在剛剛過去的2023年元旦假期，珠海興業(yè)快線隧道工程現(xiàn)場，一臺重4500噸、超5層樓高的超大直徑盾構(gòu)機(jī)正奮勇掘進(jìn)，隨著刀頭轉(zhuǎn)動，隧道一米一米向前推進(jìn)，管片一片一片拼裝……這臺盾構(gòu)機(jī)就是由中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司（以下簡稱中交天和）自主研制的全球首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)“興業(yè)號”，它首次實現(xiàn)了在掘進(jìn)過程中同步完成拼裝管片。
(資料圖片僅供參考)
常規(guī)盾構(gòu)機(jī)的刀頭由油缸推動，刀頭向前推進(jìn)后就要拼裝管片，油缸推動距離為2米多，一環(huán)管片寬2米。因而，掘進(jìn)2米后必須停下來拼裝一環(huán)管片，每掘進(jìn)一環(huán)耗時近60分鐘，拼裝管片一環(huán)耗時近45分鐘。而“興業(yè)號”改變了傳統(tǒng)油缸設(shè)計，其推動距離可達(dá)4米，可一邊掘進(jìn)一邊拼裝管片，施工速度較國內(nèi)外同類掘進(jìn)機(jī)提升25%—35%。
實現(xiàn)一機(jī)多用、同步掘進(jìn)
珠海興業(yè)快線隧道工程是未來連通港珠澳大橋和深中通道，把珠海市打造成為“粵港澳交通樞紐”的重要工程。
該工程盾構(gòu)隧道長度僅1740米，但地質(zhì)情況極為復(fù)雜，其中硬巖段占比超過70%，且為首個國內(nèi)直徑最大雙層疊落盾構(gòu)工程，雙層疊落長約604米，采用盾構(gòu)法施工面臨不少世界級難題。
為順利完成這項重大工程，中交天和立足自主研發(fā)，著眼科技創(chuàng)新，為在硬巖地質(zhì)條件中提高掘進(jìn)速度，實現(xiàn)隧道掘進(jìn)和管片拼裝同步施工，成功研制中國首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)“興業(yè)號”。該掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑15.76米，全長超130米。
截至目前，“興業(yè)號”已累計掘進(jìn)260環(huán)，隧道成型520米，歷經(jīng)淤泥質(zhì)土層、液化砂層、斷裂帶、孤石群、不同強(qiáng)度花崗巖（強(qiáng)度最高達(dá)158兆帕）等地質(zhì)。不同地層掘進(jìn)需采用不同類型盾構(gòu)機(jī)，淤泥質(zhì)土層、液化砂層一般采用軟土盾構(gòu)機(jī)，不同風(fēng)化程度花崗巖地層一般選用硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM），而“興業(yè)號”則成功實現(xiàn)一機(jī)多用和同步掘進(jìn)。
配置多種刀具應(yīng)對高強(qiáng)度孤石
作為國內(nèi)直徑最大雙層疊落盾構(gòu)工程，珠海興業(yè)快線隧道上下層隧道最近間隔僅6米，對主隧道施工，尤其對管片成圓收斂、管片注漿、土層擾動沉降等質(zhì)量要求極高。
因此，隧道主線與匝道采用了雙層疊落盾構(gòu)施工方式，先下后上，同向推進(jìn)。其中，主線隧道直徑15.2米，匝道隧道直徑11.73米，主線由“興業(yè)號”掘進(jìn)。在設(shè)計方面，中交天和為盾尾每個注漿系統(tǒng)增設(shè)流量、壓力控制裝置，確保每個區(qū)域注漿均勻精準(zhǔn)，最終把管片錯邊量、沉降精度控制在毫米級范圍內(nèi)；同時，他們自主研制圓度收斂測量系統(tǒng)，做到“一環(huán)一檢測”。
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，孤石通常難以固定，會因土體擠壓而移動，不足以為盾構(gòu)機(jī)破碎孤石提供反力。如不能及時處理，輕則產(chǎn)生掉刀、刀具偏磨、刀盤磨損等情況，重則造成刀盤卡死，或?qū)е滤淼垒S線偏移、地面突然沉降等危險。
過去，遭遇孤石時，團(tuán)隊常采用豎井開挖、爆破、人工挖孔等方式排除，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)清障。但這種方式不僅花費高、耗時長，且風(fēng)險大。面對無數(shù)孤石群，中交天和對“興業(yè)號”開展適應(yīng)性設(shè)計，在旋轉(zhuǎn)刀盤配裝滾刀152把、常壓切刀256把、刀箱保護(hù)刀824把，大大增強(qiáng)了破巖能力，確保“興業(yè)號”順利通過圍巖強(qiáng)度158兆帕、長度160米的花崗巖孤石群落。
“數(shù)字大腦”控制方向和精度
為適應(yīng)隧道小半徑轉(zhuǎn)彎，隧道單環(huán)管片楔形量必須多于常規(guī)尺寸60毫米以上。如此大的單環(huán)偏轉(zhuǎn)量和先導(dǎo)角度，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)保平及管片拼裝累積誤差糾偏來說是一個全新的考驗。
為此，中交天和為“興業(yè)號”配備“數(shù)字大腦”，用自主巡航技術(shù)和管片智能化拼裝等全新技術(shù)控制掘進(jìn)方向和精度，實時把各項動態(tài)參數(shù)傳送至監(jiān)控中心，實時監(jiān)管地層數(shù)據(jù)反饋鏈和動態(tài)參數(shù)調(diào)整，及時糾正出現(xiàn)的問題；在施工過程中，專家坐鎮(zhèn)后臺，嚴(yán)格按“決策指導(dǎo)層、診斷指令層、分析反饋層、操作執(zhí)行層”四個層級指揮施工，做到“一環(huán)一研判”“一環(huán)一總結(jié)”。
珠海興業(yè)快線隧道設(shè)計最小轉(zhuǎn)彎半徑僅599.5米，這對于超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工來說是大難題。作為超大直徑盾構(gòu)機(jī)，“興業(yè)號”如何在巖層中實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向？對此，中交天和應(yīng)用主動鉸接技術(shù)，把超大直徑盾構(gòu)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑控制在450米內(nèi)，這在世界超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工中尚屬首次。中交天和總經(jīng)理助理、執(zhí)行總工楊輝介紹：“中交天和設(shè)計團(tuán)隊研發(fā)主動鉸接技術(shù)，相當(dāng)于給刀頭加了一個關(guān)節(jié)，既能活動，承受巨大壓力，還能防水防泥。”為破解系列技術(shù)難題，中交天和還采用刀盤伸縮機(jī)構(gòu)、逆洗循環(huán)系統(tǒng)、刀具全狀態(tài)監(jiān)測等核心技術(shù)，確保“興業(yè)號”施工進(jìn)度，創(chuàng)造了國內(nèi)外同類裝備科技創(chuàng)新和同步掘進(jìn)的新高度。
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