总体设计，全球采购，自主研发，集成创新，你们在全球垄断的盾构机产业里做到这个地步，太了不起了！”4月28日，在实地考察了北京市市政路桥第四建设工程有限公司的盾构机作业现场和研发基地后，全国人大常委会委员、全国劳模许振超对该公司地下工程处经理方依文和他的研发团队竖起了大拇指。
盾构机是目前地下隧道开掘效率最高的系统装备。因为巨大、复杂和精密，业界称之为“地下航母”。它高度集成了控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯信息等技术，是典型的重型机电一体化装备。而方依文总喜欢叫它“大鼹鼠”。
中国各类隧道开掘总里程约为全球的五倍，然而，却没有有效带动国产盾构机的自主研发，大大小小的隧道工地依然是全球盾构机巨头的舞台。
“作为重大装备，盾构机的国产化是具有战略意义的。你们好好总结完善，我一定帮你们推动。”许振超还有一个中国科协常务理事的头衔。这些年，他一直在利用这个特殊身份热心推动许多自主创新项目的技术协作。
从地面到地下，从小到大
其实，方依文团队真正和盾构机打交道迄今不到8年，去年底成功地自主研制出两台盾构机。他告诉记者：“数据表明，这是目前北京地铁工地施工效率最高的两台装备。”
4月15日，记者在北京地铁9号线丰管路工地看到，工人们正在9号线内线安装调试方依文团队最新研制的盾构机。
方依文说，“根据外线设备积累的数据，针对这种特殊地层，我们改变了这台盾构机的刀盘结构，提高了开口率，对各种质地性能的刀头进行了重新排列布置。这样可以不用频繁换刀头，降低成本并提高效率。”
在操控人员控制下，隧道前部的岩石和泥土不断被盾构机头部缓慢旋转的坚硬刀盘切削下来，通过螺旋管道提升至传送带，送往盾构机尾部的出土斗车。与此同时，重达数百公斤，用于支撑隧道洞壁的标准化预制钢筋混凝土管片则被机械手自动抓取，在洞壁上拼装、连接，同时灌浆、密封。当完成一个工作循环后，盾构机以安装好的管壁为支撑，由巨型千斤顶推动掘进。整个作业流程有16道工序，交叉作业，一次完成。
盾构机被业界比喻为“地下航母”，其用途不仅仅是挖掘地铁隧道这样单一，它能广泛用于公路隧道，引水隧洞等工程，北京首都机场就曾用小盾构机挖掘位于机场跑道下方的共同管沟（安装各种线缆）。
开掘地下隧道外径在3米以上的称之为盾构机，北京地铁洞外径一般在6.14米，目前盾构机作业最大外径16米。外径小于3米的掘进装备叫顶管机，作业原理和流程与盾构机相似。
方依文很幸运。1995年，自北京信息科技大学机电一体化专业毕业后，他便拜在时任北京市政路桥四公司总经理关龙门下。关龙是全国劳模、国内顶管机的顶尖专家，上个月刚刚卸任北京市政路桥集团总工程师退休。
“小方可是正经磕过头的徒弟。”关总告诉记者：“他们这个团队的技术能力的起点，就是顶管机。1998年，他们跟着我做污水工程。盾构机这东西说复杂也复杂，但是通过施工检修、持续改进，最后完全可以实现自主研发。改用变频电机，就是小方的主意，这是全世界首创，有效解决了脱困时慢速启动、加大扭矩的技术难题。现在，他们两台全部改用变频电机，整个装备耗电节省60%，效率还高。”
定制化挡住了国产化
近年来，全国地铁、水利工程、过江隧道、地下线缆隧洞等建设工程纷纷上马。遗憾的是，这个大市场并没有为我国盾构机的自主研发带来便利。这种巨大、精密而复杂的工业产品依然是我国制造业的软肋。
“盾构机作业法是日本最先应用的，上世纪六七十年代地铁、共同沟工程大建设时期，其培育了十几家具有国际竞争力的盾构机公司。”北京市盾构机专委会秘书长阮霞称，由于盾构机制造工艺复杂，技术附加值高，欧洲的海瑞克、日本的三菱重工等外资品牌盾构机长期占据着我国95%的市场份额。
关龙告诉记者，“由于盾构机的‘定制化’特点，其制造需要根据不同的地质条件，对盾构机进行不一样的配置，而且自动化、智能化程度非常高，这些核心技术都牢牢掌握在外资企业手里。市场不仅换不来技术，反而使企业沦为外资品牌的组装车间。”
截至2011年，全国约30家盾构机生产厂。阮霞表示，一些本土盾构机厂在拿项目时，采取与海瑞克为代表的外商合作、承接项目，签约的合作主体一般都由海瑞克等外商出面，几乎没有国内地方厂商作为主体的例子。在技术研发、加工工艺等众多核心领域中，国内盾构机企业失去了“参与权”。“由于他们的努力，在很多技术方面都有突破，最早合作的日本公司现在反过头来向小方学习”。
许振超很感慨：“中国装备工业很多瓶颈无法突破，就是设备采购总是倾向于外商，国产装备没有足够试错、改错的机会。这个观念必须改变，招投标市场环境也要改善。”
想要啥自己最清楚
“作为一名盾构机的作业者，我最清楚啥样的地层需要啥样的盾构机。都说国外的机器好，我们一前一后两个标段也都用的是国际知名品牌的盾构机，但是，同样的无水砾石层地层，那两台盾构机都干不了，改用传统方法施工。而我们的机器好使得很。”方依文说。
北京地铁9号线南段，丰台东大街站至七里庄站区间是世界罕见的高难度盾构区段，位于古永定河的冲积扇，地下是坚硬的无水砾石层，卵石含量高达80%，而且最大粒径达到90厘米。方依文说，“这样的地质条件如果采用普通盾构机强行掘进，刀片破损会非常严重，需要频繁更换刀盘影响工程进度，甚至可能因无法推进。换刀头好贵的，一次至少200万元。”
最初，北京市政路桥集团向顶尖的盾构专家和国外知名盾构设备厂家咨询，都拿不出很好的解决方案。方依文团队决定对现有盾构设备进行有针对性的改造，与日本HMI公司联合设计，独立制造部分拥有自主知识产权的盾构机。
方依文将两台盾构机的刀盘改良，双线同时掘进，单日最快掘进速度达到42米，一次掘进550米不用换刀。“受施工条件限制，03标段盾构区间是开工最晚的，却提前一年完成双线洞通，这标志着自主研发的盾构机成功攻克无水大粒径砾石层盾构的世界性难题。”关龙表示。
目前，9号线两台盾构机正在做穿越丰台铁路线的作业准备。方依文告诉记者：“内线的这台准备始发。据我们检测，外线那台已经完成作业量的三分之一，刀头综合磨损不到15%，估计1083米长的标段能一刀到头。全世界任何品牌的盾构机是做不到的。”
截至2010年底，国务院共计批复准许28个国内城市开建地铁，2011年北京地下正有80余台盾构机在6条地铁线路上掘进。专家估计，按照一台盾构机使用寿命为掘进5千米～15千米计算，中国大陆盾构市场每年的需求约80台，每台至少6000万元，再乘以50年，多大的市场。他介绍，此外还有通讯、电力线缆隧洞，地下雨水搜集涵洞，盾构机市场未来大到无法估算。
“如此大的市场，如果培育不起自主的盾构机产业，那我们就太说不过去啦。”方依文说，“未来50年，中国与世界的竞争在地下。我属鼠，愿意当鼹鼠，用自己设计的盾构机挖洞。”
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