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——集团盾构施工发展小记掘进的城建重器

地铁,城市发展的动脉和引擎。从建设新中国第一条地铁线,到建设的轨道交通线遍布全国,勇闯新路的城建人在中国轨道交通建设发展史上书写了浓墨重彩的光辉篇章。

盾构机,地下空间的开挖利器。2001年,将盾构技术引入北京地铁建设;2012年,破解盾构施工世界级难题;2015年,将小直径盾构引入国内给排水工程施工……敢为人先的城建地铁人怀揣盾构梦,在攻坚中传承、发展,为集团盾构施工不断绘制新版图、拓展新领域。

昨天:辉煌足迹

城建地铁人心中一直有一个盾构梦,梦想着有朝一日能够不再“开膛破肚”,而是用盾构机静悄悄地就把隧道建好。梦想从萌芽到绽放经历了30多年的磨炼。伴随着筑梦圆梦的实践,集团盾构施工版图从北京走向外埠、日渐庞大,在北京、大连、广州、深圳、沈阳等城市累计掘进里程接近90公里。随着一环一环地掘进,集团盾构施工技术也从无到有、从有到优,日渐精湛。

开创北京地铁盾构施工先河

20世纪60年代,在修建北京一期地铁时,当时还是铁道兵的集团建设者就有应用盾构施工的想法。1967年,他们研制了当时国内第一台盾构机——网格式压缩混凝土盾构机,在宋家庄机械厂院内做了试验,成功掘进了87米,但因当时国情等因素影响,盾构研制工作长期停滞。

1974年,盾构实验再次启动,开始设计第二台盾构机,但因国内地铁建设缩减,实验再次停滞。

两起两落,盾构梦从未中断,技术人员到国外的考察学习一直在持续。

20世纪90年代,盾构在上海、广州地铁建设已普遍应用。面对老城区的地铁施工,北京也将盾构施工提上日程。

1995年,在集团推动下,“中法盾构及地下工程技术研讨会”在北京举行,正式启动了用盾构进行北京地铁施工的推进节奏。同年,城建设计院利用进行北京地铁5号线可行性研究的机会,提出在5号线采用盾构的设想,并进行了可行性分析。

1999年,是极为重要的一年。1月7日,集团中标5号线雍和宫至张自忠路站等施工任务后,向时任北京市副市长汪光焘报送了“关于引进盾构施工技术及设备的请示”,第二天,汪光焘就批示“北京引进盾构施工技术设备完全必要,请加紧开展,请市建委组织协调,具体工作由城建集团负责,要为5号线和其他线地铁施工采用盾构方式抓紧准备”。4月,集团和北京地铁公司联合向市政府提交了“关于北京地铁5号线盾构试验段的安排”的报告,得到市政府批准。11月,国家计委也批准了5号线盾构试验段施工。

30多年求索路,梦想即将起航。在长约680米的雍和宫至北新桥区间,即将开始盾构施工试验。

试验段为何选择此区间?设计发展集团副总经理、轨道公司董事长、时任试验段项目经理的王良说,这一区间地处闹市区,重点文物众多,民房店铺林立,地上交通繁忙,地下管线复杂,将穿越黏土层、砂卵石层、富水砂层等北京典型的地层,几乎能涵盖所有可能遇到的施工难题,试验结果更具普适性。

集团对试验段倾注了大量心血,组织人员赴欧洲、广州等地学习,引进当时国内第一台德国海瑞克盾构机,组建在当时建筑业从未有过的高学历项目团队……

2001年3月1日凌晨1时,17辆装载着盾构机部件的运输车划破寂静长夜,在阵阵欢呼声中驶进雍和宫工地。2个月后,直径6.19米的盾构机在雍和宫始发,盾构在北京地铁施工中首次掘进。

由于前期开展了大量准备工作,试验段推进不负众望,原计划外国专家推进100米后换上中国人员,但在60米后中国操作手就已全部上岗。在经过北新桥车站时,还在国内首次采用了“先盾构掘进过站,后车站基坑开挖并拆除既有成型隧道”的“先隧后站”式盾构过站方式。

盾构推进期间也曾遭遇塌方、涌水等,但凭借过硬的专业知识,风险被一一化解。2003年,试验段圆满成功,成型隧道轴线偏差和沉降控制在允许范围内,建成的隧道质量优良,得到国内外专家好评,被当时国际隧道协会副主席誉为“世界隧道的精品”,项目也获得了北京市科技进步二等奖。

随后,盾构机在5号线全面推广,“能盾则盾”成为北京地铁施工的趋势,北京地铁建设全面进入盾构时代。30余年锲而不舍的奔波求索,集团地铁人的盾构梦在落地生根的同时,也推动了北京地铁施工质的飞跃。

