在基礎建設尤其是城市軌道交通建設中,“盾構”發揮著不可替代的關鍵作用。浙江省寧波市軌道交通集團有限公司(以下簡稱“寧波軌道”)針對城市地下狹窄復雜空間作業難題及罕見的海泥層軟土地基,自主首創研發橫斷面最大、多刀盤無死角、掘進利用率最高的“類矩盾構”,并歷經10年迭代升級,先后獲得42項國內外專利,展現出強大的國際競爭優勢。

近日,在寧波舉行的陽明號“類矩盾構”技術成果評價會上,來自國際國內的業界權威專家表示,寧波軌道牽頭的“類矩盾構”項目科技成果總體已達到國際領先水平,其成功探索與實踐,為國際這一領域的科技進步作出了重大貢獻;對于中國當下加速推進城市有機更新,更好利用寶貴的地下空間資源,推廣應用于其他行業及國際市場,亦具有不可低估的價值。

對標世界最前沿 實現“全球領先”

軌道交通是城市的新名片,2008年8月,寧波軌道交通獲國務院批復同意,開啟了“地鐵城市”的序幕。“作為世界知名港城和我國先進制造業重要基地,寧波進入地鐵時代,是其躋身現代化國際大都市的重要標識。”寧波軌道交通黨委委員、總工程師姚燕明說,為此,我們要對標世界一流,高起點高標準規劃寧波軌道交通建設。

工程技術人員為首臺“類矩盾構”作投產前的檢查調試。

工欲善其事,必先利其器。地鐵建設設備離不開盾構(或稱“盾構機”),盾構素有工程機械“航母”之稱,可廣泛應用于城市軌道、地下管廊、鐵路公路隧道等重大工程和基礎建設領域。

為此,寧波軌道在籌建規劃時便提出要走吸收引進與自主研發并舉的新路徑,并多次走出國門,對世界知名盾構機制造商、地鐵運營商等作深入調研。“工程技術裝備尤其是地下空間施工,講究的是因地而異、因地制宜。”時任寧波軌道交通副總指揮、總工程師朱瑤宏說。

在自主研發中,寧波軌道針對本地地質構造、地下管線等特點,會同國內外專業權威研究機構、生產制造廠商,反復試驗實踐,成功研發出具有國際先進水準的“寧波專享型”盾構隧道技術。僅用4年時間,便順利打通3條城市地鐵線路,其規劃設計之先進,建設速度之快,工程質量之優,堪稱國內外一流。

然而,當時寧波軌道采用的是單洞單軌盾構技術,遇到狹小逼仄的地下施工空間有時難以適應。在建設寧波地鐵4號線時,這個問題更顯棘手。4號線是城市旅游專線,總長35.95公里,其中有2公里線路位于翠柏里老街區正下方,地下可用空間凈寬不足14米,在如此狹窄的地下空間作業極為罕見。

面對這一國際級難題,經反復論證分析,寧波軌道決定嘗試研發正在興起的單洞雙軌“矩形盾構”。寧波軌道建設分公司黨委書記黃貴彬說,為了解翠柏里地段的燃眉之急,我們最初想咬咬牙,從國外買一臺“矩形盾構”成品裝備,但對方卻以“目前暫無出售計劃”為由婉拒。事關“卡脖子”的高端裝備與關鍵技術,不能指望也無法依賴外援引進。

于是,寧波軌道聯合一流高校學府、研究機構、制造商巨頭,集聚一大批頂尖工程師、資深學者,搭建產學研用一體化的大平臺,開展協同攻關。在這耗時10年艱苦卓絕、向科技珠峰的攀登中,寧波軌道與平臺團隊伙伴不僅首創研制成功世界最大斷面的“類矩盾構”,還在技術、功能上不斷提升,先后獲得42項國內外專利,4項省部級科技進步獎,成為真正的“全球領先”。

“十年磨一劍” 將工地變成國際級大科研場

“十年磨一劍”歷程中,寧波軌道調集精兵強將,成立攻關課題組,眾多技術專家堅守奮戰,將工地變成國際級大科研場。

“這是項高難度高技術課題,但我們有信心有能力應對挑戰。”作為一線負責人的高級工程師黃毅介紹,參與課題協同攻關的有上海隧道設計院、上海隧道工程公司、上海同濟大學等專業機構和高等學府,大家充分發揮攻關平臺的協作優勢,各騁所長形成互補合力。

現場工程師正在檢查“類矩盾構”完工后“單洞雙軌”的隧道情形。

關于盾構結構造型,上海隧道設計院高級工程師、本項目設計負責人沈張勇說,團隊在前期論證時,認為既然圓形、矩形都不行,能否考慮采用橢圓形?但經應力計算及多種實驗結果表明,受力更合理、抗力更優的結構不能是單純的橢圓形,而是采用四段不同弧度的曲線,銜接拼裝成如同一只橫放的橢圓形鴨蛋,這也正是“類矩盾構”的由來。

主持“類矩盾構”地下壓力實驗的同濟大學教授柳獻說:“此類試驗投入的人力、物力、財力巨大。世界各國包括不少國際知名的地下工程一般只做一次性實驗。而我們與寧波軌道密切合作,為‘類矩盾構’先后開展了7次原型結構實驗室試驗和現場實證試驗。”

