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(1)工程破岩工具行业政策现状及影响:工程破岩工具属于工程机械中掘进机械配套核心零部件,《工程机械行业“十四五”发展规划》总领性的对工程机械行业的未来发展提出了目标和发展重点,将提高国际化发展水平,努力实现海外业务稳健增长作为发展的重点及关键任务,并提出进一步拓展国际市场空间和国际合作领域,践行“一带一路”倡议,继续提升海外业务能力和规模,该发展重点和关键任务,给工程机械行业的海外业务发展指明了方向,将引导工程机械行业快速走向海外,促进相关企业业务的快速发展。《工程机械行业“十四五”发展规划》中对掘进机械行业提出了加快补短板工程推进,建立独立自主的核心零部件研发-制造-供应体系和产业基地的目标,该目标的实现将促进工程破岩工具行业的快速发展。《产业结构调整指导目录(2019年本)》也将部分掘进机械列入“鼓励类”产品,将进一步推动掘进机械及其核心零部件行业的发展。
工程破岩工具主要应用于城市轨道交通、铁路、公路、城市综合管廊等隧道工程领域。国家相关部门、地方政府出台了一系列政策支持基础工程的建设,推进相关行业的发展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》《交通强国建设纲要》《国务院关于新时代支持革命老区振兴发展的意见》《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》《中长期油气管网规划》《国务院关于印发“十四三五”现代综合交通运输体系发展规划的通知》《交通领域科技创新中长期发展规划纲要(2021—2035年)》等政策支持城市轨道交通建设、铁路和公路等隧道建设、油气管网建设和城市地下管廊建设,并提升上述建设的科技创新。上述行业的政策支持将间接推动工程破岩机械的使用量、需求量和工程破岩工具的消耗量,进而推动工程破岩工具行业的发展。
《“十四五”循环经济发展规划的通知》《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》等政策都在推动掘进机械,特别是盾构机及其零部件的“再制造”,该政策将为公司带来新的业务机会,为公司提供新的利润增长点。另外,《关于加快培育发展制造业优质企业的指导意见》也为公司这种优质制造企业的发展提供有力的政策支持。
(2)行业运行现状分析:岩石破碎是采掘作业中使部分岩体脱离母体并破碎成岩块的工艺过程。目前用于破碎岩石的方法主要有爆破法和机械破岩法。此外,随着现代科学技术发展,还出现了一些其他破岩方法,如:超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、火花放电法、等离子体法、电子束法(聚焦电子束、脉冲电子束、高能加速器)、激光法、红外线法、热熔法(电能、核能)、高频法、电热核法、微波法及化学破碎法等。目前,我国应用最广的破岩方法为爆破法和机械破岩法,其他破岩方法只是作为破岩的一种辅助手段,技术发展时间短,还处于试验阶段。
建立在机械钻孔、往孔内装入待爆炸药的常规爆破破岩方式以综合效率高在较长时期内占据着相当重要的地位,但该方法存在对原岩的扰动性大,易造成周边岩石破坏,存在支护困难,破碎岩石块度不均匀,它必须依靠钻孔、装药和爆破等多种工序操作,而且装药和爆破过程实现机械化和自动化难度较大。为了克服常规爆破破岩的缺点,机械破岩得到了快速发展,在采矿、选矿、石材加工、隧道掘进、石油钻进方面已得到了广泛应用。
机械破岩是指通过机械驱动直接接触岩石的刀具进行岩石破碎的技术。依据破岩工具和破岩原理的不同,机械破岩方法主要有切削、冲凿、碾压、研磨四种方式。破岩时破岩工具进入岩石,在工具移动前方的岩体内出现密实核,在密实核周围产生较大块的崩碎体。
