“ 200年前世界上第一个矩形盾构机,是欧洲人发明的,我的中国同行却将这项古老的技术,赋予了新的生命。”
这是德国波鸿鲁尔大学副校长、德国科学与工程院院士 Gunther Meschke近日在浙江宁波举办的“宁波轨道类矩盾构”技术评价会上,对此项技术研究的牵头者黄毅博士及其团队伙伴所作的赞誉。
集众智创绝招突破“卡脖子”技术
盾构(或称“盾构机”)素有工程机械的“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、基础建设领域。
黄毅是上海同济大学土木工程博士生,2012年毕业后入职宁波市轨道集团有限公司(以下简称“宁波轨道”),同事们都称他"黄博",现为高级工程师,与盾构打了十几年交道。他说,宁波轨道通过技术引进与自主研发相结合,仅用4年时间,便顺利打通3条城市地铁线路。不过当时采用较成熟的圆洞单轨盾构技术,遇到狭小逼仄的地下施工空间便难以适应,2013年底,在建设宁波地铁4号线就被卡住了坎。4号线总长35.95公里,其中有2公里线路位于宁波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,也是国际性难题
图一:图为黄毅(左)在施工现场检查设备运行情况
在此期间,黄毅偕团队伙伴多次到欧美日等国的盾构同行调研考察,对日本技术尤为关注。他说,日本地铁大多在东京湾一带,与宁波的城市布局、地质构造有较多相似之处,其中日本推出的矩型盾构,采用全钢架支撑,虽然成本较高,但能较有效的在地下狭窄空间施工,他们视若至宝不轻易示人。
宁波轨道建设分公司党委书记黄贵彬说,我们最初想咬咬牙,从日本买一台“矩型盾构”成品装备,以缓解翠柏里燃眉之急,但日商却以“目前暂无出售计划”为由婉拒。黄毅说,即便能引进其他类似盾构机,对方也处处设防,开出严苛的条件。“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。”
为此,宁波轨道决定抽调精兵强将,尝试研发适合中国国情与宁波地质条件的“矩型盾构”,黄毅为一线技术负责人。他说,作为一项国际领先的重大课研项目,仅凭宁波轨道单打独斗不行,我们搭建产学研用一体化大平台,参与的有上海隧道设计院、上海隧道工程公司、同济大学等众多一流高校学府、专业机构,组成国内顶尖的地铁盾构攻关团队,将轨道建设工地变成国际级大科研场。
当时摆在黄毅与团队成员面前的有单圆单轨、双圆双轨、矩型双轨等多项国内外的盾构技术。他说,我们经过多方面利弊分析,可行性论证,对包括公认最先进的矩型盾构都予以排除。
既然现行盾构结构都不行,能否考虑椭圆型?黄毅说,经应力计算及实验结果表明,其受力更合理、抗压力更强的结构,不是单纯的椭圆形,而是采用四段不同弧度的曲线,衔接成如同横放的鸭蛋,这便是今天名声远扬的“类矩盾构”技术的创意由来。
对地铁建设来讲,“时间就是金钱”绝非虚言。黄毅与团队伙伴夜以继日全力以赴协力攻关,仅9个月时间,宽11.83米、高7.27米,世界上首台截断面最大、掘进利用率最高的“类矩盾构”精彩亮相,宁波市将其命名为“阳明号”
深耕一线成就“解难高手”
作为全新的技术装备,从实验厂出品到规模化应用,需要通过可行性验证阶段,自不敢贸然先用在情况复杂的4号线上。黄毅说,我们想到地处近郊的3号线高塘桥出入段线 ,将原本准备开渠明挖的部份地段,改为类矩形盾构地下掘进。
新出厂的“类矩盾构”运抵施工现场,上海隧道公司高级工程师潘涛说,我们心里有些忐忑不安,毕竟从工厂模拟到现场实操变数太大。果然首环试拼装便遇到“下马威”。按设计要求,“类矩盾构”要将每环11片,每片重达数吨高强度钢砼管片,拼接成高7米、宽11米的“类矩环”空间,其精度需要控制在5mm以内,我们耗费多时未能如愿,只得请黄博来 “点拨”。
黄毅在现场观察了两天两夜,终于发现问题。原来随着盾构掘进,管片出现位置偏移,黄毅设计了限位器,将管片夹住定位。接着把拼装机原来各自运行的三个动作,串联成环臂式一个动作 ,使管片拼装精准控制在误差缝隙之内,这才恢复试验施工,闯过了起步难关。
图二: 图为黄毅(中)与团队成员作技术研讨交流
试验段初战告捷,整个团队移师4号线,也一气呵成,打通了曾被视为畏途的翠柏里超窄地下段。黄毅说,按原来施工方案,仅地面拆迁补偿即需12亿元,而采用“类矩盾构”施工,可节省各类费用达11.4亿,且不拆房不扰民,施工进度快,实现社会、经济、环保等多方面良好效益。
