天天觀天下！全球首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)施工速度提升30%

在剛剛過去的2023年元旦假期，珠海興業(yè)快線隧道工程現(xiàn)場，一臺重4500噸、超5層樓高的超大直徑盾構(gòu)機(jī)正奮勇掘進(jìn)，隨著刀頭轉(zhuǎn)動，隧道一米一米向前推進(jìn)，管片一片一片拼裝。這臺盾構(gòu)機(jī)就是由中交天和自主研制的全球首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)“興業(yè)號”，它首次實(shí)現(xiàn)在掘進(jìn)過程中同步完成拼裝管片。

【資料圖】

常規(guī)盾構(gòu)機(jī)的刀頭由油缸推動，刀頭向前推進(jìn)后就要拼裝管片，油缸推動距離為2米多，一環(huán)管片寬2米。因而，掘進(jìn)2米后必須停下來拼裝一環(huán)管片，每掘進(jìn)一環(huán)耗時(shí)近60分鐘，拼裝管片一環(huán)耗時(shí)近45分鐘。而“興業(yè)號”它改變了傳統(tǒng)油缸設(shè)計(jì)，推動距離可達(dá)4米，刀頭可一邊掘進(jìn)一邊拼裝管片，施工速度較國內(nèi)外同類掘進(jìn)機(jī)提升25%-35%，對超大直徑盾構(gòu)機(jī)發(fā)展具有劃時(shí)代意義。

興業(yè)號下線。

一機(jī)多用實(shí)現(xiàn)同步掘進(jìn)

珠海興業(yè)快線隧道工程是未來連通港珠澳大橋和深中通道，把珠海市打造成為“粵港澳交通樞紐”的重要工程。

該工程盾構(gòu)隧道長度僅1740米，但地質(zhì)情況極為復(fù)雜，其中，硬巖段占比超過70%，被稱“地質(zhì)博物館”，且為首個(gè)國內(nèi)直徑最大雙層疊落盾構(gòu)工程，雙層疊落長約604米，盾構(gòu)法施工面臨不少世界級難題。

為順利完成這項(xiàng)重大工程，中交天和立足自主研發(fā)，著眼科技創(chuàng)新，為適應(yīng)在硬巖地質(zhì)中提高掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)和管片拼裝同步施工，成功研制中國首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)“興業(yè)號”。該掘進(jìn)機(jī)國產(chǎn)化率達(dá)98%以上、刀盤直徑15.76米，全長超130米,攻克了許多難以想象的世界級難題。

該工程硬巖段的占比超過70%，更能充分發(fā)揮“興業(yè)號”同步掘進(jìn)效果。截至目前，“興業(yè)號”已累計(jì)掘進(jìn)260環(huán)，隧道成型520米，歷經(jīng)淤泥質(zhì)土層、液化砂層、斷裂帶、孤石群、不同強(qiáng)度花崗巖(強(qiáng)度最高達(dá)158兆帕)等地質(zhì)。不同地層掘進(jìn)需采用不同類型盾構(gòu)機(jī)，淤泥質(zhì)土層、液化砂層一般采用軟土盾構(gòu)機(jī)、不同風(fēng)化程度花崗巖地層一般選用硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)，“興業(yè)號”則成功實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”和“同步掘進(jìn)”。

沉降精度控制在毫米級

珠海興業(yè)快線隧道是國內(nèi)直徑最大雙層疊落盾構(gòu)工程，雙層疊落段長約604米，在全國尚屬首例。上下層隧道最近間隔僅6米，對主隧道施工，尤其對管片成圓收斂、管片注漿、土層擾動沉降等質(zhì)量要求極高。

