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国产盾构机的技术差距与科技发展前景概括

时间:2016-12-25 00:00来源:互联网作者:中国泵网 点击:
我国在盾构机研制方面已有多年经验,上世纪90年代以来,自主研发了挤压式盾构,气压式盾,重点开展了土压平衡盾构,泥水加压盾构的引进,消化与研究工作。目前,国内许多企业,如中铁隧

  我国在盾构机研制方面已有多年经验,上世纪90年代以来,自主研发了挤压式盾构,气压式盾,重点开展了土压平衡盾构,泥水加压盾构的引进,消化与研究工作。目前,国内许多企业,如中铁隧道集团、广重集团、沈阳重型机械集团公司等单位相继开展了盾构设备的研制和相关技术的开发,但是与国外相比在适应性设计,系统集成技术和关键原配件的生产制造等方面,存在着一定的差距。

 

  (一)技术差距体现在如下几方面:

  1、适应性设计

  英、德、日、法、美等国在长期的实践探索工程中形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设计理论,盾构模拟试验方法和系统的经验数据。虽然,上海隧道股份公司国家863科研项目“盾构地层适应性设计理论、方法和模拟试验平台”中的盾构掘进模拟试验平台已经建成,但是我国仍然没有十分完善的适合国情的适应性设计理论。我国现有盾构机与其需掘进地段的地质条件的适应性、盾构机刀具与土体的适应性,刀具磨损问题及刀盘道具组合配置与地质条件的适应性,已经严重影响到盾构技术的发展。我国幅员辽阔,东西南北中各个地区的地质条件相差很大,盾构施工普遍存在盾构机与其需掘进地段地质条件间适应性较差的问题,广州,上海、深圳地铁施工都先后出现过这样的问题而影响工程进度。

  2、总体设计与系统集成技术

  盾构技术集中体现了机械制造,液压、传感、自动控制、信息、材料等综合技术的集成。近年来我国研制的盾构机都是在引进、消化、吸收国外盾构技术的基础上进行的,有许多是在国外公司协助下的制造安装的,总体设计和系统集成技术落后,制约我国盾构机技术的发展。如国外盾构机有矩形、三圆形、马蹄形h&v等多种形式,虽然国内矩形盾构、双圆盾构、偏心多轴式盾构的开发取得了一定的进展,但是总体上讲异圆形断面盾构机,特种盾构机方面尚处于起步阶段。国外盾构研制、生产厂家已在实践中形成了一套较为成熟的盾构安装和调试的系统技术,几乎能针对所有的施工隧道地质条件设计,制造适用的盾构。但是我国目前尚没有完全适合国情的的系统设计经验数据,没有完全掌握系统的安装、调试技术,所以国产盾构存在性能不稳的现象。

  3、关键原配件生产技术

  盾构机许多配套设备要求很高,但是国内盾构机配套设备生产技术相对落后,许多关键设备还需要进口,影响盾构机的国产化进程,比如国内盾构机关键部件大轴承、驱动马达、液压阀件都是进口的可靠成熟的国外名牌产品,用于盾构的姿态控制,地表沉降控制的土压探测与传感装置基本依赖进口。刀盘、刀具设计技术是盾构机的核心技术,减少刀具磨损需要考虑很多方面,包括刀具本身的材料,刀具结构形式、刀具切削的外部条件等,我国现有盾构机在这方面还缺乏研究,对刀具磨损过程认识不足,对刀具、刀盘的岩土适应性设计方面缺少完整的理论依据,系统的经验数据和可靠的试验装备,在刀具的可靠性和寿命方面存在一定的差距。

  4、模型试验与系统仿真

  国外在盾构机研制开发过程中,非常重视系统仿真与模型试验,作为实现盾构掘进机结构与性能优化设计的重要手段。国内只有少数企业,如上海、中铁等公司建立了工业样机模型试验台,大多数企业在生产研制过程中,过分依赖国外技术吸收、图纸的消化,缺乏必要的模型试验与系统仿真研究。在盾构机虚拟样机建立与动态仿真、盾构机施工作业过程的数值仿真,刀盘系统与纠偏系统数值仿真与模型试验,主轴顶进、中继顶进、主顶进等液压系统的数值仿真与模型试验,物料输送机械流体传动系统的数值仿真等方面存在一定的差距,直接影响了自主研发水平的提升,在关键技术与核心部件设计上缺乏自主研发能力。

  5、衬砌和管片制作及拼装技术

  欧洲和日本等国已成功实施了全自动化拼装系统,包括砼管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。并且广泛采用ecl(挤压混凝土衬砌施工法)技术代替传统的管片衬砌系统,再施工成本和衬砌质量方面都取得了良好的效果。目前,国内盾构施工都是采用管片拼装系统将砼管片拼装成隧道衬砌,管片拼装系统由中心支撑回转机构,径向和水平移动液压缸等组成,虽然实现了管片移动的机械化,但是管片的对中、就位、拼装等大多数还是靠人工作业。而且,国内在异圆(矩形管片、球体管片、曲线管片等)设计方面尚处于起步阶段,管片拼装技术、插接管片技术等尚需进一步加大开发力度。