破解盾构施工世界级难题

随着盾构在北京地铁5号线、4号线、机场线等的掘进,集团盾构施工技术日渐成熟,但在北京地铁9号线玉渊潭一带,集团盾构机进行了长达3年的艰难掘进。

地铁9号线06标玉渊潭区域在当时被誉为“地铁难度第一标”,难就难在玉渊潭下方是富含大粒径卵漂石的富水漂石层、砾岩层及其复合地层,地层中直径1.5米以上的漂石超20%,直径50公分以上的卵石占60%,最大抗压强度达到200兆帕。

盾构穿越富含大粒径漂石地层在世界尚无先例,这一世界性难题让集团邀请的世界各国一流的盾构制造商都望而却步。但不服输的集团盾构团队周密地酝酿“秘笈”,在盾构选型、破岩理念上寻找破题之道。

经过反复研究,集团在盾构领域首次提出了“以锤击劈裂破岩为主,滚刀、面板共同挤压破碎为辅”的破岩理念,并针对该地段地质条件量身定做了一台大功率“钻石号”盾构机。根据集团设计要求制作的刀盘上有重型撕裂刀、单刃和双刃滚刀等刀具159把,Q690高强钢材配以优质合金的刀具组合使盾构机能在坚硬的砾岩层和满是地下水的卵漂石地层中顺利掘进。

同时,基于超大粒径漂石抗压强度高的特点,创造性提出了“刀盘前楔锤击劈裂破碎,化大为小,疏导、通过、排出”的土压平衡盾构开挖模式,还首次使用了连续多点喷射渣土改良系统,开发了高阻尼特性的渣土改良剂,显著提高了掘进效率。

2012年4月10日,艰难掘进700多天后,盾构机破洞而出,全球首条采用锤击式破岩理念掘进的隧道贯通。成功下穿玉渊潭的实践让集团积累了在富水富含大粒径卵漂石地层掘进的先进技术,培养出一大批掌握这些技术的人才。

也是自地铁9号线起,“与盾构制造商共同设计盾构”的理念成为集团购置盾构机的标准。此后,凭借丰富的实践经验和理论储备,集团总能做出最合适的盾构选型、最优的刀盘刀具配置,为顺利掘进奠定了坚实基础。

城建重器南征北战

日渐成熟的盾构施工技术让外省市抛来橄榄枝。2010年,集团盾构机第一次开出北京,在大连地铁2号线港湾广场站至中山广场站盾构区间掘进。

这台大连地铁首个始发的盾构机被命名为“大连1号”。它的前进步伐与“钻石号”一样坎坷多艰:因区间岩石强度高、地下水量大,原计划15个月双线贯通的工期,仅最先掘进的右线就足足用了15个月。

这一软硬岩交互分布的区间一路穿越砂卵石、不同风化程度的板岩、中风化辉绿岩等地层,辉绿岩最高抗压强度达140兆帕,对刀具磨损非常严重;因隧道紧邻大连东港,始发站离海最近500米,地下水非常丰富,施工过程喷涌不断,严重制约了施工进度。

项目部在盾构推进中探索破题之法,从防喷涌、降低刀具磨损等入手,结合地层条件,提出“平衡配置、主辅配置、梯次配置”的刀盘选型和刀具配置理念,重新更换复合式刀盘,使盾构在左线的掘进更为高效,仅用10个月就实现了贯通。

这一区间的掘进让集团积累了成熟的临海地区富水高强交互复合岩层地铁盾构施工经验。施工期间,盾构机还在全国首次连续磨削63根钢筋混凝土群桩,为日后盾构切桩提供了借鉴。

自此,集团盾构机开启南征北战之旅,广州、沈阳、郑州等地的区间隧道在集团盾构人手中一环环成型、延长。

开创国内给排水工程小直径盾构施工先河

实力的增强让集团盾构施工领域也进一步拓宽。2015年11月10日,在土木工程总承包部槐房水厂槐丽管线始发井,直径4.21米的“龙”号盾构机始发,3个月后,“凤”号盾构机在同一竖井始发,这是集团首次将盾构应用于给排水工程建设,开创了我国给排水工程小直径盾构施工的先河。

施工期间,盾构机在隧道内通过了一个140米的小转弯,创造了国内市政盾构小转弯纪录,并实现了下穿丰双铁路、上穿地铁大兴线、再下穿槐房西路的壮举。

今天:厚积薄发

十八年的施工实践,使集团盾构施工在今年实现厚积薄发。目前,在北京、广州、沈阳的4个区间,7台盾构机在同时掘进着。在北京、郑州还有2项工程在备战盾构下井,今年成为集团有史以来在施盾构数量最多的一年。

