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国产盾构机解析及未来发展趋势

国产盾构机解析及未来发展趋势

编辑:钣金加工厂???来源:本站原创???发布时间:2019-12-01 19:04????浏览量:

  (长文预告)

  隧道掘进机(TunnelBoringMachine),是一种隧道掘进的专用工程机械。欧美将全断面隧道掘进机统称为TBM;日本则一般统称为盾构机,细分可称为硬岩隧道掘进机和软土地层隧道掘进机;我国一般习惯将硬岩隧道掘进机(硬岩TBM)简称为TBM,将软地层掘进机称为盾构机(shieldmachine)。本文盾构机含TBM。

  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,亦被称作地铁施工的“利器”。目前,盾构机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政管网、过江隧道、水电等隧道工程。
 

  截至2017年末,中国内地(不含港澳台地区)共计34个城市开通城市轨道交通并投入运营,共56个城市开工建设城市轨道交通,开通城轨交通线路165条,运营线路长度达到5033公里。其中,地铁3884公里,占比77.2%;其他制式城轨交通运营线路长度约1149公里,占比22.8%。2017年新增运营线路32条,同比增长24.1%;新增运营线路长度880公里,同比增长21.2%。2016年当年线路增长首次超过500公里,达到535公里,仅一年后年线路增长突破800公里,又迈上一个新的台阶,增长速度前所未有。全年累计完成客运量185亿人次,同比增长14.9%。拥有2条及以上运营线路的城市已增至26个,占已开通城轨交通城市的76.5%。2017年中国内地城轨交通完成建设投资4762亿元,在建线路长度6246公里,在建项目可研批复投资额累计38756亿元。截至2017年末,共有62个城市的城轨交通线网规划获批(含地方政府批复的18个城市),规划线路总长7321公里。国内地下线,使用盾构机是当前的主流。

  盾构机除了能够在轨道交通中广泛使用外,在大城市通水、通电等领域也将被逐步应用。当前,中国正处于城镇化快速发展时期,但地下管廊的建设相对滞后。发展城市地下管廊,不仅可以有效解决城市交通拥堵问题,还极大方便了电力、通信、燃气、供排水等市政设施的维护和检修,是提升城市品质的重要举措。国务院自2015年开始部署城市地下综合管廊建设试点工作。到2018年,全国有69个城市在建的地下综合管廊将达到1000km,总投资约880亿元。据粗略统计,未来地下综合管廊投资规模将超过1万亿元。2016新建地下综合管廊公里1791公里,2017地下综合管廊在建里程6575公里。盾构机,则是实现地下管廊建设的必备工具。

  根据盾构机的设计寿命(通常在1万小时左右),假设每9公里(双线)需要两台盾构机,盾构机需求量巨大。

  2002年前,盾构设计技术一直被国外垄断,产品长期依赖进口,价格居高不下,制约了我国盾构的应用,延缓了城市地铁的快速发展。

  目前,国内企业在竞争中发展得比较快,市场份额也在不断增加,使得近年来我国的盾构机市场发生了根本改变,已经打破了国外盾构机占据主导地位的局面。2017年有超过45家企业已进入或正准备进入盾构机行业,其中如中铁装备、中国铁建重工集团、辽宁三三等企业都可单独承接盾构机施工项目,拥有开发、设计、制造、服务一体化的专业施工能力。从企业结构进行分析,当前盾构机行业的企业主要有三类:第一类是国内的装备制造企业,此类企业技术水平和制造基础比较好,在自身原有的装备制造基础上通过技术开发进入盾构机领域的企业;第二类是由外资控股的中外合资企业或外国独资企业,如德国海瑞克、日本三菱等;第三类是具有施工总包能力的企业转型升级后新组建的装备制造企业,这类企业原本就是有盾构机需求的企业,掌握着盾构机的市场,因此目前此类企业发展得最好,拥有较大优势,对国内市场的占领比较迅速。而合资企业和外国独资企业由外方掌握核心技术,在技术上有优势,但由于缺乏市场,所以一般采用外国控股,由国内合作方负责市场和制造的形式与中国的地方政府合作。经过多年的消化吸取,国内盾构机企业不断发展壮大,外资企业的市场份额在不断缩小。
 

