搬山卸嶺、填海造陸！從挖泥船到盾構機，看中國高端特種設備的國產替代

在貿易高度全球化的今天，海運成了國際貿易的一條重要通路，但其與公路、空運有着本質區別的點在於，世界上絕大多數水體都是自然形成的，因此在通過海運進行貿易之前就必須先確保航道通暢。

尤其是對於我國而言，兩大水體長江、黃河分別位列世界河流含沙量第四位與第一位，每年有大量的泥沙堆積在入海口。大量的泥沙堆積不僅造就了中國第三大島嶼崇明島，還堆積起了一道攔門沙。攔門沙攔住的便是世界第一大港口上海港的交易航路。

以目前長江的含沙量計算，每年將在入海口堆積大約6000萬立方米的泥沙，相當於64個水立方。如不解決疏浚問題，世界第一大港上海港將成爲名副其實的花瓶港口，而要疏浚巷道，建立港口，挖泥船就是必不可少的一項裝備，可以說挖泥船的自主國產是保證中國航運安全和商貿港口經濟活力的一個重要基礎。

除此之外，作爲一種工程船，挖泥船不僅可以清理攔門沙，還可以將多餘泥沙填海造島，其不僅是航運暢通和港口經濟發展的保障，也是我國沿海國防安全的一個極其重要的助力。

以我國南海爲例，自20世紀70年代以來，南海海域發現了大量的油氣資源，但由於當時我國海軍和空軍很難實現對所有島礁24小時的全域覆蓋，大量南海島礁被東南亞國家非法侵佔，這使我國南海戰略陷入不利局面。這些島礁面積小，且往往因爲潮汐起落無法始終保持在水面以上，十分不利於戍邊部隊鎮守。而挖泥船則可以以天然島礁爲基礎，填海造島，建造適合人類居住生存的人造島嶼。

2013年，國產挖泥船“天鯨號”就在南沙作業超過200天，接連打造了美濟島、渚碧島、永暑島、華陽島、南薰島、東門島、赤瓜島、永興島共8座人造島嶼。由於島嶼的形狀酷似航空母艦，因此也被網友們稱爲“永不沉沒的航空母艦”。

外媒曾經多次報道認爲巨型挖泥船帶領中國船隊在南沙羣島的填海造島，成爲中國海軍遠海能力的一項重要保障，從事實上改變了整個南海自二戰以後的戰略格局，是中國基建領域又一個“瑞士軍刀”式的趁手工具。

從上海港到中國南海，巨型挖泥船也因其能改變自然地理條件的能力，而被戲稱爲“地圖編輯器”。無論從經濟層面還是軍事國防層面來看，挖泥船的自主研發都是中國必將走上的一條道路。

中國如何佈局自己的絞吸式挖泥船

雖然今天中國的“地圖編輯器”已經有了舉世矚目的成就，但在2006年以前，中國大中型挖泥船還基本依賴進口，國際疏浚市場長期被荷蘭、比利時等國的四大疏浚公司佔據，大型挖泥船技術被國外壟斷，美國甚至把挖泥船列爲軍方控制的範圍，以便對中國施行技術封鎖。整個亞洲、非洲的國家在疏浚行業都毫無話語權可言，更不要提將其用於填海造島這種國防領域。

1966年，爲了建設天津新港，國家曾經特批了170萬英鎊，從荷蘭買回一艘技術已經過時了的耙吸式挖泥船，價值約等於4噸黃金。到了1985年，中國又高價從日本進口過一艘絞吸式挖泥船。雖然這艘挖泥船每小時只能挖2500立方米，從量級上來說只能算是一艘中型挖泥船，卻也已經是當時中國所有挖泥船中最先進的一艘。

天津港（資料圖片）圖源：新華社

中國開啓自主研發挖泥船的進程，始於2000年前後。當時長江口的航道疏浚工作需要大型挖泥船，買新的太貴，且等待時間太長。上海航道局領導層基於成本和時間的考慮，打算採用國內外聯合設計、國內建造、關鍵設備引進的穩妥建造模式。但在與外方洽談的過程中，外商倚仗自己在疏浚行業的龍頭地位，提出所有疏浚設備必須由他們供貨，否則不同意提供基本設計的霸王條款，最終雙方未能達成一致。而後，上海航道局定下了著名的“貨改耙”方案，決定將一艘萬噸級散裝舊貨輪，改造爲1.2萬立方米的自航耙吸式挖泥船。

