解密国家科技进步奖项目——“异形隧道掘进机”
(应用于蒙华铁路白城隧道的世界首台马蹄形掘进机。资料图片)
2019新年伊始，中国科技界的至高荣誉——国家科学技术奖在万众期待中揭开神秘面纱，本年度共有278个项目和7名科技专家得享殊荣。在这些灿若星辰的重大科技成果中，中铁工业总经理李建斌带领团队完成的“异形全断面隧道掘进机设计制造关键技术及应用”占有一席之地，一举荣获国家科学技术进步奖二等奖。
与很多获奖项目一样，“异形隧道掘进机”涉及了基础科学与产业技术的多个方面，影响了国民经济和社会发展的多个领域，但是其自身又带有“神秘”气质，不为普通人所知。对此，记者通过对团队核心成员的采访，力图解密这一“不明觉厉”的项目。
异形掘进机的前世今生
火车隧道、地铁隧道、海底隧道、矿山隧道……我们的生活中处处可见隧道，可隧道是怎么开挖的呢？开挖隧道离不开掘进机，最常见的掘进机都是圆形的。如果施工遇到闹市区下穿隧道或是地铁出入口，受覆土厚度所限，“常规武器”圆形掘进机不便施展拳脚。2012年，郑州在市区建设下穿隧道时便遭遇了这一问题，当时除了对道路“开膛破肚”外，近乎无解。要在闹市实施“开膛破肚”，需要占用场地进行围蔽，会造成交通拥堵、环境污染等一系列问题。
可不可以自主研发一种矩形掘进机？中铁工业旗下的中铁装备公司驻地在郑州。市场的倒逼，让时任中铁装备董事长的李建斌灵感迸发。“矩形掘进机是异形掘进机的一种，顾名思义，即开挖断面为矩形，其断面利用率大、覆土浅、施工成本低，比圆形掘进可提升空间利用率高达20%。”李建斌向记者解释，“如果说圆形掘进机是深埋地下的、适合长距离掘进的‘巨无霸’，那么异形掘进机就是埋深相对较浅的、短程掘进的‘小快灵’。如果把明挖式的隧道建设比作“开膛破肚”的外科手术，那么异形掘进技术就是“微创手术”。它对周边干扰小、施工成本低，更绿色、更环保，尤其在地下空间饱和的现在，异形掘进技术断面利用率大的优势十分突出。”
艰难困苦，玉汝于成。2012年的最后一天，郑州市决定在中州大道下穿隧道中采用矩形掘进机方案。2013年12月，世界上最大断面的矩形掘进机在中铁工业成功下线。2014年8月，中州大道顺利贯通，拥有自主知识产权的国产矩形掘进机先试先行成功。
“好的产品自己会说话。”该项目设计成员范磊说，由于矩形掘进机表现良好，为城市下穿隧道施工提供了全新的解决方案，被业界亲切称为“治堵利器”。它不仅吸引了国内十余个城市的市政公司参观考察，就连新加坡、以色列等海外客户也纷至沓来。2015年10月，出口新加坡的矩形盾构机在郑州下线，开创了我国矩形盾构机出口海外的先河，成为国产高端装备“走出去”的一个缩影。
如今，中铁工业“异形掘进机大家庭”已经包含了矩形、马蹄形、U形等多个品种。2016年7月，全球首台马蹄形掘进机在中国工业面世。这台设备为蒙华铁路白城隧道量身定做，刀盘呈倒“U”形，远观形似马蹄。马蹄形掘进工法在铁路山岭软土隧道领域首次运用，它能够最大程度提高隧道空间利用率，较圆形截面减少10%～15%的开挖面积。2017年6月，U形掘进机在中铁工业新乡基地下线，开创了地下综合管廊施工新工法。与传统工法相比，其机械化程度、安全性能更高，成本低，速度快，施工范围小，不用放坡，出渣少，噪音振动小，对周边环境的影响也更小。“以100米综合管廊的建设为例，传统工法需要30个工人施工一个月左右才能完成，而使用U型盾构综合管廊施工法仅需七八个工人，十几天就能完成工程，而且可以节约成本20-40%。”李建斌告诉记者。异形掘进机的异军突起，已经成为中铁工业一张闪亮的创新名片。