  随着盾构机制造技术水平的不断提高,以及施工领域的应用越来越多,盾构机行业的竞争也越来激烈,国内外的盾构机企业都在不断加大资本投入,通过对基础设施规划建设情况、盾构机的生产市场、技术现状与隧道建设发展进行深入分析研究,了解当前国产盾构机制造水平,需求和市场环境变化趋势。
 

  1、中国盾构机发展历程
 

  从黎明期到技术创新期
 

  2009年之前,我国大约有85%的盾构掘进机依赖进口。其中,占据欧洲大半市场份额的德国海瑞克,以产量1670台居世界首位的三菱重工,以及拥有多个品牌的德国维尔特的表现最为抢眼。其中海瑞克就占据国内盾构机市场的70%以上。

  
 

  1953年,手掘式盾构

  开始采用盾构进行隧道修建,晚于国外128年。

  2000年前

  国内盾构多为主要部件进口,国内工厂拼装组合,无自己的核心技术。
 

  2002年,863计划

  中国致力于“造中国最好的盾构”,国家科技部将盾构技术研究列入“863”计划。
 

  2004年,土压平衡盾构机

  依托于“十五”期间国家“863”计划项目,上海隧道研制出国内首台全自主设计、具有常识保产权的土压平衡盾构机样机。该机在切削刀盘驱动系统、推进系统、拼装机系统、同步注浆控制系统、盾尾密封系统、自动控制系统等关键技术进行了技术创新,实现中国盾构从有到优的历史突破。
 

  2006年,土压平衡盾构

  ”先行2号“盾构在沪制造安装完成并正式下线,首次实现了国内地铁盾构的批量生产。
 

  2008年,复合盾构

  依托“863”计划,由中铁隧道集团隧道设备制造企业牵头,浙江大学、华中科技大学等参与研制的首台国产复合盾构“中国中铁1号”下线,该机国产率65%,填补了我国在复合盾构制作领域的空白。从此,国内盾构市场彻底打破了进口盾构对国内市场的垄断,开启了国产盾构的自主研发、制造的新篇章。
 

  2009年,大直径泥水盾构

  一台直径为11.22m的具有自主常识产权的大直径泥水盾构“进越号”成功贯穿上海打浦路隧道复线工程,标志着我国进入了具备大直径泥水盾构自主设计、制造和施工技术的盾构大国行列。?
 

  2002年开始,在盾构技术领域重点开展如下研究:

  盾构技术领域863计划重要课题

  “异彩纷呈”的跨越发展期?
 

  “上天有神舟,下海有蛟龙,入地有盾构”。从2009年至今,随着我国基础设施建设开展,给予了盾构制造企业技术足够的实践案例及数据支撑,盾构的新理念、新技术、新工艺不断涌现。盾构行业经过多年的合纵连横,铁建重工、中铁装备、中交天和、三三工业等已成为中国盾构企业中的佼佼者。

  铁建重工

  十年积累,中国铁建重工集团有限企业(简称“铁建重工”)从最初的高速道岔生产基地发展到掘进机、特种装备、轨道设备、磁浮装备四大产业板块,弯道超车,厚积薄发,一跃成为世界一流的集高端地下装备和轨道设备研究、设计、制造、服务于一体的自主品牌。拥有盾构TBM的先进生产设备200多台套,盾构TBM年产能力达120台套。

  中铁装备

  中铁工程装备集团有限企业(简称“中铁装备”)的发展历程是中国盾构崛起的缩影。2013年11月成功收购德国维尔特企业岩石隧道掘进机业务,成为国际知名的隧道装备综合服务商。该企业具备年产盾构、TBM等150台的产业化能力,拥有13大盾构制造基地。

  中交天和

  中交天和机械设备制造有限企业(简称“中交天和”)系中国交通建设股份有限企业成员企业。中交天和具备年产盾构60台(套)的生产能力,截止2016年5月,中交天和共制造、维修盾构105台(套)。