2001年，中國船舶集團708研究所副總工程師費龍帶着設計團隊，開啓了大型挖泥船“國輪國造”的歷程，進行了大量的技術攻關和技術創新，如肥大船型線型開發，“一拖三”複合驅動技術，雙軸發主電站，PMS功率管理系統，集成控制綜合平臺系統，高效主動耙頭，溢流、消能新技術，預卸泥門、大型錐形泥門等疏浚設備的研發等。10個月後，作爲長江口疏浚的主力施工船“新海象號”完工亮相，成爲中國當時最大的挖泥船。

2002年，上海交通大學在中國交通建設集團、交通運輸部長江航道局、中鐵建港航局集團和其他大型疏浚企業的支持下，開始了大型絞吸式挖泥船設計技術的研究，以及專用疏浚設備的開發。上海交通大學也因此被稱爲“絞吸式挖泥船世家”。

2006年，前身曾是海河工程局發展而來的中交集團天津航道局，作爲中國第一家專業疏浚機構，主導建造了3000立方米/時規格的絞吸式挖泥船“天獅號”。這是我國第一艘具有完全自主知識產權的挖泥船。隨着它在南通港閘船廠順利下水，我國大型挖泥船事業正式起步。

2010年，由上海交通大學與德國VOSTA LMG公司共同設計、招商局重工負責建造的挖掘效率爲4500立方米/時的挖泥船“天鯨號”亮相。“天鯨號”裝機功率、疏浚能力均居亞洲第一、世界第三。

2016年初，亞洲最大的重型自航絞吸船“天鯤號”的建造正式開工。

“天鯤號”船長140米，型寬27.8米，型深9米，設計吃水6.5米，總裝機功率25843千瓦，設計每小時挖泥6000立方米，絞刀額定功率6600千瓦，配置有通用、黏土、挖巖及重型挖巖4種不同類型的絞刀，這意味着它不僅可以挖泥挖沙，就是50兆帕強度的風化岩石、珊瑚礁挖起來也會很輕鬆。同時“天鯤號”具有6.5米到35米的挖掘深度：淺挖時，提升橋架；深挖時，通過橋架轉換加大挖深。這個設計理念是在挖泥船領域從未有過的，但實際建造難度也是呈幾何級數增加的。

絞吸挖泥船的核心是絞刀，承載它的叫橋架。“天鯤號”橋架裡面搭載了絞刀以及各種電機設備，總重量達1600噸，高度相當於14層樓高。

很難想象，這個1600噸重的橋架嵌入挖泥船船體時只允許有13毫米的安裝間隙，這對橋架與船體的製作精度提出了極高的要求。船體和橋架由於體積過於龐大，都是露天製造的，白天作業時一面有陽光，一面沒有，導致船體與橋架兩側的材料溫度不同，由此產生的形變難以避免，如果正常建造，勢必會導致最後的成品因精度不達標而報廢。爲了對抗白天光照不均勻的影響，找到鋼板最穩定、最適合作業的時間段，工程團隊對鋼板採用了24小時跟蹤測量，最後發現晚上某段特定時間鋼材的變化最小、最穩定，於是工人們每天工作的時間就從深夜開始，持續了兩個多月。

圖源：國務院國有資產監督管理委員會 新聞中心

“天鯤號”採取分段建設再拼裝的製作工藝，全船共分成96段建設，最終的分段誤差只有±2毫米，橋架的拼接誤差只有±1毫米。而一般船舶的建造拼接誤差是±4～6毫米。這個龐然大物造成之後，最終要與船體連接。常規挖泥船橋架與船體的連接處就是一副水平絞合點，而“天鯤號”設計了上下兩副水平的絞合點。橋架與船體的連接處，共有12個絞點：船體6個，橋架6個。連接點的軸孔與軸必須嚴絲合縫，不能產生空隙。空隙太大，就會產生振動，加快軸和套之間的磨損，對橋架非常不利。

