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盾构机论文
隧道机械:
浅谈盾构机
摘要:
盾构机是一种隧道专用的掘进机械,广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程.其必须具有高可靠性和稳定性。
其在当今中国应用数量非常大,但是目前我国的技术同世界先进技术还存在一定的差距,一些方面的功能要求还不能满足需要.本文主要研究一下内容:
一、概述盾构机的种类及其特点和作用和适用范围。
二、分析国内外市场和行业情况。
三、分析我国取得的成就及不足。
四、浅谈其发展趋势,跟上先进国家的步伐。
一、概述
构隧道掘进机,简称盾构机。
是一种隧道掘进的专用工程机械,现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能,涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术,而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造,可靠性要求极高。
盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点,在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下,用盾构机施工更为经济合理。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。
该圆柱体组件的壳体即护盾,它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。
挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构,挤压式盾构,半机械式盾构(局部气压、全局气压),机械式盾构(开胸式切削盾构,气压式盾构,泥水加压盾构,土压平衡盾构,混合型盾构,异型盾构)。
根据盾构机不同的分类,盾构开挖方法可分为:
敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。
为了减少盾构施工对地层的扰动,可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层,然后在切口内进行土体开挖与运输。
敞开式
手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖,这种方法适于地地质条件较好,开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况,其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。
若土层较差,还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。
采用敞开式开挖,处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。
为尽量减少对地层的扰动,要适当控制超挖量与暴露时间。
机械切削式
指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。
根据地质条件的好坏,大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。
刀架间无封板适用于土质较好的条件。
大刀盘开挖方式,在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。
此外,清除障碍物也不如敞开式开挖。
使用大刀盘的盾构,机械构造复杂,消耗动力较大。
目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构,均采用这种开挖方式。
网格式
采用网格式开挖,开挖面由网格梁与格板分成许多格子。
开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。
当盾构推进是,土体就从格子里挤出来。
根据土的性质,调节网格的开孔面积。
采用网格式开挖时,在所有千斤顶缩回后,会产生较大的盾构后退现象,导致地表沉降,因此,在施工务必采取有效措施,防止盾构后退。
挤压式
全挤压式和局部挤压式开挖,由于不出土或只部分出土,对地层有较大的扰动,在施工轴线时,应尽量避开地面建筑物。