  三三工业

  2014年辽宁三三工业有限企业(简称“三三工业”)全资收购世界500强、国际工程机械第一品牌美国卡特彼勒企业的子企业——卡特彼勒加拿大隧道设备有限企业,成为全球隧道掘进机制造业领军企业之一。具备年产100台(套)盾构TBM的能力。

  中船重装

  “盾构新星”中船重型装备有限企业是中国船舶工业集团企业的直属企业。2012年,传承中船集团50年来盾构制造的经验和积累,于广州南沙成立了研发制造地下空间工程装备的中船重型装备有限企业。有着军工背景的中船重装经历短短4年的发展,已成为盾构制造领域广东省国产品牌第一,具备年产50台套的能力。

  目前,我国辽宁、江苏、山东、河南、湖南、广东等省区在盾构机制造上发展强劲,主要得益于其自身工业基地的技术优势和资源优势。多地政府投入资金、政策打造高端装备制造园区,助推了中国全断面掘进机产业井喷式的高速发展和走向海外。下图是部分全断面隧道掘进机企业分布图:

  超大直径盾构发展迅猛

  截止到2017年末,据不完全统计,世界上直径超过14m以上的盾构机数量约42台,其中19台在中国。2017年多个超大盾构项目“异彩纷呈”。

  2017年8月,上海北横通道II标工程直径15.56m的超大直径泥水平衡盾构“纵横号”完成了首段急曲线施工,北横通道主线盾构法隧道长达6.4km,隧道线路中最小转弯半径仅500m。

  2017年10月26日,由中国中铁装备集团生产的直径15.03m的超大直径泥水平衡盾构机“中铁306”下线,这是迄今为止我国自主设计制造最大直径的泥水平衡盾构机。该盾构机将应用于国内最大直径海湾盾构隧道,首座地处8度地震烈度区的盾构隧道——汕头市海湾隧道。

  2017年11月13日,珠海横琴新区马骝洲交通隧道西线采用直径14.93m的泥水气压平衡盾构机“任翱号”克服复合地层全线贯通。

  2017年,备受瞩目的深圳春风隧道工程盾构采购项目已完成招标、选型工作,将采用一台直径15.76m的气垫式泥水平衡盾构机,并配置了常压换刀刀盘,常压换刀刀具全覆盖。

  2、国内盾构机行业的现状
 

  目前,国外生产盾构机的企业主要有德国的海瑞克企业(HerrenknechtAG)、美国的罗宾斯企业(Robbins),加拿大的罗福特企业(Lovat),以及日本的小松制作所、三菱重工、川崎重工等。国内主要盾构机生产企业有中铁装备、中国铁建重工集团、辽宁三三、北方重工、中交天和机械、中船重工等,经过多年引进消化吸取国外的盾构施工技术,国内盾构机生产企业已形成集研发设计、技术服务、加工制造、组装调试、施工反馈、修造翻新、营销租赁于一体的盾构机产业链,那些生产能力强、设备品种全、工艺水平先进的盾构机制造商,在土压平衡系列、硬岩(TBM)系列盾构机的研发与制造领域打破了国外企业的长期垄断局面,逐步实现了我国盾构机产业向自主化、国产化、智能化的高端行业发展。

  随着国内地铁和城市地下管廊等地下建设项目的不断增多,国内对盾构机的需求越来越多,市场规模随之不断扩大,国内很多重型机械制造企业也开始转向盾构机的研发和生产,如中国一重2017年与辽宁三三合作制造两台地铁用土压平衡盾构机已投放市场。

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  随着盾构机应用领域不断扩大,为适应不同工程项目,盾构机的种类也越来越多。目前生产的断面盾构机有多种形式,例如圆形、双圆形、矩形,此外还有马蹄形等异形截面的盾构机,以满足不同领域工程的需求。例如在江海中进行施工时使用大口径圆形盾构机比较适合;而在城市中,由于楼房密集、为了施工时不影响地面上居民的正常生活,进行作业时一般选用小口径的盾构设备;在地铁施工时,为了进一步增加空间利用率,提高整体施工效率,矩形断面盾构设备也逐渐得以应用。
 

