• 06月20日 星期四

科技强国日本竟然购买中国重器,中国盾构机三大厉害之处是哪些?


中国被世界称为基建狂魔,近日再添盾构利器,最大盾构机在长沙下线!此盾构机直径16.07米,命名“京华号”,将用于北京东六环改造工程,重4300吨、长150米,一次性开挖隧道断面近6层楼高,是当之无愧的的国之重器! 刀头涂装十分漂亮的红色京剧脸谱,代表忠勇义烈,该设备的成功研制有力巩固了国产超大直径盾构机核心技术自主可控能力!


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盾构机行业通常把直径12米及以上的盾构机划分为超大直径盾构机。这种尺寸盾构机集机械、电气、液压、信息、传感、光学等尖端技术于一体,对于盾构机设备的可靠性要求极高。


本次“京华号”应用了常压换刀、伸缩主驱动、高效大功率泥水环流系统、高精度开挖面气液独立平衡控制等多项核心技术;同时创新搭载了管环收敛测量、管环平整度检测、同步双液注浆等系统装置,使高强度、高风险、高污染的隧道掘进作业转变成相对安全、高效的绿色施工模式。


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盾构机是大国重器,但仍然有很多人不明白什么是盾构机,下面介绍一下:


盾构机是隧道掘进机简称。用大白话来讲就是挖隧道的机器,用正规语言来讲就是一种隧道掘进的专用工程机械。盾构,这个词是由两个单词构成的。盾+构,简单来说,盾就是前面支撑开挖面的稳定体系,相当于拿着盾牌保护;构就是在盾的保护下,后面的构筑地下结构的体系,相当于把家里的毛坯房贴上瓷砖、吊顶装修、安全性加固、美观。

现代盾构掘进机技术非常复杂,它是集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能,设备涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术,并且需要按照不同的地质条件进行“量体裁衣”式的设计制造,可靠性要求极高。


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(衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌,沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。衬砌技术通常是应用于隧道工程、水利渠道中)


盾构机被称之为机械工程之王!盾构掘进机的具体用途非常广泛:常用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。盾构机问世至今已有近180年的历史,其始于英国,发展于日本、德国。


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盾构机工作原理:盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾,它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。


盾构机的工作步骤:

一、盾构机的掘进




盾构机的液压马达驱动刀盘旋转,同时开启盾构机推进油缸,将盾构机向前推进,随着推进油缸的向前推进,刀盘持续旋转,被切削下来的碴土充满泥土仓,此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上,后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中,再通过竖井运至地面。


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二、掘进中控制排土量与排土速度




当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时,开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大,当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时,开挖面就能保持稳定,开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起,这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流入泥土仓中的渣土量相平衡时,开挖工作就能顺利进行。


三、管片拼装:盾构机掘进一环的距离后,拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片,使隧道可以—次成型。

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通常管片拼装成一个圆环固定在地道壁上。这时盾构机配套系统输进浆液并主动灌注在地道壁与管片之间,再经工人手工把持,将管片与管片之间用螺栓固定住。接下来,盾构机将继续向前推动1.2米左右,也就是一环管片的长度,这时候盾构机上的油缸主动缩短留出粘贴管片的空地,另外一个新管片便可以顶在已安装好的管片上,按照这样一个顶着一个下往,最终一个圆形的地铁地道骨架便搭建成了。


比如英吉利海峡隧道的最高盾构掘进记录为428米/周,平均掘进速度约为150m/周,正常情况下,盾构机是24小时不停机运行的,只有换刀、机械检修或其他意外情况时,盾构机才会停机。这样预算下来,英吉利海峡隧道最快掘进速度应该在3-5m/小时之间。


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比如青岛西海岸新区首台盾构机——地铁1号线西海岸新区安安区间(安子东站至安子站)盾构机从安子东站出发掘进。据了解,盾构机以每天9米至10.5米的速度沿新港山路及长江东路向安子站掘进。


沈阳地铁九号线汪河路站盾构施工现场,“行健号”盾构机10天掘进70米!


