《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分 装备《长距离大埋深隧道小直径盾构机设计制造关键技术及应用》

本期项目简介

完成单位: 中铁工程装备集团有限公司

主要完成人: 李光、 胡燕伟、 郑康泰、 董亚岭、 朱雷、 宋德华、 郭付军、 谷光伟、 王双旺、程永龙

项目简介

　　长距离大埋深隧道小直径盾构机是隧道掘进领域集机、电、液、传感于一体的高端智能装备,是国家供水、电力、燃气等重大市政工程领域不可或缺的大国重器。立项之初,国内市政管道建设多采用明挖法、顶管法等,国外已逐渐采用小直径盾构机进行施工。国内小直径盾构机技术发展缓慢,成为小直径隧道施工技术的一大缺口。因此,研制可适用于长距离、大埋深、小曲率隧道的小直径盾构机势在必行。

　　本项目历经多年的“产、研、用冶联合攻关,提出了长深小隧道复杂环境下关键部件高可靠性的设计方法,研发了小曲率转弯球形铰接控制与可变象限推进技术,开发了长距离狭窄空间下多系统高效协同施工技术,解决了该类隧道盾构施工存在的“掘进难、控制难、保障难冶三大国际性行业难题。

　　本项目获国家授权发明专利11项,实用新型专利19项,发表学术论文12篇,软件著作权2项,形成了长距离大埋深小直径盾构机自主设计制造的核心成果和知识产权群,获得2020年度河南省科技进步二等奖、2020年度中国交通运输协会科学技术进步奖二等奖、2019年度中铁股份有限公司科技进步二等奖、2019年度中铁高新工业股份有限公司科技进步特等奖。

项目创新点

　　(1)提出了长深隧道复杂环境下关键部件高可靠性的设计方法。构建了多因素耦合的小直径盾构刀盘驱动扭矩计算模型,提出了高功率密度高扭矩主驱动设计方法,揭示了盾构刀盘扭矩规律;研制了盾构用齿圈-轴承分离式主驱动装置;研发了唇形、指形两种形式的高承压密封技术,实现了高水土压力下的长距离施工。解决了“掘进难冶的关键难题。

　　(2)研发了小曲率转弯球形铰接控制与可变象限推进技术。基于串联同步位移传感技术及旋转编码技术,开发了可视化耦合控制高精度补偿仿形刀系统,满足了转弯时开挖异形空间的需求;基于流量守恒定律,构建了球形铰接小曲线转弯算法,发明了高压小曲率转弯球形铰接模拟实验台,实现了隧道R60m小曲率转弯。基于纠偏曲线的目标,建立了推进系统压力控制模式赋值计算方程,开发了任意分组可变象限自动纠偏控制技术。解决了盾构姿态、地表沉降及隧道轴线控制难的问题。

　　(3)开发了长距离狭窄空间下多系统高效协同施工技术。研制了油缸联动高集成度的管片抓举装置,首创了对边平行提升的摇臂式管片拼装机;提出了隧道长度、风量、温度的耦合迭代计算模型和多热源解耦独立分析法。解决了长距离小直径隧道施工“保障难冶的难题。

同类项目比较

详见表 1。

应用案例

　　河南省洛阳市新安县引故入新供水工程起点位于洛阳市故县水库引水工程新安县预留分水口处,地处宜阳县城区东北部甘棠寨西侧;终点位于新安县城区南部洛阳供电公司云顶220kV变电站东南拟建水厂处。工程线路总长24.49km,隧洞段长18.713km,日供水量为5万立方米,未来预计惠及20万城区人口。该工程具有以下特点:

　　(1)国内首次将盾构应用于大埋深山岭隧道,隧道平均埋深100m、最大埋深为160m,存在水压高和卡盾的风险。隧道主要位于黏土岩、砂岩地层,郁级和吁级围岩较多,地质自稳性较差。(2)该工程是国内独头掘进距离最长的盾构隧道,同时单次全断面硬岩距离超长。(3)隧道断面直径小,通风、排水、气温等要求高。隧道管片内径只有3m,独头掘进距离超过10km。(4)隧道断面直径小,洞内管片、渣浆、钢轨等物料运输距离远,管片拼装等作业难度大。(5)采用洞内加固、对接和拆解等技术方案。两台盾构机从隧道两端向中间掘进,最终实现洞内对接拆机,隧道轴线测量精度要求高;洞内拆机时,存在空间小、吊装不方便等问题。

　　中铁工程装备集团有限公司为该项目量身打造了两台3.8米级复合式土压平衡盾构机(中铁635/636号),整机长约155米,驱动功率达380kW,整机功能比常规6m级别盾构更齐全(见图2)。采用国内外知名品牌零部件,增强整机性能稳定性;利用耐磨复合钢板、Haodax材料、立体式刀具布置等措施,提高刀盘、螺旋输送机的耐磨性;采用了摇臂式管片拼装机、超低进空小车等措施,尽量增加作业空间;设计有制冷系统、卫生间、二次通风措施,满足人员安全及舒适度要求;利用洞内移动和固定会车平台、新能源编组列车等方式,实现超长距离物料运输。

社会效益与经济效益

　　该项目成果突破了盾构机在大埋深长距离小转弯隧道施工中的技术瓶颈,研发了具有完全自主知识产权的全断面隧道掘进高端装备,将盾构机直径规格缩小至,从适用于地铁、公路隧道的应用领域扩展至市政管廊、水利水电工程。项目的实施,带动了相关行业的发展,直接、间接提供就业岗位1200个左右。该成果孵化出20余台小直径盾构机,先后应用于深圳北环电力隧道等15项工程,成功出口至卡塔尔、丹麦等国家。并为企业、高校培养出一大批全断面隧道掘进机技术人才,拓宽了盾构机的应用领域,实现了盾构从浅覆土到大埋深、从短里程到长距离、从缓曲线到小曲率隧道的跃变。