  矩形盾构

  双圆盾构

  目前,在我国已经形成世界上规模最大、发展最快的轨道交通建设市场,同时也是盾构机需求最大的市场。

  2010年至2017年,轨道建设工程量以每年约17%的速度不断增长。据不完全统计,我国2012年生产的盾构机有152台;2013年生产的盾构机有164台;2014年生产盾构机有176台;2015年生产的盾构机有208台;2016年国内销售各种型号的盾构机达到388台(详细数据见表);2017年的销量在440台左右,和2016年相比涨幅在15%左右。

  2012-2016年全断面隧道掘进机销售台数统计表
 

  目前参与国内地铁建设的前两大央企(中铁建、中铁),盾构机保有量超过500台;盾构机再制造需求量同步增大,其中核心技术主轴承再制造,洛阳新强联、LYC洛轴等企业技术靠拢顶尖制造业水平,补上了盾构机再制造的短板;中国隧道网预计、盾构机市场进入爆发期,盾构机再制造市场将在2018年需求陡增。

  2016年全断面隧道掘进机各主要企业销售数量表
 

  戳以下链接查看2016销售详细数据

  http://www.ccmatm.org/tjxx/2016tjxx/

  从2016年生产销售的盾构机的类型来看,复合式土压平衡盾构机占大多数,一方面说明国内的地质情况复杂多变,除了软弱地层之外,大多数是盾构机是在复合地层中掘进,另一方面在相当一部分软弱地层中,有很多情况下是土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机均可以适应的,若非对掘进有特别要求,选用土压平衡盾构机可以提高工效,降低施工成本。值得注意的是,TBM的市场额份额有所提高,TBM不光在山岭隧道施工,也进入了城市地铁行业。
 

  2016年生产销售的各类型全断面隧道掘进机占比图

  3、盾构机技术现状及发展趋势分析
 

  盾构机根据工作原理的不同可分为以下类别:

  
 

  盾构机关键部位结构

  
 

  盾构机的刀盘驱动系统是完成挖掘功能的重要组成部分。通常地铁、公路隧道盾构的刀盘直径大、重量大、扭矩非常大,并且由于地层条件变化、埋深的变化和掘进参数的变化使得盾构刀盘的负载扭矩会出现很大的波动,因此,大惯性、大功率和变负载是这类盾构刀盘驱动的主要特点。

  刀盘驱动系统主要由驱动电机(液压、变速电机)、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成,电机通过减速器带动大小齿轮,通过主轴承带动刀盘旋转。

  刀盘及驱动系统示意图(CutterheadDrivingSystem)
 

  主轴承被称为盾构机的“心脏”,承担着盾构机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件。2016年前,主轴承全部依赖进口,每年仅主轴承进口费用就要10亿元。

  2007年,洛轴开始承担国家863计划先进制造技术领域“全断面掘进机关键技术”——土压平衡盾构主轴承研制工作,在盾构主轴承设计分析技术、大模数齿圈单齿背冷感应淬火技术、表面淬火硬化层深度无损检测、精密加工工艺等方面取得重大技术突破。在此基础上,中铁隧道局牵头,联合洛轴,又于2015年组建了“大直径复合盾构主轴承研制”科研团队,开展6—9米盾构主轴承研制。2016年9月,联合研制的盾构主轴承通过出厂验收。

  大直径盾构机大齿圈(主轴承)

  中铁装备从2008年开始试制第一台盾构机样机,对于零部件的选型成了需要谨慎考虑的问题,尤其是诸如液压系统的关键零部件,必须能够承受盾构机地下施工时高频、震动、污染等不利工况的考验,这直接关系着盾构机样机试制的成败。出于这一考虑,中铁装备选用了以产品耐高压、结构紧凑等特点著称的德国哈威,并一直保持合作至今。

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  液压和双速电机驱动刀盘系统

  变速电机驱动刀盘系统

  主减速器通常采用三级行星齿轮传动系统,该传动系统是盾构机刀盘驱动系统的核心部件。在掘进施工中,岩土条件复杂,刀盘驱动系统处于变载荷工况,主减速器中三级行星齿轮传动系统的动力学特性对主驱动系统的可靠性和整机运行的稳定性都有很大影响,是盾构机设备的重要零部件。