盾构机的发明者——布鲁内尔。专家一致的观点是布鲁内尔是第一个注册了盾构专利,并在泰晤士隧道修建中得到应用,但媒体对于布鲁内尔的介绍相对比较模糊,一种说法是法国工程师布鲁诺尔,另外一种称英国工程师布鲁内尔。


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其实,布鲁内尔有两个人,他们是父子关系。


父亲马克·伊桑巴德·布鲁内尔(Marc Isambard Brunel,1769—1849年),是钻挖式隧道掘进机专利技术的联合申请人,通常称他为盾构专利的发明人,他对于盾构机的发明灵感来源于船蛆。

儿子伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔(Isambard Kingdom Brunel,1806—1859年),是英国的工程师,在2002年英国广播公司举办的“最伟大的100名英国人”评选中名列第二,仅次于英国首相温斯顿·丘吉尔。


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另外一种说法,最早进行研究盾构机的的是法国工程师M.I.布律内尔,他由观察船蛆在船的木头中钻洞,并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启示,在1818年开始研究盾构法施工;1825年在英国伦敦泰晤士河下用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道。 在施工过程中遇到很大阻力,并且两次被河水淹没,直到1835年,使用了改良后的盾构设备,最终才于1843年完工。


其后,P.W.巴洛在1865年在泰晤士河底,用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中,英国人J.H.格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工,并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙,创造了比较完整的气压盾构法施工工艺,为现代化盾构法施工奠定了重要基础。


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盾构法,是一种全机械化的隧道施工方法,是通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生岩土坍塌。同时,在开挖的前方用切削装置进行岩土的开挖,然后通过运土机械装置把土渣外运出洞,并且依靠千斤顶在后部进行加压顶进,并拼装预制混凝土管片,形成隧道结构的一种机械化施工方法。


由于盾构施工技术对环境影响很小而被广泛地采用,得到了迅速的发展。盾构法隧道施工在地铁的开挖中应用最为广泛。


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在实施盾构法隧道施工工作中,必须熟悉和掌握施工质量及监控重点,从而保证工程质量。盾构法施工的内容包括盾构的开挖、到达、盾构掘进、衬砌、压浆和防水等。目前,国内的隧道掘进设备市场的占有率可达到90%以上,在全球市场上占据三分之二以上的市场份额。


国内盾构机的六大主力分别是:铁建重工、中铁装备、中交天和、上海隧道、三三工业、北方重工,这六家成为中国6大盾构机领先企业。


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1、铁建重工:中国铁建重工集团有限公司成立于2007年,隶属于中国铁建股份有限公司,是集高端地下装备和轨道设备研究、设计、制造、服务于一体的专业化大型企业。这家企业创建了掘进机、特种装备、轨道设备、磁浮装备四大产业板块,掌握了多项具有世界领先水平和自主知识产权的核心技术,连续多年主要经济指标以30%的增长率在快速增长。

2、中铁装备:是中国中铁股份有限公司的直属子公司,是专业从事隧道掘进机(盾构机和硬岩掘进机)研发制造和技术服务的大型国有企业。2014年7月,首创矩形盾构应用于郑州市政取得成功,之后又应用于新加坡地铁项目,成为国产异形掘进机走向海外的首个成功案例。2015年1月,研制出具有完全自主知识产权的国产硬岩掘进机,推动这一技术成功跻身世界第一方阵。

2016年1月,3.5米世界最小直径硬岩掘进机研制成功,应用于黎巴嫩大贝鲁特供水项目等,这是中国自主品牌硬岩掘进机首次被欧美等国家采用,成为中国“智”造高端装备走向成熟的重要标志。在与世界掘进机顶尖品牌全面对标过程中,中铁装备在国际顶尖品牌企业的非标产品标准化设计、先进制造工艺、高效质量控制体系等方面具有很大优势。

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值得一提的是,中铁装备研制的两台大直径土压平衡盾构机在郑州下线。这两台盾构机是为修建法国巴黎地铁订制的。这是中国盾构机第一次反向出口到世界盾构机的发源地和制造强国,中国掘进机自此顺利进入全球顶级高端市场,打破了国外掘进机企业对高端市场的垄断。岂不知,法国是世界盾构机的发源地,法国也一直是世界盾构机制造的大国和强国。


巴黎地铁一直以高标准、高定位、高水准闻名于世,此次中铁装备通过与意大利和法国知名企业密切合作,成功以创新技术、过硬质量及高品质服务赢得客户的认可,成为进入大巴黎地铁的第一家中国掘进机企业。


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3、中交天和:中交天和机械设备制造有限公司系国资委下属中国交通建设股份有限公司成员公司。2012年,中交天和设计制造的φ14.93m“天和号”超大泥水气压复合盾构投入南京纬三路过江隧道使用,集成了世界上各项成熟技术,具有世界领先水平,先后获得“国家重点新产品”、“中国机械工业科学技术奖一等奖”和“工业和信息化部中国首台套科技成果鉴定”等殊荣,打破了国外盾构对中国超大盾构领域的垄断,具有划时代的意义。


