第4章 盾構機再制造發展概況

薛爾莎 桂軼雄 李小崗^[1]

摘要

針對隧道掘進機再制造行業現狀，結合“循環經濟”方向，從盾構機再制造必要性、再制造產業現狀、再制造企業狀況等方面總結了國內外盾構機再制造行業情況。通過對國內行業調研總結了目前盾構機再制造主要流程、評估檢測修復等綠色制造技術和相關認定流程及政策。在此基礎上總結盾構機再制造行業可推廣的經驗，并對未來行業發展提出政策、技術、標準、推廣范圍等需求，促進盾構機再制造行業健康快速發展。

關鍵詞：盾構機，再制造，綠色制造

一、行業的基本情況

（一）盾構機再制造的重要性和必要性

盾構機作為大體量、多系統、高附加值的重型機械設備，其所需要的投資大，在完成標段的掘進后通常會報廢，這對于購買方來說成本高，且不符合建設“循環經濟”的方向。通過再制造，可以降低成本50%、節能60%、節材70%和降低污染物排放80%，為了資源的重復利用，盾構機的再制造勢在必行。

在我國隧道及地下工程領域，“十三五”是一個黃金發展期。鐵路、公路以及地鐵隧道作為我國隧道及地下工程應用的3大主要領域，截至2020年底，其累計運營里程分別為19630km、21999.3km和6280.8km；“十三五”期間，我國公路、鐵路及地鐵隧道新增運營里程分別為6592km、9315.4km和3622.8km，相比“十二五”期間同比增長約9%、23%、184%。另外，國內有大量的水工隧道、綜合管廊、地下洞庫領域也都在近幾年內完成工程建設并陸續投入使用。

在隧道施工領域，盾構機（國外稱為Tunnel Boring Machine，TBM，即全斷面隧道掘進機）使用率已經超過90%。依托國內大批重難點隧道及地下工程的建設，我國在隧道機械化及智能化建設技術、盾構機制造及再制造技術、海上沉管隧道修建技術、隧道大數據平臺建設技術等方面在近年來取得了長足的發展。目前我國已經成為全球發展最快的隧道建設市場，隧道施工機械行業整體市場規模持續增長。2022年我國隧道總里程達48762km，較2021年增長3008.1km（見圖4-1）。

盾構機集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，涉及地質、土木、機械、力學、電氣、控制、測量等多門學科技術，而且要按照不同的地質進行“量體裁衣”式的設計制造，可靠性要求極高。

由于盾構機的各個零部件使用壽命不同，在完成一定量的施工任務后零部件存在著不同程度的損壞，部分零部件仍可正常使用，直接報廢將造成極大的經濟損失和資源浪費。盾構機再制造是指以產品全生命周期理論為指導，以實現廢舊產品性能提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，進行修復、改造廢舊產品的一系列技術措施或工程活動。因此，對廢舊的盾構機利用再制造技術具有非常重要的現實意義，符合國家可持續發展、綠色制造構建循環經濟的戰略需求。

2017年工業和信息化部印發了《高端智能再制造行動計劃（2018—2020年）》（工信部節〔2017〕265號），聚焦盾構機、航空發動機與燃氣輪機等高端智能裝備。2017年國家發展和改革委員會在發布的《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄（2016版）》中多處指出發展再制造；再制造屬于朝陽產業，是我國戰略新興產業之一；對推動制造業升級轉型、提升綠色制造水平、帶動行業可持續發展具有重要意義。促進盾構機行業形成循環型生產方式和消費模式，推動盾構掘進機更新換代，提升我國盾構掘進機的國際競爭能力，大力推進盾構掘進機再制造已迫在眉睫。

（二）盾構機再制造產業發展現狀

我國的隧道工程及盾構機產業規模已躍居全球首位。2016～2022年我國隧道施工機械市場規模由177.32億元增長至252.66億元，預計2026年我國隧道施工機械市場規模達331.62億元（見圖4-2）。

