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中铁十四局运用德国盾构技术攻克南京长江隧道纪实

[12-01 19:55:48]   来源:http://www.jianzhu518.com  建筑施工   阅读:9395

        一次成型的钢铁“巨无霸”

        在水下隧道工程中,采用近15米超大直径盾构机施工的项目,我国仅有三个:已经建成的上海长江隧道、上海中上路隧道和南京长江隧道。从技术含量看,南京长江隧道是技术难度最高、水土压力最大、地质条件最为复杂的深水隧道。(参考《www.jianzhu518.com》

        南京长江隧道左右线施工,采用的是两台德国海瑞克公司生产的泥水平衡式盾构机。每台盾构机有3万多个大小零部件,总长134米,总重近4000吨。一共分几十船从德国运到南京,又动用了200多辆超大型货车才运到工地。其中刀盘直径达14.93米,相当于5层楼高,重达400多吨,是目前国内盾构机刀盘整体下井实例中重量最大的。这两台当今世界水下隧道施工最先进的大型综合设备,是十四局集团斥资7亿多元,专门为南京长江隧道“量身定做”,称得上是让水下隧道一次成型的钢铁“巨无霸”。

        攻克世界级技术难题

        这两台泥水平衡盾构机,要在南京长江隧道中成功运用,需要破解六大世界级技术难题:14.93米的刀盘直径是当今世界上直径最大的盾构机之一;隧道最低点水土压力高达0.65兆帕,居世界同类隧道之最;隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等,地质情况极为复杂;强透水层占总掘进长度的85%以上,为国内外罕见;覆土厚度远低于盾构隧道常规安全埋深要求,构成高风险超浅埋段;掘进距离长达3公里多,在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损系数是软土地层中的10倍以上。

        十四局集团建设者面对的这些技术难题都是全新的挑战,国内外尚无成功经验可以借鉴。因此,专家断言南京长江隧道堪称长江流域水下工程施工难度最大、科技含量和风险性最高、挑战性最强的工程项目。在建设单位南京长江隧道公司的组织和专家组的指导下,十四局集团对德国技术进行引进消化吸收再创新,破解了诸多重大技术难题,创下了成型隧道不渗、不漏、不裂的工程奇迹。

        南京长江隧道工程技术难度世界罕见,可以说盾构机每向前推进一米,都面临着许多难以预知的风险和困难。十四局集团组成了包括6位院士、30多位国内顶尖专家的专家团队,为工程保驾护航。如此众多的技术精英为一座隧道“把脉”,在我国工程建设史上也是绝无仅有。

        超大直径盾构机能否安全破门入洞,是决定始发成败的关键因素。为此,指挥部对洞门周围的连续墙加强支撑,对前方18米土体采用全断面旋喷加固,为防止前方因覆土厚度不足产生盾构机上浮,又延伸了37米的半段面旋喷加固。同时,为确保洞门破除及始发安全,在全断面加固的基础上,还采取了2米厚的冷冻墙加强方案,实现了“双保险”。

        为使盾构机按轴线顺利滑移,科技人员通过改造轨道,安装了4条滑轨。严格控制焊缝精度,严防刺渣损伤盾体,避免了相互咬合,使盾构机按精确的轴线前移。

        洞门密封,关系到泥水建仓和浆液封堵的成败。他们通过改革传统单一使用橡胶帘布的方法,既让密封圈和洞门吻合,又使盾体通过时刀具不划破帘布。确保泥水仓及时建立,防渗防漏,压力平衡。同时,还在帘布后边增设了1.5毫米厚的弹簧钢板,采用压注高分子聚合材料封堵,使帘布和钢板同时发挥作用,达到密封效果。

        盾构推进时,技术人员综合冷冻、解冻、拔管和泥水仓内压力等数据参数,密切关注和检测各类数据系数,决定推力和速度。按照泥水循环分离、掘进、严格管片安装的程序,环环相扣,稳步推进。

        指挥部联合上海超级计算机中心,对南京长江隧道施工中的关键技术点进行分析。通过采用超级计算机模拟施工事故的可能性,通过三维可视化仿真,对多种施工方案和施工参数进行比较分析,评价施工方案的优缺点,从而帮助选择最佳施工方案和参数。

