在基礎(chǔ)建設(shè)尤其是城市軌道交通建設(shè)中,“盾構(gòu)”發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用。浙江省寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“寧波軌道”)針對(duì)城市地下狹窄復(fù)雜空間作業(yè)難題及罕見的海泥層軟土地基,自主首創(chuàng)研發(fā)橫斷面最大、多刀盤無(wú)死角、掘進(jìn)利用率最高的“類矩盾構(gòu)”,并歷經(jīng)10年迭代升級(jí),先后獲得42項(xiàng)國(guó)內(nèi)外專利,展現(xiàn)出強(qiáng)大的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

近日,在寧波舉行的陽(yáng)明號(hào)“類矩盾構(gòu)”技術(shù)成果評(píng)價(jià)會(huì)上,來(lái)自國(guó)際國(guó)內(nèi)的業(yè)界權(quán)威專家表示,寧波軌道牽頭的“類矩盾構(gòu)”項(xiàng)目科技成果總體已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,其成功探索與實(shí)踐,為國(guó)際這一領(lǐng)域的科技進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn);對(duì)于中國(guó)當(dāng)下加速推進(jìn)城市有機(jī)更新,更好利用寶貴的地下空間資源,推廣應(yīng)用于其他行業(yè)及國(guó)際市場(chǎng),亦具有不可低估的價(jià)值。

對(duì)標(biāo)世界最前沿 實(shí)現(xiàn)“全球領(lǐng)先”

軌道交通是城市的新名片,2008年8月,寧波軌道交通獲國(guó)務(wù)院批復(fù)同意,開啟了“地鐵城市”的序幕?！白鳛槭澜缰鄢呛臀覈?guó)先進(jìn)制造業(yè)重要基地,寧波進(jìn)入地鐵時(shí)代,是其躋身現(xiàn)代化國(guó)際大都市的重要標(biāo)識(shí)?！睂幉ㄜ壍澜煌h委委員、總工程師姚燕明說(shuō),為此,我們要對(duì)標(biāo)世界一流,高起點(diǎn)高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃寧波軌道交通建設(shè)。

工程技術(shù)人員為首臺(tái)“類矩盾構(gòu)”作投產(chǎn)前的檢查調(diào)試。

工欲善其事,必先利其器。地鐵建設(shè)設(shè)備離不開盾構(gòu)(或稱“盾構(gòu)機(jī)”),盾構(gòu)素有工程機(jī)械“航母”之稱,可廣泛應(yīng)用于城市軌道、地下管廊、鐵路公路隧道等重大工程和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域。

為此,寧波軌道在籌建規(guī)劃時(shí)便提出要走吸收引進(jìn)與自主研發(fā)并舉的新路徑,并多次走出國(guó)門,對(duì)世界知名盾構(gòu)機(jī)制造商、地鐵運(yùn)營(yíng)商等作深入調(diào)研。“工程技術(shù)裝備尤其是地下空間施工,講究的是因地而異、因地制宜?！睍r(shí)任寧波軌道交通副總指揮、總工程師朱瑤宏說(shuō)。

在自主研發(fā)中,寧波軌道針對(duì)本地地質(zhì)構(gòu)造、地下管線等特點(diǎn),會(huì)同國(guó)內(nèi)外專業(yè)權(quán)威研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)制造廠商,反復(fù)試驗(yàn)實(shí)踐,成功研發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)的“寧波專享型”盾構(gòu)隧道技術(shù)。僅用4年時(shí)間,便順利打通3條城市地鐵線路,其規(guī)劃設(shè)計(jì)之先進(jìn),建設(shè)速度之快,工程質(zhì)量之優(yōu),堪稱國(guó)內(nèi)外一流。

然而,當(dāng)時(shí)寧波軌道采用的是單洞單軌盾構(gòu)技術(shù),遇到狹小逼仄的地下施工空間有時(shí)難以適應(yīng)。在建設(shè)寧波地鐵4號(hào)線時(shí),這個(gè)問(wèn)題更顯棘手。4號(hào)線是城市旅游專線,總長(zhǎng)35.95公里,其中有2公里線路位于翠柏里老街區(qū)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(yè)極為罕見。

面對(duì)這一國(guó)際級(jí)難題,經(jīng)反復(fù)論證分析,寧波軌道決定嘗試研發(fā)正在興起的單洞雙軌“矩形盾構(gòu)”。寧波軌道建設(shè)分公司黨委書記黃貴彬說(shuō),為了解翠柏里地段的燃眉之急,我們最初想咬咬牙,從國(guó)外買一臺(tái)“矩形盾構(gòu)”成品裝備,但對(duì)方卻以“目前暫無(wú)出售計(jì)劃”為由婉拒。事關(guān)“卡脖子”的高端裝備與關(guān)鍵技術(shù),不能指望也無(wú)法依賴外援引進(jìn)。

