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2019年中国土木工程学会年会院士观点(摘录三)

发表日期:2019-12-02    浏览次数:200

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我国全断面掘进机技术发展现状、面临挑战与展望

杜彦良

 

    杜彦良,中共党员,教授,博士生导师,中国工程院院士,第十三届全国人大代表,大型工程结构状态监测与安全控制专家。任国家铁路局和中国铁路总公司科学技术专家委员会副主任、土木工程学会常务理事、京津冀协同发展河北省专家咨询委员会委员(交通组组长)、雄安新区发展建设河北省专家咨询委员会委员(先行开发组组长)、中国工程院土木、建筑与水利学部常委等。

    长期从事轨道交通领域智能监测与安全控制研究,率先将智能结构理论与方法融入铁道工程安全保障技术领域,提出了“监测一评估一预警一修复”一体化的状态监测与安全运维技术体系,围绕国家高速铁路、重载铁路、高原高寒铁路、既有线提速铁路、城市智慧交通等重大工程建设,开展了大型铁路桥梁、多年冻土路基、长大遂道及TBM施工装备状态监测、健康诊断与快速康复的理论研究、技术创新和应用推广,获国家科技进步奖特等奖2项、一等奖1项、二等奖3项,省部级科技进步奖一等奖10项;获国家教学成果奖一等奖1项、二等奖3项;铁道部火车头奖章、教育部优秀拔尖人才,国务院特殊津贴、国家杰出专业技术人才、何梁何利科学技术奖和国家教学名师等多项荣普称号。

    报告摘要:二十?世纪是人类全球地下空间建设开发的新纪元,我国地下工程建设进入高峰期,工程建设规模和数量空前,交通、水利水电、城轨等工程修建条件和环境恶劣,世界罕见。报告介绍了全断面掘进机的研究现状和发展趋势,以及铁路、公路、水利、城轨隧道修建给地下工程开挖施工技术,尤其是全断面掘进机技术发服带来新的机遇与挑战。结合我国典型的重大工程,从工程勘察设计、TBM选型设计与施工技术方面阐述了TBM施工安全与质量保障亟待解决的关键技术难题;从全断面隧道掘进机智能化装备、智慧化施工和检养修等方面,提出了关于我国全断面隧道掘进机技术发展几点思考。

    一、发展现状与趋势

    面对在建和未来的大量复杂地质环境的超长、深大隧道()修建,针对环保.工期、成本等问题对施工建造技术提出更高要求,传统钻爆法可能难以满足;上述需求给全断面隧道掘进机技术的发展带来新的机遇与挑战。

        

    (一)隧道据进机( Tunnel Boring Machine)是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备,它是由盾构技术发展而来。

    分类:敞开式、护盾(单护盾、双护盾)、复合盾构。

    1818年英国布鲁诺 ( Brune)受蛀虫钻孔启示,最早提出盾构雏形与施工方法。

    1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)

    1851年美国人查理土威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功。

    1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM,成功用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘探导坑。

    1952年美国罗宾斯( Robbins)公司研制出第一台软岩TBM1956年又成功研制中硬岩TBM

    2090年代中期为全断面掘进机技术快速发展阶段,服务多个典型工程。

        

        

世界上土压力最大的盾构隧道

    (二)改革开放以来我国经济快速发展和“一带一路”互联互通发展战略推进,对我国交通、水利等基础设施建设提出了大量需求;据不完全?计,目前全球80%以上的大直径盾构工程在中国。

第一阶段(技术引进):19851995,我国不掌握TBM制造与施工技术,以引进国外核心技术为主。

    

        

    第二阶段(消化吸收):1995-2003,特点:形成自主TBM选型设计与施工技术,打破国外技术垄断,创建了我国自主的TBM极硬岩施工技术与工法。

    在此阶段,我国采用产---用相结合,进行大量科技攻关,积极总结相关技术经验,培养TBM工程师和专家队伍,形成自主TBM施工技术,创建了开敞式TBM既能掘进极硬岩又能掘进长距离软弱围岩的安全、高效施工技术。部分易损件国产化也基本完成。