由于我國盾構機的保有量激增，大量的舊機進入可以再制造或翻新的范疇，根據中國國情以及目前提倡的節能減排、綠色生產、資源再利用的精神，北京建工土木工程有限公司成立了我國第一家盾構機再制造基地，并聯手國防科技重點實驗室共同開展了我國首臺盾構機再制造的研究。海瑞克S-254盾構機于2003年購入，在完成掘進里程12km超期服役后，基地專家從技術和經濟等各個方面對其再制造的可行性進行了評估和論證。2015年9月，經過北京建工土木工程有限公司再制造的海瑞克S-254盾構機正式投入北京地鐵16號線02標段盾構區間施工。根據施工數據統計，海瑞克S-254在施工過程中單班掘進環數最高可達18環，約等于12小時內推進21.6m，遠超北京市當時軌道掘進單班8～10環的平均速度，生產效率也較再制造前的單班掘進12～16環有顯著提升；同時，盾構機渣土出土和注漿的操控性和穩定性也得到優化，使盾構機操作人員能更加有效地把控施工風險。根據測算，與購置一臺同類型新盾構機相比，這臺再制造盾構機能節省鋼材200余噸，按標準煤計可節煤近260噸，減少二氧化碳及其他有害氣體排放700余噸，開創了我國盾構機再制造的先河。

2016年，中鐵工程裝備集團有限公司成立了國內第一個盾構機再制造公司，對一臺即將報廢的法國NFM公司進口的盾構機進行了再制造，該項目首次應用當時國產最大的主驅動軸承（直徑4.8m），突破了我國盾構機再制造的瓶頸。

目前，盾構機的核心關鍵零部件國產化以及綠色制造的全流程系統平臺在我國盾構行業尚屬空白。針對各個城市及不同的山嶺隧道，地層、開挖直徑不同，盾構機并不能完全適用的現狀導致了我國盾構機閑置率偏高，這造成了極大的資源浪費，同時也造成了行業的不健康發展。盾構機再制造呈現出以下特點：盾構機再制造的市場源于客戶差異化的要求，體現在刀盤結構改變、盾體直徑變化、驅動能力變化上；再制造后的性能遠超原型新機，相當于產品的升級換代，如對引洮供水TBM原有刀盤進行再制造后，掘進效率遠超原刀盤，并創造月掘進里程世界紀錄。

（三）主要產品和再制造企業概況

隧道掘進機裝備再制造產業作為國民經濟高質量發展行業，具有產業鏈長、關聯度大、輻射范圍廣等特點，大力發展作為綠色循環經濟的掘進機再制造產業，開展全鏈條綠色轉型升級，對于實現碳達峰、碳中和，提升我國高端裝備再制造產品質量，增強國際影響力，消除綠色貿易壁壘具有重要意義。

分類型來看，2019年我國掘進機產量的快速增長主要得益于懸臂式掘進機的產量增長，2019年27個主要廠商懸臂式掘進機的產量達1656臺，產量前三名的公司分別是三一重型裝備有限公司、徐州徐工基礎工程機械有限公司、山西天地煤機裝備有限公司。

從競爭格局來看，盾構機的主要生產企業有中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團股份有限公司、廣州海瑞克隧道機械有限公司等，這三家企業的銷售額分別為77.8億元、75.1億元、16.7億元。

隨著全國各大城市軌道交通建設以及城際鐵路、水利工程、過江隧道等項目的規模不斷擴大，盾構機作為隧道掘進的專用大型工程機械，其市場需求也成倍數增長。截至2023年12月，31個?。ㄗ灾螀^、直轄市）和新疆生產建設兵團共有55個城市開通運營城市軌道交通線路306條，運營里程10165.7km。

進入“十四五”后，我國城軌交通的建設規模和投資維持在較高的水平，多種資本的參與也將為城軌交通的持續快速發展增添新的動能。隨著城市化的推進，地下空間的開發利用越來越成為熱點話題。在“高度”“廣度”不斷拓展的今天，地下空間所標注的“深度”，為城市打開了更加立體的發展空間。地下空間是一座“富礦”，特別是在改善基礎設施、提升空間容量、緩解交通壓力等方面，發揮著不可替代的作用。近些年來，我國對地下空間的開發利用更加重視。比如，城市群和城市軌道交通建設已經列入“十四五”交通強國建設工程；不少城市充分利用人民防空工程和建筑地下室，為老百姓開辟許多具有文化、休閑性質的公共空間；還有的城市全面更新地下管網，為即將到來的智慧城市鋪設“路基”，做足城市“向下”的文章。