于是,寧波軌道聯(lián)合一流高校學(xué)府、研究機(jī)構(gòu)、制造商巨頭,集聚一大批頂尖工程師、資深學(xué)者,搭建產(chǎn)學(xué)研用一體化的大平臺(tái),開展協(xié)同攻關(guān)。在這耗時(shí)10年艱苦卓絕、向科技珠峰的攀登中,寧波軌道與平臺(tái)團(tuán)隊(duì)伙伴不僅首創(chuàng)研制成功世界最大斷面的“類矩盾構(gòu)”,還在技術(shù)、功能上不斷提升,先后獲得42項(xiàng)國(guó)內(nèi)外專利,4項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng),成為真正的“全球領(lǐng)先”。

“十年磨一劍” 將工地變成國(guó)際級(jí)大科研場(chǎng)

“十年磨一劍”歷程中,寧波軌道調(diào)集精兵強(qiáng)將,成立攻關(guān)課題組,眾多技術(shù)專家堅(jiān)守奮戰(zhàn),將工地變成國(guó)際級(jí)大科研場(chǎng)。

“這是項(xiàng)高難度高技術(shù)課題,但我們有信心有能力應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。”作為一線負(fù)責(zé)人的高級(jí)工程師黃毅介紹,參與課題協(xié)同攻關(guān)的有上海隧道設(shè)計(jì)院、上海隧道工程公司、上海同濟(jì)大學(xué)等專業(yè)機(jī)構(gòu)和高等學(xué)府,大家充分發(fā)揮攻關(guān)平臺(tái)的協(xié)作優(yōu)勢(shì),各騁所長(zhǎng)形成互補(bǔ)合力。

現(xiàn)場(chǎng)工程師正在檢查“類矩盾構(gòu)”完工后“單洞雙軌”的隧道情形。

關(guān)于盾構(gòu)結(jié)構(gòu)造型,上海隧道設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師、本項(xiàng)目設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人沈張勇說(shuō),團(tuán)隊(duì)在前期論證時(shí),認(rèn)為既然圓形、矩形都不行,能否考慮采用橢圓形?但經(jīng)應(yīng)力計(jì)算及多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受力更合理、抗力更優(yōu)的結(jié)構(gòu)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(gòu)”的由來(lái)。

主持“類矩盾構(gòu)”地下壓力實(shí)驗(yàn)的同濟(jì)大學(xué)教授柳獻(xiàn)說(shuō):“此類試驗(yàn)投入的人力、物力、財(cái)力巨大。世界各國(guó)包括不少國(guó)際知名的地下工程一般只做一次性實(shí)驗(yàn)。而我們與寧波軌道密切合作,為‘類矩盾構(gòu)’先后開展了7次原型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證試驗(yàn)。”

上海隧道公司是國(guó)內(nèi)首屈一指、擁有盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)科研、制造、施工等全方位能力的綜合性企業(yè)?！皩?duì)這個(gè)史無(wú)先例的超大斷面‘類矩盾構(gòu)’項(xiàng)目,起初我們想邀請(qǐng)國(guó)外專家共同參與,但他們了解情況后連連擺手說(shuō)吃不消,我們就千方百計(jì)自己啃下這塊硬骨頭?！鄙虾Ｋ淼拦こ坦究偣こ處熤煅泔w說(shuō)。這臺(tái)“類矩盾構(gòu)”的拼接管片,最大重量達(dá)9噸,傳統(tǒng)機(jī)械臂無(wú)法承受這個(gè)重量,我們創(chuàng)新采用串連環(huán)臂式拼裝技術(shù),巧解了這個(gè)難題。

經(jīng)攻關(guān)平臺(tái)各方全力以赴,僅9個(gè)月時(shí)間,寬11.83米、高7.27米,世界上首臺(tái)最大斷面的“類矩盾構(gòu)”最終亮相,寧波市將其命名為“陽(yáng)明號(hào)”。

作為全新的技術(shù)裝備,從實(shí)驗(yàn)廠出廠到規(guī)?；瘧?yīng)用,需要通過(guò)初試或中試階段。為確保萬(wàn)無(wú)一失,寧波軌道整個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)吃住都在工地上,耗時(shí)整整一年,完成了高塘橋試驗(yàn)段,隨后又移師4號(hào)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(shí)踐,為“類矩盾構(gòu)”在寧波軌道交通建設(shè)的拓展應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。眾多地鐵同行慕名前來(lái)學(xué)習(xí)考察,移植推廣的先進(jìn)技術(shù)工法亦廣受歡迎。

