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矩形盾构:天方夜谭式设想成真

2019/10/23 13:56:41

矩形盾构:天方夜谭式设想成真

题图:昨天,工人在检查矩形盾构机。当日,由上海建工机械施工集团研发的国内首台超大截面矩形盾构机完成“处女之航”。本报记者 张海峰 摄 

  

盾构机是什么形状?绝大多数人的第一反应,自然是电视里常常见到的圆形。那么盾构机可以是矩形的吗?这一“天方夜谭”式的设想,在上海成为了现实。昨天上午,由上海建工集团自主研发的国内首台矩形盾构机,在虹桥临空园区完成了首条地道推进。28米的矩形地道“一次成形”,无渗漏,变形量完全在允许范围内。这一技术成果填补了国内隧道工程建设中的空白。

  

矩形盾构机的全称叫“盾构法掘进的土压平衡超大截面矩形盾构机”,这个长长的名字,就已包含了诸多技术亮点:盾构法掘进、矩形盾构、超大截面、土压平衡。矩形盾构机以上海建工机施集团主导总体设计和建造调试,由上海市政总院牵头隧道管片的设计研发,同济大学机械学院和同新机电控制技术有限公司、中国煤炭科工集团上海有限公司、上海凯盾工程技术有限公司等参与攻关。每一项技术亮点的背后,都凝结着大量的创新成果。

 

矩形比圆形节省空间

 

据机施集团相关负责人介绍,传统的圆形盾构机有两大优势:顶部拱形天然分散受力,容易“顶”住上方泥土压力;整体圆形,掘进过程中不会产生位置偏移。但圆形盾构也有缺陷,核心问题是空间浪费。从使用上来说,地下空间一般是方的,如果采用圆形隧道,势必上下左右各有一块空间被浪费。这在过去并不算大问题。但今天,城市发展到了一定阶段,地下空间愈加珍贵。有没有可能让隧道从一开始就被掘进成矩形,从而节省地下空间?而一些必须浅埋的隧道,如果能用矩形盾构,也就不用进行路面开挖和管线迁移了。

  

此外,从应用角度来说,盾构掘进的横截面,应该足够宽、足够“扁”,这样才能最为有效地提供地下空间。地下空间技术世界一流的日本,曾经做过矩形盾构机,横截面大约是9米乘以6米。而我国这台新诞生的矩形盾构机,横截面10.1米乘以5.3米,高宽比接近0.5。又“大”又“扁”的矩形截面,意味着对盾构机设计与制造的诸多挑战。

 

掘进中可随时纠偏

 

要做矩形盾构掘进,难点太多:机器本身和拼装管片的抗压强度,必须远超过圆形盾构;拼装工艺,也与圆形盾构大不相同;泥土落在盾构机顶部,圆形可以自然散落,矩形却容易堆积。最难的是,圆形盾构怎么“转”都没事,矩形盾构却稍一倾斜就会出现角度偏差。在隧道掘进过程中,如何保证这个方头方脑的“大块头”,始终规规矩矩地按要求前行?

  

抗压、拼装、防止泥土堆积,机施集团与市政总院花了番功夫。他们与同济、煤炭科工等科研院校和专业公司合作,设计出抗压性极强的壳体和独创的半自动化机械拼装系统;防止泥土堆积,也通过液压技术实现。

  

关键问题来了,“大块头”怎样才能乖乖按照路线前行?办法真算是想尽了。盾构机前端的刀盘,请煤炭采掘专家一同攻关,“8大3小”的组合中,8个大刀盘不仅能转动切削,还可以前后伸缩,随时帮助整台盾构机矫正方向。刀盘面上,还分布着精准的传感监测系统,实时测定土压,随时调整力度与方向。发生上下偏转怎么办?国际上有种做法是用液压装置,但代价昂贵,上海的地质条件也不满足。机施集团有了个绝妙的主意:直接用现场的泥土作为“泥垫”,一有偏向,即刻释放泥土“垫”到偏低的部分,让推进始终保持平衡。

 

“大块头”有示范效应

 

产学研用联合攻关,持续4年,一项又一项的创新,这个“大块头”被驯服了。昨天在虹桥临空园区贯通的盾构法推进矩形隧道,长达28米,无任何渗漏,最大变形量完全处于允许的范围之内。刚刚从接收井中“探头”的矩形盾构机,连同整个矩形隧道创新技术,已申请国家专利30项,具有完全的自主知识产权,部分技术难度还超过了日本等国际同行的最高水平。

  

记者在现场看到,整条矩形隧道位于福泉北路地下,完全没有影响福泉北路的车辆通行。如果没有矩形盾构机,这样的隧道一般采用明挖法,将必须搬迁雨水、给水、电信、电力、燃气等7条管线。

  

建工集团总裁杭迎伟表示,相比传统的圆形盾构,矩形盾构施工可使空间利用率提升20%以上,隧道也可以埋深更浅、坡度更小,减少施工干扰。“这将会对国内大城市主干道下穿隧道、地下管线密布区地下通道特殊节点的处理、地铁设施、共同管沟以及建筑物间地下连接通道建设等产生示范效应和深远影响。”

  

完成虹桥临空地下连接隧道工程后,这台超大矩形盾构机将投入虹桥商务区与中国博览会综合体地下人行隧道东段工程的施工中去。