矿山

以坚毅之心盾构中国隧道

见道网 2021年07月14日
  • 贵州是我国喀斯特地貌的核心区域,喀斯特漏出面积占全省总面积70%以上,这成了隧道建设者的拦路虎

郭阿龙在贵阳呆了六年,每到夏天,他就睡不好,要是遇上持续降雨,那就更不敢睡着。郭阿龙总怕隧道被不知道从哪儿冒出来的水给泡了。

在他床榻之下十多米的地方贵阳第三条地铁线路正在延伸,2018年经过地铁一二号线修建后,贵阳市决定在3号线建设中大量采用盾构法施工。

贵州是我国西南地区连片喀斯特地貌的核心区域,喀斯特出露面积占全省总面积的70%以上,地上地下广泛分布的石林溶洞暗河在使贵州成为旅游胜地的同时,也让他成了郭阿龙这样的隧道建设者的拦路虎。更何况贵阳地铁三号线项目动工之前,在我国喀斯特地貌区域大规模使用盾构法还没有先例,世界范围内,类似经验也基本为零。如此背景下,盾构机挺进喀斯特无异于盲人摸进了复杂的迷宫。

干了近30年的工程,中铁10局城轨公司的吴奇见过无数的路、桥、洞,可接到去贵阳用盾构机建地铁的通知时,他还是楞住了,“那天是2018年9月30日我记得很清楚。”吴奇说。贵阳修地铁并不是显示,2009年该市轨道交通一号线开工,2017年通车后,成为国内首条整体穿越喀斯特山地城市的地铁,今年4月,2号线也建成通车。

“不过,这两条线路的隧道施工都是一边爆破,一边掘进,俗称矿山法。”郭阿龙是中铁广州局城轨公司的一名项目总工程师,早在2015年他就参与了贵阳地铁二号线建设,雨季在他心中的阴影也是那时候留下的。贵阳的隧道,大多贯穿熔岩发育或强发育地段。为防止渗水,挖掘过程中,要随时对位于路线上的熔岩缝隙、通道进行填埋注浆,可即便如此,一到下雨天,施工隧道还是会变成地下沼泽,“工人们穿着长筒雨靴进去,出来时,靴子里无一例外地都灌满了雨水。”糟糕的施工环境拖慢了施工进度,郭阿龙记得有一天整个施工队只挖进了0.8米。

比这些更要命的,是连绵的雨天会大幅增加隧道发生涌水事故的可能性,“在贵阳的地下最多只能提前摸排清楚前方五六米的地质情况,超出这个范围谁也不知道会不会有没发现的暗河溶洞等着我们。”为了保障安全,每到夏天,郭阿龙都会加大在掌子面的巡逻频率,一天下来走上四五万步是常有的事儿。

传统的爆破掘进法危险系数高,工作效率特别低,要提升贵州乃至所有喀斯特地貌地区轨道交通建设机械化,标准化水平,眼下在隧道施工中占主流的盾构法是最好的选择。

“所谓盾构法,就是利用盾构机开挖隧道。盾构机即是工具,又能为后续作业提供临时支撑。”吴奇说,盾构法安全性强,对周边环境影响小,掘进速度快,“但一直以来,这套工法大多都是在地形单一或地质环境稳定的地方使用”。

接到去贵阳的通知前,吴奇从没听说喀斯特地貌也能上盾构机。“举个最直观的例子,如果掘进途中遇到大溶洞,几千万元的机器掉进去就直接报废了。”把消息发到朋友圈,吴奇收到了不少同行的善意提醒,“大家都劝我慎重考虑,这活儿干不好可是会砸招牌的”。

心里发怵的不止吴奇一人。2017年,贵阳轨道交通3号线施工方案设计论证会上,对于采取盾构法施工,不少专家并不赞成。

“当时有人说,南宁,昆明等地用盾构机,极少遇到的溶洞尚且要作为重点风险来考虑,贵阳可是99%的地层都是喀斯特地貌。”中铁开投贵阳轨道交通3号线指挥部常务副指挥长、 党工委副书记李海明参加了那次会议。在他看来,如果做好各方面的准备和技术攻坚工作,盾构施工法在贵阳并不是没有成功的可能性,“总得有人去挑战高难度”。