        

        

     第三阶段(自主创新)2003-至全,特点:自主选型设计,国内制造、组装,自主施工,逐步实现国产化。

       

       

         

       

    代表性工程:广深港高铁狮子洋道

    在对接技术方面:世界首次采用两台盾构刀盘直接接触的对接方式,重点解决了对接段结构设计、对接测量、围岩注浆止水、无盾壳段止水、管片防松弛、小空间大构件拆除作业等难题。

    复合地层盾构掘进技术:开发了内部结构同步施工技术,攻克了大直径盾构长距离连续穿越软土、砂层、岩石风化层、破碎带和硬岩地层的技术难题和同步施工难题,实现了我国水下盾构?道修建长度的大幅突破。

    长距离掘进盾构设备维护技术:狮子洋隧道单台盾构最大掘进长度5200m,是国内大直径盾构首次穿越土岩复合地层。提出了“控姿态,防意外,管油脂,重注浆,备应急”盾尾管理方针,减少了盾尾刷更换次数,并开发了高水压条件下盾尾刷更换技术。

       

       

       

    近年来,我国长大隧道/隧洞采用TBM/盾构施工技术迅猛??长。通过多项工程实践,不仅掌握了各种复杂环境、地质条件下的TBM/盾构施工技术,而且国产化、本土化发展步伐迅速加快。 

          

         

        

       

       

        

        

        

    中国全断面掘进机技术进入新的发展阶段:

    自主设计制造各类型TBM/盾构

    自主施工国内、外大型工程项目

    中国未来20年全断面掘进机具有巨大应用市场

    可预见,中国将在大量隧道()工程应用中,提升TBM/盾构技术性能,创新施工技术,提高全断面掘进机设计、监测、诊断、养修水平和现场技术服务能力等方面大有可为;同时可预测在建和未来的重大隧道工程中,我国将有上千台全断面掘进机投入使用。

    二、面临挑战与对策

     近年来,我国一大批以全断面掘进机施工为主体的长大隧道、引水隧洞等地下工程成功建成。

        

        

    (一)主要特征:面对超长距离+超大埋深+特殊地理环境、地猊+高寒、高海拔、高温、湿热+山岭、低丘、沙漠对应的复杂地质条件:√极硬岩+突水突泥+大断层破碎带+软弱大变形+极强岩爆+高地热要求:对工程勘察设计、选型设计与施工技术提出了新挑战:如何保障掘进机施工安全与质量成为重大难题!

       

    1.陕西引汉济渭工程

    岭北段

    采用海瑞克开敝式TBM,单机掘进16km

    2014615日掘进,地质条件较好,进展较顺利。

    岭南段

    采用罗宾斯开敞式TBM,单机掘进18km

    2015217日据进,遭遇极硬岩、突泥突水,进展缓慢。

    面对极硬岩,TBM施工的主要风险:

    超过180MPa掘进贯入度、掘进速度极低;

    刀具磨耗??大,损坏增加;

    刀盘、主轴承破损风险增大

    工期、成本显著增加。

    面对突涌水,TBM施工的主要风险:

    发生5次较大集中涌水,单点单次涌水量超过20000立方米/天,全隧涌水量最高达46000立方米/天。

    由于下坡掘进,TBM主电机、回油泵、一层平台设备、TBM组装洞配电柜等相继被淹没,停机抢险2个多月。

    面对极硬岩,TBM施工的主要对策:

    合理选型设计与制造

    刀盘结构优化设计、特殊耐磨材料、焊接质量控制

    大尺寸主轴承、主驱动系统长寿命设计

    更高硬度和韧性大直径滚刀

    合理施工:TBM+矿山法协作施工

    刀具与围岩相互作用机制与破岩机理

    面对突涌水,TBM施工的主要对策:

    上坡掘进,一般风险可控,适当设置排水系统、架高运输轨道。

    下坡掘进,易导致TBM被淹,导致掘进作业利用率下降,成本、工期提高,风险增大,不直采用。

       