工程破岩工具主要为盾构及TBM刀具、顶管刀具等,均采用机械破岩法,适用于各类隧道及地下工程的非开挖施工。工程破岩工具行业的发展,既与非开挖技术发展相关,又与盾构机、TBM、顶管机等工程装备行业以及城市轨道交通建设、公路铁路隧道建设、城市地下综合管廊、输油气管线等下游应用领域发展息息相关。工程破岩工具作为工程装备的关键零部件和施工过程中的消耗品,将在隧道掘进机行业和下游应用领域有利政策的背景下得到快速发展。
中金企信国际咨询公布的《全球及中国工程破岩工具市场全景监测调研及“十四五”投资战略预测报告(2023版)》
(3)非开挖技术发展概况:非开挖技术是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段,通过导向、定向钻进、盾构等方式在地表极小部分开挖的情况下(一般指入口和出口小面积开挖),敷设、更换和修复各种地下管线和地下构筑物建设的施工技术。该技术对周边交通与环境影响最小,具有很高的社会经济效果。从20世纪80年代开始非开挖技术获得大规模应用,随着非开挖技术不断完善和应用拓展,非开挖技术已成为一项政府支持、社会提倡企业参与的高新技术,非开挖技术已成为城市现代化进程中一项关键施工技术,是地下管线与城镇地下构筑物建设的一次技术革命。
非开挖技术主要应用于以下几个方面:地下构筑物建设:涵洞、地下管廊、地下交通隧道等建设;地下管线铺设:各类地下管线(自来水、污水、雨水、石油、天然气等管道,以及通讯、动力和信号等电缆线)的铺设、更新和运维等;管棚支护:地下人行过道、地铁和地下车库等暗挖工程的结构性支护;环境治理:在受污染的地下水和地层中设置水平环境治理井:其它:基础工程(钢管桩、微桩、土钉)、边坡、路基、大坝等工程的排渗、降水和注浆孔等,以及煤层气等资源开采。
非开挖技术推广应用程度与国家或地区经济发展水平密切相关,经济社会发展程度越高非开挖技术应用程度越高。非开挖技术主要有以下优点:周边影响小,施工时不影响交通,不破坏环境(绿地、植被、树木),不干扰工厂、商店、医院、学校和居民的正常生活与工作秩序;施工速度快,由于辅助工程(如支护、回填等)少,施工速度大幅度提高,而且,可应用于传统施工方法无法施工或不允许开挖施工的场合(如穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建筑物的地下);综合成本低,非开挖施工的综合成本均低于传统的开挖法施工,而且管径和埋深越大时越明显;部分施工方法的直接成本甚至低于开挖法施工,具有较好的经济效益和社会效益;绿色环保,由于施工时地面交通拥堵少,施工时间短,而且减少了渣土和回填土的运输量,使碳排放量大大减少。
根据中国地质学会非开挖技术专业委员会发布的《中国非开挖技术行业年鉴》第五部(2020年),在繁华市区或管线埋深较深时,非开挖技术是开挖施工的最佳替代方法;在特殊的条件下,例如穿越公路、铁路、河流、建筑物等,非开挖技术更是唯一经济可行的施工方法。非开挖技术在短短的30余年时间内,以其独特的技术特点,以及安全、环保与高效的技术优势,日益受到各国政府的重视和提倡,联合国环保署(UNEP)也将非开挖技术列为环境友好的施工技术(EST)。
(4)我国工程破岩工具行业发展现状:盾构及TBM刀具、顶管刀具等是工程破岩工具的重要组成部分,与地下工程建设及盾构机国产化进程息息相关。
1)盾构机与刀具技术发展历程:盾构工法问世以前隧道施工主要靠开挖法。但就城市隧道施工而言,开挖法存在受地形、地貌、环境条件的限制;开挖法给城市交通带来极大不便;开挖产生的地层沉降较大;施工机械的噪声和振动;施工对环境构成的污染等诸多不利因素。1818年法国的布鲁诺首次提出用盾构施工法建设隧道,19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国,并得以不同程度的发展,20世纪60-80年代盾构工法继续发展完善,成绩显著。近40多年来,通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术,如盾构机的有效密封,确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内,刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换,对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决,使盾构机有了很快的发展。