二、行業做法

（一）盾構機再制造的主要環節

在“雙碳”背景下，企業綜合制造成本勢必逐漸增加，要在不增加能耗甚至降低能耗的情況下做到產值提升，對新型工業、裝備制造、產品研制提出了新的要求。盾構機再制造引進綠色低碳設計理念，以更高效地利用資源、最大化地減少資源消耗和浪費，降低環境負面影響，達到“綠色低碳指標”。盾構機作為大型施工型裝備的一種，產品綠色低碳技術研發勢在必行，包含設計開發、生產制造、包裝運輸、現場使用、維護保養5大主要環節。

設計開發環節需要建立全生命周期的設計理念，圍繞綠色低碳開展設計開發；提高裝備設計研發的智能化、數字化、信息化水平；逐步淘汰高能耗、低性能材料，獨立或聯合研發新型綠色材料，達到低能耗、高質量的目標。比如，機械自動設計軟件平臺開發，無人駕駛技術、裝備制造新材料技術、密封系統關鍵核心技術的升級，機械零部件、液壓元件、電氣元件的優化等。

生產制造環節需要全面優化工藝流程，改造生產過程中熱處理、涂裝等高能耗和高污染工序，達到或超過國家環保標準要求；提高生產設備及管理流程的智能化、數字化、信息化水平，進一步提高生產效率，實現少人化、無人化生產作業。

包裝運輸環節需要進一步優化包裝及運輸方案，在保證產品安全的情況下，進一步減少能源消耗；逐步淘汰高污染、低降解、一次性包裝材料，選用綠色型、易降解以及可重復利用包裝材料，進一步提升環保效果與經濟效益。

現場使用環節需要進一步提高裝備作業的智能化水平，實現無人化、少人化作業，提升施工安全保障，提高作業效率；開發新型作業方案，對設備作業方式進行升級換代。比如，自動化配套施工技術、無人駕駛技術、新型破巖技術、超前地質預測技術、智慧環保領域技術等的升級。

維護保養環節需要開發巡檢機器人等智能設備，建立完備的隧道施工智慧工地系統，實現掘進裝備的智能互聯、智慧管理，推動先進制造業與新一代信息技術深度融合。比如，大數據、物聯網技術研發和應用示范技術，裝備智能監測、遠程診斷、全生命周期管理等工業互聯網平臺，運用人工智能、異構數據邊緣計算、BIM信息技術等。

（二）通過突破盾構機再制造關鍵技術提升綠色化水平

通過運用一系列的綠色技術手段，實現關鍵工藝技術突破，使得再制造過程中的綠色化程度大幅提升，同時再制造的盾構機完全符合工程項目的性能指標要求，再制造盾構機成為綠色產品。再制造技術體系得到快速的發展，主要表現在再制造技術的理論創新、評估檢測技術創新和再制造技術的創新，再制造技術的創新逐步實現系統化、規范化，必然促進盾構機再制造的發展。

目前，盾構機再制造企業已應用的再制造關鍵技術主要有如下幾種。

1.拆解工藝的綠色提升

由于盾構機設備的特殊工況條件，再制造拆解過程中往往會造成零部件的拆解損壞，拆解工藝的綠色提升，可以使零部件在拆解過程中不受損害；拆解過程中的廢水、廢油以及固體廢物不對環境造成污染，并提高拆解效率。

2.清洗工藝的綠色提升

當前在再制造工藝流程中普遍使用的仍然是油料清洗、化學清洗，這些對環境都會產生一定的污染。研究使用激光清洗、超聲清洗等綠色清洗技術，可以減少對環境的不良影響；采用廢水凈化技術循環利用，可以大量節水。

3.液壓元件再制造工藝的綠色提升

在原有盾構液壓系統基礎上進行技術優化改進，其主要表現在主液壓傳動技術中主要的閉式容積調速驅動系統和電液負載敏感比例控制兩方面，其關鍵技術包括液壓系統與機械系統的參數匹配、電液系統的協調控制技術、全局功率匹配、功率極限載荷控制等。盾構機閉式系統由變量泵與驅動變量馬達組成，閉式液壓系統的特點是功率密度高、布局方便、過載保護能力強和控制方式靈活。設計開發盾構電液驅動系統功率匹配技術與協調控制技術，要解決發動機易出現過載熄火的問題與各子系統的協同控制問題，實現整機系統的高效節能控制。