      

      

   (二)新疆依河艾比湖生态引水工程

    对于大埋深的工程,存在大变形,强岩爆、高地热等问题。TBM选型设计成为关键。主要方案:

    双护盾:TBM可能长时间被卡被困风险

    敞开式:辅助合理的及时支护方法,可降低施工风险

    建议选择敞开式TBM施工,并提出解决途径。

       

      

    其它技术措施

    TBM掘进主工作参数合理匹配;

    TBM通过后预留二次衬砌或加固的作业空间;

    传统钻暴法施工+TBM步进通过;

    超前地质预报预测、施工过程中TBM与隧洞变形监控;

    通过通风、水冷、冰冷方式,降低洞内温度;

    重点加强TBM电气、液压等系统选型与散热设计。

        

         

       

       

      

      

      

   技术难题:

大断面、长距离TBM选型设计---软弱围岩掘进技术。

    下坡长距离掘进技术--突涌水淹机。

    TBM安全性、可靠--安全、高效。

    不良地质的支护设计--高地应力、岩爆、大变形、断层破碎带等。

        

        

        

        

        

      

      

      

      

      

      

    隧道施工面临的难点:

    长大隧道多:隧线比高达85%,10km以上的隧道共746km/35座,占媵道总长的88%。

    辅助坑道差:越岭道多,道埋深大,辅助坑道设置条件极差。

    地质极复杂:板块挤压造山常,高能地质环境突出,不良地质段落长目且强烈发育。

    高寒高海拔:线路标高1000m4400m,海域3000m以上的隧道占隧道总长的约72%。

    环境敏感区多:环境敏感区多,集中分布在雅安至新都桥、林芝至波密段。

    工期紧张:复杂特殊的施工环境,传统施工工效低,难以满足建设工期需求。

    如何加快施工进度、提高隧道施工安全与质量、减轻人工劳动强度、减少施工作业人员,提高机械化水平,成为亟待解决的关键向题! 

         

         

         

         

         

    1995年我国首次引进全断面岩石隧道掘进机( Tunnel Boring Machine-TBM)进行秦岭铁路隧道自主施工。

    TBM为世界最先进的长大隧道施工装备,整机制造和掘进技术被欧美等国家垄断,我国无相关技术储备。

    结合上述工程,组织近50名相关专业教师,参与了铁道部秦岭隧道的TBM选型设计、TBM制造监制、资料翻译与汇编、组装与调试、现场施工与管理和设备监测与故障诊断等工作。

       

       

       

       

    主要提供大直径TBM工程技术研究、工程指导和人才培养等工作的隧道(洞)有:

    西康铁路秦岭隧道

    大伙房水库输水工程

    辽西北供水工程

    那邦水电站工程

    锦屏二级水电站工程

    西藏旁多水利枢绍工程

    吉林引松

    滇中引水

    川藏铁路

    结合多项工程完成了开敞式TBM及其后配套系统选型、参数设计和系统集成设计。

    提出了以主机动力传递系统为重点兼顾其它系统的采用油液磨损分析、振动分析、噪声诊断、无损探伤等方法的综合监测诊断技术。

    建立了主要系统的故障分析诊断标准(油液磨损趋势分析诊断标准;主要部件故障判?e三线值法;计算机磨粒图谱库等)

    制订了维修保养规程。

    开发了监测诊断专家系统。

    避免了多起重大事故隐患,为设备系统处于完好状态保证工程的顺利实施提供了重要保障。

    三、战略思考与展望

    战略目标

    以我国交通、水利等基础设施智能建造的可持续发展为导向,以经济耐久、绿色节能、安全可靠、健康长寿为目标,以信息化、标准化、专业化、精细化与智能化为切入点,从国家层面统筹规划。

   (一)推进全断面掘进机施工安全保障理论与技术体系的研究与建设;

   (二)提高对重大工程的实用性、可靠性、耐久性与长寿命;    