8.8米直径盾构勾勒北京新机场线

在新机场线06标22米深的卵砾石地层,两台直径8.8米的盾构机正一前一后向着11月份双线洞通目标冲刺。

“新机场线最高时速可达160公里每小时,而且采用触网式供电,对隧道断面要求大。”设计发展集团轨道公司项目经理刘双全说对此集团专门采购了管片直径8.8米的辐条式土压平衡盾构机,轨道公司副总工程师恽军带队多方研究做出了最优盾构选型。

2.8公里的盾构区间前500米是黏土地层,后2.3公里为砂卵石地层,而且卵石含量超60%。“按照以往经验,盾构机穿越砂卵石地层时刀盘刀具会严重磨损。为此,我们使用了三层刀具,巧妙设计三层刀的高差,并配置豪华型刀盘。”项目总工程师周刘刚带队开展大量研究,摸索出一套适合在卵砾石地层掘进的刀盘选型、刀具配置方案。

“要实现长距离大断面连续掘进,对刀具的维护保养、渣土改良提出了更高要求。”项目生产副经理刘义说项目部做好盾构掘进的日常监测,有计划地做好刀具检修准备。

在“安全可控,质量可靠,设备稳定,环境和谐,掘进快速,技术先进,人机地料法环平衡协调”的高效掘进理念指引下,盾构机平稳推进着。目前,左右线盾构机已分别掘进1400环和1350环,实现不换刀连续掘进2.2公里,其中在卵砾石地层连续掘进1.7公里,积累了盾构机在长距离密集卵砾石地层连续高效掘进的经验。

施工现场也是技术攻关的试验田。2014年,在北京地铁14号线方庄至十里河区间,集团公司总工程师张晋勋牵头开展了盾构施工分层沉降的课题实验,已形成的科技成果“盾构施工引起地层位移的时空发展规律及控制技术研究与应用”被鉴定为达到国际领先水平。如今,这一实验成果在新机场线大断面、新地层中进行着验证和应用,为9米级盾构平稳穿越众多风险源保驾护航。

并驾齐驱再战北京地铁7号线东延

在设计发展集团轨道公司北京地铁7号线东延03标,“先锋号”“和谐号”盾构机正在通州南部面积最大的承压地下水层安全平稳掘进。

“这两台盾构机自投入使用后几乎从未停歇,特别是自南水北调东干渠工程起,一直并驾齐驱共同开挖一个个盾构区间。”03标项目副总工程师魏斌效说得益于集团完善的盾构维修保养体系和措施,这两台盾构机至今仍性能良好。

盾构机从高金楼站始发后,自东向西一路高歌凯进。在288米的小马庄车站内,在项目总工程师张鹏飞等的筹划下,通过轮轨式过站方式实现了盾构机过站,目前正以每天10环的速度冲刺着9月30日洞通目标。

广州地铁21号线艰难掘进

2015年,集团盾构机来到被业界称为“地质博物馆”的广州,开始在地铁21号线05标黄村站至世界大观站、世界大观站至智慧城站区间的掘进征程。

轨道公司刘双全项目团队成为项目操盘手。初到广州,广州专家型业主的保姆式管理让项目团队“水土不服”。咬定在广州打响集团品牌的决心,项目团队多方观摩学习,逐渐“入乡随俗”,而世界大观站车站的建成则让他们在广州站稳了脚跟。

世界大观站车站地质南硬北软,中跨瘦狗岭大断裂破碎带,大部分处于砂层中,且水脉丰富,施工极易发生险情。项目部展开大量研究,采取了完善的加固、止水等措施,优质建成了车站,为广州地铁车站处理断裂带提供了借鉴,赢得了业主认可。

2015年7月,黄世区间盾构始发。区间一半以上都是上软下硬的复合地层,且要穿越广州典型的红层地层,掘进过程中刀盘易结泥饼,造成掘进困难而需开仓处理。项目部在分析红层特性后研究出“衡盾泥”填仓应急气压开仓技术,保证了开仓安全,为安全掘进提供保障。

一路下穿大观南路、车陂路人行和车行隧道、东环高架匝道等风险源,掘进11个月后,2016年6月30日,黄世区间隧道贯通,成为21号线首个双线贯通的区间。

而在世智区间,因有了前期的经验,盾构机在复合地层的掘进更加得心应手。然而当在右线掘进到256环时,项目部遇到了更为棘手的挑战:地勘报告未揭露的孤石群导致盾构机被困。

“刀盘前方11米范围内密集分布着31个直径1米至5米的孤石,有的孤石已经扣在刀盘上了。隧道底部还普遍存在基岩突起现象,需一并处理。”刘双全说用深孔爆破法破碎岩体成为首选。

然而,国内对紧贴刀盘孤石的爆破案例非常少,项目部几乎无先例可循。深入研究后,项目部把孤石群分为两个区域进行爆破:刀盘前2米作为“密贴区”,爆破钻孔间距设为0.35米,并设置两排泄压孔;距刀盘2米至11米的范围作为“远离区”,爆破钻孔间距设为0.8米。爆破钻孔间距的合理设置使孤石群有效爆破,项目部孤石群爆破技术成为广州同类操作的普遍借鉴。同时,项目部采取“蛇形”掘进、主动扩孔的方式,使盾构机成功脱困,化解了掘进期间的最大风险。