參加寧波軌道“類矩盾構(gòu)”技術(shù)評(píng)價(jià)會(huì)的德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)副校長(zhǎng)、德國(guó)科學(xué)與工程院院士Gunther Meschke說(shuō),世界上第一個(gè)矩形盾構(gòu)機(jī)是歐洲人發(fā)明的,中國(guó)人卻將這項(xiàng)古老的技術(shù)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(rèn)識(shí)到“類矩盾構(gòu)”的巨大價(jià)值,不斷深化研發(fā)迭代升級(jí)。黃毅說(shuō),這10年來(lái),“類矩盾構(gòu)”從1.0版到5.0版,我們實(shí)施了一系列重大技術(shù)的改革創(chuàng)新。最初設(shè)計(jì)的盾構(gòu)刀盤體系由兩個(gè)“X型”大刀盤加一個(gè)“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(dú)特優(yōu)越性的關(guān)鍵。

但由于多刀盤間隙較小,容易產(chǎn)生碰撞。黃毅說(shuō),我們運(yùn)用數(shù)字化技術(shù),能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度,有效保障了作業(yè)的安全性。此后,“類矩盾構(gòu)”對(duì)管片、刀盤系統(tǒng)作了進(jìn)一步改進(jìn)完善,掘進(jìn)速度由原來(lái)每天的2-3米,達(dá)到現(xiàn)在每天10米,增加了三倍多。

寧波地處我國(guó)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?！坝腥藢⒋吮扔鳛椤鄱垢蚨础?認(rèn)為寧波是座不適合建地鐵的城市?！秉S毅說(shuō),“類矩盾構(gòu)”還有效破解了在高含水率地下軟土層中實(shí)施超窄隧道開掘作業(yè)的國(guó)際性難題。目前,面向六代機(jī),寧波軌道正在進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與儲(chǔ)備,努力使“類矩盾構(gòu)”這項(xiàng)高新技術(shù)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的賽道上,持續(xù)保持領(lǐng)軍者地位。

“成功的背后有其內(nèi)在邏輯?！币ρ嗝髡f(shuō),“‘類矩盾構(gòu)’這樣凝聚集體智慧的高科技結(jié)晶,充分體現(xiàn)了我們創(chuàng)建的、以工程為抓手引領(lǐng)的產(chǎn)學(xué)研用一體化大平臺(tái),全局一盤棋、聯(lián)手大協(xié)作體系的創(chuàng)新性、先進(jìn)性。沒(méi)有這些,我們走不到今天?！?/span>

黃毅認(rèn)為,“類矩盾構(gòu)”的產(chǎn)學(xué)研用一體化平臺(tái),關(guān)鍵在于“用”字。在一線應(yīng)用中不斷破難解難,使新技術(shù)研發(fā)更接地氣,更具針對(duì)性和可操作性?！邦惥囟軜?gòu)”也是一個(gè)創(chuàng)新型資源共享的利益共同體,在共享機(jī)制激勵(lì)下,參與各方心往一處想、勁往一處使,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)良性循環(huán)。

在技術(shù)成果評(píng)價(jià)會(huì)上,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)教授、中國(guó)科學(xué)院院士何滿潮,東南大學(xué)首席教授、中國(guó)工程院院士劉加平,南昌大學(xué)教授、中國(guó)工程院院士周創(chuàng)兵等專家學(xué)者一致認(rèn)為,“類矩盾構(gòu)”作為我國(guó)首創(chuàng)性、原創(chuàng)性、國(guó)際領(lǐng)先的高端裝備與施工工法,擁有廣闊應(yīng)用前景。

第一,“類矩盾構(gòu)”屬自主創(chuàng)新型工程裝備,擁有質(zhì)量、功能、價(jià)格等優(yōu)勢(shì),憑借鋼筋混凝土管片,材料成本即可節(jié)省60%以上,而隧道空間利用率接近100%。第二,獨(dú)有的“單洞雙軌”技術(shù)工藝,能夠在狹窄地下空間施工,通過(guò)大彎度變軌巧妙穿越包括地下市政管線在內(nèi)的復(fù)雜地段,為老舊城區(qū)、城市核心地帶的地鐵建設(shè)探尋了有效路徑。

“新加坡地質(zhì)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(gòu)機(jī)施工,但地下空間利用率低,也容易影響到地面建筑穩(wěn)定,寧波的‘類矩盾構(gòu)’值得學(xué)習(xí)借鑒?！毙录悠聡?guó)立大學(xué)教授、新加坡工程院院士梁春輝表示。

原國(guó)際隧道協(xié)會(huì)副主席、美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)教授Jamal Rostami說(shuō),此項(xiàng)技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也有需求,尤其在歐洲,許多古老的小城道路狹窄,城區(qū)建筑密集,“類矩盾構(gòu)”可為城市地下交通建設(shè)提供全新的解決方案。(文   班娟娟)