盾構機的主要組成部分包括盾殼、刀盤及刀具、刀盤驅動、推進系統(tǒng)、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設備等。刀具是盾構機重要的部件,其直接影響著盾構施工進度。
盾構刀具行業(yè)發(fā)展現狀如何?自英國的布魯諾首次(1818年)提出用盾構施工法建設隧道以來,國外盾構技術已有數百年的發(fā)展歷史。盾構機的主要組成部分包括盾殼、刀盤及刀具、刀盤驅動、推進系統(tǒng)、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設備等。
刀具是盾構機重要的部件,其直接影響著盾構施工進度。所以必須根據工程地段巖石的不同強度和地質特點以及刀具在不同巖石中表現出的破巖機理來對刀具進行設計和選擇。為了適應從軟土到硬巖不同地層的開挖,目前設計出多種刀具與之適應。盾構機刀具類型分為兩大類:滾刀和切削刀。而切削刀的種類繁多,包括:切刀、齒刀、邊刮刀、先行刀、仿形刀、魚尾刀。
根據中研普華產業(yè)研究院發(fā)布的《2021-2025年中國盾構刀具行業(yè)投資趨勢分析與發(fā)展預測報告》顯示:
盾構機刀具是盾構機施工實現破巖的關鍵部件,價格高,供貨周期長消耗量大,需要經常更換等特點。并且刀具的使用壽命直接影響到盾構施工的成本和進度。國外生產盾構機的主要國家(美國、德國和日本)都有專業(yè)的破巖刀具生產廠家,對刀具進行了長期的研究,并不斷改進和更新破巖刀具,使產品具有競爭力。如:滾刀直徑有12英寸″到19″不斷加大?,F在的刀具均按照具體條件專門設計、制造。
盾構刀具行業(yè)市場發(fā)展現狀分析
我國幅員遼闊,各個地區(qū)的地質狀況是不一樣的,即便同一地區(qū)的不同區(qū)域,地質狀況也會存在較大差異。在盾構施工過程中,會遇到各種不同地層,從淤泥、粘土、砂礫層到軟巖及硬巖等,各種地層的巖土物理力學性能相差很大,相應的刀盤刀具的配置也不相同,對刀具的磨損機理也不同。在開挖全斷面硬巖時,盤形滾刀作為破巖工具,不僅承受很大的徑向破巖力,同時又受到巖石硬礦物相的劇烈磨損,刀具消耗量大。
盾構刀具的關鍵制造技術主要有刀具的設計、刀具材料制備技術、刀具集成制造技術(機械加工、熱處理、焊接、裝配、檢測),以及刀具性能綜合評價。在2008年之前,國內所使用的盾構機及其刀具刀盤完全依賴進口。恒立鉆具是國內最早開始從事盾構刀具的企業(yè)之一,是工程破巖行業(yè)相關產品進口替代的主要參與者。
多年來,我國盾構刀具生產企業(yè)的技術主要依靠跟蹤與仿制,2019年我國盾構刀具行業(yè)市場規(guī)模27.8億元,但是盾構刀具新產品設計能力、刀具的整體制造水平以及刀具應用技術與國外先進企業(yè)相比,還有一些差距。
國產盾構刀具企業(yè)恒立鉆具主營業(yè)務為工程破巖工具的研發(fā)生產,主要應用于盾構機、隧道掘進機、頂管機等高端裝備。2019-2021年,恒立鉆具營業(yè)收入分別為1.4億元、1.6億元和2.2億元,凈利潤分別為1394萬元、4105萬元和4853萬元。
全世界生產制造的盾構機已大于1000臺,其中主要制造商包括德國的海瑞克公司、日本的小松公司和川崎重工、美國的羅賓斯公司以及法國的NFM公司(現已被我國企業(yè)收購)等。經過幾十年的研發(fā)和創(chuàng)新,尤其是進入二十一世紀以來,隨著隧道建設步伐的不斷加快,各領域技術不斷更新發(fā)展,盾構機技術有了較大的進步,主要表現在以下方面:首先,盾構機結構形式更豐富。
現在隧道施工已經不局限于傳統(tǒng)的圓形截面結構,為滿足隧道施工要求,目前已經設計出的異形盾構機有馬蹄形、橢圓形、方形和球形等結構形式的盾構機。另外,子母盾、變徑盾和分岔盾等特種盾構機也被應用于隧道施工建設中。其次,盾構機中應用的技術更為先進。伺服控制技術、信號處理技術、激光制導技術、GPS定位技術、智能控制技術、檢測技術等先進技術在盾構機中得到了很好的應用,提高了盾構機的施工精度和效率。
最后,盾構機自動化程度不斷提高。盾構機由原來的手掘式盾構機發(fā)展到現在的全自動化盾構機,實現了隧道掘進、拼裝管片、渣土運輸、水泥灌漿、姿態(tài)調整等功能操作的自動化,減少了人為因素的影響。
盾構機的轉變也使得盾構刀具的需求也發(fā)生了一定的變化:刀具使用壽命的長短,關乎盾構機的效率,所以,怎樣的把新的技術,提高盾構刀具的抗沖擊、抗磨損、耐腐蝕的性能上,從而使成本降低,就成為了未來盾構刀具發(fā)展最為急迫的問題之一。
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