隧道股份用三大“神器”破解“滿城挖”

2015-09

記者何連弟 

研究員正在測試大型盾構機。 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工程技術研究中心，創新研制的非開挖施工三大“神器”正躍躍欲試，其中國內首臺類矩形盾構近期即將出征。
　　“40年前，上海面臨的是能不能建地鐵的問題；20年前，關注的是如何控制沉降；現在，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、經信委、科委等部門的大力支持下，盾構中心一直在非開挖技術方面開展超前研究，有望進一步改善地下工程施工中的“滿城挖”現象。

首臺“方盾構”即將初試身手
　　建地鐵用的盾構通常都是圓的，你見過用方的盾構來挖隧道嗎？在盾構中心這個地下施工“武器庫”里，國內第一臺類矩形盾構正在總裝調試，這也是目前世界大的土壓平衡矩形盾構。這臺“方腦袋”盾構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。
　　“這臺自主研發的類矩形盾構，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。普通單圓盾構在老舊城區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，圓形盾構其實是便利的選擇，刀盤旋轉一圈即可完成全斷面切削?，F在盾構頭由圓形改成矩形，可謂“牽一發而動全身”，需要解決刀盤切削、盾構轉身、管片拼裝等難題。記者眼前的這臺“方腦袋”盾構，頭部一橫一豎裝有兩個“X”形刀盤，后方還有一個“I”形刀盤，通過交錯旋轉可實現100%全斷面切削，邊邊角角都能照顧到。“這個技術只有我們獨此一家。”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？盾構中心為此專門設計了一個試驗平臺，制作整環管片進行承載力試驗，平臺上60只千斤頂每只大推力達100噸，整環大壓力可達6000噸。同時每塊管片上裝有眾多傳感器，整環共有1000多個數據采集點，任何微小的變化都逃不過。
　　“我們通過試驗發現，矩形隧道比圓形隧道強壯得多。”朱雁飛說，矩形隧道建成后即便遇到周邊開挖，也能更好地保持穩定，“夸張一點說，采取充分的技術措施后，兩邊的土對稱挖光了都沒事”。利用這個特性可以設想，今后一些地鐵站點如遇到動遷困難，可先預留站點用矩形盾構推進，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”擅長地下急轉彎
　　矩形盾構的主戰場是長隧道，而在短距離盾構對接、地下匝道、下立交和大型地下室等施工中，則輪到盾構中心另兩大“神器”一展身手了。
　　首先登場的是極小半徑曲線頂管機，別看它直徑只有30厘米，與大盾構相比真是“小不點”，但它有一個靈活的機頭，地下急轉彎本領無人能及。普通鋼頂管機通常只能頂直線，即便頂曲線，轉彎半徑也要1000米左右；而“小不點”在地下的小轉彎半徑只有6米，跟小汽車在路上轉彎差不多。
　　“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，可借助曲線頂管擴展地下空間建設地下匝道；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。
　　更令人驚喜的是，“小不點”的“親戚”最近還有望遠赴海外，“跨界”參與海底打撈作業。原來，常規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。
　　盾構中心的另一“神器”，是“管幕法”專用頂管機。它可以把直徑1米左右、長達200米的鋼管精準頂進土層，并確保鋼管之間的鎖口嚴絲合縫，快速在地下形成一排鋼管組成的“管幕”，然后在其保護下進行非開挖施工，可望比以往工藝地面沉降更小。目前，這一技術已在虹橋樞紐能源溝中成功進行了試驗，今后有望應用到盾構無法掘進的下立交、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，得益于盾構中心聯合各方搭建了一個公共研發服務平臺，各種新技術在這里可“按需組合”。該中心總經理呂建中說，近年來中心累計研發和設計各類盾構23臺，不僅使我國的盾構機性能水平達到國際標準，而且使盾構裝備業從國產化突破到國際化，并帶動了行業及相關產業的發展，產生效益近百億元。目前該中心研發的復合型土壓平衡盾構，已經應用于新加坡、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的“哥德巴赫猜想”——“地面出入式盾構法”研究上，盾構中心聯合高校、科研機構也取得重大突破，并已在南京地鐵機場線成功實施。這種技術可以讓盾構機像穿山甲一樣，從地面直接向地下挖掘，省去挖掘始發工作井的步驟，不僅大幅降低隧道施工產生的環境影響，同時大大節約成本、節省工期。
　　“今日長纓在手，何時縛蒼龍？”眼下對盾構中心來說，難的是找到敢于率先使用“神器”的吃螃蟹者。“一些自主研發的重大裝備，在應用上還存在困難。”呂建中說，“今后既要繼續鼓勵采購和使用自主研發產品，同時也要探索建立風險共擔的新機制。”類矩形盾構成套技術的開發就采用了創新模式，隧道股份上海隧道牽頭組織的產學研團隊不僅承擔科研任務，而且必須直接將成果投入寧波地鐵工程應用，經濟風險由各方共擔。
　　針對目前企業間存在的技術壁壘，呂建中建議要有效推進研發資源共享，減少研發設備重復投入，引領全行業共同提高，“創新沒有止境，我們唯有像盾構機那樣開足馬力，才能一往無前。”