（应用于海口地下管廊项目的U形掘进机。资料图片）
重大科技成果绝非朝夕之功
“科学研究有自身的规律，需要长期积累、坚持不懈，重大科技成果的出现也绝非朝夕之功。”李建斌说。
做第一个吃螃蟹的人是令人钦佩的。在当时的国内，矩形掘进机仅在少数城市有施工案例，最大的断面也不过6m×4m，而中铁工业拿下的这个项目最大断面达到了10m×7m。不仅如此，隧道顶层覆土仅有3m，为国内最浅，还要下穿一根DN600污水管，复杂的施工条件对机器提出了极高的要求。
一开始就遇到一块“硬骨头”，研发团队每个人心里都承受着巨大的压力。基于多年积淀的技术自信和团队默契，大家认真投入到研发工作。边学习，边消化，边设计，边优化，仅刀盘布置方案就多达12个，向业主汇报20余次。学习、设计、评审、修改、再学习……日子就在这种枯燥又孤独的循环中前进着。在那段日子里，团队成员贾连辉经常会做同一个梦，梦见矩形掘进机开始成功掘进，成绩喜人。巨大的喜悦将他从梦中惊醒，睁眼看看才是半夜，想到初步方案还有很多地方需要改进，贾连辉睡意全无。无数个日夜，他们就在这种期望的喜悦和现实的压力反差中度过。
举凡新事物的诞生总会伴随着很多质疑。国产异性掘进机横空出世，很多人本能的反应就是怀疑，担心设备表现不好，甚至拒绝向外宣传该项目。矩形掘进机掘进的日子里，研发团队所有成员全部上阵，白天蹲点，晚上待命，遇到问题无条件赶到现场处理，确保掘进现场万无一失。
正如罗马不是一天建成的，每一个获奖项目背后都凝聚了科研人员多年的心血。据统计，2018年度国家科技奖获奖项目从立项到成果发表或应用平均时间为11年，其中，近一成的项目经历了超过20年的攻关和积累。
科技创新为企业发展提供“掘进力”
在国家科技奖励大会的颁奖台上，像中铁工业这样的企业正逐步成长为创新的中坚力量。数据显示，近年授予的科技进步奖通用项目中，企业参与完成的项目都保持在75%以上，牵头完成的达35%以上。
据中铁工业科技部部长赵振威介绍，近年来，中铁工业积极推动企业转型升级，在河南新乡打造目前国内最大的异形掘进机生产基地，做服务型制造企业，以新工法创造新市场，开发新产品满足国内建设市场需求。同时，中铁工业实现了异形掘进机产业化、品牌化，其自主研制的异形掘进机系列包括矩形掘进机、马蹄形掘进机、U形掘进机等，形成了系统化的设计制造方法与技术，掌握了浅覆土施工技术、多刀盘低扰动技术、异形管片拼装技术，这些都是领先世界水平。
作为中国高端装备制造业的引领者，迄今为止，中铁工业累计荣获国家科技进步和发明奖15项，其中特等奖2项、一等奖8项。这些奖项覆盖了隧道施工设备、高速铁路道岔、桥梁钢结构制造等公司所有主营业务板块。科技创新为企业发展提供了绵绵不绝的“掘进力”，从而保证了中铁工业在各主营业务板块都处于世界领先地位。
“异形掘进项目能够登上我国科技界最高领奖台，说明我国异形掘进产业开始走向成熟，进入新的历史阶段，为未来产业的发展奠定了基础。”李建斌说。未来，中铁工业还将继续加大科研力度，提高创新质量，通过“精准创新”，助推产业升级，打造出更多的“中国名片”，为世界提供更多的“中国方案”。
