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与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世

日期: 2019-06-19
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6月18日上午,在国内TBM工程技术领域专家、学者等100余人的共同见证下,世界首台第四代半掘进机——高压水力耦合破岩TBM(龙岩号)产品发布会在中铁装备郑州基地举行。黄河水利委员会副主任薛松贵、中国工程咨询协会会长肖凤桐、中国工程院院士邓铭江、河南省科技厅副厅长刘英锋、中国大坝工程学会秘书长贾金生、中国工程咨询协会秘书长赵旸泮、中国工程机械工业协会掘进机分会秘书长宋振华、中铁工业总经理李建斌、中国水利学会副秘书长吴剑、黄河勘测规划设计研究院董事长张金良、中铁装备党委书记、董事长谭顺辉等出席发布会。

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发布会现场


与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世

中铁工业总经理李建斌致辞

与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世

此次发布的“龙岩号”TBM直径3.8米,整机长约300米,是中铁装备与黄河设计院践行战略合作协议、深化产融合作方式、发挥双方优势在隧道工程领域创新合作的重大成果,将用于福建省龙岩市万安溪引水工程。


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据了解,这是世界首台高压水力耦合破岩TBM,也是国内自主研制的超小直径凯式TBM。“龙岩号”所搭载的首项高压水力耦合技术是对TBM传统破岩理念革命性的创新,真正实现了掘进机的代际更迭,不仅大大提升了TBM在极硬岩条件下的掘进效率,同时还将降低施工成本、加快施工进度,具有里程碑意义。


与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世
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水流如何破岩?


高压水射流破岩机理主要是水楔破岩理论。当射流冲击无裂隙岩壁时,在岩体内除产生压应力外,在冲击接触区边界周围产生拉应力,当拉应力超过岩石的抗拉强度时,岩壁便被拉开形成裂隙。当岩壁初步形成裂隙后,在射流冲击力的作用下,水浸入裂隙空间,使裂隙尖端产生拉应力集中区,使裂隙扩展,致使岩石破碎。这种作用,与在岩石内楔入一个钢锲子相似,使岩石劈开破碎,因此称为水楔作用。水楔作用是连续进行的,射流距岩体愈近,水压愈大,水楔作用愈大。当射流冲击裂隙岩层时,水楔作用更明显。 


与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世
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第四代半、第五代掘进机


在战斗机领域,国际上以技术最先进的国家的典型产品作为“标杆”,确定分代的标准。往往新一代战斗机的主要技术水平和作战效能相较前一代有“台阶性”的提高。在其他行业,掌握技术话语权的巨头们同样会给产品分代,同类产品分代不仅可以确立出行业标杆,得到广泛认同,还激发了整个产业的发展动能。

第四代半、第五代掘进机是中铁工业在世界上首次提出的掘进机发展方向。

2018年5月2日,中铁高新工业与拥有世界领先高亮度激光技术的纽敦光电科技进行战略合作,共同开启了研发第四代半、第五代掘进机的进程。

第四代半掘进机是指以刀具为主要破岩掘进方式,以激光、水射流、声波等一种或多种学科技术进行辅助破岩的合成掘进设备。

第五代掘进机是指以激光、水射流、声波、射线、核能源、化学物质等一种或多种物质为主进行掘进破岩,或辅以机械设备联合开挖的掘进装备。

第四代半、第五代掘进机逐步舍弃了过去以刀盘、刀具等固体为主要掘进介质的方式,转而以光线、声波、液体等为介质进行岩体、土体切削,这将彻底解决盾构和TBM存在的掘进速度缓慢、刀具易磨损等难题,大幅度提升掘进效率,改善工作环境,降低施工成本,为铁路、公路、水利和地下空间开发等领域建设提供更优选择。




读者也许会好奇,

第一代至第四代掘进机又分别是哪些呢?

