隧道股份研制最大直徑土壓平衡盾構(gòu)機
徜徉于外灘,開闊的黃浦江從身畔緩緩流過,各色洋建筑的奇特風格呈現(xiàn)眼前:哥特式的尖頂、古希臘式的穹窿、巴洛克式的廊柱、西班牙式的陽臺……
然而,車水馬龍的路面交通橫跨其中,分割了整體景觀。
為了更大限度地體現(xiàn)外灘的歷史文化風貌特色,分流外灘過境車輛,上海外灘通道工程啟動。
這條為2010年世界博覽大會服務(wù)的外灘通道,采用直徑14.27米的土壓平衡盾構(gòu)進行掘進。隧道建設(shè)者--上海隧道工程股份有限公司,同時又是盾構(gòu)掘進機的制造者,他們把這臺盾構(gòu)自豪地稱為:"獻給世博的中國驕傲"。因為,這臺盾構(gòu)是上海隧道股份制造和使用的最大直徑土壓平衡盾構(gòu),更是中國迄今為止使用的最大直徑土壓平衡盾構(gòu)。
國內(nèi)大直徑隧道基本都選用大直徑泥水平衡盾構(gòu),為何外灘通道工程垂青于大直徑土壓平衡盾構(gòu)?這還要從外灘通道工程的先天不足和土壓平衡盾構(gòu)的后天優(yōu)勢說起。
帶著"鐐銬"跳舞--工程的"先天不足"
外灘通道是上海市"三縱三橫"交通中三縱東線的組成部分。建造外灘地下通道的目的是解決外灘的交通擁堵問題,分流三縱東線外灘的過境車輛,服務(wù)上海世博會交通。建成后將是一條雙層雙向的小車專用地下道路。
整個外灘通道工程從中山南路老太平弄至吳淞路、武進路,以福州路接收井為界,分為南段與北段。北段工程南起福州路工作井,北至吳淞路、武進路,其中天潼路到福州路的區(qū)段采用盾構(gòu)法施工。該盾構(gòu)掘進段共長1098米,從天潼路工作井始發(fā),沿線從地下穿越諸多上海的標志性建筑,如浦江飯店、上海大廈,還將從外白渡橋下穿過蘇州河,再從中山東一路下方穿過,最終抵達福州路工作井。外灘防汛墻和承載百年歷史的"萬國建筑群"緊貼隧道軸線。要在逼仄的上海核心區(qū)域建造一條大直徑隧道,同時要保護好周邊建筑,還要把對環(huán)境的影響降到最低,這就好比帶著"鐐銬"跳舞。工程人員必須利用"最有限"的資源與各種"限制"周旋,建造一條既能有效分流交通,又能還外灘景觀于民的優(yōu)質(zhì)隧道。正是出于這一考慮,工程采用了14.27米的土壓平衡盾構(gòu)。
揉入古典風格的"現(xiàn)代舞"--盾構(gòu)的后天優(yōu)勢
所謂土壓平衡盾構(gòu),是指盾構(gòu)在推力的作用下,刀盤切削土體,通過調(diào)節(jié)螺旋機的轉(zhuǎn)速控制土艙的排土量,達到土艙與開挖面的土壓力動態(tài)平衡。這是目前國際、國內(nèi)隧道施工的主力機型,它跳的是"現(xiàn)代舞",又繼承了傳統(tǒng)特色,揉入了"古典風格"。
與泥水平衡盾構(gòu)相比,土壓平衡盾構(gòu)具有以下優(yōu)勢:
針對工程的淺覆土,土壓平衡更易控制開挖面穩(wěn)定;
針對地域的局限,土壓平衡盾構(gòu)比泥水盾構(gòu)施工占地更少;
針對泥水分離系統(tǒng)的價格昂貴,土壓平衡盾構(gòu)價格低廉;
如需切削鋼筋混凝土板樁,土壓平衡盾構(gòu)螺旋機比泥水盾構(gòu)更便于排渣。
此外,隧道長度適中,便于土壓平衡盾構(gòu)施工。
與以往用于地鐵施工的土壓平衡盾構(gòu)相比,大直徑土壓平衡盾構(gòu)又有不同:大直徑土壓平衡盾構(gòu)配備有固定式和可更換式的土壓傳感器;
螺旋機采用無級調(diào)速設(shè)計,能精確計量出土,確保動態(tài)壓力平衡效果;
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充分考慮開挖面增加導致進入土艙的土體體積增大,增加了刀盤、隔艙處的注入口數(shù)量,通過加注泡沫或膨潤土來改良土體,加強了土體改良效果;
在土倉中心區(qū)域增加多個攪拌機,進一步改善了中心區(qū)域的土體的流塑性……
大盾構(gòu)帶來大挑戰(zhàn)
首先是大--此次施工首次制造和使用了中國最大直徑14.27米土壓平衡盾構(gòu)。該盾構(gòu)全長80多米,總體重量約3600多噸,其部件大都屬于超長、超寬、超高、超重類型。
其次是難--上海隧道股份遇到了眾多世界級難題。