   (三)全面提升对全断面掘进机的监控、诊断与防灾减灾应急处置能力,显著降低重大事故率;

    (四)使我国全断面掘进机的管养水平与服役寿命达到或超过国际先进水平。

    重点任务:国绕全断面掘进机技术发展特点,以及面临的问题与挑战,需要在以下方面重点展开研究:

    1.推进全断面掘进机全寿命周期信息管理系统的构建。

    建基于信息技术与大数据相结合的全断面掘进机及配套装备特征基因与健康状态数据库;实现重大施工装备与现代信息技术的深度融合。

    构建隧道重大施工装备全寿命周期信息管理系统,实现从选型设计、智能建造到智慧管养的全寿命周期信息覆盖。

    2.推进隧道全断面掘进机等装备状态监测、安全评价及其产业化研究。

    开展基于大数据、人工智能等相结合的现代传感技术,形成现代监测/检测与预报预测技术(自监测、自诊断)

    提出掘进状态感知、掘进参数自适应动态调控、掘进参数挖掘计算、智能优化和决策,建立安全评估评价技术体系。

    在面向工程装备现代无损检/监测、诊断技术等方面占领世界制高点,培育一批新材料、新装备、新工艺等的产业化发展。

    3.推进隧道全断面掘进机等重大工程装备养护维修与管理体制变革

    构建基于“选型设计、绿色建造、智慧施工、养护维修”全寿命周期的安全保障体系。

    通过开展基于绿色化、协同化、精细化、智能化研究,推进基于现代预知性维护的适应现代重大隧道工程施工装备的养护维修与管理制度的变革,实现效益/成本比最大化或全寿命周期成本最小化。

    4.推进全断面掘进机等重大工程装备性能长期保持、提升与恢复工程

    基于新概念、新材料、新工艺形成的新型耐磨损、高强度构件,通过“再制造”技术,开展重大工程装备长期性能保持、故障诊断与性能提升的相关理论与技术创新,提高自身适应能力、自修复能力。

    推动我国隧道全断面掘进机等重大工程装备新型设计理论、工程科学与现代材料等相关学科的创新与发展。

    5.推进国家法律法规、技术标准与制度的建设

    按照多规合一的新思想,从技术、机制、体制等多层面开展法律法规、技术标准的深化拓展研究,形成完善的隧道掘进机等重大工程施工装备安全保障技术体系、管理体系、法律法规和标准体系。

    面向未来复杂环境、地质条件的挑战,推动我国道重大施工装备的快速发展,建议在以下几个方面开展研究:

    1.若爆、大变形、断层破碎带等多种不良地质条件,研究其变形特征及灾变演化规律。

    2.岩土与刀体相互作用机理、刀具磨损的规律及高强、高韧、高耐磨材料的刀盘刀具研究。

    3.基于多模式、多功能、可变径的智能化掘进机研发与制造。

    4.基于韧性结构的新型隧道结构体系的研发。

    5.基于人工智能的安全、快速、高效掘进技术体系研究。

    6.基于新材料、新结构、新工艺的适用于多种不良地质段的支护技术。

    7.基于大数据驱动的地质超前探测、装备的故障诊断、结构安全监测的一体化安全保障技术。

    8.基于绿色化全断面掘进机再制造、弃渣再利用等技术研发。

    9.基于智联网的精细化、信息化施工方法与管养技术体系研究。

    10.适用于复杂环境的新型智慧感知、结构状态检监测的现代新技术、新装备研发。

    结语:通过几十年的努力,我国以全断面掘进机为代表的重大工程装备从跟跑、并跑到领跑,极大推进了我国隧道工程建

设的快速发展;交通运输从盘山翻岭到穿山越岭,速度提高了,安全性增强了,运量??大了,城市间距离缩短了;同时,面向未来重大工程发展,给重大工程装备与工程技术带来了新的机遇与挑战。

    我们仍需以开拓创新的精神、不断进取,为争取早日实现我国交通强国、制造强国和科技强国目标而继续努力!

 

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