我国盾构机的研制始于20世纪60年代。盾构机国产化的发展经历了3个历史时期,概括为黎明期(1953~2002年)、技术创新期(2003~2008年)和跨越发展期(2009年~至今)。为满足国民经济建设对工程机械重大技术装备的需要,诞生了一批高端工程机械和重大技术装备,实现了对进口整机装备的替代、对大量人工作业的替代、对传统低效作业方式的替代、对环境有不利影响的施工方式的替代,实现了施工新工法和极端施工环境的技术突破,满足了我国重大建设项目的需求。“十三五”期间,我国实现了掘进机械整机系统集成技术的应用。通过高压密封技术、常压换刀技术、冷冻刀盘技术、泥水辐条刀盘技术、环流系统智能控制、高水压多溶洞地层盾构超前探测及加固技术、驱动伸缩摆动技术、可视化施工技术等关键技术、关键系统或部件的应用,诞生了一批适合各种施工环境的盾构施工技术与设备,有效拓展了盾构施工领域。此外,我国实现了15米以上超大直径泥水盾构和超小直径(≤4.5米)盾构施工应用,各类异形盾构机、大直径硬岩掘进机为各类城市建设、特殊地质条件下重大交通、水利建设提供了高水平的解决方案。盾构机的掘进性能很大程度上取决于刀盘的结构形式、刀具类型及布局方式等,盾构机的刀具按切削原理一般分为滚刀和切刀两类,其中切刀又分为刮刀、齿刀和先行刀等。国内刀具技术的发展主要分为初始阶段、引进消化吸收阶段和自主创新阶段。初始阶段以滚刀研发为主,其主要特点是直径小,承载能力低,全部安装在国产盾构上,刀圈材料差异很大,刀具非正常损坏较多。
引进消化吸收阶段主要特点是国外施工公司使用国外盾构和刀具在我国施工或国内企业引进国外盾构及刀具施工;国内施工单位、科研院所和刀具制造企业联合对进口刀具进行攻关。自主创新阶段主要特点是国产或与国外联合制造的盾构大量涌现;盾构施工企业增加,遇到的刀具技术问题增多;刀具研发单位迅速增加;国家863计划、火炬计划、创新基金等大力支持;刀具制造与应用技术明显提高,刀具品种增加。
2)我国盾构刀具进口替代情况:盾构刀具具有“一大、二多、三复杂”的特点,即尺寸大、刀具多、材质多,工作对象复杂,工作环境复杂,受力形式复杂等特点。在盾构刀具制造方面涉及到刀具的设计、刀具材料制备、刀具集成制造(机械加工、热处理、焊接、装配、检测)、以及刀具性能分析测试等各个领域。
为了实现高性能盾构刀具的产业化,国内企业紧跟国外先进技术,引进了先进的设计软件进行刀具的设计,大大提高了设计的直观性和设计效率;引进了先进的热处理设备对零配件进行热处理,提高了热处理质量的稳定性;利用软件自动生成数控加工程序,采用先进的数控专用机床以及加工中心进行刀具零配件的加工自动化生产,大大提高了加工的精度和加工效率;研究了刀具的真空钎焊技术以及耐磨层堆焊技术,采用机器人工作站进行自动焊接,大大提高了焊接质量及其稳定性;建立了完善的刀具生产工艺流程以及刀具零配件质量检测方法和控制技术,并形成了相应的生产工艺规程和质量标准,使得生产管理更规范,产品质量更稳定;建立了先进的刀具装配生产线,对刀具的装配尺寸、启动扭矩、气密性等进行严密控制,提高了成品刀具的质量及质量稳定性,保证刀具具有良好的使用性能。
多年来,我国盾构刀具生产企业的技术主要依靠跟踪与仿制,盾构刀具新产品设计能力、刀具的整体制造水平以及刀具应用技术与国外先进企业相比,还有一些差距。近年来经过自主创新,我国突破了盾构刀具的一系列的关键制造技术,达到了国外先进技术水平。国产化盾构刀具成功开发,打破了国外刀具厂家长期以来对该市场的完全垄断地位,迫使国外盾构刀具厂家大幅降价。目前,国产盾构刀具使用性能达到甚至超过国外先进水平的同类刀具,可以为盾构刀具用户提供一站式的全套解决方案,使盾构刀具实现了国产化。
3)我国盾构行业的“再制造”状况:
