搬山卸岭、填海造陆！从挖泥船到盾构机，看中国高端特种设备的国产替代

2024-04-16 10:04

在贸易高度全球化的今天，海运成了国际贸易的一条重要通路，但其与公路、空运有着本质区别的点在于，世界上绝大多数水体都是自然形成的，因此在通过海运进行贸易之前就必须先确保航道通畅。

尤其是对于我国而言，两大水体长江、黄河分别位列世界河流含沙量第四位与第一位，每年有大量的泥沙堆积在入海口。大量的泥沙堆积不仅造就了中国第三大岛屿崇明岛，还堆积起了一道拦门沙。拦门沙拦住的便是世界第一大港口上海港的交易航路。

以目前长江的含沙量计算，每年将在入海口堆积大约6000万立方米的泥沙，相当于64个水立方。如不解决疏浚问题，世界第一大港上海港将成为名副其实的花瓶港口，而要疏浚巷道，建立港口，挖泥船就是必不可少的一项装备，可以说挖泥船的自主国产是保证中国航运安全和商贸港口经济活力的一个重要基础。

除此之外，作为一种工程船，挖泥船不仅可以清理拦门沙，还可以将多余泥沙填海造岛，其不仅是航运畅通和港口经济发展的保障，也是我国沿海国防安全的一个极其重要的助力。

以我国南海为例，自20世纪70年代以来，南海海域发现了大量的油气资源，但由于当时我国海军和空军很难实现对所有岛礁24小时的全域覆盖，大量南海岛礁被东南亚国家非法侵占，这使我国南海战略陷入不利局面。这些岛礁面积小，且往往因为潮汐起落无法始终保持在水面以上，十分不利于戍边部队镇守。而挖泥船则可以以天然岛礁为基础，填海造岛，建造适合人类居住生存的人造岛屿。

2013年，国产挖泥船“天鲸号”就在南沙作业超过200天，接连打造了美济岛、渚碧岛、永暑岛、华阳岛、南薰岛、东门岛、赤瓜岛、永兴岛共8座人造岛屿。由于岛屿的形状酷似航空母舰，因此也被网友们称为“永不沉没的航空母舰”。

外媒曾经多次报道认为巨型挖泥船带领中国船队在南沙群岛的填海造岛，成为中国海军远海能力的一项重要保障，从事实上改变了整个南海自二战以后的战略格局，是中国基建领域又一个“瑞士军刀”式的趁手工具。

从上海港到中国南海，巨型挖泥船也因其能改变自然地理条件的能力，而被戏称为“地图编辑器”。无论从经济层面还是军事国防层面来看，挖泥船的自主研发都是中国必将走上的一条道路。

中国如何布局自己的绞吸式挖泥船

虽然今天中国的“地图编辑器”已经有了举世瞩目的成就，但在2006年以前，中国大中型挖泥船还基本依赖进口，国际疏浚市场长期被荷兰、比利时等国的四大疏浚公司占据，大型挖泥船技术被国外垄断，美国甚至把挖泥船列为军方控制的范围，以便对中国施行技术封锁。整个亚洲、非洲的国家在疏浚行业都毫无话语权可言，更不要提将其用于填海造岛这种国防领域。

1966年，为了建设天津新港，国家曾经特批了170万英镑，从荷兰买回一艘技术已经过时了的耙吸式挖泥船，价值约等于4吨黄金。到了1985年，中国又高价从日本进口过一艘绞吸式挖泥船。虽然这艘挖泥船每小时只能挖2500立方米，从量级上来说只能算是一艘中型挖泥船，却也已经是当时中国所有挖泥船中最先进的一艘。