“天鯤號”最小軸孔的直徑只有62釐米左右，大約是一個成年人身體的寬度。焊接工人鑽進去，幾乎沒有移動的空間，對於在孔軸上方的焊接處，工人有時還必須躺着，仰面朝上焊。按工藝標準，鑄件要加熱到150攝氏度以上，然後工人再進入孔軸，完成焊接工作。150度，距離工人不到50釐米，這些對每位工人來說都是巨大的考驗。產線實行輪班制，2～3人一班輪換作業，每個焊工只能工作10分鐘。在狹小的孔軸空間中，穿常規的焊接防護服會加寬工人的臂膀寬度，提升作業難度，棉襖在這種情況下反而成了隔熱工作服。但是即便有了棉襖的保護，工人們在仰面焊接時仍會有火花落在身上，生產部車間副主任沈超回憶當時完成焊接工作後，幾乎每個焊接工人的身上都有傷疤……在中國焊工的不懈努力下，“天鯤號”的焊接交出了漂亮的答卷：全部焊接長度1.4765萬米，通過2653張X光探測，合格率達到了99%以上。

幾乎和中國每一個基建領域的故事一樣，“天鯤號”成功的背後，不只有設計、科研團隊的不懈努力，也有着中國一批頂尖的焊接和施工工人的專注與付出。

作爲我國首艘從設計到建造擁有完全自主知識產權的重型自航絞吸式挖泥船，“天鯤號”泥泵電機總功率1.7萬千瓦，最大設計排距15千米，一天便可以在15千米之外堆出一個足球場面積的人工島。更重要的是，它可以實現全智能化，一個按鍵，就可以實現自動定位、自動挖泥作業，極大地減輕了對操作人員的技術要求。

2017年11月3日，“天鯤號”在江蘇啓東成功下水，這標誌着中國疏浚裝備研發建造能力進一步升級，已處於世界先進水平。船舶監造團隊王健組長在接受採訪的時候說：“我可以負責任地說，我們在荷蘭、比利時之後排名世界第三。”

是的，追趕的腳步還沒有到停止的時候，即便已經在短短20年裡完成了舉世矚目的成就，但客觀來說，中國在疏浚領域和世界最強水平的差距依然存在。比如比利時DEME公司研發的“Spartacus號”已經在CSD疏浚設備中首先引入了LNG動力，包含了一整套LNG動力推進系統和切割系統。歐洲四大疏浚公司Boskalis、DEME、Jan De Nul和Van Oord依然佔據着海外疏浚市場的大部分份額，中國船舶工業和疏浚市場走向海外的征途纔剛剛開始。

中國爲什麼需要國產盾構機

1974年，南疆鐵路東段（吐魯番至庫爾勒）開工，該線路上有一座被稱爲“新光3號”的“燈泡”隧道，全程長3783米，是南疆鐵路7座螺旋隧道中最險、最難鑿的一座隧道。

南疆線新光隧道施工場景 圖源：中國基建報

23歲的周先民隨鐵道兵第四師二十團前往的就是這條“新光3號”隧道。當時物質依然匱乏的新中國能給這些鐵道兵提供的，也大多是鐵錘、鋼釺、風槍等極其簡單且有限的施工工具，基本上沒有機械化的設備。南疆鐵路的整個建設過程，基本都是靠人工挖掘。挖出來的東西再靠4個人一起推的手推車往外送，周先民就是其中的一名“除渣工”。惡劣的氣候和地質環境，再加上機械化程度極低的人工挖掘方式，周先民在新光隧道的建設過程中送走了25名戰友。在建設南疆鐵路的5年間，一共有268名鐵道兵長眠於天山腳下，周先民的老連長也因公殉職。

南疆線，鐵錘砸開萬重山

“一個團三四千人，幹了五六年，（修）一個三千米的隧道”，這就是中國隧道建設的開局和起點。幾十年後，戰友遺體被擡進陵園的場景，還深深刻在周先民的腦海裡。這些犧牲與負傷的中國鐵道兵，給一代中國鐵路人埋下了一個渴望通過大型機械設備安全洞穿隧道的夢想。