①我国“再制造”概述:再制造是指将废旧汽车零部件、工程机械、机床等进行专业化修复的批量化生产过程,使再制造产品达到与原有新品相同的质量和性能。再制造是循环经济“再利用”的高级形式。加快发展再制造产业是建设资源节约型、环境友好型社会的客观要求。再制造与制造新品相比,可节能60%、节材70%、节约成本50%,几乎不产生固体废物,大气污染物排放量降低80%以上。再制造有利于形成“资源-产品-废旧产品-再制造产品”的循环经济模式,可以充分利用资源,保护生态环境,加快发展再制造产业是培育新的经济增长点的重要方面。
2005年,国务院在《关于加快发展循环经济的若干意见》中明确提出支持发展再制造。2005年,经国务院批准,国家第一批循环经济试点将再制造作为重点领域。2008年,《循环经济促进法》将再制造纳入法律范畴进行规范。2010年,国家发改委联合11个部委联合发文《关于推进再制造产业发展的意见》宣布,我国将以汽车发动机、变速箱、发电机等零部件再制造为重点,把汽车零部件再制造试点范围扩大到传动轴、机油泵、水泵等部件;同时,推动工程机械、机床等再制造,大型废旧轮胎翻新。后续工信部于2017年发布了《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》,发改委于2021年发布了《“十四五”循环经济发展规划的通知》,再一次明确和强调了“再制造”工作重点和涉及的行业,并到提出2020年中国再制造产业规模将达到2,000亿元的目标。
②盾构机及其配件“再制造”概况:随着我国轨道交通行业的飞速发展,盾构机因其施工过程中的安全性、快速性等优势,已成为我国地铁、引水、道路施工中的主流设备。根据中国工程机械工业协会掘进机械分会统计数据,我国盾构机保有量已超过3,000台。随着盾构机掘进里程及使用年限的增加,目前大批盾构机设备已开始迈入老龄化阶段。以使用最为普遍的Φ6m级盾构机为例,采购单价约4,000万元,总重500吨左右,一旦弃之不用或报废将造成极大的资源浪费。盾构机再制造技术,可在充分利用原有设备部件的情况下,使整机性能达到或超过原型新机的水平,从而可以节省大量的成本。随着我国盾构机保有量和超期服役数量的增加,我国盾构机“再制造”市场巨大。
2014年,国家工信部发布了《关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》,鼓励开展盾构机、燃气轮机、专用生产设备等高附加值大型成套设备及关键零部件再制造,并在2015年发布了《工业和信息化部办公厅关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》,明确将盾构机列入第二批再制造试点,2017年工信部发布了《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》,进一步聚焦盾构机关键件再制造,国家发改委于2021年发布了《“十四五”循环经济发展规划的通知》,也明确推动盾构机等新兴领域再制造产业的发展。盾构机属于复杂的工程机械,包含的零部件和技术领域较多,针对盾构机多系统集成、结构复杂、零部件数量大、种类多的特点,盾构机“再制造”不是所有的零部件都采用再制造,而是在考虑经济性、技术和节能环保因素后,在实现再制造的同时,降低成本和对环境的负面影响。根据因素考察后,盾构机再制造主要部件包括刀盘(含刀具、刀具的轴承、密封、刀圈等)、刀盘驱动系统、盾体、螺旋输送机、推进铰链系统、液压及动力系统、电力电气及控制系统、后配套台车、后配套辅助系统等。盾构刀具是盾构机中最容易损耗的零部件之一,其是盾构机“再制造”中的重要一环,市场空间较大。
4)我国盾构刀具行业存在的问题:我国盾构刀具经过近二十年的发展,在刀具材料、刀具集成制造等方面获得重要的技术突破,实现了刀圈材质硬度梯度分布的控制,开发了19英寸TBM滚刀、超挖滚刀、镶齿滚刀、等离子堆焊(PTA)滚刀、各种规格的齿刀及具有完全自主知识产权的带压滚刀。工程破岩工具行业基本实现了盾构刀具的国产化,并形成了一定产业化规模,可满足市场上各种进口及国产盾构机的刀具需求,打破了国外产品的市场垄断。
