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中铁隧道集团北京铁路地下直径线科技创新纪实

发布人:朱文鉴 2013-08-11
在北京站至北京西站铁路地下直径线,中国中铁隧道集团坚持科技创新,攻克了刀盘刀具与地层适应性技术、沉降精确控制技术、泥水处理达标排放技术和压缩空气条件下动火修复刀盘刀具技术,构建起拥有自我知识产权的核心技术体系。这“四大技术”恰似一条“流水线”,破解了泥水盾构在不同地层条件下“掘得动”“稳得住”“排得走”“修得好”的技术难题。

掘得动:刀盘刀具与地层适应性技术

在北京铁路地下直径线盾构掘进面临多样的地质和水文条件,在西段天宁寺区域,要配置能对付硬度大于30Mpa的岩石和粒径大于0.6米的卵石富水复合地层的刀具;在中段宣武门区域,要配置适应粘土砂卵石水下复合地层的刀具;在东段,要配置适应黏土粉细砂少水复合地层的刀具。盾构机从天宁寺地下刚刚掘进数十米,就碰上了密实如混凝土的超硬地层,配置的进口刀具对此也无可奈何。“就好比是钻头在砂轮里打转,眼瞅着打了卷儿的刀具无法向前掘进。

据了解,针对进口刀具对北京地质“水土不服”且磨损快的实际,项目部提出了“立体切削”的概念,实现了刀具配置全部国产化,自主研发的盾构机周边刮刀和盾构机撕裂刀均获得国家实用新型专利。他们还研发出具有自主知识产权的刀具磨损检测专利技术,实现了盾构掘进过程中刀具磨损情况的自动化检测。

稳得住:沉降精确控制技术

北京铁路地下直径线沿线建构筑物密集,下穿地铁2号线,有4公里区段与其平行,最近距离仅1.7米,还要下穿地铁4号线宣武门站;近距离穿越正阳门、前门箭楼、中国铁道博物馆、明城墙等一批重要文物;沿线有国资委、共青团中央办公楼等重要建筑物;天宁寺桥、西便门桥、护城河等重要构筑物也伴随直径线隧道;雨水、污水、自来水、热力、燃气等各类地下管线密布。穿越的北京三大地铁干线而不能干扰其运营,敏感地段沉降控制要控制在3毫米以内,这对重达1600吨的盾构机来说谈何容易,标准近乎苛刻。头顶“达摩克利斯之剑”的何峰如临深渊、如履薄冰、如坐针毡。

气垫式泥水平衡盾构掘进时,首先用一定压力使高粘度泥浆充满刀盘前方和盾体周围,随着刀盘转动刀具切削岩土,泥浆无孔不入地堵住地层空隙,在被切削地层的表面形成一层泥膜。在有压泥浆支撑下,泥浆始终“无微不至”地支撑着地层,保护作业空间的安全。

与此同时,气垫仓内的泥浆被压缩空气精确地控制着,压力可精确到每平方厘米0.1公斤,从而对不同环境下的沉降实现精确控制。泥水压力和气垫压力,由技术人员针对不同环境,根据有效计算模型确定,有效计算模型则由项目部和同济大学技术人员联合攻关确定。同时,项目部技术人员还及时在掘进过程中对管片背后的空隙进行同步回填注浆和二次加强注浆。加之在作业面上部、中部和底部都安装了感应测量装置,盾构施工对沉降精准控制变得游刃有余。

北京铁路地下直径线隧道内场景


排得走:泥水处理达标排放技术

泥水处理达标排放技术的创新应用,体现了中铁隧道人的社会责任和环保担当,成为其成功践行建设“美丽北京、美丽中国”诺言的有力诠释。泥水盾构开挖的渣土是利用泥水这个“中介”进行运输的,即刀盘刀具切削下来的渣土与输送进刀盘开挖舱内的泥浆混合,通过泥浆泵由管路送到地面泥水处理工厂,在处理工厂内通过泥水处理设备实现泥水分离。处理好的渣土按规定消纳,清水则返回泥浆池,循环输送至盾构前面开挖舱内。

