隧道股份用三大“神器”破解“滿城挖”

2015-09-01

記者何連弟 

研究員正在測試大型盾構(gòu)機(jī)。 本報新媒體中心 祁駿攝

如今，上海每天有近千萬人次乘坐地鐵出行，而新的線路還在蜿蜒延伸。建地鐵免不了要開挖道路影響交通，如何做到盡量少開挖、少影響呢？在隧道股份上海盾構(gòu)工程技術(shù)研究中心，創(chuàng)新研制的非開挖施工三大“神器”正躍躍欲試，其中國內(nèi)首臺類矩形盾構(gòu)近期即將出征。
　　“40年前，上海面臨的是能不能建地鐵的問題；20年前，關(guān)注的是如何控制沉降；現(xiàn)在，迫切的是如何提高非開挖施工比例。”隧道股份上海隧道總工程師朱雁飛說，這些年在市國資委、經(jīng)信委、科委等部門的大力支持下，盾構(gòu)中心一直在非開挖技術(shù)方面開展超前研究，有望進(jìn)一步改善地下工程施工中的“滿城挖”現(xiàn)象。

首臺“方盾構(gòu)”即將初試身手
　　建地鐵用的盾構(gòu)通常都是圓的，你見過用方的盾構(gòu)來挖隧道嗎？在盾構(gòu)中心這個地下施工“武器庫”里，國內(nèi)第一臺類矩形盾構(gòu)正在總裝調(diào)試，這也是目前世界大的土壓平衡矩形盾構(gòu)。這臺“方腦袋”盾構(gòu)11月份就要開赴寧波初試身手，開掘出寬約11.5米、高約7米的近似長方形隧道，可容納一來一去兩條地鐵線。
　　“這臺自主研發(fā)的類矩形盾構(gòu)，解決了狹小空間里的隧道施工難題。”朱雁飛介紹說，矩形隧道空間利用率很高，而圓形隧道上下兩端浪費比較大。普通單圓盾構(gòu)在老舊城區(qū)狹窄道路下挖掘地鐵雙線隧道時，往往左右太寬，地上要拆房子；要是采用大型單圓盾構(gòu)把雙線并在一根隧道里，上下又太高，無法在管線和既有隧道之間穿越，因此矩形盾構(gòu)更適合這種“螺螄殼里做道場”的需求。
　　然而，對開鑿隧道來說，圓形盾構(gòu)其實是便利的選擇，刀盤旋轉(zhuǎn)一圈即可完成全斷面切削。現(xiàn)在盾構(gòu)頭由圓形改成矩形，可謂“牽一發(fā)而動全身”，需要解決刀盤切削、盾構(gòu)轉(zhuǎn)身、管片拼裝等難題。記者眼前的這臺“方腦袋”盾構(gòu)，頭部一橫一豎裝有兩個“X”形刀盤，后方還有一個“I”形刀盤，通過交錯旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)100%全斷面切削，邊邊角角都能照顧到。“這個技術(shù)只有我們獨此一家。”朱雁飛言語中充滿自豪。
　　隧道在地下承受巨大壓力，矩形隧道的管片扛得住嗎？盾構(gòu)中心為此專門設(shè)計了一個試驗平臺，制作整環(huán)管片進(jìn)行承載力試驗，平臺上60只千斤頂每只大推力達(dá)100噸，整環(huán)大壓力可達(dá)6000噸。同時每塊管片上裝有眾多傳感器，整環(huán)共有1000多個數(shù)據(jù)采集點，任何微小的變化都逃不過。
　　“我們通過試驗發(fā)現(xiàn)，矩形隧道比圓形隧道強(qiáng)壯得多。”朱雁飛說，矩形隧道建成后即便遇到周邊開挖，也能更好地保持穩(wěn)定，“夸張一點說，采取充分的技術(shù)措施后，兩邊的土對稱挖光了都沒事”。利用這個特性可以設(shè)想，今后一些地鐵站點如遇到動遷困難，可先預(yù)留站點用矩形盾構(gòu)推進(jìn)，待條件成熟后再開挖建站，這樣就不用因為一個站點影響整條線通車了。
　　
“小不點”擅長地下急轉(zhuǎn)彎
　　矩形盾構(gòu)的主戰(zhàn)場是長隧道，而在短距離盾構(gòu)對接、地下匝道、下立交和大型地下室等施工中，則輪到盾構(gòu)中心另兩大“神器”一展身手了。
　　首先登場的是極小半徑曲線頂管機(jī)，別看它直徑只有30厘米，與大盾構(gòu)相比真是“小不點”，但它有一個靈活的機(jī)頭，地下急轉(zhuǎn)彎本領(lǐng)無人能及。普通鋼頂管機(jī)通常只能頂直線，即便頂曲線，轉(zhuǎn)彎半徑也要1000米左右；而“小不點”在地下的小轉(zhuǎn)彎半徑只有6米，跟小汽車在路上轉(zhuǎn)彎差不多。