而早在1825年，由布魯諾爾發明的盾構機就已經用於倫敦泰晤士河隧道的修建了。

世界盾構機的發展歷程分爲4個階段：手掘式（1825—1876年），機械氣壓式（1876—1964年），閉胸式土壓泥水式（1964—1984年），高智能多樣化（1984年至今）。挖掘泰晤士河的盾構機就是手掘式，被稱爲第一代盾構機。而從第二代盾構機開始，就已經用機械開挖代替了人工開挖。1984年，海外盾構機技術已經進入了第四個時代進程，而周先民剛剛在“兵改工”政策下轉業到中鐵十四局，此後從1984年到2005年，他參與了包括京九鐵路、青藏鐵路等數個國家重點項目的建設，大多數的隧道施工都還在用以人工挖掘爲主的礦山法，連使用三臂鑿巖臺車的都只有少數隧道，更別提盾構機技術了。

如果說，泰晤士河隧道是世界上第一條採用盾構技術挖掘的隧道，成爲世界隧道工程史上一個具有重大意義的里程碑，那麼屬於中國的里程碑，就是南京長江隧道。

2005年，周先民被任命爲中鐵建十四局集團南京長江隧道項目指揮部常務副書記，指揮隧道施工。這一年後來被稱爲中國大盾構元年，但在當時，大盾構施工到底是什麼都沒有人能說得清楚，這對中國人來說是一個幾乎完全空白的領域。當時修建南京長江隧道的盾構機及技術，全部是從德國花高價引進的。周先民謀劃要把南京長江隧道建成大盾構人才的“黃埔軍校”，於是從盾構機訂貨開始就派出一批又一批的學員去向德國海瑞克公司的專業技術人員求教，請海瑞克的專家給學員講盾構機原理，請廣州有盾構施工經驗的專家講操作，實地考察廣州南沙項目的施工。這種深度參與和學習，培養了真正意義上的中國第一代大盾構技術人才。

一開始德國人制定的一個管道安裝流程需要一星期，而中國工人們一個晚上就能完工。總裝第二臺盾構機時，德國專家認爲最快也得5個月，中國工人卻創下了58天組裝完畢的世界紀錄。盾構機的刀片磨損後需要更換，德方派來的技術專家組換一把刀片要用兩天，兩天收費20萬元，而中國工人們學會換刀之後，一個組一天可以換8把刀片，一天工資5000元，光換刀一項就給當時的施工節約了14天時間。

2008年12月13日，南京長江隧道還曾經出現過一次危急險情，有外國技術人員操作失誤將切口壓力調高，致使泥水循環系統瞬時將頂部覆蓋層擊穿，長江水直接進入了盾構機開挖倉。外國的專家當時沒有在現場參加救援會議，最終的搶險方案和操作都由中國團隊完成，中途換泥漿管道時，幾十個一直守在隧道里不肯離開的工人跳進泥水裡，用20多分鐘就換完了平時需要1個小時更換的管道，最終切口壓力逐漸恢復，南京長江隧道戰勝了一場滅頂之災。

2010年5月28日，南京長江隧道建成通車。此後中鐵十四局的大盾構業務呈井噴式增長：2016年，國內在建的大盾構和水下隧道項目有20來個，其中12個都是十四局在做。從南京長江隧道出來的人很多都被提拔到了總工、項目經理這些職位上獨當一面。南京長江隧道成了中國大盾構人才的“黃埔軍校”。

2000年，盾構機的主要部件還需要進口。2004年上海隧道研製出了國內首臺全自主設計的土壓式平衡盾構機“先行1號”樣機。2006年“先行2號”盾構機在上海下線，標誌着中國具備了批量生產盾構機的能力。2008年，中國中鐵1號盾構機下線。這是中國首臺具有自主知識產權的複合式土壓平衡盾構機。從此，中國告別了完全依靠“洋盾構”的局面。

2008年4月25日，“中國中鐵1號”盾構機在河南新鄉下線

1992年後，中國的國內市場全面開放，這促使中國的重工業高速發展，鐵路隧道、地鐵等項目大量上馬，對盾構機的需求也迅速增加。1997年，爲建設西康鐵路咽喉工程秦嶺隧道，我國花3億元從德國購買了一臺全斷面硬巖掘進機（簡稱TBM），進場施工後開挖、出渣、襯砌，隧道一次成型，創造了當時全國鐵路隧道施工速度的最快紀錄。這與另一條線採用的人工傳統鑽爆法，形成了極其強烈的對比。這是國外現代盾構機第一次被引入中國，使得隧道提前10個月貫通，真正讓人感受到了技術能給工程效率和施工安全帶來的天翻地覆的改變，也一下子將我們與國外的巨大差距凸顯了出來，那之後大約10年的時間裡，德、日、美三國的盾構機霸佔了國內90%的市場。