公司研制的直径14.93米超大直径盾构机荣获中国机械工业科学技术一等奖、苏州市科学技术一等奖、国家工信部首台套鉴定等多项荣誉,公司成为国内超大直径盾构机制造的先行者,国内唯一研制成功超大直径盾构机的制造商。


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4、上海隧道:上海隧道工程有限公司机械制造分公司,是具有国家特级总承包资质、机电设备安装一级资质的上海隧道工程有限公司全资直属企业。

上海隧道自1958年在上海塘桥进行盾构研制试验开始,一直坚持自主创新。上海隧道是盾构隧道技术创新的先行者。

1967年,自行设计制造了国内第一台Φ10.22m网格挤压盾构,应用于中国第一条越江隧道——上海打浦路越江隧道施工,打破了外国专家“在上海挖掘隧道就好比在豆腐里面打洞”的预言。

1988年,自行研制Φ4.35m加泥式大刀盘土压平衡盾构,并成功应用于上海南站过江电缆隧道盾构工程,获得了国家级科技进步一等奖。国内首条城市轨道交通类矩形盾构法隧道在宁波轨道交通3号线贯通,这意味着由隧道股份上海隧道研发制造的世界最大断面、中国首台类矩形“阳明号”盾构首秀成功。


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5、三三工业:辽宁三三工业有限公司是科技型民营装备制造企业,主导产品为大型超大型数控机床、盾构机/TBM隧道掘进机等。2014年12月8日,由辽宁三三工业有限公司自主研制的复合盾构在深圳地铁9号线工程中成功穿越了世界罕见的桩基群,成为中国首台受CCTV2关注穿越房屋桩基群的复合盾构,体现了我国高水平的盾构制造和盾构施工技术。


2016年11月,辽宁三三工业有限公司与伊朗客户签订了直径9.5米复合式土压平衡盾构机销售合同,这是中国首台大直径复合盾构机出口海外市场,彰显了三三工业在大直径超大直径盾构机制造领域的国际领导地位,昂首迈入了伊朗城市基础设施建设的核心供应商行列。


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6、北方重工:北方重工集团有限公司,是在沈阳重型机械集团有限责任公司和沈阳矿山机械(集团)有限责任公司合并重组的基础上组建的国有独资公司。

2007年7月27日,北方重工集团有限公司以绝对控股方式成功并购了德国维尔特控股的法国公司。这标志着北方重工拥有了世界上最先进的全系列隧道掘进机的核心技术和知名品牌,意味着北方重工跻身于国际化市场的前列,跃居世界级盾构机制造基地行列,成为了跨国经营企业。


2015年4月15日,亚洲最大的土压平衡盾构机在北方重工集团有限公司产成。刀盘直径14.1米、总重量3370吨,全长110米,这台被誉为亚洲最大的“地下航母”土压平衡盾构机,是法国布依格公司总包的项目,也是企业近年来承制的最大的盾构机,为香港莲塘公路隧道工程量身定做,这台盾构机的产成,再一次填补了国内空白,标志着北方重工已步入掘进机研发制造世界尖端行列,成为中国制造走向高端的标志。


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国外的盾构机著名公司:


据不完全统计,目前国外盾构机的主要制造厂有18家,几乎集中在日本和欧美发达国家,比如日本三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工;德国的海瑞克公司、维尔特公司,美国的罗宾斯公司,加拿大的罗法特公司等。每个公司都可根据不同的地质条件和不同的工程项目、不同要求和设计、生产出不同直径、不同类型、特殊要求的盾构机,以满足客户的需要。

一、日本三菱重工(MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.)

日本三菱:具有100多年历史的企业集团,其下属的直系企业有29家,三菱重工是其中的一家,其为全球各地提供软、硬土盾构掘进设备的建设机械部是三菱重工旗下神户造船所的一个分支。

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从1939年制造日本第一台手掘盾构机开始,一直到2003年神户造船所一共制造了1608台盾构机,其中包括土压平衡、泥水平衡、双圆、三圆、MMST等各种类型,数量和种类可谓世界第一,技术位居全球之首。

比如英法海峡交通隧道用的盾构机,其中两台是该公司制造的。再比如为法国里昂地区提供直径为11m的土压平衡式盾构机,还有为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机,为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。


二、日本小松制作所(KomatsuLtd.)