通常来说,

我们根据掘进机从诞生到逐步完善的各个阶段,

对其进行分代。



初代掘进机的诞生 灵感竟源自船蛆


与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世



18世纪末,一个横贯泰晤士河的隧道修建计划在英国提上了议程。尽管以当时的技术条件,修建这么大规模的地下隧道难如登天,但是在1798年,这项工程还是进入了施工阶段,随后又因为多种难以克服的困难匆匆中断。

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一个偶然的机会,法国工程师布鲁诺尔从一种船蛆的钻洞行为中获得灵感,设计出一种开放型手掘盾构机。这台机器是一种方形金属箱体,内部有人工作业和辅助设备。由千斤顶推动金属框水平前进,并有金属框支护土体防止塌方,同时还在金属框后进行衬砌结构的施工。盾构机的构架分成36个小单元,每个单元内有一名矿工把他面前的粘土挖开。当许多名矿工挖去同一数量的粘土时,构架就可以向前移动了,挖空的地方被砌上砖块,这就是第一代掘进机的原型。

与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世

1825年,这台盾构机首次应用于伦敦泰晤士河隧道施工,在此后漫长的十余年中,盾构机不断被改良、又投入使用,最终在1843年建成泰晤士河水底隧道。这在人类隧道工程史上具有着里程碑意义,其技术原理为现代盾构机设计奠定了基础。




从人工走向机械  盾构史上的长足进步


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尽管布鲁诺尔发明的第一代掘进机意义重大,但仍没有摆脱手掘的束缚。1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请了第一个机械化盾构的专利,其进步的标志是采用了压缩空气,用机械开挖代替了人工开挖,隧道掘进机从此迈入了机械时代。

与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世

通常,我们把机械式和气压式盾构机称为第二代掘进机。布伦敦等人发明的盾构机有一个由几块板构成的旋转刀盘,开挖的渣土落入径向装在刀盘上的料斗中,料斗将渣土转运至轮带输送机上,再将它转运到盾构机后部送出。这是盾构史上的一个巨大进步。

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第三代掘进机,是通过电气、液压、机械驱动掘进的当前常见机型,包括盾构机和TBM。



与4G迈向5G时代同步,世界首台第四代半掘进机问世


从机械走向智能 掘进机技术的突破与飞跃 

第四代掘进机以智能化为核心,中铁装备承担了该领域的国家973项目,首席科学家李建斌带领研发团队进行攻坚,让掘进机具有了深度岩-机互馈感知、智慧决策、自动执行功能。



从钢钎、大锤到风钻、炸药,长期以来,在我国隧道工程施工中,人力都没能得到真正意义上的解放。中铁工业经过多年努力,促成了我国隧道工程施工由工具到装备,从人力到机械化的演变,具备了全系列隧道掘进机、掘进配套设备的制造及技术服务能力。今天第四代半掘进机的问世,对整个行业的技术革新都有着划时代的意义,也是向全世界宣告,中国已经进入隧道掘进装备研发制造的全新纪元。


请随意感受一下今天工业人的欢腾:


齐志冲:往昔从凿船虫到第一代盾构,今朝从水滴石穿到第四代半掘进机。高压水辅助破岩TBM成功下线,标志着我们迈进了掘进机事业的新时代!

张少华:唯创新者胜!中铁装备又一颠覆性产品成功下线,即将改写极硬岩隧道掘进历史。

蒲晓波:高压水辅助破岩TBM成功下线,标志着我们迈进了掘进机事业的新时代!

周天保:以柔克刚,劈山凿岩;滴水穿石,上善若水。

董超雯:致敬梦想家和工程师!现在是第四代半——高压水射流辅助破岩TBM,第五代、第六代还远吗?地下城还远吗?

孙志宏:与4G迈向5G时代同步,第四代半掘进机今日发布问世!

刘晓宇:唯创新者胜!热烈祝贺中铁装备国内首台高压水射流辅助破岩TBM成功下线。传说中的“滴水穿石”,不相信的话可以把你的爱车开来冲洗一下。




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