会议后不久,贵阳市决定轨道交通3号线70%的隧道按盾构法施工。作为被选中参与挑战的人之一,吴奇最终接受了任务,成为贵阳轨道交通3号线土建十三标项目部的经理。

无论冬夏,盾构司机吕串串上班时最大的苦恼都一样,在隧道里一憋就是12个小时,一身衣服湿了干干了又湿,“全是汗味”。他有点不好意思的笑笑。

不过除此以外,吕串串的“地下工作”说不上太艰苦。坐在分布了多个显示屏的盾构机驾驶室里,大多数时候他只需要根据机器传回的实时数据修改多个参数,就能同时完成隧道掘进,材料回填和管片铺设等一系列工作。吕串串的轻松,大部份要归功于他身形庞大的搭档,“黔进一号”盾构机。这是为贵阳地铁3号线修建量身定做的。

2018年7月,李海明进驻3号线指挥部,开展项目前期策划。经过半年时间研判,他提出在全面开工前设立3号线“盾构机实验段”,以检验盾构法能否在贵阳顺利推进。

盾构实验第一步,是机器选型。结合3号线路地址特点和相关专家评审意见,“喀斯特专用”盾构机在刀盘刀具,防喷涌,防管片上浮等方面都进行了针对性设计。2019年7月,“黔进1号”下线,这要是贵州的第一台盾构机。很快,他就被送到了3号线一期工程师范学院站,东风镇站盾构实验段项目部。

“我们肩负着给大家打样的任务,只能成功不能失败。”中铁六局交通工程分公司贵阳轨道交通3号线十四标段项目部总工程师米振增说,为了保障“黔进1号”安全工作,实验段隧道被反反复复探测了好几次,找出了近200处溶洞,溶沟地质异常。可是即便做得周全的准备盾构时间段正式施工,当天掘进不到20米,感应装置开始报警是一个暗网的漏洞。开工第一天,喀斯特地貌就给项目部来了一个下马威。

地下千变万化,地上则遍布高楼和通道。3号线盾构试验段下穿贵广高铁,每天有150多趟列车从地上通过,如果发生地面塌陷、管线破损等情况,后果难以设想。为此,相关项目部提前做好了人员及耗材准备,保证在盾构机掘进后最短时间内对沿途16处溶洞溶沟进行填充,实现沉降累计最大值0.62毫米,远小于3.5毫米控制值。

盾构试验段的设立,让3号线盾构施工进度比原计划提前了一年。在李海民看来,这种创新性的做法,不仅给正式施工后大规模盾构机的使用提供了可借鉴的经验,更重要的是让“围观”的各施工单位有了信心,“喀斯特地貌也能上盾构机”。

“黔进2号”“黔进3号”……随着一台台盾构机下线和进场,截止到目前,贵阳的地底下,已有22台“黔进号”在加速前进。

花钱的和省钱的

吴奇到贵阳的第一年,全是在花钱。

他负责的隧道地处贵阳市乌当区,地下情况不明,地上住宅小区密布。2019年项目进场后,所有人没干别的,都忙着打钻眼找溶洞。长约8公里的线路上,基本上每隔10米就能见到吴奇团队留下的钻眼痕迹。

隧道见洞率40%,前期勘察费用上千万元。拿着勘察报告,吴奇心里打起了鼓:如此高的工程难度和成本投入,这8公里究竟能不能拿下来?