局部挤压时施工时,要精心控制出土量,以减少和控制地表变形。
全挤压式施工时,盾构把四周一定范围内的土体挤密实。
二、国内外的使用和生产情况
盾构机作为城市轨道、公路铁路、水利工程、市政工程等领域隧道建设的关键施工设备,在未来具有广阔的市场前景。
据统计,2010年以前,全国已有27个城市获批建设地铁92条,建设总长度2677公里。
未来5到10年铁路建设规划新建17000公里,其中隧道约2000公里。
伴随着城市新一轮地铁建设热潮和公路铁路隧道,水利工程隧道、越江隧道、城市地下管线隧道的建设的大量发展,中国境内新建各类隧道、隧洞,每年至少以600公里的速度飞速增长,考虑到中国企业已开始向国外市场进军的态势,预计在未来5到10年内,全行业有近千台约500亿元以上的销售规模,市场潜力巨大。
由于制造工艺复杂,技术附加值高,目前核心技术基本掌握在德国、美国、日本等少数几个发达国家的企业手中,其产品占据全球90%的市场份额,其中德国企业全球市场占有率接近60%。
据不完全统计,目前国外盾构机的主要制造厂有18家,但国内已有近30家企业从事盾构机制造,并且数量还在增加,其中大部分不掌握核心关键技术。
据初步统计,目前在国内盾构机市场上,国外品牌(包括和不掌握核心技术的国内企业合作生产)市场占有率约60%,尤其是在硬岩掘进机领域,国外品牌市场占有率达85%以上。
我们先看一下国外的一些先进技术:
日本三菱重工,开挖英法海峡交通隧道用的盾构机,其中有两台是该公司制造的。
曾向法国里昂地区提供直径为11m的土压平衡式盾构机,为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机,为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。
1992年为法国里昂高速公路制造了直径为10.96m的土压盾构;1993年制造了迄今最大的双圆盾构;1994年为日本东京湾隧道制造了3台当时最大的泥水盾构;1995年制造了三圆盾构;1996年,为满足共同沟施工需要,制造了7950mm×5420mm的矩形盾构;同年又完成了球形刀盘盾构。
1997年三菱为川崎高速提供了MMST盾构;同年三菱又将泥土加压盾构的直径刷新为11.52m;1999年三菱生产了第一台子母盾构;2001年在大阪共同沟工程项目中,三菱制造了最大的MSD盾构,直径为8.07m,解决了盾构对接技术。
日本川崎重工,东京市神田川地下调蓄工程用的直径为13.94m的盾构机,东京湾海底隧道14.14m直径的盾构机,英法海峡隧道开挖用的盾构机,以及上海地铁隧道用的盾构机等。
德国海瑞克(HerrenknechtAG)拥有直径从4,000mm到15,440mm用于公路、铁路、地铁及输水隧道施工的大直径机器到外径仅100mm的全自动微型隧道掘进机、房屋管件连接设备和水平定向钻设备,在荷兰西西尔德、瑞典哈兰德拉斯、马德里、巴塞罗那、易北河等隧道工程中大显身手。
在中国参与并完成了香港、北京、天津、广州、深圳、南京、重庆等城市的地下隧道及越江隧道工程。
美国罗宾斯公司(ROBBINS)罗宾斯已经生产出了隧道挖掘直径从1.6到12.87米的全断面隧道掘进机(TBMs),机器重量从50公吨到1500公吨以上,总装机功率从300千瓦到3000千瓦以上。
加拿大罗浮特公司(LOVAT)是唯一能提供从盾构机的全面设计、制造、检测和试验的公司。
德国维尔特Wirth法NFM集团的盾构机技术在地下施工过程中,保证密封的前提以及高达0.3MPA气压的情况下更换刀盘上的刀具,从而提高盾构机的一次掘进长度。
德国还独创了在密封条件下,直接从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具技术。
我们再看一下国内的情况。
国内市场占全球盾构机市场的60%,盾构机行业是在巨大市场拉动和政策支持下逐步发展而形成。
近年来,盾构机市场已由初期的完全依赖进口,进而通过消化吸收再创新,发展到目前已具有一批自主研发能力和较大生产规模的国内制造企业,产品出口到新加坡、印度、伊朗等国家,在国际市场形成一定的竞争力。
但是,国内市场仍然存在许多问题。
上海隧道工程股份有限公司,建成世界最大直径和单次掘进最长距离隧道——上海长江隧道;建成世界首例复杂环境下大直径土压平衡盾构法隧道——外滩通道;建成国内第一条泥炭质土层明挖法隧道——草海隧道。
2004年9月,具有完全知识产权的国产地铁盾构机“先行号”样机问世,获得了33项技术专利,通过零部件的全国配套和自行开发制造,“先行号”的国产化率达到了70%左右。
