国内自主研制、最大开挖直径达16.64米的超大直径盾构机“江海号”近日在湖南长沙下线，将被用于目前全国最长公路水下盾构隧道——海太长江隧道施工。
文/ 欧阳桃花 北京航空航天大学教授
曾德麟 北京交通大学副教授
盾构机作为世界上最先进的全断面隧道施工特种专业机械， 已广泛用于铁路、地铁、公路、市政、水电等隧道工程，号称“世界工程机械之王”。中国盾构机同神舟飞船、高铁一样，被公认为世界级领跑产品、“国之重器”。
2005 年之前，中国绝大多数盾构机市场被国外品牌垄断，基本来自德国海瑞克、日本川崎、美国罗宾斯等著名厂商。近年来，全球 70% 的市场以及中国的绝大部分市场都由铁建重工、中铁装备等几家中国头部企业占有。
日立造船为美国西雅图开发的世界上最大型泥浆式盾构机
从全面依赖进口，到占领全球70%的市场；把全球市场上盾构机的价格从7.6亿欧元一把拉到2000多万元人民币，中国盾构机交出了漂亮的答卷。
本文摘编自中国人民大学出版社出版的《国之重器：如何突破关键技术》，书中讲述了盾构机、长航时无人机、大飞机、支线客机、载人航天工程五个国之重器实现技术突破的故事。作者访谈了铁建重工、中国商飞等的许多关键人，在书中再现了技术追赶的关键细节。
01. 悲惨往事
1996年10月，中国开始使用现代化大型盾构机。当时国家为提升施工效率，决定从德国维尔特公司引进两台直径8.8米的盾构机，用于西康铁路秦岭隧道的施工。由此，秦岭隧道提前33天全线贯通，中国也拉开了频繁买进盾构机的序幕。
从 20 世纪 90 年代至 21 世纪初，国内盾构机市场绝大部分被德、日、美三国企业垄断，国内施工单位不仅需要支付高昂的成本，还处处受制于人。时任铁建重工董事长兼首席科学家刘飞香回忆起当年的情形，依旧愤慨地说：“自己是搞工程出身的，常年用国外产品没少受气，价格贵，配件与服务都跟不上。中国的高端地下装备不能受制于人。”
西康铁路秦岭隧道
当时一台普通的盾构机价格要数亿元人民币，如 20 世纪 90 年代秦岭隧道使用的盾构机单台价格就高达 3 亿元。
售后服务还非常糟糕。国外厂商为了保持技术垄断，与中方签署了极其严苛的买卖合同，维修保养盾构机时禁止中方人员在场，而且售后所需的配件采用预售制，即有了配件更换需求要先下单，再由外方生产配付。等一个配件有时甚至需要一两年之久， 严重延误施工进度。而外方派来的维修人员的工资，则以他从国外出发时间开始，以美元为单位进行计算，一个外方工程师一天的费用就高达几千美元，这就额外增加了盾构机的使用成本。
更令人气愤的是，国外盾构机制造商并不重视国内施工方的需求与反馈，在中方使用的盾构机出现故障时，回应速度缓慢，维修耗时漫长。中方常常焦急万分却又不得不忍气吞声。
进入21世纪，随着我国的工程建设规模成倍增长，我国对盾构机的需求飙升至全球六成。面对中国施工企业对盾构机的海量需求与技术受制于人的尴尬局面，国家高层与相关企业对于自主研发、 突破盾构机关键核心技术封锁的呼声渐起。
02. 高度定制化
盾构机市场与一般复杂产品市场不同，具有非均匀性特征，盾构机需要高度定制化。例如国外地铁修建大多遇到的是硬岩硬土，不容易塌方与堵塞，而我国很多地方在修建地铁时很容易出现塌方和泥沙倾泻，从而造成盾构机堵塞的潜在威胁。
为了让首次研制的盾构机走出实验室，并快速实现关键零部件国产化的目标，铁建重工首先将目标客户瞄向了同城的长沙地铁施工项目。该项目招标负责人一方面特别期待有国产盾构机参与投标，另一方面也担心国产盾构机的质量。铁建重工深知，用户独特的定制化需求是改进关键零部件技术的出发点，也是实现关键零部件技术进步的前提。
总部位于长沙市的铁建重工，在悉心研究了长沙地铁周边的地质地貌后，提出了既要加固盾构机的盾以防止塌方，又要改造抽吸力度以防止泥沙堵塞的定制化方案。铁建重工针对长沙地铁项目特殊的土质环境，在实验室条件下进行反复试验与技术调整，以确保首台土压平衡盾构机“开路先锋 19 号”在正式使用时能够维持适配的仓压。
长沙地铁施工现场
相关技术人员还在现场随时解决施工过程中出现的问题，保证快速响应客户需求，最终提高了长沙地铁施工的稳定性与掘进速度。
“开路先锋 19 号”的售价不到当时国外同类盾构机售价的一半，它的问世让国际均价约 1.5 亿元的国外盾构机被迫降价 30%。最终，首台国产化率达到87%的土压平衡盾构机“开路先锋 19号”，以优质的性价比与服务质量助力长沙地铁施工。
03. 用户参与
2014年，铁建重工联合中铁十八局中标“引松供水”工程。“引松供水”全长263.45公里，其中二期隧道长22.6公里，挖洞直径达7.9米，需要穿过硬度不一的岩层，并经过多条断裂带，是吉林省有史以来投资规模最大、输水线路最长、施工难度最高的引水工程。
