滿足大凈空施工需求適用軟硬地質掘進國內最大直徑土壓平衡盾構機下線
2016-10-14
10月12日，國內自主設計制造最大直徑土壓平衡盾構機在中鐵工程裝備集團國家TBM產業(yè)化中心下線，盾構機直徑為12.14米，將用于太原鐵路樞紐西南環(huán)線項目。該設備的問世，打破了我國超大直徑盾構產品技術長期依賴進口、核心技術受制于國外制造商的不利局面，對滿足未來城市交通路網發(fā)展建設有著重要意義。
大直徑滿足大凈空
2016新年前后，太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程進場開工，本項工程將采用土壓平衡盾構技術進行隧道挖掘，該技術在山西屬首次使用。與此同時，中鐵工程裝備集團設計研究總院的研發(fā)人員接到一個前所未有的任務——為太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程項目設計一臺超大直徑盾構機。
目前國內鐵路隧道的凈空內輪廓是根據列車、列車時速引起的空氣動力學原理來確定的，如時速200公里的隧道凈空面積在80多平方米，半徑6米；時速250公里的隧道凈空面積在92平方米以上，半徑6.4米左右。而太原鐵路西南環(huán)線東晉支線隧道項目設計為客貨列車兩用且雙線單洞，所以要求隧道凈空較大。為了滿足工程需求，研制一臺超大直徑的土壓平衡盾構機迫在眉睫。
“以前我們生產的主流盾構機產品，刀盤直徑多在6米左右。”中鐵工程裝備集團設計研究總院結構所所長袁文征說，研發(fā)這臺盾構機無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。
袁文征表示，太原鐵路西南環(huán)線東晉支線工程項目，斷面較大、隧道推進距離長（4850米），如果仍然按照常規(guī)盾構機設計模式，那么勢必會加大隧道設計的研發(fā)投入，且耗時費力。
而如今，中鐵工程裝備集團的創(chuàng)新能力和技術水平均已達到一定水準。“直徑12—15米的盾構機，我們都能夠研制?！痹恼髡f，按照國家供給側結構性改革要求，中鐵工程裝備集團主動調整增長方式，主動開發(fā)新產品以滿足國內建設市場需求，而這次超大直徑盾構機的研制就是對國家供給側結構性改革的一個正面、主動、有效的響應。
圈盤形滾刀“軟硬通吃”
很快，由中鐵工程裝備集團設計研究總院結構所組成的研發(fā)團隊成立了。一個最現實的問題擺在他們面前：怎樣最大限度保證這臺超大直徑盾構機的開挖效率？
由于盾構機開挖直徑大，帶來了刀具磨損速率加快、開挖艙內碴土改良難度加大等諸多設計難題。此外，盾構應用的隧道位于太原市城郊結合區(qū)域，上方建筑物較多，盾構機還將穿越地下長達兩公里的卵石層，卵石粒徑甚至達到了60厘米，如此大直徑盾構隧道穿越長距離復雜地層也是全國首例，這對盾構機刀具耐磨性提出了挑戰(zhàn)。
問題的難度陡然上升，但這些都被盾構研發(fā)小組一一破解。
研發(fā)團隊經過多次討論，最終將問題的關鍵所在放到了對盾構刀盤的針對性設計上，他們在盾構刀盤上安裝了可拆卸格柵及擋板，使之既適應全斷面泥巖、黏土掘進，也適應大粒徑卵石地層掘進；同時在刀盤布置直徑達到17寸刀體、19寸刀圈盤形滾刀，提高了滾刀的耐磨性和抗沖擊性，以應對密實卵石及瓢石地層。
為了保證盾構機的安全高效，設計人員還為盾構機配置了雙艙并聯(lián)人倉，設計有成熟的全氣動壓力調節(jié)裝置，此套系統(tǒng)為全氣控裝置，在網電斷電時系統(tǒng)仍能正常工作，確保帶壓換刀時艙內人員安全。
憑借著敢于創(chuàng)新的精神、勇于探索的勇氣，研發(fā)團隊終于邁過一道道坎，將12.14米的超大直徑盾構機成功研發(fā)出來。
中鐵工程裝備集團總經理譚順輝表示，此前國內大直徑土壓平衡盾構核心技術一直掌握在外方手中，此設備的自主研制填補了我國在大直徑土壓平衡盾構領域研發(fā)的空白，也標志著我國正式突破超大直徑土壓平衡盾構設計與制造中的一系列關鍵技術，滿足未來城市交通路網發(fā)展建設對超大直徑土壓平衡盾構的迫切需求。
