《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第四部分 裝備《長距離大埋深隧道小直徑盾構(gòu)機(jī)設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》

本期項(xiàng)目簡介

完成單位: 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司

主要完成人: 李光、 胡燕偉、 鄭康泰、 董亞嶺、 朱雷、 宋德華、 郭付軍、 谷光偉、 王雙旺、程永龍

項(xiàng)目簡介

　　長距離大埋深隧道小直徑盾構(gòu)機(jī)是隧道掘進(jìn)領(lǐng)域集機(jī)、電、液、傳感于一體的高端智能裝備,是國家供水、電力、燃?xì)獾戎卮笫姓こ填I(lǐng)域不可或缺的大國重器。立項(xiàng)之初,國內(nèi)市政管道建設(shè)多采用明挖法、頂管法等,國外已逐漸采用小直徑盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。國內(nèi)小直徑盾構(gòu)機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢,成為小直徑隧道施工技術(shù)的一大缺口。因此,研制可適用于長距離、大埋深、小曲率隧道的小直徑盾構(gòu)機(jī)勢在必行。

　　本項(xiàng)目歷經(jīng)多年的“產(chǎn)、研、用冶聯(lián)合攻關(guān),提出了長深小隧道復(fù)雜環(huán)境下關(guān)鍵部件高可靠性的設(shè)計方法,研發(fā)了小曲率轉(zhuǎn)彎球形鉸接控制與可變象限推進(jìn)技術(shù),開發(fā)了長距離狹窄空間下多系統(tǒng)高效協(xié)同施工技術(shù),解決了該類隧道盾構(gòu)施工存在的“掘進(jìn)難、控制難、保障難冶三大國際性行業(yè)難題。

　　本項(xiàng)目獲國家授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng),實(shí)用新型專利19項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文12篇,軟件著作權(quán)2項(xiàng),形成了長距離大埋深小直徑盾構(gòu)機(jī)自主設(shè)計制造的核心成果和知識產(chǎn)權(quán)群,獲得2020年度河南省科技進(jìn)步二等獎、2020年度中國交通運(yùn)輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎、2019年度中鐵股份有限公司科技進(jìn)步二等獎、2019年度中鐵高新工業(yè)股份有限公司科技進(jìn)步特等獎。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)提出了長深隧道復(fù)雜環(huán)境下關(guān)鍵部件高可靠性的設(shè)計方法。構(gòu)建了多因素耦合的小直徑盾構(gòu)刀盤驅(qū)動扭矩計算模型,提出了高功率密度高扭矩主驅(qū)動設(shè)計方法,揭示了盾構(gòu)刀盤扭矩規(guī)律;研制了盾構(gòu)用齒圈-軸承分離式主驅(qū)動裝置;研發(fā)了唇形、指形兩種形式的高承壓密封技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高水土壓力下的長距離施工。解決了“掘進(jìn)難冶的關(guān)鍵難題。

　　(2)研發(fā)了小曲率轉(zhuǎn)彎球形鉸接控制與可變象限推進(jìn)技術(shù)。基于串聯(lián)同步位移傳感技術(shù)及旋轉(zhuǎn)編碼技術(shù),開發(fā)了可視化耦合控制高精度補(bǔ)償仿形刀系統(tǒng),滿足了轉(zhuǎn)彎時開挖異形空間的需求;基于流量守恒定律,構(gòu)建了球形鉸接小曲線轉(zhuǎn)彎算法,發(fā)明了高壓小曲率轉(zhuǎn)彎球形鉸接模擬實(shí)驗(yàn)臺,實(shí)現(xiàn)了隧道R60m小曲率轉(zhuǎn)彎?；诩m偏曲線的目標(biāo),建立了推進(jìn)系統(tǒng)壓力控制模式賦值計算方程,開發(fā)了任意分組可變象限自動糾偏控制技術(shù)。解決了盾構(gòu)姿態(tài)、地表沉降及隧道軸線控制難的問題。

