隧道股份用三大“神器”破解“满城挖”

2015-09-01

记者何连弟 

研究员正在测试大型盾构机。 本报新媒体中心 祁骏摄

如今，上海每天有近千万人次乘坐地铁出行，而新的线路还在蜿蜒延伸。建地铁免不了要开挖道路影响交通，如何做到尽量少开挖、少影响呢？在隧道股份上海盾构工程技术研究中心，创新研制的非开挖施工三大“神器”正跃跃欲试，其中国内首台类矩形盾构近期即将出征。
　　“40年前，上海面临的是能不能建地铁的问题；20年前，关注的是如何控制沉降；现在，最迫切的是如何提高非开挖施工比例。”隧道股份上海隧道总工程师朱雁飞说，这些年在市国资委、经信委、科委等部门的大力支持下，盾构中心一直在非开挖技术方面开展超前研究，有望进一步改善地下工程施工中的“满城挖”现象。

首台“方盾构”即将初试身手
　　建地铁用的盾构通常都是圆的，你见过用方的盾构来挖隧道吗？在盾构中心这个地下施工“武器库”里，国内第一台类矩形盾构正在总装调试，这也是目前世界最大的土压平衡矩形盾构。这台“方脑袋”盾构11月份就要开赴宁波初试身手，开掘出宽约11.5米、高约7米的近似长方形隧道，可容纳一来一去两条地铁线。
　　“这台自主研发的类矩形盾构，解决了狭小空间里的隧道施工难题。”朱雁飞介绍说，矩形隧道空间利用率很高，而圆形隧道上下两端浪费比较大。普通单圆盾构在老旧城区狭窄道路下挖掘地铁双线隧道时，往往左右太宽，地上要拆房子；要是采用大型单圆盾构把双线并在一根隧道里，上下又太高，无法在管线和既有隧道之间穿越，因此矩形盾构更适合这种“螺蛳壳里做道场”的需求。
　　然而，对开凿隧道来说，圆形盾构其实是最便利的选择，刀盘旋转一圈即可完成全断面切削。现在盾构头由圆形改成矩形，可谓“牵一发而动全身”，需要解决刀盘切削、盾构转身、管片拼装等难题。记者眼前的这台“方脑袋”盾构，头部一横一竖装有两个“X”形刀盘，后方还有一个“I”形刀盘，通过交错旋转可实现100%全断面切削，边边角角都能照顾到。“这个技术只有我们独此一家。”朱雁飞言语中充满自豪。
　　隧道在地下承受巨大压力，矩形隧道的管片扛得住吗？盾构中心为此专门设计了一个试验平台，制作整环管片进行承载力试验，平台上60只千斤顶每只最大推力达100吨，整环最大压力可达6000吨。同时每块管片上装有众多传感器，整环共有1000多个数据采集点，任何微小的变化都逃不过。
　　“我们通过试验发现，矩形隧道比圆形隧道强壮得多。”朱雁飞说，矩形隧道建成后即便遇到周边开挖，也能更好地保持稳定，“夸张一点说，采取充分的技术措施后，两边的土对称挖光了都没事”。利用这个特性可以设想，今后一些地铁站点如遇到动迁困难，可先预留站点用矩形盾构推进，待条件成熟后再开挖建站，这样就不用因为一个站点影响整条线通车了。
　　
“小不点”擅长地下急转弯
　　矩形盾构的主战场是长隧道，而在短距离盾构对接、地下匝道、下立交和大型地下室等施工中，则轮到盾构中心另两大“神器”一展身手了。
　　首先登场的是极小半径曲线顶管机，别看它直径只有30厘米，与大盾构相比真是“小不点”，但它有一个灵活的机头，地下急转弯本领无人能及。普通钢顶管机通常只能顶直线，即便顶曲线，转弯半径也要1000米左右；而“小不点”在地下的最小转弯半径只有6米，跟小汽车在路上转弯差不多。
　　“小不点”的这手绝活，未来在非开挖施工中将大展身手。比如，曲线顶管可以避开地下障碍物，有效提高地下空间的利用率；超长距离隧道施工时两台盾构需在地下对接，可通过曲线顶管冰冻土层，大大提高对接的安全性；地下隧道主线建好后，可借助曲线顶管扩展地下空间建设地下匝道；甚至将来地铁车站施工也可用曲线顶管搭建管棚，不用开挖即可完成部分车站的建设。
　　更令人惊喜的是，“小不点”的“亲戚”最近还有望远赴海外，“跨界”参与海底打捞作业。原来，常规打捞沉船的穿钢索方法有时容易引起船体断裂，而借助曲线顶管在船体下面穿几十根钢梁，确保能把沉船完整打捞上来。
　　盾构中心的另一“神器”，是“管幕法”专用顶管机。它可以把直径1米左右、最长达200米的钢管精准顶进土层，并确保钢管之间的锁口严丝合缝，快速在地下形成一排钢管组成的“管幕”，然后在其保护下进行非开挖施工，可望比以往工艺地面沉降更小。目前，这一技术已在虹桥枢纽能源沟中成功进行了试验，今后有望应用到盾构无法掘进的下立交、大型绿地或广场的地下室开挖等施工中，无需大面积“开膛破肚”即可完成工程。
　　
公共平台合力锻造“神器”
　　各种“神器”接二连三闪亮登场，得益于盾构中心联合各方搭建了一个公共研发服务平台，各种新技术在这里可“按需组合”。该中心总经理吕建中说，近年来中心累计研发和设计各类盾构23台，不仅使我国的盾构机性能水平达到国际标准，而且使盾构装备业从国产化突破到国际化，并带动了行业及相关产业的发展，产生效益近百亿元。目前该中心研发的复合型土压平衡盾构，已经应用于新加坡、印度的地铁工程，累计销售14台、销售额近10亿元，为“中国制造”树立了良好形象。
　　在中国隧道施工行业的“哥德巴赫猜想”——“地面出入式盾构法”研究上，盾构中心联合高校、科研机构也取得重大突破，并已在南京地铁机场线成功实施。这种技术可以让盾构机像穿山甲一样，从地面直接向地下挖掘，省去挖掘始发工作井的步骤，不仅大幅降低隧道施工产生的环境影响，同时大大节约成本、节省工期。
　　“今日长缨在手，何时缚苍龙？”眼下对盾构中心来说，最难的是找到敢于率先使用“神器”的吃螃蟹者。“一些自主研发的重大装备，在应用上还存在困难。”吕建中说，“今后既要继续鼓励采购和使用自主研发产品，同时也要探索建立风险共担的新机制。”类矩形盾构成套技术的开发就采用了创新模式，隧道股份上海隧道牵头组织的产学研团队不仅承担科研任务，而且必须直接将成果投入宁波地铁工程应用，经济风险由各方共担。
　　针对目前企业间存在的技术壁垒，吕建中建议要有效推进研发资源共享，减少研发设备重复投入，引领全行业共同提高，“创新没有止境，我们唯有像盾构机那样开足马力，才能一往无前。”