技术创新天地宽
——中铁十四局北京新机场线创新施工侧记

来源:本站原创?作者:胡琦?李美华??时间:2018-12-24?【字体:??

“十四局能打硬仗,我们放心!”日前,由中铁十四局承建的北京轨道交通新机场线7标迎来了主体结构的全面验收,来自监督、建设、设计、勘察和监理单位的代表在验收会议上对工程质量给予了高度评价。

作为新机场配套工程,轨道交通新机场线将与北京大兴国际机场同步投入运营。中铁十四局施工的隧道设计时速达160公里,在国内地铁施工领域设计时速最高、连续掘进最长、单线直径最大的控制性区段。

科技攻关穿越风险源“零沉降”

该区段穿越特级风险源1处,一级风险源35处,施工难度大,安全风险高。“下穿既有地铁大兴线U型槽段属特级风险源,处于大兴线从地面到地下的过渡段,最小垂直距离仅5米,每天约300次列车通过;同时,沉降控制要求在-3~+2毫米以内,施工要求高。”项目负责人高洪吉介绍。

面对一系列施工难题,项目部成立科技攻关小组,联合国内多所知名高校开展技术攻关,创造了多项国内第一。

盾尾间隙是指盾构机尾部与管片之间的空隙,是控制盾构正常掘进的一个重要参数,日常施工时要维持在一个合理的范围内,间隙大可能导致盾构机“不走直线”,严重时还会导致涌砂涌水等事故。“以往盾尾间隙是在掘进完成后人工测量,效率低,精度不高。”盾构经理孙伟介绍到,“对于大直径盾构来说,测量员不容易够到上部管片,测量起来就更加困难。”

他们联合知名大学开发了“盾尾间隙连续测量系统”,这套系统采用电子视觉的方法,实时采集、识别盾尾间隙并对其进行测量,实现了对盾尾间隙高精度、可视化的连续监测,保证率盾构机姿态稳定,提高了掘进精度。

他们还合作开发了“盾构机和连续皮带双称重系统”,实现对出土量连续称重偏差控制在1%以内的精度,实时掌握出土量数据,有效控制土体超排。项目部在关键风险源段采用“双同步注浆技术”,及时填充土体与盾构机主机间的空隙,有效解决了常规同步注浆前的土体损失和地层沉降。

“我们设立了现场全信息综合监控中心,作为穿越风险工程时的应急指挥中心,盾构机监控系统的所有数据实时传回中心,为施工决策提供依据。”项目负责人高洪吉打开手机上一款名为“盾构施工实时管理系统”的APP介绍到,“这些数据通过互联网传输到云端,管理人员通过手机就可以随时了解到隧道掘进情况。”

据监测,盾构机在下穿特级风险源大兴线U型槽过程中,实现“零沉降”目标,盾构机经过的60余处民房无一处开裂,顺利穿越所有风险源。

 “补给站”助力盾构机 “最佳状态”

新机场线盾构隧道开挖直径9.13米,是国内单线断面最大城市轨道交通线路。“盾构机连续穿越3.8公里无水卵石层,在国内还是首例,找不到可以借鉴的经验。”盾构经理孙伟介绍到,该地层粗砂含量高达60%,盾构机刀具磨损极其严重。

为了不影响施工进度,他们借鉴方程式赛车固定圈数检修的做法,创新采用“大尺寸竖井定点检修工法”。在国内首次使用“装配式盾构检修井技术”,在盾构机前进方向上每隔700至1300米修建一座检修井,主动对盾构机刀盘进行维护,确保盾构机始终处于“最佳状态”。

他们修建的检修井截面达到24平方米,是一般检修井的6倍,可以满足三条刀臂同时检修,使换刀作业效率更高,盾构机停机维护时间更少。

“盾构检修井市场需求量大,据统计仅北京地区每年需要修建600座。”孙伟介绍到,“我们采用的拼装式检修井与传统施工相比减少了污染,不产生建筑垃圾,只需开挖、拼装两个步骤循环即可快速成井,工期仅为传统方法的三分之一左右,工程造价仅为传统方法的三分之二,拼装结构还可以重复利用,对今后类似工程施工有很强的借鉴意义。”

为场地运输加装“最强大脑”

开工前,他们通过计算得出,盾构机高峰期掘进将产生约每天6000立方米渣土,再加上管片、粉煤灰等基本原材料,施工现场能达到每天13000吨的运输量,需要近600辆大卡车运输。

“大部分城市地铁,盾构直径6米多,出渣量没这么大,工期也没这么紧。”项目技术负责人赵树才介绍到,“这个项目施工场地狭小,大型车辆多,如果场地布置不合理,势必造成场内交通拥堵,影响施工进度。”

然而什么样的场地布置才能满足需求,谁心里也没底,最好的办法就是对预想场布进行数学建模,在不同的设定条件下进行仿真模拟运算,以寻求最优方案。此时,清华大学的一个市政交通专业团队走进了新机场线施工团队的视线,“他们在市政路网方案规划中有经验,实现了通过模拟来指导路网疏密、红绿灯时长等关键参数的设定。”赵树才介绍到,他们强强联合,研发了国内首个“施工场地仿真模拟系统”。

经过计算机不断模拟,他们创造性地构建了架空桥面系统,即在基坑上方架设临时桥面,增加了场区主干道路,使狭小的施工现场形成立体交通体系,充分利用了既有场地。这一革新还提高了管片、渣土储存能力30%以上。

根据模拟系统提供的数据,项目施工团队建起了较为优化的场地布置。自盾构机掘进起,施工厂区秩序井然,高峰期运转正常,完全达到了设计要求。

通过软件运行,不仅可以实现渣土顺利外运、进场车辆排序、进出场车辆统计的模拟,还可以对掘进速度、装卸车速度、洗车速度等参数提供指导意见,给施工场地装上了“最强大脑”。

“通过计算机模拟检验场地布置方案,使很多复杂情况可以超前筹划,避免在施工中措手不及,是一次很成功的尝试。”项目负责人高洪吉说。

借鉴“他山之石”解决运渣难题

盾构法隧道施工过程中会产生大量渣土,如何外运是业界难题。在一般地铁施工中,出渣要依靠有轨电瓶车,在盾构机处装满渣土,再运送至隧道口吊出地面倾倒。这种常规做法会制约盾构掘进施工效率,也存在较大施工风险。经测算,该项目双线总长7.6公里,盾构机掘进将产生渣土120万立方米,如果使用电瓶车,则单次作业循环至少45分钟以上,全程共需5万多次危险吊装作业,频繁的运输和吊装不但效率低,而且设备损耗大。

他们又一次进行技术攻关。盾构经理孙伟想到了TBM及煤矿中常用的皮带机。为此,项目部组织多次实地考察并邀请了公司及国内专家多次论证,最终研制成功“盾构机连续皮带出渣系统”,并首次运用于北京地铁施工领域。

这套系统由五条皮带机搭接组成,形成隧道盾构系统中独有的折返出渣工艺,通过主机皮带机、连续皮带机、转载皮带机、折返皮带机、移动布料皮带机等不同功能的组件,实现从渣土从掌子面到渣土池均匀分布的全过程。

“我们设置了皮带机储带库,每向前掘进300米进行一次续接皮带,盾构机推到哪里,皮带就接到哪里。”孙伟介绍,“除此之外,我们还采用变频恒扭矩自动张紧系统、用于在隧道壁架设机身的三角支撑架等,皮带机运行很流畅。”


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