中铁十四局运用德国盾构技术攻克南京长江隧道工程

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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。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。