论文摘要

随着城市发展进程加快,越来越多的功能性设施被转移到地下,地下结构形式日趋多样、复杂,与周围既有构筑物间距越来越小,传统的盾构与顶管技术难以满足这些特殊结构的暗挖要求。同时,随着人们对生活品质的要求日渐提高,“满城挖”现象越来越难以被社会接受。这就迫切需要以新装备开发为龙头,系统性研发新技术,解决城市建设中“长痛”与“短痛”的矛盾,为此,上海隧道工程有限公司(以下简称“上海隧道”)提出了“微开挖”地下工程施工技术体系。微开挖是什么?目前有哪些创新技术?它能为我们解决哪些问题?本期,上海隧道工程有限公司总工程师朱雁飞将一一为读者解答。

施工技术:在2016年中国城市基础设施建设与管理国际大会上,您提出了一个令人耳目一新的概念——微开挖。“微开挖”是怎样一种技术?它是在怎样的背景下被提出来的?请您为我们做一下详细介绍。

朱雁飞:“微开挖”的想法起源于2007年,当时上海准备兴建一系列地下快速路,上海隧道配合对地下快速路的施工进行调研,发现国外主要有两种施工方式:①以波士顿、马德里为代表,这两个城市施工地下快速路时明挖比例相当高,基本上都超过了一半,所以整个施工过程中城市景观、交通、居民生活和社会经济生产都受到了很大影响(见图1);②以日本为代表,日本东京在完善其内环快速路网时选择了以暗挖为主的方案,新宿线与品川线在出入口匝道、风井等部位大量使用了地面出入式盾构(URUP)、管幕法与隧道扩挖工法等技术,非开挖比例超过85%以上,确保了超大型城市在建设过程中功能基本不受影响(见图2)。

我国自20世纪50年代开始引入盾构法和顶管法施工,经60余年的持续发展,常规顶管与盾构技术已经达到国际先进水平,能够从容应对常规的地铁区间隧道、越江隧道、各类管线的非开挖施工,并保证了大规模建设时城市基本功能运行正常(见图3)。

但一些特殊部位,传统的顶管和盾构技术难以满足暗挖要求,例如配线复杂的城市铁路地下车站、地下快速路系统的出入匝道、雨水调蓄隧道与入流井和支管连接管、管廊的分支接口节点等。就目前技术条件而言,大型隧道与地下工程尚无法做到100%无暴露开挖,无法称之为“非开挖”。

“微开挖”技术体系的构想就是针对这一问题提出的,系统性总结、学习发达国家的成功经验,自主研发 “微开挖”技术体系,通过装备研发与工法的一体化研究、应用,大幅减小开挖施工的比重,在经济上必要、技术上可行的条件下,用暗挖方法取代明挖,减少施工对城市生活的干扰,为城市的可持续发展提供技术支撑。

施工技术:相比“开膛破肚”的明挖工法,“微开挖”就好比为城市进行微创外科手术。请您介绍一下“微开挖”技术体系的构成。

朱雁飞:这个体系主要针对目前常规盾构、顶管技术无法施工的特殊工程和特殊部位,解决以下4个方面问题。

1)覆土厚度限制 主要是解决浅覆土环境下的施工问题。上海隧道已于2013年开发了地面出入式盾构(GPST)技术,并在南京地铁机场线得到了成功应用(见图4)。

2)空间利用率  针对传统圆形隧道空间利用率较低的问题,开发了异形断面盾构机和顶管机,从而解决都市核心区密集建(构)筑物盾构施工的空间问题,同时提高沉降控制能力(见图5)。即在保证“碰不得”(保护重要建筑)的前提下,解决“放不下”(提高空间利用率)问题。

3)解决变断面施工 借鉴日本技术开发极小半径曲线顶管机。将小半径、小口径顶管作为冰冻管,结合冻结法,用于扩挖施工,以施工渐变断面隧道(见图6,7)。

 

4)不规则断面暗挖 主要采用自由断面的管幕法,并与水平加固工艺相结合(见图8)。

除以上4个方面,还有一些辅助工法与材料,如水平MJS工法、管幕锁扣密封油脂,小空间、小半径光学导向系统等。

施工技术:这是一个相当全面的体系,请您简单介绍一些实现这些技术所需要的设备及装备。

朱雁飞:“微开挖”技术体系的研发是以市场需求为牵引,以设备研制为先导,以施工应用为核心逐步开展的。自2013年以来,在有关部门的大力支持下,着重进行三大类设备的研发,目前已经基本完成,部分技术已经推广应用。