  2013年前,国内盾构机主驱动减速机依托于国外采购,无自主产品,在减速器齿轮轴承复合技术、冷却系统等方面无技术依托,2013年由蚌埠市行星工程机械有限企业自主研发了首台国产盾构主驱动减速机,打破国外技术垄断。
 

  减速器(PlanetaryGearReducer)

  相比整机制造,零部件的生产能力更考验一个国家的工业生产水平。中国盾构机领域现有的成绩说明大家已经顺利结束了从无到有的过程,而在“从有到优”的过程中,核心零部件的国产化率不高是中国盾构机行业面临的更大的难题。

  发达国家盾构机械制造水平

  当前,世界上的盾构产业主要有两大技术流派,一是欧美流派,特点是设备耐用,但成本相对较高,在复合地层时有很强的优势,以海瑞克(德国)、罗宾斯(美国)、罗瓦特(加拿大)、法马通(法国)为典型代表;二是日本流派,特点是以满足设计寿命为前提,成本相对较低,但遇到复合地层时挖掘动力不足,在软土软岩地层优势明显,而且控制技术先进,以日立造船、石川岛、川崎、三菱、小松为典型代表。

  ShaftBoringMachine(SBM)Safeandquickconstructionofblindshaftsdowntodepthsof2,000meters

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  下面是隧道掘进机生产巨头德国海瑞克部分机械类型

  详细参数不再展开,请戳以下链接观看视频

  https://www.herrenknecht.com/en/products/core-products.html?

  国产盾构机的技术差距

  
 

  我国在盾构机研制方面,通过多年的引进、消化吸取及在此基础上不断研发、创新,已经积累了很多经验,如自主研发出挤压式盾构机、气压式盾构机及泥水平衡盾构机;在土压平衡盾构机、泥水加压盾构机方面重点引进、消化与研究。目前,中铁装备、中国铁建、北方重工等国内企业都已开展了盾构设备研发与自主设计,并且不断取得创新和突破。如将应用于汕头海湾隧道项目的15.03m国内最大直径泥水平衡盾构机,由中铁装备自主设计制造,取得多项核心技术,集合了超高承压能力系统集成设计,伸缩摆动式主驱动技术、双气路压力控制技术,智能化程度高,填补了国内超大直径泥水平衡盾构机的空白,打破了超大直径盾构机由国外品牌垄断的局面。

  尽管如此,与国外相比,我国盾构机制造技术仍存在一定差距,与国外相比,在刀具,刀盘、驱动、轴承密封、盾尾密封、液压系统及自动化控制一些技术细节等方面存在着较大的差距。下面从关键原配件的生产制造、系统集成技术,以及地质适应性设计等方面展开。

  关键原配件生产制造技术方面

  大轴承、减速器、大排量液压泵为盾构机中三大核心部件,目前主要依赖于进口;

  盾构机主轴承制造我国才处于起步阶段,2012年才具备自主研发的盾构机主轴承,在轴承加工精度,耐磨、耐冲击和密封性方面比国外还有较大差距。

  国内盾构机大排量变量泵在材料、工艺、产品性能和可靠性等方面与国外产品存在一定差距,目前盾构机多采用德国进口的施维英泵。

  土压探测与传感装置是控制盾构姿态,控制地表沉降的关键部件,也基本依赖进口;在刀盘、刀具设计技术等方面,我国由于对刀具磨损的过程缺乏认识,对岩土中刀盘、刀具的适应性设计上没有积累足够的经验,缺少系统理论的支撑,在刀具的使用寿命、可靠性等方面缺少经验。总之,我国在关键盾构机零部件的生产制造方面与国外仍有一定差距。

  总体设计与系统集成技术方面

  近年来生产的盾构机主要是通过合作制造或收购企业等模式来研制的,大部分是在国外盾构机的基础上进行的,很多关键的系统集成都是在国外企业协助下完成的,整体设计和系统集成技术还没有完全掌握。如国内的矩形、三圆形、马蹄形、特种异形等盾构机方面仍处于起步阶段,技术和经验还需要不断积累,部分国产盾构机存在性能不稳等现象。