　　“小不點”的這手絕活，未來在非開挖施工中將大展身手。比如，曲線頂管可以避開地下障礙物，有效提高地下空間的利用率；超長距離隧道施工時兩臺盾構(gòu)需在地下對接，可通過曲線頂管冰凍土層，大大提高對接的安全性；地下隧道主線建好后，可借助曲線頂管擴(kuò)展地下空間建設(shè)地下匝道；甚至將來地鐵車站施工也可用曲線頂管搭建管棚，不用開挖即可完成部分車站的建設(shè)。
　　更令人驚喜的是，“小不點”的“親戚”最近還有望遠(yuǎn)赴海外，“跨界”參與海底打撈作業(yè)。原來，常規(guī)打撈沉船的穿鋼索方法有時容易引起船體斷裂，而借助曲線頂管在船體下面穿幾十根鋼梁，確保能把沉船完整打撈上來。
　　盾構(gòu)中心的另一“神器”，是“管幕法”專用頂管機(jī)。它可以把直徑1米左右、長達(dá)200米的鋼管精準(zhǔn)頂進(jìn)土層，并確保鋼管之間的鎖口嚴(yán)絲合縫，快速在地下形成一排鋼管組成的“管幕”，然后在其保護(hù)下進(jìn)行非開挖施工，可望比以往工藝地面沉降更小。目前，這一技術(shù)已在虹橋樞紐能源溝中成功進(jìn)行了試驗，今后有望應(yīng)用到盾構(gòu)無法掘進(jìn)的下立交、大型綠地或廣場的地下室開挖等施工中，無需大面積“開膛破肚”即可完成工程。
　　
公共平臺合力鍛造“神器”
　　各種“神器”接二連三閃亮登場，得益于盾構(gòu)中心聯(lián)合各方搭建了一個公共研發(fā)服務(wù)平臺，各種新技術(shù)在這里可“按需組合”。該中心總經(jīng)理呂建中說，近年來中心累計研發(fā)和設(shè)計各類盾構(gòu)23臺，不僅使我國的盾構(gòu)機(jī)性能水平達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，而且使盾構(gòu)裝備業(yè)從國產(chǎn)化突破到國際化，并帶動了行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生效益近百億元。目前該中心研發(fā)的復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)，已經(jīng)應(yīng)用于新加坡、印度的地鐵工程，累計銷售14臺、銷售額近10億元，為“中國制造”樹立了良好形象。
　　在中國隧道施工行業(yè)的“哥德巴赫猜想”——“地面出入式盾構(gòu)法”研究上，盾構(gòu)中心聯(lián)合高校、科研機(jī)構(gòu)也取得重大突破，并已在南京地鐵機(jī)場線成功實施。這種技術(shù)可以讓盾構(gòu)機(jī)像穿山甲一樣，從地面直接向地下挖掘，省去挖掘始發(fā)工作井的步驟，不僅大幅降低隧道施工產(chǎn)生的環(huán)境影響，同時大大節(jié)約成本、節(jié)省工期。
　　“今日長纓在手，何時縛蒼龍？”眼下對盾構(gòu)中心來說，難的是找到敢于率先使用“神器”的吃螃蟹者。“一些自主研發(fā)的重大裝備，在應(yīng)用上還存在困難。”呂建中說，“今后既要繼續(xù)鼓勵采購和使用自主研發(fā)產(chǎn)品，同時也要探索建立風(fēng)險共擔(dān)的新機(jī)制。”類矩形盾構(gòu)成套技術(shù)的開發(fā)就采用了創(chuàng)新模式，隧道股份上海隧道牽頭組織的產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊不僅承擔(dān)科研任務(wù)，而且必須直接將成果投入寧波地鐵工程應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險由各方共擔(dān)。
　　針對目前企業(yè)間存在的技術(shù)壁壘，呂建中建議要有效推進(jìn)研發(fā)資源共享，減少研發(fā)設(shè)備重復(fù)投入，引領(lǐng)全行業(yè)共同提高，“創(chuàng)新沒有止境，我們唯有像盾構(gòu)機(jī)那樣開足馬力，才能一往無前。”