天津港（资料图片）图源：新华社

中国开启自主研发挖泥船的进程，始于2000年前后。当时长江口的航道疏浚工作需要大型挖泥船，买新的太贵，且等待时间太长。上海航道局领导层基于成本和时间的考虑，打算采用国内外联合设计、国内建造、关键设备引进的稳妥建造模式。但在与外方洽谈的过程中，外商倚仗自己在疏浚行业的龙头地位，提出所有疏浚设备必须由他们供货，否则不同意提供基本设计的霸王条款，最终双方未能达成一致。而后，上海航道局定下了著名的“货改耙”方案，决定将一艘万吨级散装旧货轮，改造为1.2万立方米的自航耙吸式挖泥船。

2001年，中国船舶集团708研究所副总工程师费龙带着设计团队，开启了大型挖泥船“国轮国造”的历程，进行了大量的技术攻关和技术创新，如肥大船型线型开发，“一拖三”复合驱动技术，双轴发主电站，PMS功率管理系统，集成控制综合平台系统，高效主动耙头，溢流、消能新技术，预卸泥门、大型锥形泥门等疏浚设备的研发等。10个月后，作为长江口疏浚的主力施工船“新海象号”完工亮相，成为中国当时最大的挖泥船。

2002年，上海交通大学在中国交通建设集团、交通运输部长江航道局、中铁建港航局集团和其他大型疏浚企业的支持下，开始了大型绞吸式挖泥船设计技术的研究，以及专用疏浚设备的开发。上海交通大学也因此被称为“绞吸式挖泥船世家”。

2006年，前身曾是海河工程局发展而来的中交集团天津航道局，作为中国第一家专业疏浚机构，主导建造了3000立方米/时规格的绞吸式挖泥船“天狮号”。这是我国第一艘具有完全自主知识产权的挖泥船。随着它在南通港闸船厂顺利下水，我国大型挖泥船事业正式起步。

2010年，由上海交通大学与德国VOSTA LMG公司共同设计、招商局重工负责建造的挖掘效率为4500立方米/时的挖泥船“天鲸号”亮相。“天鲸号”装机功率、疏浚能力均居亚洲第一、世界第三。

2016年初，亚洲最大的重型自航绞吸船“天鲲号”的建造正式开工。

“天鲲号”船长140米，型宽27.8米，型深9米，设计吃水6.5米，总装机功率25843千瓦，设计每小时挖泥6000立方米，绞刀额定功率6600千瓦，配置有通用、黏土、挖岩及重型挖岩4种不同类型的绞刀，这意味着它不仅可以挖泥挖沙，就是50兆帕强度的风化岩石、珊瑚礁挖起来也会很轻松。同时“天鲲号”具有6.5米到35米的挖掘深度：浅挖时，提升桥架；深挖时，通过桥架转换加大挖深。这个设计理念是在挖泥船领域从未有过的，但实际建造难度也是呈几何级数增加的。

绞吸挖泥船的核心是绞刀，承载它的叫桥架。“天鲲号”桥架里面搭载了绞刀以及各种电机设备，总重量达1600吨，高度相当于14层楼高。

很难想象，这个1600吨重的桥架嵌入挖泥船船体时只允许有13毫米的安装间隙，这对桥架与船体的制作精度提出了极高的要求。船体和桥架由于体积过于庞大，都是露天制造的，白天作业时一面有阳光，一面没有，导致船体与桥架两侧的材料温度不同，由此产生的形变难以避免，如果正常建造，势必会导致最后的成品因精度不达标而报废。为了对抗白天光照不均匀的影响，找到钢板最稳定、最适合作业的时间段，工程团队对钢板采用了24小时跟踪测量，最后发现晚上某段特定时间钢材的变化最小、最稳定，于是工人们每天工作的时间就从深夜开始，持续了两个多月。

图源：国务院国有资产监督管理委员会新闻中心

“天鲲号”采取分段建设再拼装的制作工艺，全船共分成96段建设，最终的分段误差只有±2毫米，桥架的拼接误差只有±1毫米。而一般船舶的建造拼接误差是±4～6毫米。这个庞然大物造成之后，最终要与船体连接。常规挖泥船桥架与船体的连接处就是一副水平绞合点，而“天鲲号”设计了上下两副水平的绞合点。桥架与船体的连接处，共有12个绞点：船体6个，桥架6个。连接点的轴孔与轴必须严丝合缝，不能产生空隙。空隙太大，就会产生振动，加快轴和套之间的磨损，对桥架非常不利。