虽然我国已实现了盾构刀具的国产化,但是我国盾构刀具整体技术水平和为客户提供全面解决方案的能力与国外先进水平相比还存在不足。目前国产盾构刀具种类多、品牌多,质量参差不齐,性能差异较大,某些关键配件还需进口。国产盾构刀具一方面需要加强技术创新、适应性理论与技术研究、高效破岩刀具技术研究,开发适应于特殊地质条件的刀具,形成完整的、系统的知识产权;另一方面要加强行业的规范,促进刀具系列化和标准化,形成完整的刀具国家标准,建立完整、科学的盾构刀具性能评价体系和使用指南,力争实现盾构刀具国产化的更大发展。
中金企信国际咨询公布的《2023-2029年全球及中国盾构刀具行业市场专项调查及“十四五”投资战略预测报告》
(5)工程破岩工具下游行业需求分析:工程破岩工具是盾构机及TBM、顶管机等工程机械装备的关键零部件。工程破岩工具是工程施工过程中的消耗品,根据工程机械装备刀盘设计以及工程施工地质情况的不同,配备不同数量及功能的工程破岩工具,如6,410mm盾构机刀盘安装133把盾构刀具,6,840mm土压平衡盾构机同心圆刀盘共配置170把刀具。工程破岩工具在黏土地质下施工的寿命高于砂土,在砂土地质下施工的寿命高于砂砾,其寿命与施工地质的硬度呈反比,工程施工长度越长,需要更换的刀具越多。
随着我国城市轨道交通、公路、铁路、城市地下综合管廊等交通基础设施以及石油、矿山、水利、煤炭等工程建设的快速发展,各类工程破岩工具得到了广泛的应用,促进我国工程破岩工具及其相关产业不断发展,形成了完整的产业链。
(6)行业发展的主要影响因素分析:
1)有利因素:
①国家相关产业政策支持:近年来,国家相继出台的《交通强国建设纲要》《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》《城市地下空间开发利用“十三五”规划》《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》等政策支持或鼓励城市轨道交通建设、公路铁路隧道建设、地下空间开发利用等建设。随着“十四五”规划的逐步实施,基础设施建设继续推进,加之深入推进共建“一带一路”,国家正积极推动铁路轨道交通项目走出去,预计未来,铁路、公路、城轨、市政、城市地下综合管廊、地下空间等基础建设将持续发展。国家各部委出台的《关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》《工业和信息化部办公厅关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》《“十四五”循环经济发展规划的通知》,也明确推动盾构机及其核心零部件等领域的“再制造”,为行业的发展带来新的增长点,促进行业健康、绿色发展。
②非开挖技术应用领域不断拓展:在“一带一路”、“西部大开发”、“南水北调”、成渝地区双城经济圈等重大战略对区域公路铁路建设、水利建设需求的引导下,超长、超深、超大隧道建设工程越来越多,更多的工程施工单位采用盾构法来施工,带动工程破岩工具行业的长期需求,应用的市场范围越来越大。此外,盾构法施工中,圆形盾构占有比较主导的地位,但在某些特殊地质条件下的隧道施工工程中,矩形盾构及马蹄形盾构等也显示出其独特的优点。如,针对上软下硬的复合地质条件,矩形盾构顶管法施工以其高效的暗挖优势,相比常规的圆形盾构施工效率高,最大程度地提高空间利用率,同时节省大量的工期和后期施工成本。随着新型机械化非开挖技术的推广,异形盾构在未来的综合管廊、地下空间开发等领域都将有广泛的应用需求。
③下游市场前景广阔:城市轨道交通领域:2020年新增城市轨道交通运营线路1,233.5公里,其中新增地铁1,100.2公里,占比89.2%,再创历史新高。2020年,国家发改委批复徐州、合肥、济南、宁波4个城市新一轮城市轨道交通建设规划。此外,上海、武汉、广州等地规划了在未来几年内规模较大的轨道交通运营和在建里程。预计未来盾构及TBM在城市轨道交通领域仍将保持良好发展态势。铁路与公路应用领域:随着川藏铁路等重大项目陆续启动,面对复杂施工环境,盾构及TBM等设备将迎来重大发展机遇。根据《国家公路网规划(2013年-2030年)》指出,普通国道建设规划总计26.5万公里,国家高速公路规划总计11.8万公里;基本建成普通国道网和国家高速公路网,大约需要20年。公路建设过程中也将有大量的公路隧道工程,将促进工程破岩工具行业快速发展。