  而国外盾构已向可折曲的盾体和多体盾构等形式发展,如日本的3心圆MF盾构,可一次成型车站和行车区间;母子盾构,可实现单线隧道外径变化;茎盾构,可实现隧道掘进过程中分岔盾构脱离,并线交叉施工;球体盾构,球体藏于大盾构中,其主要作用是用于盾构转向,而小盾构则藏于球体内,掘进方向可以任意角度变化。

  地质适应性设计方面

  国外盾构机制造企业经过长期的实践,已经积累起盾构机模拟试验方法和系统的经验数据,形成了一套适合本国地质条件的盾构机设计理论体系。而我国由于幅员辽阔,地质复杂,各个地区的地质条件有很大差别,需要积累大量的数据。而由于我国盾构机技术起步较晚,工程实践机会较少,无法积累足够的经验数据,在施工过程中经常遇到象刀具严重磨损,或者因河卵石过大而无法顺利排除等现象。因此完全适合我国国情和地质条件的适应性设计理论还需不断发展和完善。

  系统仿真和模型试验方面

  系统仿真和模型试验是优化盾构机结构与性能的重要手段,国内中铁装备、中国铁建少数等企业已经建立起工业样机的模型试验台,但其他大多数企业仍然依赖国外的图纸和技术,在研制盾构机时缺乏必要的系统仿真和模型试验等手段的支撑,在关键技术与核心部件设计上缺乏自主研发能力。而国外企业都非常重视系统仿真和模型试验等方面的工作,对盾构机整体优化设计的效率比较高。

  控制技术方面

  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。

  盾构机技术发展趋势

  
 

  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App,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。

  随着盾构机在地铁、电力、电信、地下管廊、海底隧道、岩石隧道等更多领域得到应用,对盾构机技术的要求也越来越高,盾构机不仅要适应长距离、大直径和大深度的施工要求,还要在高压条件下完成施工,更要具备克服复杂施工条件的能力,而且要实现施工的自动化和智能化,提高掘进速度和掘进效率,提高施工安全性,以及提高空间利用率,确保得到断面更为合理,空间利用率更高的异形断面。因此,能够适应多种地质条件和土层结构的复合式盾构机和断面尺寸多样化的超大型和微小型盾构机是未来的发展趋势;同时,盾构机的机器人化,即采用类似机器人控制技术也是其未来的发展方向。总之,未来国内盾构技术将向适应各种复杂地层,超大、微小型及复杂断面,以及长距离、高速掘进施工,一机多用方向发展,所以新结构、新形式、新概念的盾构机将会不断推出。

  4、盾构施工技术的发展方向
 

  我国幅员辽阔.工程地质水文条件复杂,盾构施工技术在各种复杂地层中的使用技术需要提高并达到成熟。比如:盾构穿越硬岩.断层.溶洞、卵石地层.盾构穿越砂层、淤泥层、煤层等,应制定相应的工法和标准。

  盾构在特殊环境中的使用技术需要系统总结和提高.如.盾构下穿铁路.河流,建筑物.大坡度、小半径条件下的施工。现有的土压平衡盾构、泥水盾构技术,有些技术细节还需改进和完善。如舱内注入泥水.泥土成分和配比.注入压力、出泥出渣速度等参数的优化选取.泥浆的处理和再利用等。近年来由于市政给排水、沿海交通的发展需求,盾构技术正向着大断面化.工程的大深度化、高地下水压、长距离化.施工自动化、高速化发展,施工技术也越来越多样化。

  盾构施工安全和灾害防治是应该得到盾构隧道参建单位单位和政府管理部门重视的重要方面.每年我国都有各种原因造成的人员伤害和财产损失的案例.甚至出现隧道报废和河堤塌陷的严重事故。如何在高速发展的条件下.减少事故和灾害带来损失。是盾构技术发展的一个重要方向。