核心元件的綠色工藝及可靠性設計。基于對大型工程車輛的液壓可靠性評估成果與經驗，對現有盾構產品提出盾構系統與關鍵元件的可靠性設計分析方法。運用液壓系統故障搜索策略及有源故障診斷的方法，開展對盾構設備的節能、節材可靠性創新設計，完善設備減速機等關鍵機電液零部件的可靠性設計增長試驗與全生命周期的評估，使得盾構機系統及關鍵零部件在產品的規劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養，直到回收再用處置的全生命周期過程中實現最優綠色提升。設計采用多機并行可靠性節能試驗方法和功率回收試驗裝置，改善盾構機關鍵液壓元件國產化中的可靠性評估能耗大、時間長的問題；提出小樣本可靠性特征參數評估方法，進而實現對關鍵液壓元件的可靠性壽命評估與預測，實現盾構機系統的生命周期設計的最終目標，盡可能在質量、環保等約束條件下縮短設計時間并實現產品全生命周期最優。

建立盾構機電液狀態監測系統，改善了現有盾構設備的可靠性和維修性，實現設備運行、維修及產品再循環等技術的集成，開展電液系統與關鍵零部件的再制造，提高資源利用率與整機的綠色化程度，從而使得供應鏈中的資源可以不斷重復循環利用，進一步完善盾構機綠色供應鏈的構建與應用。

4.液壓油液介質的綠色控制

采用自主知識產權的液壓有源測試儀對盾構液壓系統進行測試評估，建立液壓有源測試液壓系統泄漏模型，進行支路泄漏預知和支路液壓元件泄漏預知的測試，得出支路和液壓元件泄漏量的排序結果，對盾構液壓系統的泄漏預知進行準確測試，從而得到現有盾構設備的液壓系統常見故障和油液泄漏情況與污染程度。

5.盾構機電氣控制系統綠色化

對現有的盾構機設備的電氣控制系統采用新型總線通信、模塊化控制方式，由主控制器的中心計算機進行處理后，通過數模轉換或數字開關，直接送到末端控制、調節或執行裝置，大大提升系統的工作效率，降低能源消耗，實現綠色化控制。

另外，電液系統協調控制技術、伺服超馳控制技術、余壓控制技術等一系列綠色節能技術將被應用到盾構設備產品的改進設計當中，從而從整體上提高整機的綠色化率。

6.再制造刀盤擴徑技術

在刀盤設計中，在原刀盤結構形式、刀具配置等滿足下一個目標項目適應性的情況下，對原刀盤進行擴徑改造。割除原刀盤的周邊結構、刀具等配置，以中心塊（剩余部分）為基準，重新焊接刀盤周邊結構、刀具等配置，以達到刀盤開挖直徑及結構尺寸滿足目標項目需求。

7.再制造盾體擴徑技術

在盾體改造過程中，盾體擴徑是一種常規的改造方式。如原機盾體部分直徑不滿足使用要求，需將盾構機進行擴徑，在原盾體結構的基礎上包覆板材來滿足施工要求。包板盾體較新制盾體，可節省大量鋼材等原材料，節約制造成本。

8.主驅動密封跑道激光熔覆修復技術

激光熔覆再制造是激光先進制造技術之一，它具有熱影響區小、變形小、易自動化等一系列的優點，是國家倡導并大力發展的綠色制造技術。盾構機主驅動跑道修復是一個包含預處理、激光熔覆、機加工與熱處理的多道制造工序的加工工藝過程。每次工序轉換都存在重新定位與編制工藝的問題，可運用機器人柔性加工的特性，將機加工與激光熔覆等重要工序復合在一套機器人系統上，能有效解決各工序轉換的諸多問題，是盾構機激光熔覆綠色再制造領域技術創新、工藝創新和裝備創新的典范。