地下综合管廊建设领域:随着城市化的发展,地下综合管廊服务半径扩大,地下管线里程持续增长。根据《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》,到“十三五”期间,结合道路建设与改造、新区建设、旧城更新、河道治理、轨道交通、地下空间开发等,建设干线、支线地下综合管廊8000公里以上。地下综合管廊建设项目是未来非开挖施工领域的高增长市场,盾构机施工广泛运用于城市建筑密集交通繁忙的地下综合管廊施工,盾构及TBM刀具等工程破岩工具在该领域应用前景广阔。
水利建设领域:随着国家生态环境治理力度的不断加大,全国范围内调水及区域调水、过江隧道的修建等大型水利工程项目逐渐增多。如,长江干线过江通道布局规划(2020—2035年)中指出,到2025年,基本形成规模适度、资源节约的长江干线过江通道系统,建成过江通道180座左右,到2035年建成过江通道240座左右。其中在长江中游的通道密集地区、航道易变河段有限选用隧道过江形式,在长江下游南京以下新开工过江通道原则上采用隧道过江形式。水利隧道工程呈现快速增长趋势,带动盾构机及TBM与非开挖施工设备行业的快速发展,进而拓展了工程破岩工具的市场空间。
综上,随着我国城镇化的不断推进和对基础设施建设的持续投入,未来国内城轨交通、铁路、公路、综合管廊和水利建设仍将有较大的增长空间,下游行业的持续发展将拉动工程破岩工具行业稳定增长。
2)不利因素:
①城市轨道交通、公路、铁路、城市综合管廊等投资受国家政策影响大:城市轨道交通、公路、铁路、城市综合管廊等基础设施建设主要由政府主导,关系国计民生且投资规模大,因此具有较强的国家产业政策导向性。工程破岩工具行业发展主要依赖于各项基础设施建设的投资规模,若国家采取调控措施,控制相关投资规模,将对基础设施建设产生不利影响,从而影响到工程破岩工具制造行业的市场需求。
②产品同质化竞争激烈,技术和创新能力有待进一步提高:国内工程破岩工具制造行业企业数量众多,行业集中度较低,大部分企业技术水平不高,产品同质化竞争激烈。随着非开挖技术的进步,未来国内外大型地下工程建设将会越来越多,在国内,包括川藏铁路、跨海隧道等国家战略工程已经或将陆续开发建设,对新技术、新应用的要求日益增加。因此行业内企业需要持续提升研发水平,加强研发团队建设,研究开发复杂地质条件适应性强、使用寿命长的工程破岩工具,以满足日益复杂的产品需求。
(7)破岩工具行业发展的方向:
从技术层面上,破岩工具是隧道施工、地下管廊、油气输送等地下工程施工的关键零部件。为了应对地质结构的多样性和复杂性,破岩工具需要根据施工项目的地质环境等情况进行个性化定制,以达到项目施工的要求,同时在刀具的设计、材料和加工工艺等方面也需要
进行升级和持续研发。从市场层面,破岩工具需要进一步拓展新的应用领域,以提高市场容量。另外由于盾构机及其刀具消耗量大、价值高,其循环利用的需求较高,国家也不断出台政策鼓励和支持相关行业的绿色节能发展,推动了行业的“再制造”服务的需求增长。
1)技术发展趋势:工程破岩工具的关键技术主要包括结构设计、材料研发、热处理、金属密封等,我国工程破岩工具行业整体技术水平随着盾构机及TBM等工程装备设备行业的发展取得明显的进步。国内工程破岩工具行业在发展初期主要靠跟踪、仿制国外同类产品,同时由国内施工单位、科研院所和破岩工具制造厂商联合对国外破岩工具进行技术攻关。行业发展至今,随着使用盾构机、TBM、顶管机等非开挖施工设备的工程施工企业大量增长,施工中遇到的地质情况及技术难题增多,工程破岩工具制造厂商也逐渐突破一系列关键技术,行业整体技术水平得到提升,与国外技术差距逐渐缩小。