“天鲲号”最小轴孔的直径只有62厘米左右，大约是一个成年人身体的宽度。焊接工人钻进去，几乎没有移动的空间，对于在孔轴上方的焊接处，工人有时还必须躺着，仰面朝上焊。按工艺标准，铸件要加热到150摄氏度以上，然后工人再进入孔轴，完成焊接工作。150度，距离工人不到50厘米，这些对每位工人来说都是巨大的考验。产线实行轮班制，2～3人一班轮换作业，每个焊工只能工作10分钟。在狭小的孔轴空间中，穿常规的焊接防护服会加宽工人的臂膀宽度，提升作业难度，棉袄在这种情况下反而成了隔热工作服。但是即便有了棉袄的保护，工人们在仰面焊接时仍会有火花落在身上，生产部车间副主任沈超回忆当时完成焊接工作后，几乎每个焊接工人的身上都有伤疤……在中国焊工的不懈努力下，“天鲲号”的焊接交出了漂亮的答卷：全部焊接长度1.4765万米，通过2653张X光探测，合格率达到了99%以上。

几乎和中国每一个基建领域的故事一样，“天鲲号”成功的背后，不只有设计、科研团队的不懈努力，也有着中国一批顶尖的焊接和施工工人的专注与付出。

作为我国首艘从设计到建造拥有完全自主知识产权的重型自航绞吸式挖泥船，“天鲲号”泥泵电机总功率1.7万千瓦，最大设计排距15千米，一天便可以在15千米之外堆出一个足球场面积的人工岛。更重要的是，它可以实现全智能化，一个按键，就可以实现自动定位、自动挖泥作业，极大地减轻了对操作人员的技术要求。

2017年11月3日，“天鲲号”在江苏启东成功下水，这标志着中国疏浚装备研发建造能力进一步升级，已处于世界先进水平。船舶监造团队王健组长在接受采访的时候说：“我可以负责任地说，我们在荷兰、比利时之后排名世界第三。”

是的，追赶的脚步还没有到停止的时候，即便已经在短短20年里完成了举世瞩目的成就，但客观来说，中国在疏浚领域和世界最强水平的差距依然存在。比如比利时DEME公司研发的“Spartacus号”已经在CSD疏浚设备中首先引入了LNG动力，包含了一整套LNG动力推进系统和切割系统。欧洲四大疏浚公司Boskalis、DEME、Jan De Nul和Van Oord依然占据着海外疏浚市场的大部分份额，中国船舶工业和疏浚市场走向海外的征途才刚刚开始。

中国为什么需要国产盾构机

1974年，南疆铁路东段（吐鲁番至库尔勒）开工，该线路上有一座被称为“新光3号”的“灯泡”隧道，全程长3783米，是南疆铁路7座螺旋隧道中最险、最难凿的一座隧道。

南疆线新光隧道施工场景图源：中国基建报

23岁的周先民随铁道兵第四师二十团前往的就是这条“新光3号”隧道。当时物质依然匮乏的新中国能给这些铁道兵提供的，也大多是铁锤、钢钎、风枪等极其简单且有限的施工工具，基本上没有机械化的设备。南疆铁路的整个建设过程，基本都是靠人工挖掘。挖出来的东西再靠4个人一起推的手推车往外送，周先民就是其中的一名“除渣工”。恶劣的气候和地质环境，再加上机械化程度极低的人工挖掘方式，周先民在新光隧道的建设过程中送走了25名战友。在建设南疆铁路的5年间，一共有268名铁道兵长眠于天山脚下，周先民的老连长也因公殉职。

南疆线，铁锤砸开万重山

“一个团三四千人，干了五六年，（修）一个三千米的隧道”，这就是中国隧道建设的开局和起点。几十年后，战友遗体被抬进陵园的场景，还深深刻在周先民的脑海里。这些牺牲与负伤的中国铁道兵，给一代中国铁路人埋下了一个渴望通过大型机械设备安全洞穿隧道的梦想。

