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涨姿势了!原来地铁隧道是这么挖出来的
作者:常松,清华大学材料学院博士 发布时间:2018-10-12 浏览次数:57 

  每天早上挤在沙丁鱼罐头的地铁车厢里,对于大都市的上班族来说绝对不会陌生。地铁,已经成为了城市通勤最不可或缺的交通方式,中国城市地铁里程的排行榜每年都在刷新着里程数量和客流量。


  2017年各大城市地铁通车里程

  (一)潜伏在地下城市的“穿山甲”

  对于这些地铁里程井喷增长的城市,几十米深的地下,一定都“潜伏”着城市的“穿山甲”——地铁盾构机。

  近年来,随着地铁施工各种新闻的报道,人们对于盾构机并不陌生,这个“脑袋”长得像一个剃须刀的大家伙,经常在各种地铁建设的新闻中出镜。然而,我们常看到是只是它的“牙齿”,而这个形似“蚯蚓”的巨型吃土机全身长啥样,人们一般很难见到。


  20世纪60年代修建北京地铁,中国研制网格式压缩混凝土盾构机成功地进行了试验

  (二)盾构机国产化从“起跑”到“弯道超车”

  其实在20年前,盾构机这种装备在中国还是稀罕物。

  在90年代,这种巨大、精密而复杂的工业产品一向是中国制造业的软肋,国内生产所有盾构机的关键总成和零部件都只能依赖进口。地铁建设狂潮目前正席卷中国大陆,盾构机形成千亿市场,而作为关键施工设备的盾构机可能因关键零部件的问题使国产盾构机受制于人。


  天津地铁施工选用的盾构机

  为突破被动局面,国家把盾构机的关键技术研制列入了“863计划”。发展至今,中国已能生产具有自主知识产权的盾构装备,盾构机国产化实现了从“起跑”到“弯道超车”。

  (三)“穿山甲”如何在地下存活?

  在北京王府井商业街,人流熙熙攘攘,地面上许多重点历史风貌及古建筑安然无恙,而潜伏地下近20米的深处,一条近百米长的“穿山甲”在悄然前进,这个“穿山甲”就是担负北京地地铁8号线施工的地铁盾构机。

  其实,在“穿山甲”被“激活”之前,它的头、身、尾会被拆成三大块。想象一下,在某个深夜,一台起重能力500吨的吊车和一台250吨吊车“悄悄”来到长安街,合力吊装盾构机身,形成“庞然大物”的场景。当然,不同城市使用的地铁盾构机尺寸大不相同,体重300到500吨不等。

  这种安装一般是将隧洞某段的一端开挖竖井或基坑,然后将地铁盾构机吊入安装,地铁盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处开始掘进并沿设计洞线推进直至到达洞线中的另一竖井或隧洞的端点。

  如果钻入盾构井机身内,你就可以看到:这是各种电器设备、动力设备连接在一起形成了一个长长的机械长廊。

  (四)盾构机这样“挖隧道”!

  那么“穿山甲”是如何工作的?它又是如何慢慢前进的?如何抵抗土层的巨大压力?地下水渗透它吃得消吗?


  盾构机前体结构1.土体,2.刀盘,3.土仓,4.压力墙,5.油缸,6.螺旋机,7.拼装机,8.衬砌

  1、挖掘、排土、衬砌“一条龙”作业

  正如上面所言,盾构机的基本工作原理,就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线,边向前推进边对土壤进行挖掘。这个圆柱体组件的壳体(护盾)对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用,承受周围土层的压力,有时还要承受地下水压,将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业,在护盾的掩护下进行。


  面板式刀盘

  一般来说,在盾构机前面有一个圆形刀盘,上面安装着16-18组共一百余枚合金钢刀头。工作时,在千斤顶的推力下,刀盘旋转前进,以此掘开土层,在推力的作用下,刀盘切削土体,通过调节螺旋机的转速、控制土舱的排土量,达到土舱与开挖面的土压力动态平衡。残土被横向旋转的传送机转移到传送带上,再通过电瓶车运送到竖井下,通过吊车运出井外。

  2、边挖边补,为隧道壁安装“金刚罩”

  在“吃土”前进的同时,“穿山甲”护盾尾部有一台管片机,进行管片安装,相当于给隧道壁装上“金刚罩”。管片是依照隧道壁大小预制的钢筋混凝土片,每一环有6-8片,大小不一,都有自己的编号和固定的位置,每一片都经过严格的抗压和抗水试验,能完全适应地下巨大的土压。

  在拼装管片过程中,通过十分精密的刀盘系统和定位系统仔细“对缝”,将偏差控制在2毫米以内,然后通过特殊材料密封,确保隧道不渗水。


  管片安装机

  为确保盾构机安全快速掘进,一般实行多工序交叉作业,大大缩短了工序循环时间,甚至可以精确到秒。

  (五)无论多黑,它都不会迷路

  在黝黑的地下,完全没有任何参照物可以判断方向,巨大的“穿山甲”是如何辨别方向?又如何转弯呢?其实,“穿山甲”依靠两个系统,确保万无一失、厘毫不差。

  一是人工掌控系统,主要是隧道施工的传统测量定位系统,用全站仪、棱镜、水平尺、塔尺等工具,完成初测和复核等工作。


  盾构机导向系统面板

  另一系统——自动定位隧道导向系统,也是最核心的系统,类似“智能机器人”,由中心计算机、隧道掘进软件、激光经纬仪等组成,保证掘进方向误差不超过±30毫米。

  电脑系统自动化程度越来越高:内部的全球GPS定位系统,时刻把运行的数据传到操作室,并随机存储,对具体的方位精确到毫米;所有被监控对象的资料均可由隧道掘进软件分类组合,以图表、数据的形式显示出来,然后按照电脑指令进行操作。无论多黑,它都不会迷路。

  (六)地下潜行如何保证地面安全?