1)异形断面隧道掘进机

自1997年上海隧道首次采用矩形顶管法修建地铁出入口通道以来,矩形断面节约地下空间的优势被迅速认可,中小型矩形顶管装备逐步成熟。在此基础上,老旧城区和都市核心区新建的轨道交通、地下道路、管廊等隧道工程迫切需要一系列具备曲线、长距离施工能力,提升沉降控制能力和地层适应能力的大断面矩形、类矩形掘进机。

为此,进行了异形断面掘进机系列产品的研发,该体系包括了A型和B型两大类。A型截面形状为矩形,不设立柱,净高度在6~7m左右,采用的设备是顶管盾构一体机,可用于无覆土、浅埋、中埋等埋深,主要用于地下通道、地铁车站等施工,因此被称为市政通用型。B型截面为类矩形,在常规状态下设一根立柱,它的特点是推动距离长,与常规盾构相当,能够适应各种复杂的土层,因此主要用于轨道交通隧道施工,也可用于共同沟等施工,因而称之为轨道交通型。

A型掘进机现在以顶管形式在郑州应用于4条地下通道的施工,总推进长度约 860m,B 型在宁波轨道交通3 号线施工了一个区间,两个工程应用效果都较好(见图9,10)。A型掘进机加装专用拼装机后,就可由顶管机变为盾构机,与之配套的管片也已完成整环试验,可随时投入使用。在异形断面掘进机研制过程中,有以下几个突破。

①全面攻克了异形断面100%切削刀盘技术的世界难题。虽然多个圆形小刀盘叠交组合可以达到近似的全断面切削,但100%切削是保证大型矩形、类矩形掘进机具备广泛地层适应能力所必须攻克的难题。目前可以采用的全断面切削刀盘形式包括偏心多轴刀盘、行星驱动刀盘及多种类型组合刀盘(见图11)。例如,针对B型盾构长距离、高效掘进的需求,采用由2个圆刀盘和1个偏心多轴刀盘组成的“XIX”型组合刀盘,同时还自主研发了相应的刀盘防干涉控制系统。自2008年起,4种类型的100%切削刀盘经受了全国各地不同地质条件的考验,标志着我国成为继日本之后第二个全面攻克这一难题的国家。此系列技术可以推广到任意直线、圆弧光滑连接的凸曲线断面,发展潜力巨大。

②发明了新型环臂式拼装机,实现了衬砌拼装的复杂路径规划和自动轨迹控制(见图12)。对于异形断面盾构机而言,由于隧道设计要求衬砌分块远大于普通隧道,如采用普通拼装机,夹持管片后运动轨迹基本局限于圆周运动,安装过程中会产生干涉,对盾构机总体布局影响很大,尤其对于设置立柱的地铁单洞双线隧道。研制的类矩形盾构环臂式拼装机具有3轴联动的自动化轨迹控制软件,管片可按规划的安全路径进行复杂的三维运动,实现了在扁狭空间内高效率、高质量的拼装,可适应绝大多数断面的要求。

③全面提升超大矩形和类矩形非圆断面的沉降控制能力。在研发过程中,针对产生沉降的原因进行系统研究与创新设计,包括:发明自动保压防背土装置;可更换式异形盾体铰接密封装置,可满足在350m小半径曲线施工;配重车架与纠偏注浆系统,可避免采用超挖方式纠正掘进机滚转等。在宁波轨道交通3号线中,盾构机穿越了一座正在使用的厂房,120d后最终稳定总沉降量仅1.8cm左右,保证了厂房正常使用。

2)管幕专用顶管机

在实现自由断面时,“管幕+暗挖”正逐步成为特殊条件下隧道施工的重要方法(见图13)。2005年竣工的上海中环线北虹路地道是我国首次大规模采用管幕法施工的工程。其后,首都国际机场T3~T2航站楼捷运隧道、南水北调中线一期穿越京沪高速箱涵都采用了类似方案。港珠澳连接线拱北隧道则采用“管幕+冻结暗挖”的方案。

但管幕法局限性也相当明显,首先其适用条件为浅覆土,一般采用泥水平衡顶管机在浅覆土时容易冒浆到地面。其次施工精度难以控制,内部空间开挖时容易变形。第三,管幕接口易漏水,冻结止水在浅覆土情况下冻融沉降大。