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成立于1921年的日本小松制作所(株式会社)是跨行业领域的跨国集团公司,至今有80年历史。集团公司是由包括小松公司在内的142家公司组成。

公司主要产品除了始终处于世界领先地位的建筑工程机械、产业机械以外,同时还涉足电子工程、环境保护、工程事业、土木工程、运输、流通机械、金属材料制造和销售,软件以及金融、服务业等高科技领域。其隧道工程机械包括盾构机、岩石掘进机和顶管机。


三、日本川崎重工(KawasakiHeavyIndustries,Ltd.)

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川崎重工创立于1896年10月15日,是从造船起家的日本著名公司,在全球现代航海技术中处于领先的地位。同时也是机器人生产的先锋厂家。

曾生产出1200多台软岩和硬岩挖掘机,比如东京市神田川地下调蓄工程用的直径为13.94m的盾构机;比如东京湾海底隧道14.14m直径的盾构机;再比如英法海峡隧道开挖用的盾构机,以及上海地铁隧道用的盾构机等。

四、德国海瑞克(HerrenknechtAG)


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马丁·海瑞克先生1977年创办了海瑞克公司;作为隧道盾构机设备生产商,海瑞克公司设备尺寸完全,能适应各种地质状况。在设备覆盖范围方面来说,海瑞克公司在全球独一无二的。其拥有直径从4,000mm到15,440mm用于公路、铁路、地铁及输水隧道施工的大直径机器到外径仅100mm的全自动微型隧道掘进机、房屋管件连接设备和水平定向钻设备。盾构机非常适用于从软质、含水非粘性地层到抗压强达到300MPa的硬岩的各种地质条件。尤其是在大直径隧道掘进机技术方面,海瑞克公司在长距离隧道和高工作压力施工上具有丰富经验:

在25年的隧道施工行业中,海瑞克公司一直是一些重大隧道工程的TBM供应商。在荷兰西西尔德、瑞典哈兰德拉斯、马德里、巴塞罗那、易北河等隧道工程中都发挥重要作用,尤其是在中国参与完成了香港、北京、天津、广州、深圳、南京、重庆等城市的地下隧道及越江隧道工程。

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五、美国罗宾斯公司(ROBBINS)

美国罗宾斯公司是一家从事地下挖掘设备的设计,制造,销售和租赁等业务的公司,专门生产各种挖掘材料,包括提供与传统的“钻孔爆破”方法完全不同的在坚硬的岩层进行机械作业的方法。罗宾斯公司的主要产品是全断面隧道掘进机(TBMs)。

罗宾斯公司曾经设计制造了超过250套全断面隧道掘进机(TBMs)。罗宾斯的设备质量可靠性非常好。

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六、加拿大罗浮特公司(LOVAT)

加拿大罗法特公司成立于1972年,在传统的盾构机设计上处于全球领先地位。尤其擅长于风化岩石、混合土质、软土、土压平衡式和泥水式盾构机的制造,开挖盾构直径从0.75米到17米。LOVAT盾构机具有高精技术和更可靠的施工安全性及质量特点。此外,LOVAT是唯一能提供从盾构机的全面设计、制造、检测和试验的公司。

七、德国维尔特Wirth法NFM集团

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德国维尔特公司1895年建立,1965年以来生产全断面隧道掘进机(TBMs)。大约90%的产品出口,产品销售超过了60个国家和地区。NFM技术公司是一家法国的实业公司,于2001年11月1日加入德国维尔特公司。


中国盾构机三大厉害之处


1.国产盾构机厉害之处——独特技术:目前,全球2/3的盾构机都是中国制造。2019年2月份,日本一家建设公司,曾经签收了两台中国产的盾构机。这2台机器将被运到新加坡去修地铁。值得一提的是,日本是与德国美国并驾齐驱的盾构机制造传统强国,反过来买中国的盾构机充分说明在盾构机制造上,中国制造水平及技术已经领先全球。

  


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根据数据显示,中国盾构机制造六大巨头中,仅中铁装备一家的盾构机曾经的订单就达到868台。2017年和2018年,中铁装备的盾构机产销量都是世界第一。不光是产销量巨大,全世界首台马蹄形盾构、全球最大的矩形盾构等等最先进技术和产品都来自中国。中国仅仅用了十几年的时间,实现国产盾构机从最初的低端模仿,发展到了全球领先的技术。

一个典型的案例:在南京纬三路过江隧道施工中,由于长江下面的地质是上软下硬,属于世界上最复杂、施工最困难的地质。盾构机国外价格非常高,购买两台盾构机要14亿元,而且一分钱也不降价。最终中国自力更生,在2015年7月“天和号”研究成功、破土而“出”,南京纬三路过江隧道全线贯通。当时研究出来的盾构机是全球最先进、直径最大、难度最高的盾构机!