如今,因占地通过问题,两台盾构机在隧道已停滞近3年。期间,项目部一边做好盾构机的维护保养,一边积极配合业主协调盾构通过问题,想甲方所想,做甲方所做,项目部的担当得到业主的高度认可,在广州的施工版图也将进一步扩大。

沈阳南运河截污工程盾构洞通

凭借槐丽管线施工时积累的经验,集团再揽新工程——沈阳南运河截污工程04标。今年1月14日,土木部“龙”号盾构机与槐丽管线原班人马来到沈阳,开启盾构掘进新征程。

1717米的盾构区间,几乎每100米就有一个风险源,盾构机要下穿既有建筑、道路、河流,上跨在建的地铁隧道、综合管廊盾构区间,侧穿竖井、桥梁等,掘进路线充满挑战。而下穿南运河、侧穿竖井成为最大挑战。

“下穿南运河的距离长达85米,隧道拱顶距河底最近距离3.75米,掘进稍有不慎就会出现河水倒灌。”项目经理李文峰带领项目部组织专家论证,制定穿河方案,穿河前全面排查盾构机、穿河期间适当降低土压值、穿河后优化洞内注浆等周密的措施使盾构机平稳安全穿越南运河,项目部据此还总结出一套盾构沿河施工科研成果。

隧道内,已完工的4座竖井成为“拦路虎”。每个竖井中都有6根直径0.8米的基础桩,为防止刀盘卡住,每逢切桩只能慢慢磨,单磨一个竖井就需要2天时间,严重影响了掘进速度。

众多风险源对施工质量也是极大考验。项目部精确管片选型,优化注浆参数,每20米进行一次测量换站,每100米对盾构掘进和成型隧道姿态全方位复测,严密的措施确保了隧道成型精度和质量。

在零下30多度的寒冬组装调试和始发,平稳穿越砂卵石层、砂层等交替变化的地层,成功化解一个个风险后,盾构机于近日破壁而出。虽难度最大,但质量最优,集团盾构以雄厚的实力在沈阳隧道施工市场打响了品牌。

明天:梦想升华

十八年间,近90公里,从北京到外埠,集团盾构机在砂土、砂卵石、富水大粒径卵漂石、富水复合岩层等多种地层掘进。每掘进一环都有可能遇到风险,有前期地勘中已预见的“如期而至”,也有不打招呼的“突然造访”,无论何种,集团盾构团队都能沉着应对、化险为夷,在每一个区间都平稳安全掘进。

十八年间,一项项盾构施工核心技术在实践中产生。在北京地铁5号线实现盾构机小半径曲线始发、先行过站、加压进仓;在北京地铁4号线实现曲线段穿越老城区古建筑群;在北京地铁9号线成功穿越富水大粒径卵漂石地层;在大连地铁2号线破解富水高强交互复合岩层施工难题,成功穿越群桩;在南水北调东干渠工程发明步履式推移车使盾构机整体过站;在广州地铁21号线穿越孤石群、使盾构成功脱困……而集团主编的国家标准《地下铁道工程施工标准》《地下铁道工程施工质量验收标准》、参编的《盾构法隧道施工及验收规范》也成为集团盾构施工实力的验证。

十八年间,人与盾构共前进。随着盾构机在各种地层的推进,一批批盾构人在实践中成长成才,从试验段稚嫩的施工人员,到如今经验丰富的骨干,集团形成老中青结合的核心团队。工作环境“不见天日”、闷热高温、空间狭窄、机械轰鸣,纵使施工条件恶劣,他们仍然坚守;贺长俊、杜文库等已退休的集团第一代地铁人纵使已到古稀之年,依然持续对施工进行着指导。盾构情怀让集团一代代盾构人紧密相连,盾构施工水平也在言传身教、实践磨炼中提升。

十八年间,盾构梦想也在传承中升华。“我们要立足现有盾构施工版图,向‘一大一小’两端发展。”对于盾构施工未来方向,王良心中有着宏伟布局,从市政小直径盾构,到地铁大直径、越江越海超大直径盾构,每个领域都要涉足、立足。自2012年起,他就已带领调研组多次调研越江越海工程盾构施工,开展相关技术储备。

从最初的将盾构应用于地铁施工,到如今向“一大一小”两端发展,集团盾构梦在延伸、升华。敢为人先精神的传续、施工经验的厚积、技术攻关的韧劲、集团从设计到施工完整产业链的优势,都将助力这一宏伟蓝图落地生根。
 

宋伟莎 齐如刚
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