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拥有国际领先地位的创新技术 庞然大物盾构机在城市中穿城过江

2018-07-03 17:29 来源:大洋网


双模式盾构机拥有国际领先地位的创新技术

易觉

盾构机这个庞然大物能在城市地下掘进

大洋网讯 随着越来越多城市进行地铁施工,“盾构机”这个词也渐渐为大众所熟悉。去年年底,广州地铁9号线顺利开通,这条地铁线路的成功通车,在国内创下了两个首次:它是全国首条在岩溶区修建的地铁线路,还是全国首条下穿高铁路基的地铁线路,其中立下大功的就是来自广东本土的华隧盾构技术团队研制的加强版盾构机。

这个庞然大物——盾构机(隧道掘进机),是目前世界上最先进的隧道施工设备,集机械、电气、液压、传感、信息、力学、导向等技术于一体,据中国工程机械工业协会掘进机分会统计数据显示,我国已成为全球最大的全断面隧道掘进机生产国和最大的市场,国产盾构机已抢占国内80%的市场份额。盾构的新理念、新技术、新工艺不断涌现,广东华隧建设集团股份有限公司总工程师易觉告诉记者,被称为是“地质博物馆”的广州,地质状况复杂,地下施工难度大,正是在这样的条件下诞生出数个在国际上具领先地位的盾构机创新技术。

四大核心创新技术

地下“神器”攻克复合地层

伴随着硕大的盾构机刀盘徐徐启动,新白广项目XBZH-1标机场T3站—机场T1站区间的右线盾构在今年3月2日顺利实现始发,标志着世界首台带冷冻刀盘和复合式注浆系统的双模式盾构机正式开启了它的历史使命。这台拥有庞大的身躯、强悍的动力,搭载着众多华隧建设集团科技创新成果的双模式盾构机从一“出世”就备受外界关注。此次顺利始发正式拉开了该工程盾构施工的序幕,后期还将有3台同类型的盾构机陆续投入施工,届时新白广XBZH-1标将全面进入盾构施工阶段。

除了广州地铁九号线外,三号线、五号线、六号线,深圳地铁二号线、五号线,珠三角城际快速轨道交通、深层隧道排水系统……这些大型轨道工程都有着华隧的身影,它不仅穿越建筑物、河流等工程,还穿越广州南站、北站,穿越地铁、白云机场……无论是地面有着众多重要建筑物的机场,还是岩溶发育强烈的地质区间,都将无法阻止这个庞然大物的掘进。

在广东华隧建设集团股份有限公司总工程师易觉的办公室,一幅数米长,分布着五颜六色色块的图纸特别吸引人的眼球,易觉告诉记者,这是广州的地质纵剖图,颜色越丰富表示地质越复杂,地下工程施工难度越高。广州的地质环境非常复杂,是复合地层,几乎囊括了各种地质,所以广州被称为“地质博物馆”。它跟很多城市都不一样,像广州的地层软的比上海软,硬的比北京硬,地下水位比较高,盾构机既要对抗很大的水压,又要考虑软土也能掘进,硬岩也能掘进,还要考虑刀具的寿命等一系列问题,像在上海挖掘基本没有换刀的概念,一条道打通可能刀具上的油漆还在,而在广州别说刀具,可能刀盘都磨损了。可以说,在广州施工过,理论上其他地区都可以应对。

另外,碰到复杂的地质情况,工程风险更大,如何防范风险成为重中之重。易觉告诉记者,“在我们所做的这些项目中,穿过铁路的工程是最难且风险最大的,例如穿越武广高铁,其地下的地质状况非常复杂,不仅有石灰岩,土里有石头,石头里还形成了溶洞,同时还要保障高铁正常运行,因此施工必须达到地面‘零沉降’。”而下一步更大的考验是穿越白云机场,广州的北部地区都是石灰岩地质,石灰岩容易形成溶洞,对盾构施工要求和挑战就更多。

事实上,从2010年2月开始,以易觉为负责人的盾构技术研发团队正式成立至今的8年间,团队获得国家专利52项,开创业内先河,成功填补了国内盾构行业的空白。他介绍说,“其中并联式泥水/土压双模式盾构机技术、MJS水平加固施工技术、盾构机冷冻刀盘技术、盾构机密闭始发及到达技术,合称‘四大创新技术’,这些技术均在国际上具领先地位。”这些核心技术让华隧盾构机成为地下施工的“神器”。

成功下穿武广高铁

技术支援惠及邻省

据统计,截至2017年12月31日,中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路5021.7公里。在巨大的轨道交通建设市场下,盾构掘进机械需求旺盛,行业高速增长。中国工程机械工业协会掘进机分会统计数据显示,掘进机连续五年每年增长都在20%左右,我国一跃成为全球最大的全断面隧道掘进机生产国和最大的市场。目前,我国广东、辽宁、江苏、山东、河南、湖南等省区在盾构机制造上发展强劲,截止到2017年末,据不完全统计,世界上直径超过14m以上的盾构机数量约42台,其中19台在中国。

