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我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

日期: 2018-08-30
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很多人对战斗机的分代并不陌生,甚至能够对一些经典机型娓娓道来。也许您并不知道,在素有“国之重器”之称的掘进机领域,也存在着明晰的分代。行业领军者 —— 中铁工业已经完成第三代、第四代掘进机的技术积累,目前正致力研制第四代半、第五代掘进机,开启掘进机颠覆性原创核心技术全新时代。


激光、高压水作利齿”掘进机更快更强

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,今年5月2日,中铁高新工业与纽敦光电科技(上海)有限公司进行战略合作,共同研发第四代半、第五代掘进机。

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。


我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

▲图示 第四代半掘进机

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,这将彻底解决当前盾构和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。

据了解,纽敦光电具有世界领先的高亮度激光技术,所生产的民用器件亮度和功率均位于世界前列。

 

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,对其进行代数分级。

 

初代掘进机的诞生 灵感竟源自船蛆

我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

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。

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。这台机器一种金属方形箱体,内部有的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。

 我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

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

我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

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。

我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样

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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第三代掘进机以闭胸式盾构机为代表,主要包括土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机,以新型衬砌为主要技术特点。土压平衡式盾构机是通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面,弃土可以从出泥舱排出的盾构机。泥水平衡式盾构机是通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面,弃土以泥水方式排出的盾构机。

 

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、无人值守、网络信息处理为主要特色,中铁装备集团承担这个研究领域的国家973项目,让掘进机具有深度岩-机互馈感知、智慧决策、自动执行功能,是未来掘进机发展方向。国家973项目首席科学家李建斌带领研发团队联合大专院校和科研机构正在开展第四代掘进机科技攻关研究,预计在2019年年底完成第四代掘进机样机研制并进行工业试验,也可以预测在2025年之前中铁工业公司将完成第四代半、第五代掘进机的研制,而且在相当长的时间内这几种掘进机将在市场上并存,各自发挥自己的应用空间优势。


我国第四代半、五代掘进机进入研究阶段,掘进方式可能大不一样


中铁高新工业股份有限公司(以下简称“中铁工业”)是中国掘进机的开拓者和领军者。2008年,中铁工业旗下的中铁装备研制出我国首台第三代复合式土压平衡盾构机,并成功应用于天津地铁建设,从此拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。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。致力于隧道施工装备研发制造的中铁工业经过多年努力,实现了技术水平从跟跑到并跑,再到领跑的跨越,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。除地铁施工常用的土压平衡盾构机外,企业还研发出异形盾构机、超大直径泥水盾构机、小微盾构机、TBM等诸多创新产品,从世界最小直径TBM到全球首台马蹄形盾构机,再到国内自主研制的最大直径泥水平衡盾构机、“彩云号”TBM,这些装备广泛应用于国防、水利、电力、市政各类地下工程项目,代表着当今世界主流掘进机产品的最高水平。今年5月,中铁工业在河南郑州成立我国首个国际掘进机创新研究中心,致力于世界掘进机研发中心和岩土刀具创新中心建设,抢占掘进机技术制高点。

据了解,世界上掌握技术话语权的行业巨头们通常会对产品进行分代,如索尼、微软为其开发的游戏机产品分代,英特尔公司将处理器分代等,同类产品的分代不仅能够确立行业标杆,使产品、标准得到广泛认同,更激发了整个产业的发展动能,促进相关领域核心技术的突破与飞跃,对行业发展有着划时代的意义。

 


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