盾构装备自主设计制造关键技术及产业化
报送单位:浙江大学 推荐单位:浙江大学

支撑项目(平台):国家973计划:全断面大型装备设计制造中的基础科学问题(2007CB714000)

参与单位:浙江大学

所属学科:机械工程

主要贡献者:杨华勇、洪开荣、张闵庆、韩亚丽、魏建华、杨磊、李建斌、龚国芳、黄圣、谢海波、张志国、刘振宇、黄健、陈馈、应群伟

成就简介:项目围绕盾构掘进失稳、失效和失准三大难题,攻克了盾构自主设计制造关键技术,研发出盾构机系列产品,形成了自主设计制造能力,取得了显著的经济和社会效益,推动了我国大型掘进装备制造业的跨越发展。

  盾构是在一个被称为“护盾”的钢筒掩护下同时完成掘进、排碴、衬砌等功能的大型隧道掘进成套装备,为地铁、公路、铁路、水利和国防等基本建设所急需。随着城市化、工业化进程的加速,我国已成为盾构需求最大的国家,占全球市场的60%,与之不相适应的是盾构核心技术曾一度被国外公司所垄断,产品依赖进口,价格居高不下,因此,必须把握市场机遇,攻克自主设计制造关键技术,发展自己的盾构产业。
  盾构所面临的地质环境极其复杂,具有不确定性和不确知性,施工中时常出现因密封舱压力失衡导致掘进界面失稳,造成地表变形甚至发生坍塌的安全事故;因载荷突变导致关键部件失效,造成停工事故;因方向失准造成盾构掘进偏离设计轴线,影响隧道质量甚至导致隧道报废等难题。针对这些难题,项目开展了从基础理论到技术应用的全过程研究。
  主要创新成果包括:
  1)针对盾构掘进中界面失稳导致地面塌陷的国际性难题,提出通过控制使密封舱内的压力始终与掘进界面水土压力相平衡避免界面失稳地面塌陷的创新思路,揭示了密封舱压力分布规律,发明了多参数耦合的压力动态平衡控制方法,突破了掘进、出土、纠偏等多子系统协调控制技术,研制了密封舱压力动态平衡控制系统,提高了界面稳定性,防止了地面塌陷。
  2)针对突变载荷引发盾构关键部件失效的行业难题,提出了通过改变机构及液压系统刚度,并根据地质及掘进载荷变化控制推进速度,降低冲击载荷,同时将冲击能转化成液压能,实现对设备关键部件的保护的创新思路,首创盾构载荷顺应性设计方法,发明了盾构全局功率自适应电液驱动技术,研制了基于载荷顺应性的刀盘刀具、推进、驱动等子系统,大幅减少突变载荷对装备的冲击,保护了关键部件。
  3)针对方向失准造成盾构掘进偏离设计轴线的难题,提出了通过盾构姿态的准确预测和及时纠偏保持掘进方向准确的创新思路,首创基于姿态预测的盾构推进控制新方法,通过提取盾构位姿检测和界面载荷分布特征,实时预测并修正盾构位姿变化趋势,发明了盾构推进压力/流量复合纠偏技术,研制了盾构推进系统,实现了高精度隧道掘进。
  项目成果支撑了国内掘进机制造龙头企业自主设计制造各类盾构机,主要性能指标达到国际先进水平,部分技术指标超过国际同类产品,全面替代了进口,并开始批量出口。自主设计制造的盾构机在40多个国内外城市,500多个各类隧道工程施工中发挥了重要作用,取得了显著的经济和社会效益,推动了我国大型掘进装备制造业的科技进步,实现了盾构产业的跨越发展。

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