　　(3)開發(fā)了長距離狹窄空間下多系統(tǒng)高效協(xié)同施工技術(shù)。研制了油缸聯(lián)動高集成度的管片抓舉裝置,首創(chuàng)了對邊平行提升的搖臂式管片拼裝機(jī);提出了隧道長度、風(fēng)量、溫度的耦合迭代計算模型和多熱源解耦獨(dú)立分析法。解決了長距離小直徑隧道施工“保障難冶的難題。

同類項(xiàng)目比較

詳見表 1。

應(yīng)用案例

　　河南省洛陽市新安縣引故入新供水工程起點(diǎn)位于洛陽市故縣水庫引水工程新安縣預(yù)留分水口處,地處宜陽縣城區(qū)東北部甘棠寨西側(cè);終點(diǎn)位于新安縣城區(qū)南部洛陽供電公司云頂220kV變電站東南擬建水廠處。工程線路總長24.49km,隧洞段長18.713km,日供水量為5萬立方米,未來預(yù)計惠及20萬城區(qū)人口。該工程具有以下特點(diǎn):

　　(1)國內(nèi)首次將盾構(gòu)應(yīng)用于大埋深山嶺隧道,隧道平均埋深100m、最大埋深為160m,存在水壓高和卡盾的風(fēng)險。隧道主要位于黏土巖、砂巖地層,郁級和吁級圍巖較多,地質(zhì)自穩(wěn)性較差。(2)該工程是國內(nèi)獨(dú)頭掘進(jìn)距離最長的盾構(gòu)隧道,同時單次全斷面硬巖距離超長。(3)隧道斷面直徑小,通風(fēng)、排水、氣溫等要求高。隧道管片內(nèi)徑只有3m,獨(dú)頭掘進(jìn)距離超過10km。(4)隧道斷面直徑小,洞內(nèi)管片、渣漿、鋼軌等物料運(yùn)輸距離遠(yuǎn),管片拼裝等作業(yè)難度大。(5)采用洞內(nèi)加固、對接和拆解等技術(shù)方案。兩臺盾構(gòu)機(jī)從隧道兩端向中間掘進(jìn),最終實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)對接拆機(jī),隧道軸線測量精度要求高;洞內(nèi)拆機(jī)時,存在空間小、吊裝不方便等問題。

　　中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司為該項(xiàng)目量身打造了兩臺3.8米級復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(中鐵635/636號),整機(jī)長約155米,驅(qū)動功率達(dá)380kW,整機(jī)功能比常規(guī)6m級別盾構(gòu)更齊全(見圖2)。采用國內(nèi)外知名品牌零部件,增強(qiáng)整機(jī)性能穩(wěn)定性;利用耐磨復(fù)合鋼板、Haodax材料、立體式刀具布置等措施,提高刀盤、螺旋輸送機(jī)的耐磨性;采用了搖臂式管片拼裝機(jī)、超低進(jìn)空小車等措施,盡量增加作業(yè)空間;設(shè)計有制冷系統(tǒng)、衛(wèi)生間、二次通風(fēng)措施,滿足人員安全及舒適度要求;利用洞內(nèi)移動和固定會車平臺、新能源編組列車等方式,實(shí)現(xiàn)超長距離物料運(yùn)輸。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　該項(xiàng)目成果突破了盾構(gòu)機(jī)在大埋深長距離小轉(zhuǎn)彎隧道施工中的技術(shù)瓶頸,研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全斷面隧道掘進(jìn)高端裝備,將盾構(gòu)機(jī)直徑規(guī)格縮小至,從適用于地鐵、公路隧道的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展至市政管廊、水利水電工程。項(xiàng)目的實(shí)施,帶動了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,直接、間接提供就業(yè)崗位1200個左右。該成果孵化出20余臺小直徑盾構(gòu)機(jī),先后應(yīng)用于深圳北環(huán)電力隧道等15項(xiàng)工程,成功出口至卡塔爾、丹麥等國家。并為企業(yè)、高校培養(yǎng)出一大批全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)人才,拓寬了盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)從淺覆土到大埋深、從短里程到長距離、從緩曲線到小曲率隧道的躍變。