因此，隧道主線與匝道采用雙層疊落盾構(gòu)施工方式，先下后上，同向推進(jìn)。主線隧道直徑15.2米，由“興業(yè)號”掘進(jìn)，匝道隧道直徑11.73米。中交天和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為盾尾每個(gè)注漿系統(tǒng)增設(shè)流量、壓力控制裝置，確保每個(gè)區(qū)域注漿均勻精準(zhǔn)，最終把管片錯(cuò)邊量、沉降精度控制在毫米級范圍內(nèi);同時(shí)，他們自主研制圓度收斂測量系統(tǒng)，做到“一環(huán)一檢測”。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，孤石通常難以固定，會因土體擠壓而移動，不足以為盾構(gòu)機(jī)破碎孤石提供反力。如不能及時(shí)處理，輕則產(chǎn)生掉刀、刀具偏磨、刀盤磨損等情況，重則造成刀盤卡死，或?qū)е滤淼垒S線偏移、地面突然沉降等危險(xiǎn)。

過去，遭遇孤石時(shí)，常采用豎井開挖、爆破、人工挖孔等方式排除，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)清障，不僅花費(fèi)高、耗時(shí)長，且風(fēng)險(xiǎn)大。面對無數(shù)孤石群，中交天和對“興業(yè)號”開展適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)刀盤配裝滾刀152把、常壓切刀256把、刀箱保護(hù)刀824把，大大增強(qiáng)破巖能力，確?！芭d業(yè)號”順利通過圍巖強(qiáng)度158兆帕、長度160米的花崗巖孤石群落。

隧道施工現(xiàn)場。

“數(shù)字大腦”控制掘進(jìn)方向和精度

為適應(yīng)隧道小半徑轉(zhuǎn)彎，隧道單環(huán)管片楔形量必須多于常規(guī)尺寸60毫米以上。如此大的單環(huán)偏轉(zhuǎn)量和先導(dǎo)角度，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)保平及管片拼裝累積誤差糾偏是個(gè)全新考驗(yàn)。

為此，中交天和為“興業(yè)號”配備“數(shù)字大腦”，用自主巡航技術(shù)和管片智能化拼裝等全新技術(shù)控制掘進(jìn)方向和精度，實(shí)時(shí)把各項(xiàng)動態(tài)參數(shù)傳送監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)監(jiān)管地層數(shù)據(jù)反饋鏈和動態(tài)參數(shù)調(diào)整，及時(shí)糾正出現(xiàn)的問題;在施工過程中，專家坐鎮(zhèn)后臺，嚴(yán)格按“決策指導(dǎo)層、診斷指令層、分析反饋層、操作執(zhí)行層”四個(gè)層級指揮施工，做到“一環(huán)一研判”“一環(huán)一總結(jié)”。

珠海興業(yè)快線隧道設(shè)計(jì)最小轉(zhuǎn)彎半徑僅599.5米，這是超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工最大難題。“興業(yè)號”刀頭重約2000噸，在巖層中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向是個(gè)重大現(xiàn)實(shí)難題。

對此，中交天和應(yīng)用主動鉸接技術(shù)，把超大直徑盾構(gòu)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑控制在450米內(nèi)，在世界超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工中尚屬首次。中交天和總經(jīng)理助理、執(zhí)行總工楊輝介紹：“中交天和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)主動鉸接技術(shù)，相當(dāng)于為刀頭加一個(gè)關(guān)節(jié)，既能活動，能承受巨大壓力，還能防水防泥?！睘槠平庀盗屑夹g(shù)難題，中交天和還采用刀盤伸縮機(jī)構(gòu)、逆洗循環(huán)系統(tǒng)、刀具全狀態(tài)監(jiān)測等核心技術(shù)，確?！芭d業(yè)號”施工進(jìn)度，創(chuàng)造了國內(nèi)外同類裝備科技創(chuàng)新和同步掘進(jìn)的新高度。

成型的隧道。

(圖片由受訪者提供)

關(guān)鍵詞： 動態(tài)參數(shù) 淤泥質(zhì)土 科技創(chuàng)新 轉(zhuǎn)彎半徑 隧道工程