2005年6月“先行号”样机首次掘进表明其主要综合指标达到国际先进水平,在第二次推进中“先行号”样机先后创造了日推进38.4米和月推进566.4米的国内盾构机施工最快纪录。
样机的两次掘进充分证明,国产盾构机的技术完全摆脱了外商的束缚。
上海隧道股份还在与德国海瑞克、日本日立、日本川崎、美国罗宾斯、北方重工等世界著名盾构机厂商竞标中胜出,产品出口新加坡、印度等地,向更广阔的国际市场迈开坚实的步伐。
2008年4月25日,由中铁隧道集团自主研发制造的中国首台复合式盾构机在河南新乡中铁隧道集团盾构机产业化基地下线;由中国铁建重工集团自主研发并用于长沙地铁2号线一期工程的“开路先锋19号”盾构机,2011年5月7日成功出井……
2010年中铁隧道生产盾构23台,手里拥有盾构机生产订单达到30台,其产品已经在国内外打出品牌,远销马来西亚,开始与国际知名品牌同台竞技。
长沙地铁2号线一期工程,采用的是中国铁建重工集团提供的15台自主研发的盾构机,此举使得长沙成为国内第一个实现了在地铁施工中,全部采用国内自主品牌盾构机的城市。
2012年3月,中交天和机械设备制造有限公司的最新盾构机——直径14.93米泥水气压平和复合式盾构研制成功,标志着我国复杂隧道装备技术再上一个新台阶;我国首个隧道盾构机刀盘生产基地4月在广州落成;国内首台盾构机主轴轴承今年6月在上海试用成功。
2012年12月2日一台直径达到6.66米的盾构机,在武汉市江夏中铁科工集团轨道交通装备公司下线,将销往印度,为其建设首都新德里地铁。
三、我国存在不足的方面及原因
国内市场占全球盾构机市场的60%,盾构机行业是在巨大市场拉动和政策支持下逐步发展而形成。
近年来,盾构机市场已由初期的完全依赖进口,进而通过消化吸收再创新,发展到目前已具有一批自主研发能力和较大生产规模的国内制造企业,产品出口到新加坡、印度、伊朗等国家,在国际市场形成一定的竞争力。
但是,国内市场仍然存在许多问题。
我国企业大多通过与国外企业合作掌握盾构机核心关键技术,但“市场换技术”换不到核心关键技术,如盾构机刀盘设计等核心技术还不掌握,主驱动轴承、高压液压元件及系统、密封装置、传感器、控制系统等关键零部件依赖进口。
由于国内企业不掌握核心技术和关键配套件,只能从合作生产中赚取微薄利润。
影响我国盾构机行业发展的主要原因有以下几个个方面:
市场尚未统一,当前我国盾构机市场条块分割,行业垄断和地方保护并存,造成部分非市场化的局面。
具体表现是,盾构机作为地铁隧道施工的关键设备,各建设单位(业主)将盾构机的选用作为关键环节,倾向性地希望使用外国品牌的盾构机;各地方政府也希望盾构机能够在本地区内企业制造,以期带动地方产业发展;各建设单位也希望在本系统内企业制造,以期获得最大利益;由此造成了中国盾构机市场的人为分割。
各地短时间内出现了不少为中标服务的合资合作企业。
所谓合资合作,实际是由外商总承包及技术负责,国内合作企业只是承担结构件制造和组装,由此造成国内盾构机的市场大部分被外商占据。
而拥有自有知识产权技术的上海隧道和北方重工等企业很难获得其他地方和用户市场的订单,只好参与国外市场竞标。
存在第二制造体,盾构机作为隧道工程的大型施工设备,需结合工程设计要求单独定制,不能批量化生产。
由于国内统一的盾构机市场没有形成,市场的条块分割促使工程施工单位从原先自主采购盾构机逐渐发展为自制自用,因此盾构机生产企业多分布在市政、铁路、交通和水利等用户行业,一直没有形成统一的组织,行业统计数据不准确,标准很不健全,行业诉求无处反映,行业自律有待加强。
因此,行业组织缺失,严重影响到行业发展。
行业管理有待加强,盾构机作为隧道工程的大型施工设备,需结合工程设计要求单独定制,不能批量化生产。
由于国内统一的盾构机市场没有形成,市场的条块分割促使工程施工单位从原先自主采购盾构机逐渐发展为自制自用,因此盾构机生产企业多分布在市政、铁路、交通和水利等用户行业,一直没有形成统一的组织,行业统计数据不准确,标准很不健全,行业诉求无处反映,行业自律有待加强。
因此,行业组织缺失,严重影响到行业发展。
关于其发展建议尽快成立行业组织,完善行业管理体系。
制定生产企业技术规范。
提高创新能力,要舍得投入,要自己拥有核心技术,打破国外的技术垄断。
四、发展趋势
关于盾构机发展方向
(1)开发新型盾构,开发用于海底、江底公路隧道的大口径圆形断面隧道掘进机(Φ≥16m),实现单向3车道,达到高速公路车流要求;开发小口径(Φ<1m)盾构掘进机,对市区密集建筑有自动导向、自动避开硬块等功能;开发异形断面隧道掘进机,满足城市共同沟构筑的要求。