而早在1825年，由布鲁诺尔发明的盾构机就已经用于伦敦泰晤士河隧道的修建了。

世界盾构机的发展历程分为4个阶段：手掘式（1825—1876年），机械气压式（1876—1964年），闭胸式土压泥水式（1964—1984年），高智能多样化（1984年至今）。挖掘泰晤士河的盾构机就是手掘式，被称为第一代盾构机。而从第二代盾构机开始，就已经用机械开挖代替了人工开挖。1984年，海外盾构机技术已经进入了第四个时代进程，而周先民刚刚在“兵改工”政策下转业到中铁十四局，此后从1984年到2005年，他参与了包括京九铁路、青藏铁路等数个国家重点项目的建设，大多数的隧道施工都还在用以人工挖掘为主的矿山法，连使用三臂凿岩台车的都只有少数隧道，更别提盾构机技术了。

如果说，泰晤士河隧道是世界上第一条采用盾构技术挖掘的隧道，成为世界隧道工程史上一个具有重大意义的里程碑，那么属于中国的里程碑，就是南京长江隧道。

2005年，周先民被任命为中铁建十四局集团南京长江隧道项目指挥部常务副书记，指挥隧道施工。这一年后来被称为中国大盾构元年，但在当时，大盾构施工到底是什么都没有人能说得清楚，这对中国人来说是一个几乎完全空白的领域。当时修建南京长江隧道的盾构机及技术，全部是从德国花高价引进的。周先民谋划要把南京长江隧道建成大盾构人才的“黄埔军校”，于是从盾构机订货开始就派出一批又一批的学员去向德国海瑞克公司的专业技术人员求教，请海瑞克的专家给学员讲盾构机原理，请广州有盾构施工经验的专家讲操作，实地考察广州南沙项目的施工。这种深度参与和学习，培养了真正意义上的中国第一代大盾构技术人才。

一开始德国人制定的一个管道安装流程需要一星期，而中国工人们一个晚上就能完工。总装第二台盾构机时，德国专家认为最快也得5个月，中国工人却创下了58天组装完毕的世界纪录。盾构机的刀片磨损后需要更换，德方派来的技术专家组换一把刀片要用两天，两天收费20万元，而中国工人们学会换刀之后，一个组一天可以换8把刀片，一天工资5000元，光换刀一项就给当时的施工节约了14天时间。

2008年12月13日，南京长江隧道还曾经出现过一次危急险情，有外国技术人员操作失误将切口压力调高，致使泥水循环系统瞬时将顶部覆盖层击穿，长江水直接进入了盾构机开挖仓。外国的专家当时没有在现场参加救援会议，最终的抢险方案和操作都由中国团队完成，中途换泥浆管道时，几十个一直守在隧道里不肯离开的工人跳进泥水里，用20多分钟就换完了平时需要1个小时更换的管道，最终切口压力逐渐恢复，南京长江隧道战胜了一场灭顶之灾。

2010年5月28日，南京长江隧道建成通车。此后中铁十四局的大盾构业务呈井喷式增长：2016年，国内在建的大盾构和水下隧道项目有20来个，其中12个都是十四局在做。从南京长江隧道出来的人很多都被提拔到了总工、项目经理这些职位上独当一面。南京长江隧道成了中国大盾构人才的“黄埔军校”。

2000年，盾构机的主要部件还需要进口。2004年上海隧道研制出了国内首台全自主设计的土压式平衡盾构机“先行1号”样机。2006年“先行2号”盾构机在上海下线，标志着中国具备了批量生产盾构机的能力。2008年，中国中铁1号盾构机下线。这是中国首台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机。从此，中国告别了完全依靠“洋盾构”的局面。

