会“爬山”的盾构机，泰裤辣！
时间：2023-12-28 | 来源：国资小新
盾构机，也叫全断面隧道掘进机
本是“入地”的利器
然而，在我国却有着会“爬陡坡”的盾构机
让庞大沉重的“钢铁穿山甲”向上攀爬作业
可不是一件容易的事
它如何向上爬而不溜车？
又如何处理挖掘出来的渣石？
一起走近我国第一台会“爬陡坡”的
全断面硬岩隧道掘进机——“永宁号”
探寻国产盾构机爬坡过坎的奥秘
中国基建新一项“全球首创”
中铁工业“永宁号”
是我国第一台会“爬陡坡”的
全断面硬岩隧道掘进机
也被誉为“钢铁穿山甲”
直径7.23米，总长122米，重达1550吨
常见的掘进机挖掘隧道时
只能在水平方向“直来直往”
对于千吨重、一万多个零部件构成的掘进机
坡度每上升一度
从施工安全性到零部件设计
都是极大考验
“永宁号”挖掘的1号引水斜井
总长927米，垂直落差超过550米
也是抽水蓄能电站建设的重要一步
直径超7米，坡度超36度
要在山体中通过机械化设备挖掘这样大的隧道
国内国外都没有成功先例
接下来
“永宁号”要完成5大挑战
↓↓↓
01
“永宁号”如何向上爬？
隧道施工时
斜角越大
盾构机越易下滑
这是个世界性难题
此前国外企业只尝试过
建造直径4米的小吨位爬坡盾构机
而“永宁号”直径7.23米，自重1550吨
如何做到在斜坡上不往下滑？
工程师们从爬山虎的生长中受到启发
借助了爬山虎的结构
打造了“永宁号”的爬山模式
——
4组8条“腿”
每条“腿”加装两只钢铁“触手”
8条“腿”精妙配合，轮流前进
16个“脚”撑住岩壁
固定盾构机
听起来容易，实践却复杂
需要材料、力学、工程设计等
多领域整体统筹、握指成拳
为了让盾构机安全“爬上山顶”
50多名专家近40次协调会
历经40个月的研究、设计、试验
2022年8月
首台国产会“爬陡坡”的盾构机成功下线
02
“永宁号”如何不“溜车”？
千吨重的“永宁号”往山上掘进时
最重要的就是
保障施工安全，防止坠落
针对破碎围岩下
斜井掘进机安全装置适应性差
安全风险高的难题
设计师们提出“双X型”斜井掘进机推进系统
通过多个撑靴独立控制
提高了对破碎围岩的适应能力
同步建立了大坡度斜井掘进
换步自动监控体系
针对大坡度斜井掘进机
受重力影响而下溜的问题
设计团队自主研发了
具有“等长度主动连杆和辅助连杆”的防溜车装置
解决了现有斜井掘进机
不能保证自锁机构的撑靴
与斜井内壁始终保持平行的技术问题
山洞的墙面上有一个巨大的撑护
这就是盾构机双重防溜车系统
这个防溜车系统是经过了一个月的极限试验
才应用到了“永宁号”上
为此
研究团队还专门在场内做了个试验
为模拟“永宁号”在极限条件下的运行情况
挖掘了一个直径7米、深20米的基坑
改造花费了上百万元
即使两侧的铁板壁很光滑
“永宁号”的防溜车系统依然能撑住不动
相当于安全系数又提高了很多
从洞壁上的红色印记可以看出
经过多次试验
防溜车系统是可靠的
03
“永宁号”如何运出渣石？
“永宁号”掘进时
产生的渣石会沿斜坡加速滚落
稍有不慎
就会造成碎石飞溅
风险极大
工程师在盾构机里设计一个专门通道
再配上减速装置
再由卡车运出
他们不断优化模型
一步步摸准花岗岩渣石
在40度倾角情形下的跌落规律
经过上百次试验
终于找到了最优的
溜渣槽截面尺寸、高宽比例、厚度材质
研究团队还专门安装了喷水系统
会将碎石和粉尘冲在溜槽内
流至隧道底部
04
“永宁号”如何实现人员及物料运输
“永宁号”向上掘进
有别于常规盾构在水平面“直来直往”
设备物料运输成了一大难题
针对大坡度向上掘进物料运输难题
基于斜井掘进机空间布置
工程师们专门建立了多层次物料运输体系
解决了“永宁号”在开挖大坡度斜井隧道时
物料、人员难以及时到达作业面的难题
研发了“随动型改向滚筒”技术
通过绳索串联掘进机后配套上
设置的改向滚筒和在洞室内设置卷扬机
实现了重载物料和人员的安全运输
提高了生产效率
还降低了施工成本
05
“永宁号”如何突破不良地质带？
洛宁抽蓄斜井施工中
需穿越多条断层破碎带
岩层破碎
“永宁号”的8条“腿”无法撑紧洞壁
影响正常掘进
工程师在“永宁号”上安装了
拱架安装器、锚杆钻机及湿喷机等设备
掘进中遇到不良地质带的时候
及时进行喷网支护
混凝土凝固后
洞壁可以提供足够的支撑力
保障“永宁号”8条“腿”
站得稳、抓得紧、撑得住
设备可以顺利通过不良地质带
06
“永宁号”挑战成功！
2022年12月初
在河南洛宁抽水蓄能电站
引水斜井工程施工现场
“永宁号”斜井硬岩掘进机
昂起39度角
“一头钻进”山梁
在重大水利建设中大展拳脚
自始发以来
项目技术服务团队研发了适应复杂工况的
变角度斜井始发分体组装掘进等新技术
先后克服了大倾角防溜车
出渣、支护、材料运输等多方面难题
“永宁号”攀登的“步子”越走越快
从最初掘进日进尺3—5米
到日进尺8—10米
再到日进尺突破16米
12月14日16点18分
“永宁号”打通1号引水斜井
顺利完成1号斜井掘进任务
填补了我国斜井施工建设领域的技术空白
为我国抽水蓄能电站工程
机械化施工提供了新思路、新方法