(2)改进刀盘和刀具,刀盘、刀具是隧道掘进机上的重要组成部分之一。
研究、开发不仅能自动更换刀盘而且刀头具有耐热、耐磨、耐腐蚀高硬度的材料,使得在隧道掘进机上安置的刀具既可切削坚硬的岩石,又可搅削含水软土层(即混合形盾构),达到对多种不同性质的土层作稳定掘削。
(3)开发激光、陀螺并用的自动方向控制,新的卫星GPS定位系统,从而迅速准确地判断隧道掘进机姿态和设计轴线的偏差。
(4)提高隧道掘进机止水性能,加强土砂入口密封止水性能;开发新型的耐压性能和弹性止水性能良好的压力平衡式盾尾密封装置。
(5)进一步提高千斤顶推进速度(0.1m/min),控制切削速度和进切深度。
增设刀盘的制冷装置;适当扩大刀盘缝隙;增加滚筒式刀头,提高对较大卵石、石块破碎能力;采用双线路排泥系统,提高泥水分离处理能力,使其与双线路排泥系统适应。
这样,可大幅度地提高推进速度。
(6)开发强度高、流动性好的钢纤维混凝土衬砌系统。
(7)研制开发在大坡度、小曲率半径线路上施工的盾构。
(8)管片制作、运输、拼装的新技术和装备。
(9)开发新的接缝防水材料,更新接缝防水、堵漏的施工工艺,彻底解决隧道衬砌渗漏问题。
研制盾构穿越特殊有害地层的施工艺和技术装置。
国内盾构机市场前景相当广阔,盾构机施工和制造正在成为一个巨大的市场。
如何把地下资源利用起来,满足人们日益发展的需要应该是当前以及今后一段时间内的重要课题。
据统计,截止到2010年5月,我国十大城市地铁运营总里程为1039公里,已批复获准兴建的27座城市,2016年年底前拟建92条线路,总长度2677公里,总投资10734亿元。
据预测,2020年,我国将有36个城市拥有地铁,总里程超过6000公里。
“十一五”期间,全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1500公里。
2015年以前,我国已建城市轨道的15座城市将新建轨道交通65条线,总长度为1700公里,5000多亿元投资将聚集在这一领域。
还将有若干城市批准承建,投入施工的盾构机约300台以上。
加上大型的越江工程,我国的各类盾构机未来潜在市场超过200亿元。
按照国际市场每台盾构机400-600万美元的价格计算,这一领域的潜在市场高达150亿-225亿元。
可见,未来5~10年,将依赖地铁的发展等工程的高峰期,将带动巨大的盾构机市场发展。
而面对广大的市场应用前景,盾构机国产化替代进口是未来的目标和主要任务。
同时,国产盾构机企业应根据我国自身的特点,找准本土化产品定位,走出自己的特色之路。
我国大约有85%的盾构掘进机依赖进口,欧洲和日本等公司的地盾构机在中国的盾构掘进机市场上占主导地位。
其中,以产量1670台居世界首位的三菱重工、占据欧洲大半市场份额的海瑞克、以及拥有多个品牌的德国维尔特的表现最为抢眼,光德国的海瑞克就占据国内盾构机市场的70%以上。
除了外资品牌,国内除隧道股份还有二重、上重、大重、沈重和首钢等企业,独立进行盾构机的生产或与德国海瑞克、维尔特、美国罗宾斯等外资合资、合作生产。
为尽快改变这种被动局面,国家出台了重点扶持振兴盾构机国产化的相关政策,盾构机国产化终于开始“起跑”。
几年前,几乎全部的中国盾构机都从德国、日本等发达国家进口。
近年来,国内各重型机械制造企业纷纷通过与国外盾构机制造商合作、合资或自主研发及并购国外公司,开始进入盾构机制造领域,中国制造的盾构机产品开始在市场上显现。
随着国内市场需求量的增大,一些外资品牌开始进入我国,我国的盾构机开始少量生产。
随着国内盾构机投资的不断增大和国际企业的进入,根据目前在建产能和计划投资情况,预计我国盾构机的产量将大幅度提升。
将进入一个国产化的高速发展通道。
五、结论
我国在盾构机反面已经实现了由完全依赖进口到自主研发及出口的飞跃,我国有着广阔的市场空间,应借此大力发展我国的盾构机行业,应充分利用有利的市场和国家良好的政策,大力发展我国的盾构机行业,提高创新,打破国外对核心技术的垄断。
在这个领域里我们还有很多路要走,很多事要做,我们不能懈怠,我们应该通过努力让中国的盾构机跟上世界的步伐。
参考文献
【1】张青宋世军张瑞军工程机械概论化学工业出版社
【2】周文波盾构法隧道施工技术及应用中国建筑工业出版社
【3】唐经世等盾构机械的研究,筑路机械与施工机械化
【4】朱伟陈仁俊盾构隧道施工技术现状及展望(第1讲)
【5】盾构机设计联系会资料
【6】国家级工业期刊建设科技
【7】中国建设科技网
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