《系列化超大断面(类)矩形隧道掘进机关键技术》

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该项目属土木工程机械设计与制造技术学科。城市建设地下空间资源日渐稀缺,采用(类)矩形隧道掘进机建造异形断面隧道是解决此类问题与可持续发展矛盾的重要手段。以往中国仅能设计和制造断面25平米以下的中小型矩形顶管装备,只能开挖短距离、直线隧道,远不能满足城市轨交隧道、双车道以上车行隧道等大型隧道施工的需求;迫切需要在此基础上研制一系列具备曲线、长距离施工能力,提升沉降控制能力和地层适应能力,并适应都市空间开发的大断面(25-70平米)和超大断面(70平米以上)(类)矩形隧道掘进机。该项目以国家战略性新兴产业发展为需求,历时十年攻关,自主研制了系列(类)矩形隧道掘进机,突破多项关键技术,主要创新成果包括:创新研制系列超大断面(类)矩形隧道掘进机针对超大(类)矩形掘进机全断面切削、异型管片拼装、小半径转弯施工以及沉降控制等难题,攻克了组合刀盘及环臂式拼装机等多项共性关键技术,创新研制了2大类(顶管和盾构)、4种规格的系列产品(类)矩形掘进机8台套,断面覆盖28-77平米,其中包括世界最大断面的10.4m×7.5m土压平衡顶管和11.83m×7.27m类矩形盾构,并完成了多个城市30余条隧道工程施工。全面攻克异形断面100%断面组合切削技术针对多圆小刀盘叠交无法满足100%断面切削,在粘土和砂土交界面处易产生进土不均匀、导致轴线失稳问题,研发了偏心、行星等全断面切削及驱动技术,结合圆刀盘与异型刀盘的各自优势,首创了圆形刀盘+偏心刀盘或圆形刀盘+行星刀盘、平面相交双刀盘+偏心刀盘等多种组合刀盘,突破了同一平面相交双刀盘同步防干涉和多刀盘协同控制瓶颈,实现了地层适应性强的超大断面全断面切削。首创异型断面6自由度管片拼装技术针对(类)矩形隧道管片分块远大于同类圆隧道,在拼装运动轨迹上与其它部件产生干涉的难题(有中立柱的尤其更严重),创新发明了环臂式6自由度管片拼装机,规划了管片运行安全裕量最优轨迹,实现了(类)矩形盾构管片拼装机高精度3轴联动和轨迹自动跟踪功能。可在扁狭空间内针对长度5.2m的中立柱管片进行可按规划安全路径的三维运动和高精度回转拼装。拼装效率和同类圆形盾构水平相当,拼装精度超越同类圆形盾构水平,相关技术可推广应用于其它异型断面管片拼装。全面提升了(类)矩形隧道掘进机的沉降控制和小半径转弯能力针对都市条件下施工掘进机必须具备的高标准沉降控制和小半径转弯的要求,研发了土压补偿器、可调更换式铰接密封、防背土系统等多项装置,满足了350m小半径隧道施工,经工程验证,沉降控制在2cm以内,地层损失率小于3‰,沉降控制效果突出。经科技查新,该项目成果达到国际领先水平,并获得国家工信部首台(套)重大技术装备认定。项目形成各类知识产权27项,授权发明专利6项,软件著作权3项,发表论文12篇;新增产值9.38亿元,利税1.07亿,取得了显著的经济和社会效益,推动了中国大型隧道掘进装备制造业的科技进步与能级提升。

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