        洋设备与长江“水土”的艰难融合

        2008年5月16日,左线隧道盾构机“扬子二号”成功始发。盾构机成功始发后,紧随其后的是如何安全穿越超浅埋段、水塘段、长江大堤和城南河。

        超浅埋段,上方覆土厚度仅为5.5米。施工中通过对地表沉降、水位监测、土压测定和土体位移监测等设立多个观测点,反复观察、分析和判断,制定及优化施工方案。并联合北方交大科研人员进行覆土劈裂的静动态试验,利用传感器对地面动态和土体多次进行检测,使得盾构机掘进时泥浆配置、压力设定和水土压力吻合,实现安全快速通过。

        2008年8月,右线盾构施工进入复合地层,推进至1316米时,掘进受阻。十四局集团指挥部分析判断可能是刀具出了问题,但德方坚称不是因为刀具磨损影响掘进。指挥部就此组织召开了5次专家论证会,积极会同国内外专家和海瑞克公司工程师分析原因,经过反复商讨会诊,确认是因刀具磨损过度所致,随即着手解决刀具修复问题。

        盾构机刀盘上共有225把刀具,其中71把可在常压下更换,其余刀具则要通过高压进舱的方式更换修复。这项作业从未有过先例,被业内视为一项世界性的尖端技术难题。在6倍大气压的高压下进舱作业,国内外罕见;而要在如此高压下进行焊接和切割等“动火”作业,更是史无前例!2009年2月14日,来自德国北海公司的26名顶级潜水员和指挥部员工一起,在高气压条件下修复了刀盘刀具,这一世界级难题成功告破!

        因高压环境下作业人体承受能力所限,潜水员在舱内的有效工作时间每天不足3小时。每次进入高压舱前,要进行30分钟左右的逐级加压,工作40分钟后必须返回减压舱,再经过近4个小时的逐级减压,才能走出工作舱。这样的过程与“神舟七号”航天员进出舱原理相似,但潜水员承受的压力变化,是航天员的5倍。

        新型刀具的研发使用,也是值得一提的得意之作。在进入卵砾石地层后,左线的掘进也受到了严重的影响,2008年9~11月的月平均进度仅有70环,检查和更换刀具耗费了大量的时间。十四局集团指挥部联合国内外多家刀具制造商,共同研发适合复合地层的新型刀具。经过充分研究改进,反复试用对比和检验,最终采用的改进型刀具对卵砾石地层非常适应,使用寿命已达到原刀具的10倍以上,工作效率大为提高,确保了大量卵砾石地层的顺利通过。

        实践出真知,对海瑞克公司的技术,建设者相信但不迷信,力求将德国先进技术与长江“水土”完美融合。在充分调研论证的基础上,他们大胆创新,总共进行了39项技术改进。盾构机零配件的国产化代用也取得很大进展,不仅节省了时间,而且降低了成本。

        管片生产是盾构隧道质量保证的前提,其精度要求国际上一般为1毫米,抗渗性和耐久性要求严格,生产工艺复杂,质量控制标准相当高。南京长江隧道的管片生产被列入国家“863”计划,其精度误差要求控制在±0.5毫米,是混凝土的顶级产品。负责管片生产的第五项目部,回忆起那段“峥嵘岁月”,仍是感慨唏嘘:“没有任何施工经验,凭着一张平面照片,就开始开发工装设备;进口模具设计上有缺陷,只能自主改造,试产时最多要调整20次;一个钢筋笼有1900多个焊点,焊接工艺要求高,队伍来一批走一批,给多少钱人家都不干……”。

        凭着一股越是艰难越向前的勇气,凭着一种“不破楼兰终不还”的精神,第五项目部走上了自主创新之路。吹尽黄沙始到金!经过不断的探索、试验、改进和创新,他们终于掌握了管片生产技术。

        2008年11月13日,十四局集团指挥部第五项目部管片预制厂,鞭炮礼花震天炸响。随着最后一罐砼注入管片模具,南京长江隧道所需的30430块管片,提前48天圆满完成,合格率100%,实现了成品管片的高强度、高精度、高抗渗的目标。经德国VMT测量公司用扫描检测的方法检测,管片实际成品测量精度在0.3毫米,是目前为止精度最高的混凝土制件。德国专家声称:“这是我见过的世界上最好的管片!”日本专家赞叹说:“你们用车床加工的精度,制造出了一流的混凝土产品。” 来源: 《www.jianzhu518.com》.
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