宁波地处我国东部沿海软土地带,地下土层含水率高达50%,比东京、上海等同类沿海大城市高出10%左右,是目前我国在建地铁中,地层含水率最高的城市之一,“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。我们运用“类矩盾构”系列化技术工法,有效破解了世所罕见的地下海泥层软土开掘作业的国际性难题。
因受到软土地基等因素的干扰影响,最初施工中几次发生多刀盘碰撞。黄毅说,此类问题国外也有遇到,他们较多采用停机再启动,但影响作业效率扭力受损较大。我们研究后,将大小刀盘分别作了刀形改进与结构调整,杜绝了刀盘交错现象。
宁波地铁6号线江南路施工点附近,有三根大自来水管,轨道建设三部工程师张家硕说,我们按常规作了基坑钢管护壁,黄博巡查后认为不妥,说这些水管一旦发生意外,后果不堪设想。他立即更换能够自动调节压力的智能支撑系统,还在水管沿线设立11个监测点。6号线开工2年多来,多次遭遇台风暴雨及东海大潮侵袭,由于采取周密的防控措施,迄今未发现任何异常。
有专家认为,宁波轨道研发攻关的“类矩盾构”,是全球盾构领域真正意义上的首创与新技术革命。而作为一线“操盘手”,黄毅始终怀有一个信念与梦想,就是要将此“国之重器”,对标世界最前沿,精心打磨成精品极品。
“类矩盾构”问世后,从1.0版到 5.0版,黄毅与团队成员不断深化研发迭代升级,实施了一系列重大技术的改革创新。他说,最初推出的盾构刀盘体系,由两个“X型”大刀盘加一个“I型”小刀盘组合而成,3个刀盘同步作业,形成全断面百分百切削,这也是其独特优越性。
此后运用互联网数字化技术,通过程序预设,盾构机能够自动调节运行速度与刀盘角度,增强了安全性可靠性。随着技术、工法的不断优化,盾构作业效率也大为提升,如管片拼装,最初每块作业时间需30分钟,后缩短为15分钟,现需仅5分钟。掘进速度则由原来每天的2-3米,达到现今每天10米,增加了三倍多。对此丰硕成果,黄毅说,我是农家子弟,深知一份耕耘一份收获,舍此别无他途。
咬定青山不计险终成“遥遥领先”
黄毅还千方百计创新“类矩盾构”的应用场景,使其发挥更多的功能与效能。东钱湖地铁调度场线,原本采用明挖方案,不料动工时发现地下有条国防电缆,只得暂停下来。正当工程队一筹莫展之际,黄毅闻讯赶来,建议改为“类矩盾构”开掘,从电缆下面穿越而过。接着又将沙石建材堆成“人造山坡”,增加盾构施工要求的土层荷载,仅一个多月,就把几乎搁浅的调度场线顺利打通了。
宁波8号线丽园南路站的会车线,为争抢时间需单双轨同步相向施工,这使单圆洞与“类矩”洞容易出现“互吸”偏差。根据委托的地铁设计院模拟预期,偏差可能超过12厘米。
“这难题全世界也找不到先例可作参考。”宁波轨道盾构部工程师刘腾去作汇报,黄毅建议将盾构轴线向外侧偏3厘米。刘腾说,这个纠偏角度远低于测算估值,我们有些将信将疑。结果在实际操作中反弹值为4厘米,两相抵冲仅1厘米之差,安然通过了最危险的交叉段,大伙喜出望外,又叹服不已。
图三:图为工程技术人员为首台“类矩盾构”作投产前检查调试
“类矩盾构”不断创新的科研成果,在国内外业界产生了广泛影响,来自郑州、南京、杭州等众多城市的地铁同行,纷纷幕名前来学习考察,推广移植的先进技术、工法,亦广受欢迎好评。
在历时10年的不懈努力与坚守中,黄毅团队先后获得42项国内外专利,4项省部级科技进步奖,填补了多项国内空白,占据了全球地铁盾构领域的制高点,成为真正的“遥遥领先”。黄毅说,目前面向六代机,我们仍在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,持续保持领军者的地位。
作为浙江省劳动模范、国内地铁行业有影响的技术新秀,黄毅还发起成立了劳模创新联盟,集聚参与宁波轨道施工、设计、科研等20余家单位的劳模、技术骨干,交流探讨技术研及时解决一线难题,硕果累累。
近日在宁波举行的阳明号“类矩盾构”技术成果评价会上,面对众多来自国内外的权威专家学者,黄毅作了一个多小时的演讲,各位“大咖”争相发言,对技术成果与主讲人深表赞许。中国科学院院士何满潮、中国工程院院士刘加平、周创兵、韩国工程院院士李寅模、新加坡工程院院士梁春辉等中外专家学者一致认为,“类矩盾构”作为中国首创性、原创性、国际领先的高端装备与施工工法,拥有不可替代的优势与广阔应用前景。
原国际隧道协会副主席、美国科罗拉多矿业大学教授JamaIRoStami说,黄博士牵头研发的这项先进诱人技术,在欧美国家也有需求,尤其在欧洲许多古老的小城,道路狭小建筑密集,“类矩盾构”可为城市地下交通建设提供全新的解决方案。(作者:丹辰)
图片供稿:宁波市轨道交通公司集团有限公司