  重达300多吨的巨无霸“穿山甲”,在近20米深的地下挖掘,如何克服自身的重量做到不下沉的呢?对地面建筑会有影响吗?


  盾构机推进速度、刀盘扭矩、总推力的曲线图

  “穿山甲”由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。

  “稳定开挖面”的含义,就是使盾构机的推力与前方土层的压力达到平衡,否则就会造成地面隆起或塌陷。另外,施工中还要采用特殊的工艺,让土层中的水不会渗出管片、流入隧道。


  土压平衡盾构机结构剖面

  至于施工过程产生的噪音,大可不必担心,它基本不会对地面产生影响。

  另外,在地表和其他临近建筑物上,会数百个监测点监控沉降情况,为地下安全再加了一层保护网。专业的检测机构每天出一份检测报告,有任何风吹草动,就会从监控数据上反映出来,专家组就会组织分析,并指导现场,做到随时反映,随时采取措施。


  中铁装备盾构机监视

  (七)中国工程师玩出盾构机新花样

  1、地下平移,玩起“华容道”

  盾构机一般是“走直线”,地下平移是一项极难完成的任务。但在的施工中,入地300吨的大家伙就在地下轻松地玩起了“华容道”。


  据了解,地铁8号线三期分南北两段,预计2018年底以后陆续开通

  2016年6月20日,北京地铁8号线三期五福堂站工地内,地下19米的位置,一台直径6.14米的盾构机开动马力,拉开了地铁8号线三期左线掘进施工的序幕。然而,这台盾构机在左线掘进之前,由于施工条件限制,曾花了45天玩了一次“华容道”,在地下平移了26米。


  一台直径6.14米的盾构机开动马力,刀盘转动,沿着隧道预留孔向北缓缓移动

  在2017年4月底,由北向南的右线隧洞已经完成了贯通,之后盾构机将从左线开始向北逆向挖掘。按照常理,盾构机完成右线施工到尽头的时候,应当开挖一个工作井,将盾构机先吊出,运至左线的始发点再继续工作。然而由于南大红门路交通繁忙,地下电缆复杂,无法开挖工作井。所以,北京市政路桥市政集团四处就创造了“盾构机平移工法”。


  五福堂站

  施工人员在地下开挖一个直径10米左右的暗道,连接26米开外的左线接收井。重达300多吨的盾构机被推出右线隧洞之后,首先将它拆分成两部分,上半身先向北再向东平移,为下半身腾出空间,下半身向北再向西平移至接收井,上半身再向西进入接收井。45天的平移,避免了破路施工、也不影响交通,社会效益显著。

  2、“金蝉脱壳”,首创洞内解体

  在以往的地铁施工中,盾构机一般是从始发井向前掘进,到达接收井接收完成,之后在接收井正常解体,分体吊出。

  然而在北京北工大西门的地铁14号线13标段工地,由于原定的南八里庄车站取消,没有了接收井,就无法将盾构机吊出,所以,工程师们采取了盾构洞内脱壳抽芯拆解的方法,将一向“不走回头路”的地铁盾构机以“金蝉脱壳”的方式吊出,实现了盾构在同一井口进出,这也是北京实施的全国首例地铁盾构洞内解体。


  据悉,此标段使用的是未进行洞内拆解专项设计的盾构机,所以施工难度较大,拆解过程更加复杂,花费的时间也稍微长些,但和传统方法相比,洞内解体相对更经济可行,也可以把对周边人们生活的影响降至最低。

  3、12岁的“老爷机”再造成新

  曾经,有这样一台盾构机,是一台已经服役12年之久的“老爷机”,累计掘进达4.4公里,且最近5年长期室外露天存放,设备部件老化较为严重、性能指标严重降低,部分系统的配置已经明显偏低。

  盾构机造价成本就高,如果能对其进行局部更新,则会节约大量的成本。

  所以,在2016年6月,中国工程师经过对主轴承、主驱动减速机、主推进油缸等关键部件进行拆解检测,通过对刀盘、中心回转体等一些关键部件的再制造,以及对注浆、泡沫等系统的升级改造,这台盾构机各项性能均达到或超出原出厂时的标准,比重新采购一台同样型号的机器要节约1000多万。这台机器也在2017年3月底正式下线,投入使用。


  中建二号再制造盾构下线仪式

  而且,据介绍这还并不是第一台“重生”的盾构机,早在2015年下线的第一台再制造盾构已经成功完成北京地铁16号线的生产任务,目前还在新的工地掘进。

 
 
 

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