從20世紀下半葉開始，歐美日的企業在統治全球盾構機市場之餘，就已經開始對中國進行各類技術封鎖。而中國盾構機技術的進步，和這種背景下科技部的政策支持息息相關。2002年，科技部高新司把盾構機列入“863”計劃，同年中鐵工程裝備集團在河南新鄉建成了一個與盾構技術相關的產業化基地。在國家專項資金支持，央企、國企牽頭下，中國科研院所同多家企業從基本原理的技術鏈層面，到實際應用的產業鏈層面協同作戰，將中國盾構機的設計和製造帶入全面推進的階段。2007年，科技部基礎司也將掘進裝備的基礎研究列入了“973”計劃，成爲中國掘進裝備發展的又一個重要政策支持。

中鐵高新工業股份有限公司總經理李建斌，是中國盾構機產業化的主要參與者之一。2008年，中國“中鐵1號”盾構機下線，這是中國首臺具有自主知識產權的複合式土壓平衡盾構機。從此，中國告別了完全依靠“洋盾構”的局面。這臺機器就是李建斌團隊在國家“863”計劃的支持下研製的。從引進到自己造，李建斌的團隊用了8年時間。2009，李建斌帶領他的團隊開始了盾構機產業化的征程，設計團隊由最初的18人，增加到了108人。由於我國各個城市地質差異巨大，單一的盾構機難以滿足實際需求。爲了建造適合中國各種地質環境的盾構機，李建斌團隊在研究了日本、德國、法國、加拿大等國家的設備後，根據實際情況，設計出了盾構機在不同地質條件下工作的應對方案，最終攻克了超大直徑、超小直徑、極限工況下的裝備設計、製造等關鍵技術，成功研製了一大批稱得上世界首臺或國內首臺的產品。

中國如何佈局自己的盾構機

2012年，李建斌團隊所在的中鐵工程裝備集團有限公司（以下簡稱中鐵裝備）第一次參加國際競標，即便佔據了價格優勢，國外業主單位仍然很有顧慮。最終，只有馬來西亞業主單位同意簽下兩臺盾構機，而即便是馬來西亞的業主單位，也對自己的擔憂直言不諱。而中鐵裝備的迴應，是通過針對性設計提升設備性能，讓這兩臺設備將原先的計劃工期縮短了43天，創造了馬來西亞盾構施工新紀錄。那之後，藉助馬來西亞項目的成功經驗，國產盾構機開始紛紛走出國門，搶佔世界市場，中國大盾構走上了產業化的快車道。中鐵裝備幾經周折敲開了以高標準著稱的新加坡市場的大門，憑藉先進的技術、過硬的質量，獲得了新加坡客戶的認可和信賴，形成了品牌效應。2015年中國已出口19臺盾構機助力新加坡交通建設。2015年中國盾構機又首次打入歐洲市場，意大利CMC公司採購了兩臺中鐵裝備研製的世界最小直徑硬巖掘進機。

2019年，河南鄭州中鐵裝備集團TBM產業中心，中國中鐵699號大直徑土壓平衡盾構機順利下線。這臺機器將會被用於意大利北部米蘭至維羅納高鐵線CEPAV項目建設。這條鐵路線是歐洲核心走廊（地中海走廊）的一部分，將會通過西班牙、法國、意大利、斯洛文尼亞和匈牙利連接歐洲的西部和東部。這是我國高端隧道掘進裝備首次用於歐盟核心區域。

2020年9月29日，對中國中鐵來說是一個十分重要的日子。這一天，中國中鐵自主研製的第1000臺盾構機在鄭州下線。這一天，車間標語“造中國人自己的盾構，造中國最好的盾構，造世界最好的盾構”顯得格外醒目。中鐵從1號盾構機到1000號盾構機，用了12年。