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2、中国盾构机的厉害之处——性价比: 国际上的盾构机往往分为三个流派:美国的盾构机尤其擅长硬岩的挖掘、德国的盾构机施工的适用性特别好,日本的盾构机做工精巧工艺水平高。但盾构机已成了中国制造的天下。


原因是中国造的盾构机,集三大流派之长,尤其是价格便宜,不但便宜重要的是好用,因此,在全球市场受到追捧。现如今,中国制造的盾构机占到全球市场份额的2/3,国内市场占比90%以上,而且中国盾构机的物美价廉把国外产品的价格拉低了大约40%。


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想当年。中国在1997年才第一次从德国维尔特公司买了两台敞开式盾构机,一台价格高达3亿元! 价格昂贵,而且出了故障只能停工,等外国工程师来修,除支付外国技术人员每人每天3000美元的薪水,在技术上也对我们进行封锁,甚至连产品组装、检修保养都是由外国专家技术人员维护,在工作时会拉起警戒线,不让中国技术人员靠近。


值得提醒的是,在世界上,任何被欧美垄断的高精尖技术,一旦被中国制造研究所突破,其价格便会在短时间之内迅速下跌,原因是中国制盾构机物美价廉,性价比极高。由此,前些年新加坡从日本订购的盾构机,是日本直接从中国购买了两台后加价倒卖出去的,因为左手倒右手比自己制造要划算得多。


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对于日本这样的全球科技发达国家向中国购买了数台盾构机消息被西方国家得知后,当时震惊了西方的科技强国,欧美发达国家非常震撼。因为在西方发达国家人的眼里,德国、美国与日本是全球盾构机技术的“盾构机三巨头”,并以科技领先名誉全球。所以,被认为是世界上盾构机最发达的国家竟然要去中国买盾构机,实话实说,西方很多人面对着中国快速的技术进步是想不明白到底是为什么,只能用惊讶来描述。最惊奇的是,在2002年中国正式开始对盾构机进行研发,连基础的图纸都没有!


目前,国产盾构机已深入欧洲发达国家核心地带,并且卖到了意大利。比如之前由中铁工程装备集团所研制的大直径土压平衡盾构机,该机重量突破1800吨,设备总长为155米,将用于挖通一条长达9564米的高铁隧道,据悉意大利方面对这台设备非常满意,以至于其总理直接用自己的女儿为之命名。


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3、中国盾构机厉害之处——主轴承:中国盾构机的核心部件国产化取得重大突破。比如之前的国产盾构/TBM主轴承减速机工业试验成果,首批国产化6米级常规盾构3米直径主轴承、减速机通过试验检测,标志着我国盾构核心部件国产化取得了新的重大突破。

盾构机的主轴承,有全断面隧道盾构机的“心脏”之称,承担着盾构机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件,工作所处状况十分恶劣。因为盾构机在掘进过程中会面临各种复杂的地层,盾构机主轴承要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。


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由于技术含量高,主轴承是盾构机所有零件中最值钱的部分。在施工中,假如盾构机主轴承出现故障,实施进行现场维修或更换都是极为困难,因为需要把设备从地底挖出来,所以根本不可行,这要求在施工中主轴承不允许出现任何故障,之前盾构机的制造商宁愿出高价,选择产品配置高、安全可靠性好的国外著名品牌主轴承。

由于主轴承制造工艺非常复杂、而且对于原材料性能要求高、加上设计理论不成熟等因素,国内盾构机用的主轴承几乎长期依赖进口。2015年7月24日,中国中铁联合国内主轴承、减速机技术优势企业,成功申报工业转型升级国家强基工程,承担盾构/TBM主轴承、减速机工业试验平台建设项目,开展国产主轴承、减速机关键技术研究及工业性试验。


科技强国日本竟然购买中国重器,中国盾构机三大厉害之处是哪些?


2020年4月,通过对主轴承和减速机内部进行检验,评审专家一致认可试验平台的加载方法和试验结论,一致认为应用于地铁盾构机的国产主轴承、减速机相关性能达到标准和要求,标志着我国盾构/TBM核心部件国产化进程取得新的重大进展,有效降低对进口部件的依赖。

因此,中国的盾构机在20年内实现从无到有,由弱到强,并占据及实现全球三分之二盾构市场的逆袭。

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