编者按：
为深入实施科教兴国战略，助力国家科技后备人才培养，央广网联合中国科学技术协会科学技术普及部，推出面向K12青少年群体的科普教育栏目《大科学家》。首季节目由央广网与北京第五实验学校共同策划，并与“学习强国”学习平台联合宣推，邀请科研专家、高校教授、总工程师等科学领军人物走进校园，以重趣味、强互动的授课形式开展科普教学，为青少年播撒科学种子，带来“不止于一堂科学课”的科普盛宴。
本期节目，中铁高新工业股份有限公司总工程师、中铁装备集团首席专家王杜娟走上讲台，带领同学们走近地下“钢铁巨龙”盾构机，讲述中国盾构打破国外技术垄断、坚持自主创新的“破壁”故事。
央广网北京9月1日消息（记者汪宁 赵净）今天，我们的国产盾构机能穿山凿岭、穿江过海，驰骋极限山海。要知道，盾构机的研发灵感竟来自小小的船蛆。曾经，盾构核心技术长期被国外把控，以王杜娟为代表的中国工程师，从白纸起步、敢闯无人区，把被“卡脖子”的重大装备一步步做成响当当的中国制造。
王杜娟讲述中国盾构打破国外技术垄断、坚持自主创新的“破壁”故事（央广网记者 王综鹤 摄）
“2008年，我们第一台国产盾构下线，但2001年就组建了第一个研发团队，走到今天已有20多年历史。”王杜娟分享第一个小故事——国产盾构机从0到1的艰辛求索。
盾构机拥有上万个零部件，融合了机械、电气、液压、光学等多学科知识。创业之初，这个团队格外年轻，除两名创始领导外，平均年龄仅28岁。没有成熟样机、现成图纸，每一步都摸着石头过河。依托国家863计划5个项目，团队建起专属实验室，全力攻关盾构机“大脑”——控制系统，又携手浙江大学研发液压系统，与国外原装系统同台比对。历经反复迭代，机械、液压、电控技术逐步打通，2008年，国产首台复合盾构机正式下线。“这是一代又一代人努力得来的结果。”
实现从0到1的突破仅是起点，向更艰险的江海地下工程进军，是又一道关口。王杜娟分享这段“既成功又失败的故事”：国产首台穿江越海大直径泥水平衡盾构机直径达15米，“相当于五层楼那么高”。江海之下土层松散、岩石遍布裂隙，“一旦海面跟地下连通，海水倒灌进隧道，那就是机毁人亡”。为此，团队投入近八年时间。以往，深海换刀须在压缩空气高压环境作业，曾有同事因此患上压缩空气病，全身疼痛且终身难愈。为守护工人安全，团队立志攻克常压换刀技术，实现在百米埋深之下人员常压换刀。
常压换刀装置极为复杂，王杜娟告诉同学们，团队花了三年建实验平台反复验证。实验室成功后，设备运抵汕头海湾隧道项目现场，压力测试中换刀装置却出现裂纹，前后修复三次，裂纹重现三次。遍询焊接专家发现，工艺理论都没有问题，症结最终落在执行细节上——施工人员心存“差不多”心态。焊接要求保温500摄氏度，工人觉得450摄氏度、490摄氏度就“可以了”，忽略了整套严苛流程。“大国重器容不得半分差不多，科研创新既要敢于突破，更要于细微处较真。”王杜娟借此告诉学子，“我们最缺的是精益求精的科学精神和职业精神，就像学习一样，要把题目弄明白。”
中铁高新工业股份有限公司总工程师兼中铁装备集团首席专家王杜娟（央广网记者 王综鹤 摄）
王杜娟分享第二个小故事并坦言，科研探索中，失败本就是常态。她指着大直径盾构的可摆动刀头说，依靠8米直径球轴承实现360度转动时，球面滑动摩擦极易发生金属粘连，团队同时试制两套装置，一套成功，另一套直接失败。“科研从来是有代价的，科学也是有代价的。”面对硬度高达210兆帕的坚硬基岩，盾构掘进一度极为缓慢，“每分钟只能掘进一毫米，比蜗牛还慢”；传统滚刀依靠挤压破碎破岩，刀具损耗巨大，每把价值数万元，有的掘进一米就需要更换。王杜娟介绍，新型辅助破岩技术可用四千公斤压力的高压水打出裂纹、再辅以滚刀破碎岩石，这是未来隧道开挖的新研究方向，需要一代代人共同努力。
第三个故事是关于国产盾构走出国门的。从最初广州地铁由日本人带设备施工、中国人连施工都不会，到用国外设备自己施工，再到用自己的盾构在国内施工，2012年，国产盾构正式走出国门。如今，中国盾构已走向世界三十多个国家和地区，在全球正在应用和近几年出厂的设备中，中国产占比70%；新加坡落地的全球首台应用穿江越海技术的12米大直径盾构，更把中国核心创新成果输出海外。
王杜娟向同学们分享科学故事（央广网记者 王综鹤 摄）
面向未来，盾构机正朝智能化、无人化演进。王杜娟说：“我们在向少人无人进发，用数字孪生技术和AI给它加持。新来的工程师编程时，已有80%的工作量被AI替代。”但AI赋能地下装备依旧前路漫漫，最大困难是数据壁垒——不同机型、千变万化的地质条件导致模型泛化能力不足，还有数据共享、工程管理等难题。“这需要同学们一代人一起努力，更是一个需要启迪智慧、开发智慧的问题。”
课程现场，北京第五实验学校的物理老师王震带来三组趣味实验：激光直线传播实验复刻盾构地下掘进的激光校准逻辑；齿轮减速电机演示减速增扭的机械原理；依托帕斯卡原理的气压抬升实验，仅凭吹气就抬起一名同学，模拟盾构液压撑靴的力量来源，让同学们读懂每一项大国重器的突破都扎根于基础科学。
北京第五实验学校的物理老师王震带来三组趣味实验（央广网记者 王综鹤 摄）
互动环节，有同学好奇盾构机掘进是否像钻木头的虫子。王杜娟解答，法国工程师布鲁诺尔正是观察船蛆钻蚀船体得到启发——船蛆头部拥有坚硬外壳，钻孔后分泌物质加固孔壁。“盾指的就是那个壳，构指虫子分泌物形成的管片结构，所以说盾构机是有生物老师的，很多科学装置都来自于仿生学。创新往往源于对自然细致入微的观察。”
互动环节学生提问（央广网记者 王综鹤 摄）
二十余载坚守，王杜娟和她的团队凭借自主创新的勇气、敢于突破的魄力、精益求精的科研底色，把曾经受制于人的关键装备铸成举世瞩目的大国重器，生动诠释了新时代科技工作者的担当与奋进精神。“用怀疑一切的科学精神，一往无前打通梦想隧道。”这是《大科学家》栏目送给广大青少年的寄语。
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