（三）相關標準制定

我國現有多家盾構機及主要零部件再制造企業，但缺乏統一的企業管理、質量控制、檢測與評估、再制造技術等標準體系。為了規范盾構機再制造技術，促進盾構機再制造產業的健康發展，也為規范企業按標準化生產、經營，促進企業的轉型升級，引領創新，北京盾構工程協會聯合全國綠色制造技術標準化技術委員會、京津冀裝備再制造產業技術研究院等單位，于2018年開始立項并組織《全斷面隧道掘進機再制造》系列團體標準的制定，2020年5月20日該標準正式發布并于2021年3月1日開始實施。

《全斷面隧道掘進機再制造》系列團體標準，對全斷面隧道掘進機再制造的通用技術要求、企業技術要求及質量控制要求等做出了明確規定，它有利于推動再制造企業的技術進步，提高再制造產品的質量和再制造企業的信用、權威性，改善企業經營管理的水平和增加社會、經濟效益，擴大企業的影響力。

（四）規范企業認定

為落實再制造系列團體標準的應用與實施，促進再制造技術創新，統一行業標準，提高再制造企業信譽度，提升企業品牌形象和市場價值，北京盾構工程協會于2021年和2022年陸續開展了盾構機再制造企業達標認定工作，對再制造企業認定條件及現場驗收提出嚴格要求，把維修、零部件再制造、翻新等內容區分開來。截至2023年底，達標企業11家，其中民營企業1家、混合制企業1家、外資企業1家，其余為央企。在認定過程中，北京盾構工程協會對地域、市場針對性等條件進行了考核，目前達標企業運營良好。同時，針對外資企業的基本情況，北京盾構工程協會還對標德國盾構機再制造標準，計劃引進國外技術管理內容及先進管理經驗。

通過對盾構機再制造企業的綜合審查與評價，北京盾構工程協會致力于培育出具有核心競爭力的盾構機再制造企業，增強各界對再制造盾構機的信任度，提高再制造盾構機的應用范圍，并不斷規范和完善盾構機再制造標準及管理辦法，促進“十四五”期間國家“雙碳”指標落實，盤活固定資產，全面推動國內盾構機再制造產業的健康發展。

（五）政策解讀和宣貫

我國再制造產業的持續穩定發展，離不開相關政策的支持和法律法規的規范。隨著再制造產業政策環境不斷優化和再制造產業的持續發展，國家高度重視再制造產業的培植，加大了對再制造產業的支持力度。2005年以來，國家出臺了多項與再制造相關的政策法規和國家標準，且逐步細化和具體化，其主要體現在再制造產品標示、再制造產品質量控制以及財稅政策等方面的不斷優化和完善上。

“十三五”以來，在政策支持、技術創新與市場發展的多重推動下，盾構機再制造產業也獲得了快速的發展。進入“十四五”，盾構機再制造產業面臨最佳機遇期，為了支持和引導盾構機再制造產業發展，國家政府部門發布了一系列關鍵政策和相關標準，它們為推動我國盾構機再制造產業健康、有序、快速發展提供了有力的支撐。其中，2016年工業和信息化部開始設立盾構機再制造試點單位的施工企業；2017年工業和信息化部發布的《高端智能再制造行動計劃（2018—2020年）》中重點提出要加強盾構機整機及關鍵零部件再制造技術的推廣應用。

為使《全斷面隧道掘進機再制造》系列團體標準更好地在行業內推廣、應用、貫徹執行，2021年4月，北京盾構工程協會在天津組織舉辦了“《全斷面隧道掘進機再制造》系列團體標準宣貫大會”，其旨在促進標準實施，使標準由理論變為實踐，保證再制造產品質量，促進企業技術進步，提高技術管理水平，從而促進行業的高質量發展。

三、發展展望

盾構再制造是指利用高新技術對有剩余壽命的盾構機零部件進行專業化修復或性能升級，獲得技術性能和質量上不低于甚至超過原機新品水平的再制造產品的過程，其有利于降低成本、降低資源和能源消耗、減少環境污染，它不僅是制造產業鏈的延伸，而且還能以最小的投入實現最大的產出效益。

（一）產品市場前景廣闊

再制造盾構機本身具有節約資源、保護環境、價格低、工期短等特點，在市場競爭中具備明顯優勢，且具有廣闊的市場前景。一是成本低，成本約為新機的70%，降低了工程成本，可實現資源的持續利用。二是使用性能不低于新機，再制造設備的使用性能不低于新機，并可以根據下一個工程的建設環境和地質條件等因素對再制造機器進行適當調整，從而滿足市場需求。三是易于推廣，舊設備再制造時，如果不是最后一次再制造，容易在市場中進行應用推廣。