①工程破岩工具定制化及非标化:我国幅员辽阔,地质条件复杂多样,不同地区的地质状况存在差异,即使同一地区的不同区域,地质状况也会存在较大差异。因此在盾构、顶管施工过程中,可能会遇到各种不同地层,从淤泥、黏土、砂砾层到软岩及硬岩等地层,各种地层的岩土物理力学性能相差较大,对刀具的磨损机理也不同,相应的刀具配置也不相同,需要合理选择刀盘并配置刀盘上的刀具,提高刀盘刀具的地质适应性,减少刀具损坏和磨损。工程施工地质的多样性和复杂性决定了工程破岩工具的定制化和非标化,因此工程破岩工具制造厂商需要紧密结合刀具应用的盾构设备类型及地质条件,针对性地研发设计相应产品,提高刀具的适应性,精准满足客户的产品需求。
同时,盾构及TBM刀具等工程破岩工具作为消耗品,对盾构施工进度产生直接影响。施工过程中刀具选择不当,会加剧刀具磨损或损坏,导致频繁更换刀具,从而延缓正常施工进度以及增加施工成本。因此,工程破岩工具制造厂商需要充分了解各类地层地质,通过与客户充分沟通各种刀具配置方案及刀具的性能指标要求,提供定制化的产品服务,提高施工效率,同时避免非正常损耗,降低工程施工成本。
②工程破岩工具结构设计:工程破岩工具作为掘进系统的关键组成部件,直接承担外部土体切削任务,其结构设计也要针对每个项目的工程地质条件及施工需求进行专门设计。
在结构设计方面,工程破岩工具制造厂商需要根据工程项目施工地质构造、施工用途以及切削原理等进行破岩工具适应性分析,保证刀具及相关附件等结构设计强度、刚度、使用寿命等技术参数符合施工要求,针对性地设计开发出各种型号、规格、尺寸的破岩工具。施工地层为较软岩石时,通常采用齿刀;施工地层为软土或破碎软岩时,通常采用切刀或刮刀;施工地层为硬质岩时,通常采用滚刀。近年来,随着超硬地层、大埋深隧道工程建设越来越多,对工程破岩工具的承载力、抗冲击性等提出更高的要求,有必要通过工程破岩工具结构优化进一步提高工程破岩工具的性能。
③工程破岩工具材料研发:材料的韧性与耐磨性是发挥工程破岩工具作用的关键,因此在刀具设计开发阶段的材料研发及选择至关重要。如盘形滚刀在破岩时刀圈不仅承受较大的径向破岩力,同时又受到岩石硬矿物的剧烈磨损,因此刀圈材料必须具有高硬度、高强度及良好的冲击韧性;硬质合金具有较高的硬度和强度,耐磨性好,可镶嵌在滚刀刀圈上,增加刀具的耐磨性。同时,为了克服在工程破岩过程中硬质合金材料表面可能出现的热疲劳裂纹,也可以选择韧性、耐磨性、导热性更好的粗晶粒硬质合金。
④工程破岩工具关键制造工艺:工程破岩工具关键的制造工艺主要包括机加工、焊接、装配等。工程破岩工具的机加工主要是车、铣、钻、磨等多道工序,加工精度是破岩工具达到设计要求的关键因素。合理的加工工艺、高精度机床以及熟练操作人员是实现产品制造性能的重要保证。
装配工艺技术对工程破岩工具的性能和质量稳定性至关重要,其中涉及的重要技术有轴承及密封技术、检测技术。目前,我国常规密封已完全满足市场需要,高端密封技术也有了明显进步,在密封的关键加工工艺、试验研究等方面都有了不同程度的突破。
2)市场发展趋势:
①应用领域拓展:盾构/TBM等设备主要应用于城市轨道交通工程、引水工程、公铁路隧道工程等领域,除了对城市轨道交通工程的渗透率较高外,其他领域的渗透率均不高。我国城市轨道交通建设将进入平稳期,市场增长趋缓,但未来,随着相关技术的进步、各种异型盾构机的出现以及市场对盾构机认识的深入等,盾构/TBM等设备在引水工程、公铁路隧道、城市综合管廊、矿山建设工程等领域将进一步发挥其安全、环保等优势,进而增加市场对盾构/TBM刀具的需求,推动行业的发展。
②“再制造”服务拓展:我国出台了多项政策,鼓励和支持盾构机及关键零部件的“再制造”,但由于市场对盾构机再制造的认识不足、盾构机再制造关键技术储备不够及相关技术标准体系不完善等原因,“再制造”出来的盾构机及其关键零部件的市场接受度较低。随着“再制造”技术、工艺等的不断进步,“再制造”的相关产品必将进一步渗透至整个市场,占据一定的市场份额,盾构机及关键零部件的生产厂商也将成为受益对象,形成行业新的增长点。