  5、盾构机市场需求与发展前景
 

  国内市场

  据统计,约有75%的运营线路为地铁,预计至2022年,地铁总长度将达到8033.3公里,从2017年起新增4919.6公里。地铁隧道一般为双车道,需要双向开挖,根据盾构机的设计寿命,假设每9公里需要两台盾构机,则共需要盾构机1093台。(价格:德国进口的盾构机大概需要人民币5000万元,日本进口的盾构机大概需要人民币3000万元以上,国产的盾构机价格一般在2500-5000万左右。)

  未来20年是中国盾构机行业的大发展时期,目前国产盾构机已在地铁市场崭露头角,它的应用方向还包括过江隧道、过海隧道、城市地下管廊等的构建。解决城市内涝的排水管道,统一设计、相互兼容的电力、热力、通信管道,都可以用小型盾构机掘出共同管沟来布设。目前国内已在北京、上海、南京、成都等多座大城市进行城市管廊的试点建设任务。这种作业方式是城市地下管线的未来发展方向。

  海外市场

  作为“一带一路”战略实施的关键,铁路、公路、港口、机场等基础建设无疑是互联互通的重要基础之一。按照亚洲开发银行测算,2020年以前亚洲地区每年基础设施投资需求将高达7300亿美金,预计整个基建投资超过8万亿美金,未来在构建全方位、多层级、复合型的互联互通网络中,将掀起新一轮区域投资的高潮。据相关资料统计,目前各地方“一带一路”拟建、在建基础设施规模已经达到1.04万亿元,跨国投资规模约524亿美金。在这些项目的分布上,主要以“铁、公、机”为主,占到全部投资总额的68.8%,其中,铁路投资近5000亿元,公路投资1235亿元,机场建设投资1167亿元。此外港口水利投资金额也比较大,超过1700亿元。

  2020年前,全球城轨交通在建线路约8000km,其中中国大陆占75%、境外占25%。对此,如果能够紧跟国家“一带一路”的总体战略布局,再加上国产盾构机产品的高性价比,我国生产的盾构机走出国门的机会将越来越多,出口到的国家和地区数量也将不断增加,除了出口新加坡、伊朗、马来西亚、印度等以外,还开始象欧洲、非洲、澳洲、南美洲等地区出口。以中铁装备为例,仅在2017年就已经出口盾构机超过30台。

  6、思考
 

  国产盾构已经获得一定的成功,累积了丰富的经验,获得了国内市场的认可。当前,按照中国国情,发展特有的中国模式,即走设计、制造和施工高度一体化道路,走施工产业化方向。欧美是源于设计企业,日本是源于重工业制造工厂,中国走出适合自己,不同欧美、日本模式的道路,主要是在施工的同时,结合反馈、制造,并且总结,提升自我的过程,从产业价值链条末端向前发,以施工为核心的一边发展,一边总结学习提升的中国特有发展模式。

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  国产盾构设备核心零部件还有很长路要走。就核心零部件而言,中国面临的最大问题并不是技术的难度,因为再尖端的技术其实都只是一张图纸,突破一项或者某项有难度的技术并不是难以克服的困难,真正困难的是中国怎么解决好制造水平和制造理念的问题。转变制造水平和制造理念并非朝夕之功,解决这一问题需要更多企业的参与、更多的时间和资金投入。核心技术是花钱买不来的,突破核心零部件技术是中国企业走向高质量发展的必由之路。

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  我国各地复杂不一的地质情况既给了盾构施工企业攻坚啃难的机遇,也同时促进了盾构设备技术发展。许多企业也在这方面进行了有益的探索和试验,并获得了一批新技术、新工艺成果。如双模式盾构机、滚刀工作状态无线检测和传输、冷冻式刀盘、主驱动高承压系统、伸缩摆动式主驱动,使得国内盾构施工异彩纷呈。未来的盾构掘进机在不同的地质条件下会最大限度的避开地质风险,中国盾构机发展的终极目标是”。

  ?

  预计近几年内,盾构机市场需求至少在1500台。面对巨大的产业蛋糕,我国盾构机企业应当抓住战略机遇,发展前景广阔。未来”需求巨大,中国企业应走向国际市场,培育大规模出击国际市场的能力是所有盾构机制造企业的全球性机遇。同时,在商业模式上,国产品牌进一步加强盾构机金融、租赁、技术辅导、售后服务等方面的创新。

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