虽然泥水盾构的沉降精确控制能力远高于其它地下工程建造工法,但传统泥水处理技术所需的泥水处理场地等条件,难以满足城市污水排放标准的极高要求,导致泥水盾构一直不能在城市推广使用。因此,在城市使用泥水盾构必须解决既能保证盾构切削下来的渣土能排到地面实现分离,又能在“零污染、环保达标”的前提下确保清水从多余的泥浆中分离出来。

北京铁路地下直径线盾构施工穿越卵石、粘土复合地层,泥浆调制选用膨润土、环保型制浆剂等材料。借助筛分、除砂、除泥、离心、压滤“五级”处理,并与国内厂家联合攻关大幅提升离心机性能,确保了“零污染、达标排放”。同时,通过设备集成和优化空间布局,实现了小场地工厂化施工。项目部研制的复合型耐磨管路专利技术,解决了砂卵石地层长距离掘进过程中的环流系统耐磨损问题,降低了施工噪音,真正做到了“绿色施工”。

修得好:压缩空气条件下动火修复刀盘刀具技术

盾构掘进过程中,遭遇特殊地层或障碍物,刀具刀盘很可能会严重损坏,盾构机必须中途进行换刀或维修。常规的方法是在停机位置从地面建竖井对盾构机刀盘进行修复,但由于北京铁路地下直径线沿线地面建构筑物众多,没有建井条件,刀具刀盘的修复就必须直接在地下完成。

为了攻克高压动火切割焊接刀盘修复技术,中铁隧道集团成立了北京市劳动模范,盾构专家项目经理何峰为组长的攻关小组、海军工程大学、北京石油化工学院、北京工业大学联合组成的科研攻关小组。海军工程大学负责带压、动火作业人员安全进出高压仓系统技术攻关,北京石油化工学院负责小空间压缩空气条件下低浓度可燃气爆炸点的确定和压缩空气条件下机械手自动焊接技术攻关,北京工业大学负责压缩空气条件下焊接质量与检验技术攻关,而项目部则负责压缩空气条件下刀盘前方“小洞”(即作用空间)修建和安全维持技术,以及高压空气环境下的人工切割焊接刀盘技术的联合攻关。在各方的协同努力下,压缩空气条件下人工切割焊接刀盘成套修复技术体系最终形成。

盾构停机后,项目部作业人员在压缩空气条件下的刀盘前方土体中挖一个“小洞”,根据“小洞”位置埋深、地层特点及地下水的情况选用不同的气压维持平衡,使其既能阻止地下水渗入,又能保证“小洞”稳定。进入人舱加压实现与开挖舱的压力平衡后,作业人员佩戴呼吸面罩进入“小洞”内,在高压空气环境中进行切割、焊接作业。气体自动交换系统会及时排走“小洞”内的废气,并补充新鲜压缩空气,确保作业人员安全顺利地修复盾构刀盘。修复完成后,作业人员离开“小洞”,返回人舱进行减压,减压完成后,作业人员回到隧道内。

今年3月,北京市住房和建设委员会针对压缩空气条件下动火修复刀盘刀具技术组织召开了技术鉴定会,与会的2位院士和5位专家一致认为此项技术处于国际领先地位,填补了国内技术空白。

一分耕耘,一分收获。在北京铁路地下直径线施工中,他们通过技术创新,已获专利18项,有25篇科技论文在《中国工程科学》等国家级刊物上发表。其中,钢筋机械直螺纹连接技术获全国QC成果发布会二等奖,大直径管片预制质量控制QC成果获北京市一等奖和全国优秀质量管理小组奖,复合型耐磨计算管路研究与应用QC成果获全国工程建设优秀质量管理小组一等奖,通孔式闸板阀的研制获全国工程建设优秀QC小组一等奖。

在“四大技术”的保障下,7月26日,全长9151米的北京铁路地下直径线在万众瞩目中顺利贯通,开创了我国城市地下铁路建设的先河,标志着铁路从此进入城市核心地带,为泥水盾构在城市施工提供了广阔市场前景。(来源:中铁隧道集团北京铁路地下直径线党工委)

来源:新华时政


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