上海隧道公司是國內首屈一指、擁有盾構掘進機科研、制造、施工等全方位能力的綜合性企業。“對這個史無先例的超大斷面‘類矩盾構’項目,起初我們想邀請國外專家共同參與,但他們了解情況后連連擺手說吃不消,我們就千方百計自己啃下這塊硬骨頭。”上海隧道工程公司總工程師朱雁飛說。這臺“類矩盾構”的拼接管片,最大重量達9噸,傳統機械臂無法承受這個重量,我們創新采用串連環臂式拼裝技術,巧解了這個難題。

經攻關平臺各方全力以赴,僅9個月時間,寬11.83米、高7.27米,世界上首臺最大斷面的“類矩盾構”最終亮相,寧波市將其命名為“陽明號”。

作為全新的技術裝備,從實驗廠出廠到規模化應用,需要通過初試或中試階段。為確保萬無一失,寧波軌道整個技術團隊吃住都在工地上,耗時整整一年,完成了高塘橋試驗段,隨后又移師4號線,順利打通了被視為“畏途”的翠柏里地下段。

高塘橋、翠柏里的成功實踐,為“類矩盾構”在寧波軌道交通建設的拓展應用奠定了堅實基礎。眾多地鐵同行慕名前來學習考察,移植推廣的先進技術工法亦廣受歡迎。

參加寧波軌道“類矩盾構”技術評價會的德國波鴻魯爾大學副校長、德國科學與工程院院士Gunther Meschke說,世界上第一個矩形盾構機是歐洲人發明的,中國人卻將這項古老的技術賦予了新的生命。

“嫩豆腐打洞” 成功的秘訣在于體系集成

寧波軌道充分認識到“類矩盾構”的巨大價值,不斷深化研發迭代升級。黃毅說,這10年來,“類矩盾構”從1.0版到5.0版,我們實施了一系列重大技術的改革創新。最初設計的盾構刀盤體系由兩個“X型”大刀盤加一個“I型”小刀盤組合而成,形成全斷面百分百切削,這也是顯示其獨特優越性的關鍵。

但由于多刀盤間隙較小,容易產生碰撞。黃毅說,我們運用數字化技術,能夠自動調節運行速度,有效保障了作業的安全性。此后,“類矩盾構”對管片、刀盤系統作了進一步改進完善,掘進速度由原來每天的2-3米,達到現在每天10米,增加了三倍多。

寧波地處我國東部沿海軟土地帶,地下土層含水率近50%,比上海等同類沿海大城市高出10%左右。“有人將此比喻為‘嫩豆腐打洞’,認為寧波是座不適合建地鐵的城市。”黃毅說,“類矩盾構”還有效破解了在高含水率地下軟土層中實施超窄隧道開掘作業的國際性難題。目前,面向六代機,寧波軌道正在進一步加強技術研發與儲備,努力使“類矩盾構”這項高新技術在國際競爭的賽道上,持續保持領軍者地位。

“成功的背后有其內在邏輯。”姚燕明說,“‘類矩盾構’這樣凝聚集體智慧的高科技結晶,充分體現了我們創建的、以工程為抓手引領的產學研用一體化大平臺,全局一盤棋、聯手大協作體系的創新性、先進性。沒有這些,我們走不到今天。”

黃毅認為,“類矩盾構”的產學研用一體化平臺,關鍵在于“用”字。在一線應用中不斷破難解難,使新技術研發更接地氣,更具針對性和可操作性。“類矩盾構”也是一個創新型資源共享的利益共同體,在共享機制激勵下,參與各方心往一處想、勁往一處使,實現可持續良性循環。

在技術成果評價會上,中國礦業大學(北京)教授、中國科學院院士何滿潮,東南大學首席教授、中國工程院院士劉加平,南昌大學教授、中國工程院院士周創兵等專家學者一致認為,“類矩盾構”作為我國首創性、原創性、國際領先的高端裝備與施工工法,擁有廣闊應用前景。

第一,“類矩盾構”屬自主創新型工程裝備,擁有質量、功能、價格等優勢,憑借鋼筋混凝土管片,材料成本即可節省60%以上,而隧道空間利用率接近100%。第二,獨有的“單洞雙軌”技術工藝,能夠在狹窄地下空間施工,通過大彎度變軌巧妙穿越包括地下市政管線在內的復雜地段,為老舊城區、城市核心地帶的地鐵建設探尋了有效路徑。

“新加坡地質條件與寧波相差不多,地面建筑擁擠,許多也是軟土地基。遇到狹窄地下空間,一般采用大圓洞盾構機施工,但地下空間利用率低,也容易影響到地面建筑穩定,寧波的‘類矩盾構’值得學習借鑒。”新加坡國立大學教授、新加坡工程院院士梁春輝表示。

原國際隧道協會副主席、美國科羅拉多礦業大學教授Jamal Rostami說,此項技術在歐美發達國家也有需求,尤其在歐洲,許多古老的小城道路狹窄,城區建筑密集,“類矩盾構”可為城市地下交通建設提供全新的解決方案。(班娟娟)

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