十年磨剑破解城市地下超窄空间施工难题——宁波轨道首创“类矩盾构”技术成为国际业界领军者

在基础建设尤其是城市轨道交通建设中,“盾构”发挥着不可替代的关键作用。浙江省宁波市轨道交通集团有限公司(以下简称“宁波轨道”)针对城市地下狭窄复杂空间作业难题及罕见的海泥层软土地基,自主首创研发横断面最大、多刀盘无死角、掘进利用率最高的“类矩盾构”,并历经10年迭代升级,先后获得42项国内外专利,展现出强大的国际竞争优势。

近日,在宁波举行的阳明号“类矩盾构”技术成果评价会上,来自国际国内的业界权威专家表示,宁波轨道牵头的“类矩盾构”项目科技成果总体已达到国际领先水平,其成功探索与实践,为国际这一领域的科技进步作出了重大贡献;对于中国当下加速推进城市有机更新,更好利用宝贵的地下空间资源,推广应用于其他行业及国际市场,亦具有不可低估的价值。

对标世界最前沿 实现“全球领先”

轨道交通是城市的新名片,2008年8月,宁波轨道交通获国务院批复同意,开启了“地铁城市”的序幕。“作为世界知名港城和我国先进制造业重要基地,宁波进入地铁时代,是其跻身现代化国际大都市的重要标识。”宁波轨道交通党委委员、总工程师姚燕明说,为此,我们要对标世界一流,高起点高标准规划宁波轨道交通建设。

工程技术人员为首台“类矩盾构”作投产前的检查调试。

工欲善其事,必先利其器。地铁建设设备离不开盾构(或称“盾构机”),盾构素有工程机械“航母”之称,可广泛应用于城市轨道、地下管廊、铁路公路隧道等重大工程和基础建设领域。

为此,宁波轨道在筹建规划时便提出要走吸收引进与自主研发并举的新路径,并多次走出国门,对世界知名盾构机制造商、地铁运营商等作深入调研。“工程技术装备尤其是地下空间施工,讲究的是因地而异、因地制宜。”时任宁波轨道交通副总指挥、总工程师朱瑶宏说。

在自主研发中,宁波轨道针对本地地质构造、地下管线等特点,会同国内外专业权威研究机构、生产制造厂商,反复试验实践,成功研发出具有国际先进水准的“宁波专享型”盾构隧道技术。仅用4年时间,便顺利打通3条城市地铁线路,其规划设计之先进,建设速度之快,工程质量之优,堪称国内外一流。

然而,当时宁波轨道采用的是单洞单轨盾构技术,遇到狭小逼仄的地下施工空间有时难以适应。在建设宁波地铁4号线时,这个问题更显棘手。4号线是城市旅游专线,总长35.95公里,其中有2公里线路位于翠柏里老街区正下方,地下可用空间净宽不足14米,在如此狭窄的地下空间作业极为罕见。

面对这一国际级难题,经反复论证分析,宁波轨道决定尝试研发正在兴起的单洞双轨“矩形盾构”。宁波轨道建设分公司党委书记黄贵彬说,为了解翠柏里地段的燃眉之急,我们最初想咬咬牙,从国外买一台“矩形盾构”成品装备,但对方却以“目前暂无出售计划”为由婉拒。事关“卡脖子”的高端装备与关键技术,不能指望也无法依赖外援引进。

于是,宁波轨道联合一流高校学府、研究机构、制造商巨头,集聚一大批顶尖工程师、资深学者,搭建产学研用一体化的大平台,开展协同攻关。在这耗时10年艰苦卓绝、向科技珠峰的攀登中,宁波轨道与平台团队伙伴不仅首创研制成功世界最大断面的“类矩盾构”,还在技术、功能上不断提升,先后获得42项国内外专利,4项省部级科技进步奖,成为真正的“全球领先”。

“十年磨一剑” 将工地变成国际级大科研场

“十年磨一剑”历程中,宁波轨道调集精兵强将,成立攻关课题组,众多技术专家坚守奋战,将工地变成国际级大科研场。

“这是项高难度高技术课题,但我们有信心有能力应对挑战。”作为一线负责人的高级工程师黄毅介绍,参与课题协同攻关的有上海隧道设计院、上海隧道工程公司、上海同济大学等专业机构和高等学府,大家充分发挥攻关平台的协作优势,各骋所长形成互补合力。

现场工程师正在检查“类矩盾构”完工后“单洞双轨”的隧道情形。

关于盾构结构造型,上海隧道设计院高级工程师、本项目设计负责人沈张勇说,团队在前期论证时,认为既然圆形、矩形都不行,能否考虑采用椭圆形?但经应力计算及多种实验结果表明,受力更合理、抗力更优的结构不能是单纯的椭圆形,而是采用四段不同弧度的曲线,衔接拼装成如同一只横放的椭圆形鸭蛋,这也正是“类矩盾构”的由来。

主持“类矩盾构”地下压力实验的同济大学教授柳献说:“此类试验投入的人力、物力、财力巨大。世界各国包括不少国际知名的地下工程一般只做一次性实验。而我们与宁波轨道密切合作,为‘类矩盾构’先后开展了7次原型结构实验室试验和现场实证试验。”