在“引松供水”工程项目中，铁建重工联合项目施工方中铁十八局，结合其在工程项目中收集的施工环境数据，运用已知数据设计盾构机的参数，使之与刀盘刀具、传输带等部件相匹配，从而使交付的盾构机的最终功效达到与施工项目的最佳匹 配状态，施工故障率和停机换件次数都大大减少。
今年4月，吉林中部城市“引松供水”工程正式向四平市供水 图源：吉林省国资委
用户作为盾构机的使用方，有大量经验数据以及未被满足的潜在需求，而掌握这些数据与需求，将准确指引产品开发的方向，有效缩短技术创新从投入到产生可见绩效的时间。
04. 复杂地貌带来利好
我国盾构机行业的大发展始于2008年左右，此时正好是中国开启新一轮大规模基础设施建设的黄金时期，各地的地铁等工程项目需要大量定制化的盾构机。这在客观上坚定了国内企业自主研发盾构机的决心，铁建重工也正是在此时进入盾构机行业。
“国之重器”的技术赶超需要能提供充足的要素供给与市场需求的营商环境。国家是市场繁荣的推动者，可以为复杂产品的终端应用提供足够的市场需求。盾构机的终端用户就是承接国家或地方工程项目的施工企业。
中国幅员辽阔， 面对复杂的地质与施工环境，盾构机研发需要技术集成商与施工单位（用户）、关键零部件供应商一起合作攻关。铁建重工通过创建用户共建的开发平台， 让用户时时参与盾构机研发的每一个步骤，按周期需求交付， 而不是制造出整机再最终交付，这样联合施工单位（用户）参与价值共创。
今年2月，在深江铁路深莞隧道（西段）施工现场，国内复合地层最大直径土压平衡盾构机“鲲鹏号”（深江3号）刀盘顺利吊装下井。
正是因为集成了用户的需求智慧， 与用户一同成立盾构机专项研究小组， 形成开发者与使用者的优势资源互补，令用户需求的“大脑”指挥铁建重工研发的“双手”，才有了铁建重工盾构机的成果。
与此形成鲜明对照的是， 盾构机最早起源于英国，但英国盾构机却没有形成国际竞争力，为什么？原因固然有很多，但其中至少包含与英国工程施工环境有关的因素。英国以岩石和硬土为主，施工环境相对简单，用于隧道挖掘的盾构机功能也就比较单一。而中国拥有约960万平方公里的国土，地质极其复杂， 可能是石头，可能是黏土，也可能是沙粒，不同的地质影响工程施工环境，需要盾构机具备不同的功能。盾构机的刀盘硬度和扭矩设置、出渣时仓压参数和排渣方式都需要因地质的复杂性而相应变化。
正是我国复杂的施工环境，使中国盾构机产品在设计之初便需要制定多种应对策略。而西方企业开发的盾构机多为一机多用，不适合中国独特的施工环境。中国独特的施工环境，为国产盾构机走向高度定制化发展提供了宝贵的机会，推动中国盾构机企业快速实现技术赶超。
05. 领跑世界
突破关键“卡脖子”技术是中国中长期重大战略问题。铁建重工盾构机的技术赶超实践与创新模式，对国家制定创新政策与指导其他企业突破关键核心技术具有一定的启示与借鉴意义。
国家作为创新者，能调和复杂产品的创新客体（技术） 与多元的创新主体不一致的深层次矛盾。关键核心技术是一个复杂的技术系统，系统与系统之间被“集成”以共同完成目标任务。比如盾构机的开发、建设、运营涉及政府、科研院所、集成商、零部件厂商、施工方等多个行动主体，但多元行动主体对技术创新的理论存在信息不对称。
铁建重工技术团队 图源：铁建重工
例如：集成商不具备零部件的产品知识与创新能力；零部件厂商不清楚“刚刚好”的产品创新发力点；施工方虽然熟悉施工环境，最清楚自己想要什么功能的盾构机，但不能用技术语言表达出来。而技术装备产品因为技术含量高，其创新充满着风险与不确定性，仅仅依靠集成商、施工方或零部件厂商某一方的力量，很难取得关键技术的突破。
国家作为创新者启动“揭榜挂帅”（明确技术突破目标，落实具体的承担主体）的攻关破冰，协调集成商（功能设计）、施工方（方向）、零部件厂商（功 能）、科研院所（知识）组建创新联合体，推动技术从无到有的进步。这也是中国创新模式不同于西方创新模式的根本所在。
2022 年，在全球隧道工程装备制造商 5 强榜单中，铁建重工超越世界知名厂商德国海瑞克，位居榜首。这标志着中国盾构机行业开始领跑世界。
简介：《国之重器：如何突破关键技术》是北京航空航天大学欧阳桃花教授和北京交通大学曾德麟副教授基于多年在企业的调研和访谈写成的新作，这本书源于作者所做的“国之重器”系列案例研究。他们在书中讲述了盾构机、长航时无人机、支线客机、大飞机（干线客机）、载人航天工程五个国之重器波澜壮阔的技术追赶故事，展现五个领域实现技术突破的关键细节。
基于在中国商飞、铁建重工、北京航空航天大学的访谈和调研以及大量珍贵的历史资料，从中国工业人追求自主可控的实践中，本书作者深刻总结中国特色的管理经验，提出了一系列重要的管理理念：核心企业与上下游其他创新主体联合的“双循环创新模式”、国家需求与技术实现双驱动、复杂系统管理、主制造商与国内外组件供应商合作的“主供模式”、国家重大工程基于中国“和而不同”伦理思想的决策过程、总体系统的稳健性和关键系统的创新性的对立统一。