业内人士表示,各地复杂不一的地质情况既给了盾构施工企业攻坚啃难的机遇,也同时促进了盾构施工的技术发展。据悉,我国已启动掘进机器人的研发,未来中国盾构机正朝着智能化方向迈进,所谓智能化就是将传感技术和检测技术加入其中,包括人工操作向智能化操作转变,实现机械化和信息化的集成,以达到盾构的智能化。

事实上,华隧的技术创新的影响力已经正逐步显现。2017年8月6日,在MJS水平桩的保护下,长沙市轨道交通4号线一标段盾构顺利下穿处于运营状态的2号线,标志着长沙地铁施工最大风险源被成功攻克。

广东华隧高科建设有限公司经理助理韦成林告诉记者,长沙地铁4号线溁湾镇站施工总承包单位原设计方案是管棚+高压旋喷桩进行施工,刚进行旋喷桩施工就导致了运行中的2号线隧道隆起12mm,该部位施工被迫中止,业主提出要求全国知名专家进行方案优化、论证。当时听闻华隧即将完成盾构下穿武广高铁的MJS加固工程,而两个工程非常类似,因此经过不足半天的谈判就确定华隧进场施工。最终团队在碎裂岩地层中成功完成MJS工艺施工,又创造了一个全球首例。

安全保障

为技术核心

易觉用非常简单的类比解释了四大创新技术,这些创新都是建立在保证安全、控制风险的主要思路上。

就像飞机在航母上起飞和降落时最容易发生事故,盾构机始发和到达这两个阶段的风险也是很大的。始发时盾构机和周围土体的密封还未建立,到达时盾构机和周围土体的密封会瞬间破坏,极易造成水土流失甚至围护结构的失稳。为了克服始发和到达时的风险,技术团队逆向思维创新,给盾构机外增加了一个钢套筒,保持盾构机无论始发还是到达都在密闭空间里运行,这就是盾构机密闭始发及到达技术。这个套筒就像隧道的延续,在始发时提前使盾构机进入密封状态,在到达又使盾构机在密封的状态下与隧道分离。即使不从地面打孔加固,也能保证主体结构稳定和安全。此外,这技术既保障了施工人员的人身安全,也可保护地面的建筑物。

冷冻刀盘技术,则是为了确保开仓的安全。盾构机的刀具在进行长距离掘进后,需要更换磨损的刀具。此时,作业人员需进入土仓,在地下与土壤直接接触的环境中工作。这相当于在太空中,航天员要走出空间站,在太空中工作,非常危险。通过盾构机冷冻刀盘技术,将刀盘和土仓周围的土体冻结起来形成一个保护罩,作业人员在保护罩中工作,这样进仓作业的安全性就得到大大的提高。

密闭式盾构机主要有两种模式:一种是泥水平衡式盾构机,一种是土压平衡式盾构机,两种模式分别适用于硬质和软质土层。就像航天飞机既可在大气层中飞行又可在外太空飞行一样,并联式双模盾构技术,可以让盾构机能够很好地适应复杂多变的地质情况,充分应对华南地区的复杂地质条件,有效避免造成地表沉降、塌方等工程事故,完美地解决复杂地层中施工的多种问题。

MJS水平加固的施工技术,主要是防止地面沉降。在地底修建隧道,地面一般会出现小幅度沉降。MJS水平加固技术利用高压下喷射出流体的运动能量形成一根根水泥柱,就好像我们在地下给它铺了几层架子,托住地面,再在水平柱下挖隧道就不会造成地面沉降了。

成立创新工作室

促进技术发展

华隧集团是属于广东省的地方企业,易觉坦言,虽然体量、规模等难以和实力雄厚的央企相比,但因为技术创新,在技术上仍能与他们同台竞技。尤其在广州的地铁、市政工程、引水隧道、城际轨道等方面可以与其比试一番。相比其他地方,广东省的工程基本是采用开放型的招标模式,不仅让造价更便宜,降低了城市的运营成本,而且也促进了本土企业的技术发展。招标中的硬指标包括完成多少工程、有多少设备,有多少技术人员,这些如果和大型央企比,可能较难超越,但是其中的诚信评分,在广州表现如何,风险控制如何也有决定性作用,如果出现过事故就会被扣分,因此控制好风险就显得格外重要。诚信分高就更容易中标,而华隧的技术创新是以保证安全、控制风险为主的。

易觉表示:“盾构技术最大的难题在于原材料、加工工艺和电器、软件控制,我们团队以盾构设备技术创新为核心,不断增强自主研发能力,促进盾构设备国产化和优化升级,在佛山发起成立中铁华隧联合重型装备有限公司,打造高端盾构装备产业基地,首台‘广东造’国产硬岩掘进机已于2017年8月成功下线,标志着华隧逐步从生产型、引进型的施工企业向高科技研发、制造型的现代化企业转型升级。”

目前,华隧还成立了创新工作室,下一步对科技创新的支持力度会更大。除了四大发明,还有新材料研发,在新造的预制厂中,有新材料研究中心,除了制造隧道结构材料的预制管片外,还开发一些活性高强混凝土材料、生态城市用的透水砖、可培育绿植的混凝土等。

文/广报全媒体记者刘丽琴

图/广报全媒体记者杨耀烨

[ 编辑: 郭夏凡 ]
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