。被成功应用于蒙华铁路(也称“浩吉铁路” ，连接内蒙古浩勒报吉与江西吉安)白城隧道项目。这个家伙，最近也被列为河南十大科技创新成果。

蒙华号在施工现场 受访者供图

为啥要研发马蹄形盾构机?因为铁路、多车道公路、双线地铁等隧道的横切面其实就是一个马蹄形(即上面圆，下面宽大扁平)。相比传统圆形盾构机，马蹄形盾构机施工完毕后，隧道底面平整，不用二次回填，隧道空间利用率提升15%。相比传统施工法，施工效率提升5倍。

从圆形变换为马蹄形，看似简单，其中要克服诸多技术难题。并且这属于全世界空白领域，没有技术可以借鉴参考。如何实现断面开挖、如何进行姿态控制、如何完成管片拼装，没有设计参照，类似案例非常少，研发难度超出预期。

“马蹄形盾构机主要实现了：多刀盘协同开挖、多曲率管片拼装、多维度位姿监测三大核心技术突破。”中铁装备技术中心副主任、掘进机研究院院长贺飞向顶端新闻记者介绍。

“传统盾构机大多是单刀盘，后面通过一个大轴承来驱动。马蹄形盾构机创新性地采用了多刀盘结构。”参与马蹄形盾构机研发的中铁装备掘进机院特种装备分院工程师董艳萍解释，这样做不仅解决了马蹄形断面的开挖覆盖问题、同时也降低了设备成本。“因为传统大刀盘的主轴承一个就要上千万，而换成多刀盘使用的组合轴承价格才几百万。”

说到多曲率管片铺设，先要给大家科普一下。我们在网上看到的盾构机其实只是它的头部，完整的盾构机像一条长长的巨龙。工作时，前面的刀盘不断旋转掘进，挖掘的废渣有传送带不断运出隧道。同时，后面的管片铺设模块，将支撑洞壁的管片一片片像拼图一样拼装起来。也就是说盾构机所到之处，挖掘+管片铺设“一体成型”。

传统的圆形盾构机每片管壁曲率半径都完全一样，而马蹄形盾构机的管壁则面临不同形状、不同曲率。“一片管片重达10吨，要让机械臂实现精准牢固的抓取，需要在有限的空间里，为管片拼装机添加抓取和收紧曲率自适应调整的自由度。”董艳萍介绍。

此外，由于马蹄形盾构机形状特殊，相较以往圆形盾构机只需保持掘进中轴线不偏移来说，还需要保证不发生“旋转”偏移，这就要突破多维度姿态监测的难关。最终，科研人员实现了让1300吨的大家伙的作业误差在±10mm之内。

“技术攻关期间，加班到11点是家常便饭，有时候白天一直没想明白的技术难题，晚上睡觉前还会一直想，突然有灵感了，就赶紧起来记下来。”董艳萍说。

人性化设计，盾构机上喝咖啡

在大部分人的印象中，山岭隧道施工肯定噪音刺耳、粉尘充斥、气味熏鼻，甚至还夹杂着爆破的火药味。

蒙华号上工程师边喝咖啡边进行技术交流 受访者供图

然而，在马蹄形盾构机开挖时，工人不仅可以在坐在空调间里操作盾构机，甚至还能从容地喝着“盾构咖啡”。

“在隧道中作业，工程技术人员压力大，因此我们在马蹄形盾构机上为他们留出了休息平台，打造了盾构咖啡文化。他们在这里可以喝咖啡，看图纸，在更轻松的环境下讨论技术问题。这也是技术以人为本的体现。”掘进机研究院院长贺飞向顶端新闻记者介绍。

蒙华号上的休息空间 受访者供图

顶端新闻记者在视频资料上看到，马蹄形盾构机的后部约三层楼的位置有一个开放平台，摆着几张桌子，平台顶部是已经铺设好的管片。这里就是工程人员体验“盾构咖啡”地方，而此后的盾构机上也都设计了这样人性化的休闲区域。

这些看似不起眼的小细节，都展现着我国盾构技术的巨大进步和自信。

这台马蹄形盾构机的设计也得到了国际专业机构的认可。2018年度国际隧道协会(ITA)工程奖项揭晓，由中铁工程装备集团自主研制的世界首台马蹄形盾构机施工的白城隧道荣获“国际隧道协会2018年度技术创新项目奖”。

国际隧道协会(ITA)成立于1974年，总部设在瑞士洛桑，是世界上具有影响力的学术组织之一。从2015年开始，ITA每年组织一次国际杰出工程和技术评选活动。这个奖项是国际隧道界最高奖，也被誉为隧道装备领域的奥斯卡奖。

进入局部研发“无人区”，挑战更多应用场景

在国内，行业内将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机，将用于岩石等硬地层的称为TBM(硬岩掘进机)。中铁装备不仅在盾构机领域处于行业领先地位，在TBM领域也在不断突破。

国内首台大倾角斜井TBM“中铁1158号” 受访者供图

“以前我们是站在巨人的肩膀上，如今我们局部技术已经进入了研发‘无人区’，没有行业参考，容易干的工程都干完了，后面都是难干的工程，全部要自我革命、自主创新。”贺飞说。

2022年8月，国内首台大倾角斜井TBM“中铁1158号”在中铁装备顺利下线。这是国内首台大倾角(39度向上)斜井TBM，也是应用于39度及以上坡度的世界最大直径TBM(直径7.23米)。它将应用于河南省装机容量最大的抽水蓄能电站——国网新源河南洛宁抽水蓄能电站引水斜井工程，填补了我国大倾角斜井施工建设领域的技术空白，也为推动抽水蓄能电站工程建设模式转型升级注入新动力。

针对该项目大倾角设备下溜、出渣堵渣、材料运输、流体液压容器自适应等技术难题，中铁装备设计研发团队历时两年时间进行设计研发，对上百个风险源进行排查，对32个系统做了重大调整及重新设计，首次搭载可有效防止千吨级设备下溜的双重防溜车(ABS)、尾部自动安全门、大倾角有轨物料运输等创新技术。

在贺飞看来，未来隧道掘进机领域将朝向扩展应用场景、提升产品智能化、提升应对极端环境能力、核心部件国产化、设备体型两极化等方向个方向发展。

“我们计划隧道掘进机扩展应用到煤矿、非煤矿开采或海工等更多领域。还要不断突破高原高寒复杂工程地质环境、从地面向下掘进连续小转弯等极端环境的应用。在开挖方面，我们已经成功采用了高压水辅助破岩等创新方式，还将探索激光、高压风等更先进的模式，提高掘进效率。”他说。“此外，我们的设备向小、大直径两极化，从单一模式向多模式，从横向多维模式掘进(竖井、斜井)，从信息化向智能化、无人化等发展。”