直徑盾構(gòu)殼體超大。該殼體直徑為14.27米,國內(nèi)不具備相配套的金加工設(shè)備。上海隧道股份自主設(shè)計制造了專用車削設(shè)備--多功能銑加工設(shè)備,不僅節(jié)約了大量資金,更縮短了工期。
場地和起吊限制。驅(qū)動裝置重達415噸,被分解成多個部件運輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場進行安裝。由于場地有限和起吊能力限制,所有驅(qū)動五大件都是先吊運至井下再進行安裝,在井下進行組裝后再整體翻身。
刀盤驅(qū)動裝置采用電機驅(qū)動,其最大扭矩達69418KN/M,軸承的壽命可達10000小時。大刀盤總重達300多噸,單體中心塊最大重量為200多噸;與以往平面刀盤裝置不同,該刀盤面采用了錐面設(shè)計,大大增加了加工的難度和精度控制;采用振動式退火,消除內(nèi)應(yīng)力,不僅節(jié)約了成本,而且大大節(jié)省了時間;螺旋輸送機直徑近2米,總重量約100多噸,是目前使用的最大直徑和最大重量的螺旋機。
盾尾密封裝置首次全部采用耐磨的不銹鋼材質(zhì),具有不易腐蝕、密封性好的特點,有助于盾構(gòu)長距離推進。
拼裝機裝置采用真空吸盤夾取管片的結(jié)構(gòu)形式,提高了拼裝機夾取大重量管片的安全性。首次實現(xiàn)吸盤拆卸功能,能夠同時滿足不同尺寸的管片和鋼管片的不同拼裝需要。具有6自由度控制,打破了以往只能進行分別調(diào)節(jié)拼裝機的局限。
大直徑土壓平衡盾構(gòu)研發(fā)的未來
據(jù)上海隧道股份的專家介紹說,大直徑土壓平衡盾構(gòu)的合作制造,填補了相關(guān)配套技術(shù)--超大質(zhì)量盾構(gòu)部件制造、組裝和調(diào)試上的空白,為中國大直徑土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗,同時為上海隧道股份土壓平衡盾構(gòu)進一步改進提供了依據(jù)和指導。如:該盾構(gòu)驅(qū)動裝置采用電機驅(qū)動,對同樣采用電機驅(qū)動的D型土壓平衡盾構(gòu)改進提供了有益借鑒。另一方面,大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工為以后在鬧市區(qū)內(nèi)進行大直徑隧道建設(shè)提供了經(jīng)驗。
從1960年代開始,上海隧道工程股份有限公司就在盾構(gòu)研制和技術(shù)創(chuàng)新上投入了大量的人力和物力,并于2004年研發(fā)成功具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)地鐵盾構(gòu)"先行號"。自行研發(fā)、自主設(shè)計、部件選型,上海隧道股份掌握了地鐵盾構(gòu)制造的核心技術(shù),獲得2006年度上海市科技進步一等獎,"先行號"被列入2006年度的國家重點新產(chǎn)品計劃。在2007年國際工業(yè)博覽會上,獲得銀獎第一名。大直徑土壓平衡盾構(gòu)的制造,是上海隧道股份繼國產(chǎn)地鐵盾構(gòu)后,在中國地下工程重大裝備開發(fā)領(lǐng)域邁出的又一大步。
有識人士認為,抓住目前中國大直徑隧道的巨大市場和良好發(fā)展機遇,通過合作制造加快經(jīng)驗積累,掌握核心技術(shù),從而加快研發(fā)國產(chǎn)大直徑土壓平衡盾構(gòu),形成國產(chǎn)盾構(gòu)產(chǎn)品系列化,不僅加快提升中國掘進機制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力與核心競爭力,而且對促進國家的工業(yè)化和城市化進程,高效、環(huán)保和安全地開發(fā)利用地下空間,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和構(gòu)建和諧社會,都具有重要的戰(zhàn)略意義,必將產(chǎn)生更為巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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