2008年4月25日，“中国中铁1号”盾构机在河南新乡下线

1992年后，中国的国内市场全面开放，这促使中国的重工业高速发展，铁路隧道、地铁等项目大量上马，对盾构机的需求也迅速增加。1997年，为建设西康铁路咽喉工程秦岭隧道，我国花3亿元从德国购买了一台全断面硬岩掘进机（简称TBM），进场施工后开挖、出渣、衬砌，隧道一次成型，创造了当时全国铁路隧道施工速度的最快纪录。这与另一条线采用的人工传统钻爆法，形成了极其强烈的对比。这是国外现代盾构机第一次被引入中国，使得隧道提前10个月贯通，真正让人感受到了技术能给工程效率和施工安全带来的天翻地覆的改变，也一下子将我们与国外的巨大差距凸显了出来，那之后大约10年的时间里，德、日、美三国的盾构机霸占了国内90%的市场。

从20世纪下半叶开始，欧美日的企业在统治全球盾构机市场之余，就已经开始对中国进行各类技术封锁。而中国盾构机技术的进步，和这种背景下科技部的政策支持息息相关。2002年，科技部高新司把盾构机列入“863”计划，同年中铁工程装备集团在河南新乡建成了一个与盾构技术相关的产业化基地。在国家专项资金支持，央企、国企牵头下，中国科研院所同多家企业从基本原理的技术链层面，到实际应用的产业链层面协同作战，将中国盾构机的设计和制造带入全面推进的阶段。2007年，科技部基础司也将掘进装备的基础研究列入了“973”计划，成为中国掘进装备发展的又一个重要政策支持。

中铁高新工业股份有限公司总经理李建斌，是中国盾构机产业化的主要参与者之一。2008年，中国“中铁1号”盾构机下线，这是中国首台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机。从此，中国告别了完全依靠“洋盾构”的局面。这台机器就是李建斌团队在国家“863”计划的支持下研制的。从引进到自己造，李建斌的团队用了8年时间。2009，李建斌带领他的团队开始了盾构机产业化的征程，设计团队由最初的18人，增加到了108人。由于我国各个城市地质差异巨大，单一的盾构机难以满足实际需求。为了建造适合中国各种地质环境的盾构机，李建斌团队在研究了日本、德国、法国、加拿大等国家的设备后，根据实际情况，设计出了盾构机在不同地质条件下工作的应对方案，最终攻克了超大直径、超小直径、极限工况下的装备设计、制造等关键技术，成功研制了一大批称得上世界首台或国内首台的产品。

中国如何布局自己的盾构机

2012年，李建斌团队所在的中铁工程装备集团有限公司（以下简称中铁装备）第一次参加国际竞标，即便占据了价格优势，国外业主单位仍然很有顾虑。最终，只有马来西亚业主单位同意签下两台盾构机，而即便是马来西亚的业主单位，也对自己的担忧直言不讳。而中铁装备的回应，是通过针对性设计提升设备性能，让这两台设备将原先的计划工期缩短了43天，创造了马来西亚盾构施工新纪录。那之后，借助马来西亚项目的成功经验，国产盾构机开始纷纷走出国门，抢占世界市场，中国大盾构走上了产业化的快车道。中铁装备几经周折敲开了以高标准著称的新加坡市场的大门，凭借先进的技术、过硬的质量，获得了新加坡客户的认可和信赖，形成了品牌效应。2015年中国已出口19台盾构机助力新加坡交通建设。2015年中国盾构机又首次打入欧洲市场，意大利CMC公司采购了两台中铁装备研制的世界最小直径硬岩掘进机。

2019年，河南郑州中铁装备集团TBM产业中心，中国中铁699号大直径土压平衡盾构机顺利下线。这台机器将会被用于意大利北部米兰至维罗纳高铁线CEPAV项目建设。这条铁路线是欧洲核心走廊（地中海走廊）的一部分，将会通过西班牙、法国、意大利、斯洛文尼亚和匈牙利连接欧洲的西部和东部。这是我国高端隧道掘进装备首次用于欧盟核心区域。