若從李建斌團隊開始着手研製第一臺設備算起，從0到1000的突破，他們用了20年。二十載春秋，見證了以中鐵裝備爲代表的中國企業艱苦攻關的奮鬥史，更見證了國產盾構從無到有、從有到優、從優到強的逆襲歷程。今天，國產盾構機在國內市場的佔有率達到90%以上，佔到全球三分之二的市場份額，還順便拉低了國外同類產品價格40%以上。據統計，2018年中國盾構機出口量爲127臺，出口金額爲3.69億美元。市場佔有率方面，鐵建重工和中鐵裝備佔據國內七成市場，就出口到國外的盾構機數量而論，這兩家企業同樣出類拔萃，其次是中交天和與遼寧三三工業。歐洲頭牌盾構機企業海瑞克是佔據中國市場最多的外國企業，但也只有1%。國產化之後，盾構機的國際市場均價降到了3000萬～5000萬元每臺，西方壟斷下幾億元一臺的盾構機早已成爲歷史。世界主要盾構機廠商如圖所示。

世界主要盾構機廠商，資料來源：李建斌、才鐵軍《中國大盾構》

2017年，中鐵公司總工程師王杜娟曾在記者會上表示：“盾構機世界第一的品牌是德國的海瑞克，由於我們的技術積累有限，在軸承技術方面，還有差距。”3年後的2020年9月26日，我國首臺使用國產3米級主軸承的盾構機“中鐵872號”在蘇州始發，這是我國突破盾構主軸承自主技術研製瓶頸後，首次在軌道交通領域執行地下掘進任務。主軸承就是盾構機的“芯片”，其重要性不言而喻。主軸承的自產，讓我們成爲當之無愧的世界第一。

引進國外先進技術，消化吸收再創新。中國盾構機的崛起之路，形成了國企主導、政府支持、順應時代、精準創新的所謂“中國盾構模式”。同樣的故事幾乎可以在中國製造業的各個領域尋到蹤跡。這種模式可以被稱爲中國製造業“翻身當家作主”的典範，已經或正在應用於中國製造業的多個領域：振華重工的港機設備目前在全球市場份額常年穩定在70%以上，中國大型挖泥船被列入禁止出口的名單。中國中車如今已經是全球規模最大、技術最先進、品種最全的軌道交通裝備供應商。裝備製造業是一個國家制造業的脊樑，只有掌握核心技術才能推動中國製造向中國創造、中國產品向中國品牌、中國速度向中國質量的轉變。實業興邦，相信在更多領域，將會有無數個“中國盾”出現。

我們不妨思考一個問題：造一輛汽車困難還是造一臺盾構機困難？

單獨來看，以盾構機爲代表的特種裝備的技術難度遠遠高於傳統的燃油汽車，不論是挖泥船還是盾構機，其技術難度、結構複雜程度都遠高於家用汽車。但如果拆分其產業鏈，我們卻會發現截然不同的情況——挖泥船、盾構機的“國產替代”往往只需要幾家大型公司或科研院所出馬便可以解決；而汽車行業若想在國產替代上有所突破，則可能需要全行業上中下游乃至國家政策和社會意識的共同作用。

實際上，在分析瞭如此多的“中國製造”“國產替代”的例子之後，我們漸漸總結出了一個不算太嚴謹的“規律”，即：“中國特別善於發展這兩種行業——第一種，新興行業，特別是那些2000年之後興起的行業；第二種，專門的、細分的行業，特別是產業鏈較短且消費屬性較弱的行業。”

如果某個行業滿足其中任意一條，那麼你就可以在這個行業裡找到重量級的中國玩家，如阿里、騰訊、大疆、科大訊飛……這些巨頭都誕生於互聯網、無人機、AI這種新興產業；盾構機、挖泥船、特高壓輸電設備、超級計算機……這些高端設備都屬於非常小衆的細分行業。

如果某個行業能滿足以上兩條，那麼你會發現中國玩家在這個行業裡便處於一個“強大到不可思議”的地位，比如量子通信。

而兩條都不滿足的產業，中國玩家的存在感就比較低了——“中國弱勢、西方強勢”的商用大飛機、先進半導體芯片、燃油汽車……它們的產業鏈極其漫長且需要多年的深厚積累。

當然，這個“規律”並不能從學術上作爲產業發展定律，但對有志於探尋“中國製造”和“國產替代”背後故事的讀者而言，不妨把它視爲一種分析方式。

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