因此,专门研发了φ1000mm专用管幕顶管机(见图14)。样机独特地采用了土压平衡方案,在超浅覆土条件下也能满足高精度沉降控制要求。采用了步进式主顶系统,取消了传统垫块,在不增加工作井长度的前提下,大幅度提高了顶进效率。

样机在上海某能源管沟基坑内进行验证性施工,顶进长度30m的6根试验管幕,在浅覆土下模拟了多种管幕接头工况,证明上部管幕可以单独采用锁扣止水的方式,充填专门研制的锁扣密封膏,避免浅覆土条件下冻结施工可能发生的冻胀问题(见图15)。目前,该管幕专用顶管机正在上海轨道交通14号线桂桥路站进行车站施工试验。

管幕法可以采用小设备施工大断面,断面灵活,地质适应能力强,具有较强的生命力和宽广的应用前景,下一步将结合实际工程,进一步提高管幕施工精度,减少地层沉降,开发配套的水平加固工艺和快速化支撑系统,使之具备完全不占路施工建造地铁车站的能力,为将来大都市核心区的城市铁路系统枢纽站建设提供技术支撑。

3)极小半径曲线顶管机

这类设备主要应用于断面扩挖施工中。为实现变截面隧道的扩挖施工,往往采用冻结法支护。曲线冻结可提高施工安全性,减少单条隧道管片钻孔数量,提高成孔精度,日本以NEW TULIP工法为代表,但在顶进过程中不可控(见图16)。

极小半径曲线顶管机适用管径最小可达300mm、轴线半径最小可达6m,采用可回缩式设计,“三叶草”形全断面切削刀盘具有近似的泥水平衡掘进功能,考虑到试验要求,目前顶进装置为塔式结构,曲线半径可调,如果以后需要在隧道内狭小空间施工,可改为固定半径的卧式顶进装置(见图17)。

目前已经完成了3根5m曲线半径、150°曲线顶进试验。与日本类似产品相比,顶管内部还搭载了国防科技大学提供的小半径光学导向系统,顶进全过程可视可控。这种顶管机除了变截面隧道施工,还可用于盾构对接、避开地下障碍物等工况。

施工技术:最后请您谈一下在“微开挖”技术体系开发过程中的感受,以及对未来应用前景的展望。

朱雁飞:在这四五年来的开发过程中,主要有两方面体会。第一,是感受到明挖法施工一年比一年难做。居民的反对、管线迁改的难度、交通疏解的难度,都给施工带来很大压力。因此“微开挖”或非开挖技术的发展对整个行业和整个社会而言都很有意义。第二,“微开挖”技术体系目前尚处于逐步开发、逐步应用、逐步成熟的过程中。其中最大的困扰来源于如何将社会需求与技术开发连接起来,使得市场能够尽快地接受新概念和新技术,不再单纯以工程成本衡量,而是能考虑社会综合成本与工程造价之间的平衡,这不仅需要科研人员的努力,也需要社会各界的关注与扶持。

人们对城市的需求已经从“以功能为本”的现代化城市走向“以人为本”的后现代化城市,重大市政基础设施建设目的从原来的解决功能基本需求转变为优化城市环境、提升城市价值。希望“微开挖”体系适用范围一天比一天广,可以更多地在城市建设中推广应用。

 

 

 

 

 

 

 

供稿/隧道网

 

 

点券购买 点券兑换
注:如果您下载PDF文档无法正确浏览,建议您点击后面按钮下载新版PDF阅读工具 点击下载
暂无下载
  • 未经本站明确许可,任何网站不得非法盗链软件下载连接及抄袭本站原创内容资源!
用户中心
主办单位:亚太建设科技信息研究院有限公司 中国建筑设计研究院 中国建筑工程总公司 中国土木工程学会    承办单位:施工技术传媒机构
京ICP证050763号

京公网安备 110102000406-6
主编:张可文 电话:010-57368788   编辑部:010-57368789,010-57368790
广告、理事会:010-68300059,010-68330203,010-68333804   邮购及查询010-68341147  传真010-68300061
地址:北京市西城区德胜门外大街36号中国建筑设计集团A座4层   邮编:100120        Email:sgjs@cadg.cn
施工技术网群鼓励技术交流,信息交流。群号:43883790    75228828    新浪微博:@施工技术传媒机构