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在基礎建設尤其是城市軌道交通建設中,“盾構”發(fā)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(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(yōu)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(yè)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(yè)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(yè)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(guī)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(guī)劃時便提出要走吸收引進與自主研發(fā)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?！肮こ碳夹g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任寧波軌道交通副總指揮、總工程師朱瑤宏說。

在自主研發(fā)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(yè)權威研究機構、生產制造廠商,反復試驗實踐,成功研發(fā)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(guī)劃設計之先進,建設速度之快,工程質量之優(yōu),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(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。

面對這一國際級難題,經反復論證分析,寧波軌道決定嘗試研發(fā)正在興起的單洞雙軌“矩形盾構”。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(xié)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(chuàng)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(zhàn),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(zhàn)?！弊鳛橐痪€負責人的高級工程師黃毅介紹,參與課題協(xié)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(yè)機構和高等學府,大家充分發(fā)揮攻關平臺的協(xié)作優(yōu)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(yōu)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?！?/span>

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(yè)?！皩@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?！鄙虾Ｋ淼拦こ坦究偣こ處熤煅泔w說。這臺“類矩盾構”的拼接管片,最大重量達9噸,傳統(tǒng)機械臂無法承受這個重量,我們創(chuàng)新采用串連環(huán)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(guī)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(fā)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(fā)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(chuàng)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(yōu)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(jié)運行速度,有效保障了作業(yè)的安全性。此后,“類矩盾構”對管片、刀盤系統(tǒng)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?！坝腥藢⒋吮扔鳛椤鄱垢蚨础?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(yè)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(fā)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(xù)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(chuàng)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(xié)作體系的創(chuàng)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(fā)更接地氣,更具針對性和可操作性?！邦惥囟軜嫛币彩且粋€創(chuàng)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(xù)良性循環(huán)。

在技術成果評價會上,中國礦業(yè)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(chuàng)兵等專家學者一致認為,“類矩盾構”作為我國首創(chuàng)性、原創(chuàng)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(chuàng)新型工程裝備,擁有質量、功能、價格等優(yōu)勢,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(qū)、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(wěn)定,寧波的‘類矩盾構’值得學習借鑒?！毙录悠聡⒋髮W教授、新加坡工程院院士梁春輝表示。

原國際隧道協(xié)會副主席、美國科羅拉多礦業(yè)大學教授Jamal Rostami說,此項技術在歐美發(fā)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(qū)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。(文   班娟娟)