2020年9月29日，对中国中铁来说是一个十分重要的日子。这一天，中国中铁自主研制的第1000台盾构机在郑州下线。这一天，车间标语“造中国人自己的盾构，造中国最好的盾构，造世界最好的盾构”显得格外醒目。中铁从1号盾构机到1000号盾构机，用了12年。

若从李建斌团队开始着手研制第一台设备算起，从0到1000的突破，他们用了20年。二十载春秋，见证了以中铁装备为代表的中国企业艰苦攻关的奋斗史，更见证了国产盾构从无到有、从有到优、从优到强的逆袭历程。今天，国产盾构机在国内市场的占有率达到90%以上，占到全球三分之二的市场份额，还顺便拉低了国外同类产品价格40%以上。据统计，2018年中国盾构机出口量为127台，出口金额为3.69亿美元。市场占有率方面，铁建重工和中铁装备占据国内七成市场，就出口到国外的盾构机数量而论，这两家企业同样出类拔萃，其次是中交天和与辽宁三三工业。欧洲头牌盾构机企业海瑞克是占据中国市场最多的外国企业，但也只有1%。国产化之后，盾构机的国际市场均价降到了3000万～5000万元每台，西方垄断下几亿元一台的盾构机早已成为历史。世界主要盾构机厂商如图所示。

世界主要盾构机厂商，资料来源：李建斌、才铁军《中国大盾构》

2017年，中铁公司总工程师王杜娟曾在记者会上表示：“盾构机世界第一的品牌是德国的海瑞克，由于我们的技术积累有限，在轴承技术方面，还有差距。”3年后的2020年9月26日，我国首台使用国产3米级主轴承的盾构机“中铁872号”在苏州始发，这是我国突破盾构主轴承自主技术研制瓶颈后，首次在轨道交通领域执行地下掘进任务。主轴承就是盾构机的“芯片”，其重要性不言而喻。主轴承的自产，让我们成为当之无愧的世界第一。

引进国外先进技术，消化吸收再创新。中国盾构机的崛起之路，形成了国企主导、政府支持、顺应时代、精准创新的所谓“中国盾构模式”。同样的故事几乎可以在中国制造业的各个领域寻到踪迹。这种模式可以被称为中国制造业“翻身当家作主”的典范，已经或正在应用于中国制造业的多个领域：振华重工的港机设备目前在全球市场份额常年稳定在70%以上，中国大型挖泥船被列入禁止出口的名单。中国中车如今已经是全球规模最大、技术最先进、品种最全的轨道交通装备供应商。装备制造业是一个国家制造业的脊梁，只有掌握核心技术才能推动中国制造向中国创造、中国产品向中国品牌、中国速度向中国质量的转变。实业兴邦，相信在更多领域，将会有无数个“中国盾”出现。

我们不妨思考一个问题：造一辆汽车困难还是造一台盾构机困难？

单独来看，以盾构机为代表的特种装备的技术难度远远高于传统的燃油汽车，不论是挖泥船还是盾构机，其技术难度、结构复杂程度都远高于家用汽车。但如果拆分其产业链，我们却会发现截然不同的情况——挖泥船、盾构机的“国产替代”往往只需要几家大型公司或科研院所出马便可以解决；而汽车行业若想在国产替代上有所突破，则可能需要全行业上中下游乃至国家政策和社会意识的共同作用。

实际上，在分析了如此多的“中国制造”“国产替代”的例子之后，我们渐渐总结出了一个不算太严谨的“规律”，即：“中国特别善于发展这两种行业——第一种，新兴行业，特别是那些2000年之后兴起的行业；第二种，专门的、细分的行业，特别是产业链较短且消费属性较弱的行业。”

如果某个行业满足其中任意一条，那么你就可以在这个行业里找到重量级的中国玩家，如阿里、腾讯、大疆、科大讯飞……这些巨头都诞生于互联网、无人机、AI这种新兴产业；盾构机、挖泥船、特高压输电设备、超级计算机……这些高端设备都属于非常小众的细分行业。