上海隧道公司是国内首屈一指、拥有盾构掘进机科研、制造、施工等全方位能力的综合性企业。“对这个史无先例的超大断面‘类矩盾构’项目,起初我们想邀请国外专家共同参与,但他们了解情况后连连摆手说吃不消,我们就千方百计自己啃下这块硬骨头。”上海隧道工程公司总工程师朱雁飞说。这台“类矩盾构”的拼接管片,最大重量达9吨,传统机械臂无法承受这个重量,我们创新采用串连环臂式拼装技术,巧解了这个难题。

经攻关平台各方全力以赴,仅9个月时间,宽11.83米、高7.27米,世界上首台最大断面的“类矩盾构”最终亮相,宁波市将其命名为“阳明号”。

作为全新的技术装备,从实验厂出厂到规模化应用,需要通过初试或中试阶段。为确保万无一失,宁波轨道整个技术团队吃住都在工地上,耗时整整一年,完成了高塘桥试验段,随后又移师4号线,顺利打通了被视为“畏途”的翠柏里地下段。

高塘桥、翠柏里的成功实践,为“类矩盾构”在宁波轨道交通建设的拓展应用奠定了坚实基础。众多地铁同行慕名前来学习考察,移植推广的先进技术工法亦广受欢迎。

参加宁波轨道“类矩盾构”技术评价会的德国波鸿鲁尔大学副校长、德国科学与工程院院士Gunther Meschke说,世界上第一个矩形盾构机是欧洲人发明的,中国人却将这项古老的技术赋予了新的生命。

“嫩豆腐打洞” 成功的秘诀在于体系集成

宁波轨道充分认识到“类矩盾构”的巨大价值,不断深化研发迭代升级。黄毅说,这10年来,“类矩盾构”从1.0版到5.0版,我们实施了一系列重大技术的改革创新。最初设计的盾构刀盘体系由两个“X型”大刀盘加一个“I型”小刀盘组合而成,形成全断面百分百切削,这也是显示其独特优越性的关键。

但由于多刀盘间隙较小,容易产生碰撞。黄毅说,我们运用数字化技术,能够自动调节运行速度,有效保障了作业的安全性。此后,“类矩盾构”对管片、刀盘系统作了进一步改进完善,掘进速度由原来每天的2-3米,达到现在每天10米,增加了三倍多。

宁波地处我国东部沿海软土地带,地下土层含水率近50%,比上海等同类沿海大城市高出10%左右。“有人将此比喻为‘嫩豆腐打洞’,认为宁波是座不适合建地铁的城市。”黄毅说,“类矩盾构”还有效破解了在高含水率地下软土层中实施超窄隧道开掘作业的国际性难题。目前,面向六代机,宁波轨道正在进一步加强技术研发与储备,努力使“类矩盾构”这项高新技术在国际竞争的赛道上,持续保持领军者地位。

“成功的背后有其内在逻辑。”姚燕明说,“‘类矩盾构’这样凝聚集体智慧的高科技结晶,充分体现了我们创建的、以工程为抓手引领的产学研用一体化大平台,全局一盘棋、联手大协作体系的创新性、先进性。没有这些,我们走不到今天。”

黄毅认为,“类矩盾构”的产学研用一体化平台,关键在于“用”字。在一线应用中不断破难解难,使新技术研发更接地气,更具针对性和可操作性。“类矩盾构”也是一个创新型资源共享的利益共同体,在共享机制激励下,参与各方心往一处想、劲往一处使,实现可持续良性循环。

在技术成果评价会上,中国矿业大学(北京)教授、中国科学院院士何满潮,东南大学首席教授、中国工程院院士刘加平,南昌大学教授、中国工程院院士周创兵等专家学者一致认为,“类矩盾构”作为我国首创性、原创性、国际领先的高端装备与施工工法,拥有广阔应用前景。

第一,“类矩盾构”属自主创新型工程装备,拥有质量、功能、价格等优势,凭借钢筋混凝土管片,材料成本即可节省60%以上,而隧道空间利用率接近100%。第二,独有的“单洞双轨”技术工艺,能够在狭窄地下空间施工,通过大弯度变轨巧妙穿越包括地下市政管线在内的复杂地段,为老旧城区、城市核心地带的地铁建设探寻了有效路径。

“新加坡地质条件与宁波相差不多,地面建筑拥挤,许多也是软土地基。遇到狭窄地下空间,一般采用大圆洞盾构机施工,但地下空间利用率低,也容易影响到地面建筑稳定,宁波的‘类矩盾构’值得学习借鉴。”新加坡国立大学教授、新加坡工程院院士梁春辉表示。

原国际隧道协会副主席、美国科罗拉多矿业大学教授Jamal Rostami说,此项技术在欧美发达国家也有需求,尤其在欧洲,许多古老的小城道路狭窄,城区建筑密集,“类矩盾构”可为城市地下交通建设提供全新的解决方案。(记者 班娟娟)