  6、盾构姿态控制技术

  国外盾构施工中的液压推进与导向技术已经比较成熟,通常在开挖面与盾构周边必要的位置布置有各种监控点,采集盾构运行状态、土压和地层扰动等多种信号,这些信号和地表沉降信号一起输送给信号处理计算机,计算机分析这些信号数据后,发送液压系统控制信号,实现对盾构推进和导向的自动控制,基本可以实现无人化的精确操作。目前,国内在利用激光、陀螺并用的盾构自动方向控制系统、模糊控制论用于盾构姿态控制等相关技术方面的开发研究取得了一定的成果。但是,国内盾构所用土压探测与传感装置基本依赖进口,根据地表变形和运动轨迹进行适时反馈控制技术尚不完善。

  另外,与国际先进水平相比,我国的土压盾构在某些技术上还存在差距,复合盾构和TBM制造的差距更大,在土压盾构的系列化设计,地层稳定与地面沉降控制技术,防水与同步注桨技术等方面也需要进一步加大投入,提高研发、应用的理论与技术水平。

  

 

 

  (二)技术发展展望

  盾构技术目前已成为构筑地下铁、电信、电力、上下水道等城市隧道的主要施工方法,随着微电子技术、液压技术和电液控制技术、遥控技术、激光技术、卫星制导技术和数字摄像技术的发展,其发展趋势可归纳为两点。

  1、机型研发基本方向

  适用于大深度化、高地下水压、大口径化、长距离化的盾构机;能够实现施工机械化、省力化、自动化和施工高速化的特种工法盾构机;断面异圆化以及应用隧道截面更为合理、空间利用率高的异形断面盾构机;能够适用于多种地质条件和土层结构的复合式盾构机;断面尺寸继续向超大型和微小型两个方向发展。

  2、盾构机的机器人化

  盾构机将不断采用类似机器人的技术,如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等,盾构机的机器人化发展趋势不可阻挡,具体表现在:

  第一自动控制技术的应用

  电液比例控制技术将被广泛应用于盾构机的液压传动系统,实现压力、流量、位移、速度、加速度等系统输出量的连续、精确控制。变频调速控制技术,能量回馈技术,全局功率自适应控制技术等先进的节能技术将应用于盾构机的动力系统,改善动力系统的能量特性,实现高效节能,负载敏感控制技术,压力适应控制技术,恒功率控制技术等将广泛地应用于盾构机的顶进、刀具纠偏和物料搬运等液压传动系统,实现泵与负载间的功率匹配,减少压力与流量损失。变频技术、可变程控制技术、智能控制软件,现场总线技术等现代控制技术将用于实现原动机、液压泵和马达等的各种调节方式,合理分配动力,自动保护最佳最佳状态。

  第二状态检测及故障诊断技术的应用

  为提高盾构机状态参数的实时检测、控制和分析能力,实现故障的精确预报和设备的自动调整与维护,新型传感材料,传感器、信号分析技术,故障辨识与诊断技术将被进一步研究及应用,使盾构机的设计能力得到最大发挥,针对盾构机故障发生率较高的液压系统,引入小波理论,神经网络等先进的信号分析技术,研制具有时变性、隐蔽性、流固多项介质等特点的液压设备故障诊断系统,高性能电机转换器、电子控制器、微处理控制器、内藏式传感器等高新技术产品的开发与应用,将进一步增强盾构机动力与传动系统的自动控制、自动检测、故障预测和主动维护的能力,提高盾构机的机电液一体化及智能化水平。

  第三先进测控与导向技术的应用

  采用激光雷达导向技术、gps测量系统、 gis摄影测量技术以及隧道硐室位移测量技术等,以探明掘进方向的偏离,及时进行纠偏。引入模糊理论、人工智能输入法等自动化方向控制系统,用于深埋、长距离的盾构施工,以实现盾构机掘进方向的精确控制。采用管片拼装的无线遥控技术、全自动化拼装系统、曲线顶管自动遥控测量系统、盾构施工的智能化辅助决策系统等,将进一步扩大盾构机的适应性和应用范围。

  此外,随着制造与施工技术的发展,今后的盾构机将需要适应于各种复杂地层的施工,寻求耐磨、耐热、耐腐蚀、高硬度的刀具材料,完善当前已问世盾构机的技术细节,不断推出新概念,新材料、新结构的盾构机也是未来发展中的重要问题。

(责任编辑:中国泵网)
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