更让他没想到的是,烧钱的事还没完。

按计划,2020年10月,土建十三标的盾构机应在乌当区润丰园小区1号楼位置吊装下井。然而直到9月,由于赔偿谈判未果,1号楼还未拆迁。

修改下井方案,费用要项目部自行承担;等着拆迁,盾构机进场后每停一天,公司就要白白损失80万元,而且还会严重影响项目进度。

思来想去,吴奇找到指挥部,建议更改施工方案主动解决问题。随后,盾构机吊装下井位置改为1号楼侧面车站,比原方案多花了两百万元。

当年11月底,调试完成的盾构机即将正式运转,吴奇却提出再追加投资两百万元安装超前地质预警设备。“前期勘测已非常详细,为什么还要花冤枉钱?”在项目部班子会上,有人表示了反对。

可在吴奇看来,喀斯特地貌的隐蔽性和不确定性是对隧道施工的重大威胁,“前期勘探只是把线路正前方的地雷扫清了,可谁也不敢保证左右两边没有问题”。他说服项目班子成员,为盾构机装上了设备。

每多花一分钱,项目的效益就可能受到影响。那段时间,承担着巨大压力的吴奇发现自己“都不会笑了”。实在顶不住,他就给外地的朋友打电话,“一聊一个小时,挂了电话又继续工作”。

事实证明,“双保险”措施是明智且必要的。盾构机掘进到300米左右时,预警装置探测出隧道左后方有一个“意外”的溶洞。“如果没有及时回填,那就将是沉降事故的隐患。”半年多之后再想起,吴奇依然感到又后怕又幸运。

相比于吴奇“花钱有道”,中铁隧道局贵阳轨道交通3号线七标项目部盾构经理务玉龙则是“省钱有方”。

2020年7月,七标项目盾构机掘进途中遇到了岩层破碎带,巨大的地下水压造成泥浆喷涌,“每掘进1.5米,清出的泥水、渣子就能装满2000个小号编织袋。”务玉龙说,那段时间,每天盾构机只能前进3米,光清理泥渣就要花八九个小时。“只3天时间,不少工人就因为太苦太累辞职走人了。”

在隧道里捣鼓了几天,务玉龙先是想办法解决了泥浆喷涌问题,随后他又在盾构机后方增加了一套渣土压滤设备,把破碎的泥渣压成便于运输的干泥饼和渣石后再往外送。据他计算,过去盾构机每掘进1.5米,要运出8车泥沙;有了渣土再处理设备后,同样的泥沙只用装3车。“长此以往,光是运输成本,就能省下近千万元。”

从土里“抠”钱,务玉龙在整个3号线工程里都是有名的。虽然相比于常规盾构机,“黔进号”已配备了更好的“牙口”,但如果遇到坚硬的风化白岩,平均每掘进30米就要停车检查刀盘并更换磨损严重的刀具。靠着多年与盾构机打交道的经验,务玉龙对相关参数进行了微调,从而实现了盾构机每掘进75米检查一次刀盘,刀具损耗也只有3把左右。

七标项目启动之初,每月预计掘进速度150米,如今已达到了月平均220米。“开工一年多,我们已经盈利了。”务玉龙颇为得意地说。

治土,治水,还治尘

2019年10月,刚结束贵阳轨道交通2号线相关建设工作的郭阿龙来不及喘口气,又被任命为3号线土建六标项目部总工程师。本以为有了盾构机这大家伙帮忙,干起活儿来怎么也能轻松些,“可实际上,在多变的喀斯特地貌面前,大家伙有力使不出也是常有的事”。

在郭阿龙负责的项目区间,有一段长约240米的隧道被大家戏称为“千层饼干式”地质,饼干里藏满了各种“岩石坚果”“涌水果酱”。掘进期间,即使“黔进号”前端已安装了20多个传感器,还是要每前进10厘米就停下来调整参数,刀具损耗量也大幅增加。

为了吃掉“千层饼干”,中铁开投指挥部先后组织了12次盾构施工技术交流会。在此基础上,经过近半年的掘进数据收集和分析,郭阿龙总结出了从土木技术、机械技术、生产技术三方面来破解这一难题的设想。

不久前,又一块长达百米的“千层饼干”出现在土建六标项目中,掘进速度再次放缓。按照自己的方法,郭阿龙逐一排查后,发现是刀具启动参数出现了误差。在指导盾构司机微调数据后,原本预计要1个月才能打通的区域,最后只花了一个星期时间。