（二）企業發展展望

在構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局下，在國家加快培育發展專精特新企業的政策指引下，引水工程、水利水電、綠色環保等領域蘊藏著重大的機遇。盾構機再制造企業要以客戶思維推進盾構機再制造進入更多領域，以全生命周期管理為服務宗旨提升客戶滿意度，通過管理創新、體系建設、綜合人才培養、質量標準體系建設等推進企業盾構再制造業務的高質量發展。

（三）技術發展方向

一是故障診斷技術。針對盾構機機電液集成配置，通過對零部件系統的評估檢測和壽命診斷，分析各系統零部件的狀態、可利用性，根據評估結果運用新工藝、新技術、新材料等對零部件進行修復，將其恢復至原有功能，形成一套完整的評估檢測、修復工藝、技術標準等再制造技術體系。

二是核心零部件國產化和技術更新。根據現有盾構機配置，對核心零部件進行國產化，提升性價比；通過盾構再制造進行技術迭代更新，提升盾構技術先進性。

（四）消費者發展展望

對于盾構機再制造行業，人們目前還沒有形成統一的認識。例如，什么算是真正的再制造，其可靠性、使用壽命、性能等到底與新機有多大差距，等等。政策、規范以及行業標準要進行引導宣貫，統一行業對再制造的認知，使消費者能夠接受盾構機再制造。再制造盾構機消費者要求再制造盾構機性價比高，相關機構要在保證性能的前提下，降低再制造盾構機的價格，體現出盾構機再制造的優勢。

四、政策訴求與建議

目前盾構機再制造企業眾多，設計能力及制造能力差別較大，參差不齊。雖然盾構機再制造市場巨大，但部分企業能力不足，并且行業沒有對全部企業進行資質審查和考核，盾構機再制造市場價格戰時有發生，低價中標必然會埋下再制造產品質量缺陷的隱患，進而帶來隧道施工風險和不良的社會影響。

（一）完善政策法規，建立準入制度

建議對盾構機再制造生產型企業、服務型企業和購買盾構機再制造產品的單位給予政策鼓勵，推動將盾構機再制造產品列入《國家工業固體廢物資源綜合利用產品目錄》，逐步對盾構機再制造產品實行減征或免征增值稅。加快推進盾構機再制造企業資質認證和再制造產品信息備案制度的建立，推動建立盾構機再制造市場準入機制，促進再制造產業的健康發展。

（二）加強標準在行業的推廣與執行

2020年5月，北京盾構工程協會發布了《全斷面隧道掘進機再制造》系列團體標準，這極大地豐富了盾構機再制造標準序列。但是，在實際應用中，應用標準的意識和執行標準的力度仍較差，需要進一步加強推廣該標準。

（三）推進核心部件國產化

盾構機再制造是盾構延續使用壽命、提升性能的重要手段，應逐步實現盾構零部件的國產化。目前機械、部分低端的電氣產品國產化較好，液壓、高端電氣產品和核心部件等應繼續推進國產化的進程。我們建議由政府引導，盾構機制造單位積極嘗試，與國內相關制造業共同推進盾構零部件的國產化。

（四）深化宣傳引導，提升對盾構機再制造的認知度

由于我國再制造產業發展仍處于起步階段，再制造作為新的理念還沒有被行業及客戶正確認知，因此我們要繼續加大對再制造的宣傳力度。在銷售網絡和終端用戶范圍內推廣普及再制造產品，結合再制造盾構機的具體實例宣傳再制造在我國實現碳達峰、碳中和目標中的地位和作用，正確引導社會各界尤其是政府部門、新聞媒體對再制造的認識，提升公眾對盾構機再制造的認知度，從而形成推進盾構機再制造產業發展的整體合力。

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[1] 薛爾莎，從事盾構工程工作。桂軼雄，高級工程師，從事地下樁基工程、盾構法等機械化施工與研究工作。李小崗，教授級高工，長期從事盾構施工及制造管理工作。