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战龙岩 —— 记掘进中的国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”

来源:中铁工程装备集团有限公司

作者:设研总院 张冬

点击量:492

发布时间:2020-09-20

【  特大  】

  


9月19日,福建龙岩市万安溪引水工程隧洞,一辆辆运输车源源不断地将碎石运送出洞。隧洞正前方,搭载了高压水刀的“龙岩号”(中铁618号)TBM,正在高效掘进。


万安溪引水工程隧洞TBM施工段地层石英、长石等硬质矿物含量高,磨蚀性强,岩体完整,岩石强度高,给TBM施工带来了极大的挑战。2020年以来,由中铁工程装备集团有限公司(下文简称中铁装备)与黄河勘测规划设计研究院有限公司(下文简称黄河设计院)联合研制的国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”,克服超硬岩石掘进难、新冠肺炎疫情、突发突泥涌水断层等重重考验,在逆境中不断突破前进。    ( 文 / 设研总院 张冬 )    

 

创新路上勇攀登

TBM,在中国特指为硬岩掘进机,这是一种“武装到牙齿”的隧道掘进机,搭载的高强度合金材质滚刀,是各种硬岩地层的“克星”。滚刀在法向推力作用下,贯入岩石致使岩石压裂、胀裂、磨碎,从而达到破岩目的。

但“过刚易折”,在遇到超硬岩石时,TBM便会出现破岩困难、掘进效率低、主轴承寿命短、刀具磨损严重等一系列问题。

哲人曰:天下至柔莫于水,而攻坚强者莫之能胜。如何研究利用水的特性,造福人类,似乎是一个永恒的课题。

2019年,在明朝水利专家潘季驯提出“束水攻沙”治河方略的400多年后,中铁装备和黄河设计院创造性地提出“束水攻石”的思路:为传统TBM搭载高压水刀,用“水刀”和“滚刀”共同破岩。

国内首台高压水力耦合破岩TBM下线    刘大荔/摄


“以柔克刚,为我们提供了解决思路。”黄河设计院董事长张金良解释道,高压水力耦合破岩技术利用超高压水力射流冲切岩石成槽,为滚刀切割岩石提供自由面,同时水力劈裂岩石形成不规则裂缝,形成的环痕与滚刀的环痕有效叠加,可显著提高滚刀贯入速度,减少滚刀法向推力,延长主轴承使用寿命,将不仅解决TBM施工中超硬岩破岩问题,还能进一步加快中硬岩掘进速度。

“龙岩号”不仅是国内首台高压水力耦合破岩TBM,也是国内自主研制的超小直径凯式TBM,是推动第四代半掘进机技术创新迈出的重要一步。“新一代掘进机将逐步舍弃过去刀盘、刀具等机械掘进的方式,转而以光、电、液等其它介质进行破岩,这将有效解决当前掘进速度缓慢、刀具磨损快等难题,显著提升效率,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。”中铁装备总经理赵华说。

协同攻坚聚合力

把水的力量集中起来,可以成为割铁穿石的“水刀”;把众人的力量集中起来,可以形成无坚不摧的强大合力。

中铁装备和黄河设计院联合成立攻关研究团队,双方300余人花费3年时间攻关,研制出国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”。同时,双方还深化产融合作方式、各自发挥优势,在TBM设备防卡脱困、工程地质研究、新型围护结构、新型高性能灌浆材料等关键领域开展了技术攻关。

同心铸和谐,聚力谋发展。    

为了确保TBM稳步高效掘进施工,中铁装备、黄河设计院、施工方以及南京大地水刀股份有限公司,将技术会商室建在了施工一线。涵盖液压、流体、TBM施工、地质等专业技术人员的施工与技术管理团队,定期巡查并组织召开专题会,建立TBM生产日调度会议制度,抓时间节点、控工程重点、解施工难点。


各方参与项目协调会    张冬/摄


掘进以来,各技术攻关团队带着课题和科研项目深入一线调研,邀请中南大学、北京工业大学等科研院校相关专家,现场“诊脉”,集思广益,通过设备改造、工艺改进和技术革新一系列措施,有效提高“龙岩号”TBM设备的性能。

百折不回破难题

马克思说:“在科学上面是没有平坦的大路可走的,只有那在崎岖小路上攀登不畏劳苦的人,才有希望到达光辉的顶点。”“龙岩号”TBM这样的新生事物在应用过程中,也并非总是一帆风顺。

龙岩遍布丹霞地貌、花岗岩地貌、石英砂岩地貌、喀斯特地貌,以峰峻、石奇、水秀、谷幽著称。景色虽美,然而,在这里修隧道就没有那么容易了。



龙岩万安溪水库    张冬/摄

龙岩引水隧洞地层岩性主要为黑云母花岗岩、花岗闪长岩、石英砂岩及石英砾岩,多数硬度超过了200兆帕,且岩体完整。“龙岩号”TBM面对的是世界级破岩难题。


国内首台高压水力耦合破岩TBM在大考中坚韧掘进,在突破中倔强前行。


“龙岩号”始发    王晟宇/摄


2019年12月24日至2020年1月17日,人员第二次进场。2020年春节前夕,席卷全球的新冠肺炎疫情爆发,项目停工。

大家惦记着项目,惦记着设备,积极克服疫情的不利影响,千方百计创造各种条件,推进复工复产工作。3月1日,项目实现现场复工;3月16日,“龙岩号”TBM再次试掘进。

4月17日,隧道突发突泥涌水断层,项目再次停工。

只要精神不滑坡,办法总比困难多。经过近两个月的共同努力,6月9日,“龙岩号”TBM终于通过断层,再次启航。

如何匠心安排,优化水和钢铁的配合,充分发挥滚刀和水刀的优势,产生最好的破岩掘进效果,成为大家最关心的问题。7月19日,中铁装备、黄河设计院,以及水刀设备供应商联合对水刀系统进行全面升级改造。

8月18日,水刀系统完成新一轮改造升级。改造之后,更换喷嘴的时间大大缩短,水刀最长连续运行时间也大大延长。

设研总院齐志冲与技服公司卢会军    王晟宇/摄


每克服一重困难,“龙岩号”就更新改进一步;每改造更新一次,“龙岩号”都更优一层。困难的磨砺,让“龙岩号”越来越强大。

设研总院工程师齐志冲已经在龙岩项目蹲守近两个月。在他之前,为了确保“龙岩号”顺利掘进,中铁装备技术服务团队12名服务人员日夜坚守、冲锋在前。

如今,不仅仅是“龙岩号”与岩石的较量,也是所有矢志创新者的意志、毅力与岩石的较量。“我们将像这台TBM一样,一往无前,砥砺前行,不达目的,决不罢休!”齐志冲说。