在3号线各处施工现场,类似的技术创新、难题攻关每一天都在发生。

已是盛夏,中铁隧道局贵阳轨道交通3号线七标花果园西站斜通道开挖区间的隧道掌子面依然干净凉爽,让人很难想到,受地质条件、地面建筑等因素影响,这个开挖区间采取的是本会产生大量粉尘的悬臂掘进机开挖施工法。

为降低粉尘含量,七标项目部的职工和悬臂掘进机厂商技术人员组成的联合小组想出了许多“花式”措施:悬臂掘进机上安装降尘喷水的高压雾炮机,隧道顶部安装喷淋系统,开挖面上增设雾炮机,实时调整洞外通风机送风速度……有工人这样形容:“同样是进隧道,以前收工时从头到脚全是灰,现在连白色的防尘口罩都几乎不会变色。”

2020年,《悬臂掘进机开挖综合改进降尘措施》工法获得了全国市政工程建设优秀质量管理小组三等奖。

务玉龙引入的渣土压滤机,也成了创新的对象。按照厂家设计,压滤机在一个班次能处理10个循环的泥浆,务玉龙规定每超出一个循环增加10元奖金。“重奖”之下必有勇夫,如今,有的班组已实现每班处理22个循环的泥浆,这一渣土处理方法也在其他项目部全面推广。

为鼓励职工干事创业,2021年4月,中铁开投贵阳3号线指挥部与贵州省总工会联合开展劳动竞赛,涉及14家参建单位标段项目部1.1万余名职工。竞赛评出职工创新成果23项,建立了“何晓勇创新工作室”。 截至目前,该工作室3项专利已被国家知识产权局受理;2项工法已完成省级工法立项。“让职工创新项目有地方获奖、有条件出彩、有外界知晓,这大大鼓舞了一线参建职工的热情和积极性。”贵州省总工会副主席杨杰说。

飞跃喀斯特

最近一阵,在乌当区的土建十三标项目部,大家发现吴奇脸上开始有笑容了。

高成本的投入和细致的工作,换来了盾构机安全、顺利的掘进。截至目前,十三标项目部消除地下溶洞等安全隐患20起,单机每月平均掘进360米,全线下穿建筑物和道路实现零沉降。“招牌没砸,反而擦得更亮了。”在最近一次与朋友的通话中,49岁的吴奇口气轻松地说。

“贵阳轨道交通3号线大规模掘进已有一年半,事实证明,这座城市不但可以使用盾构机,而且还能用得好、用得快。”据中铁开投贵阳轨道交通3号线指挥部指挥长费富华介绍,截至7月上旬,贵阳轨道交通3号线盾构掘进比已经超过60%,单日最快掘进指标可达19.5米。目前全线未发生一起房屋下沉开裂、下穿河流污染事故。

2020年底,贵阳常住人口接近600万,更多更便捷的轨道交通已成为城市的必需。“盾构机的顺利挺进,为未来中铁职工继续挑战贵州的复杂工程树立了榜样,也使我国西南地区、乃至全国城市轨道交通施工机械化、标准化水平实现了飞跃。” 中国中铁西南(贵州)总部负责人卢治仁表示。

受喀斯特地貌“激励”,贵阳地铁3号线施工过程中涌现了许多在全国地铁施工领域居于领先地位的技术。费富华以前期的异常地质探测举例,“传统方法需不断在地面打孔,经过创新,目前我们已启用了HSP(洞内超前地质预报)综合技术,这代表了未来隧道施工异常地质结构探测的发展方向”。

7月,又到了贵阳的雨季

有的夜里,郭阿龙还是会惊醒过来,“大概是前几年留下的习惯”。躺在黑暗中,想到隧道被水泡的情形已再难出现,他就会舒一口气,翻个身继续睡去。(转载请注明见道网www.seetao.com)见道网工程栏目编辑/徐宁

0
收藏