中国中铁隧道股份有限公司

依靠高新技术 拓展地下空间

                       ----中铁隧道股份有限公司TBM与盾构施工技术开发与应用

          修路打隧道对人们来说并不陌生,但是也许在人们的思想中,打隧道仍然是打眼、放炮、出碴这样的传统观念。其实不然,在科学技术日新月异的今天,隧道建设飞速发展,并以独特的魅力受到众人的关注,特别是具有国际先进水平的TBM与盾构掘进机在隧道施工中的开发和应用更是成为引人瞩目的焦点。

          那么何为TBM?何为盾构掘进机呢?TBM是隧道掘进机的英文缩写,是目前国际上隧道施工水平先进的国家普遍使用的长大隧道施工的大型综合性施工机械。TBM由主机、主机辅助设备、后配套、后配套辅助设备四大部分组成,刀盘直径8.8米,机身长度256米,集机、电、液、气等多学科、多门类先进技术于一体,掘进工作过程全部由电脑监控,是高科技水平的综合显示。盾构掘进机是适用于软弱性围岩施工的隧道施工机械。它由主机及后续设备组成。其施工方法为盾构法,是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构掘进机施工的区间隧道,可以做到对土体弱扰动,不影响地面建筑物和交通,减少地上、地下的大量拆迁,并有效保护地下水资源。TBM适用于山岭隧道硬岩施工,盾构机则适用于城市地下隧道软弱围岩施工。这两种设备的技术开发与应用,在我国地下工程领域具有十分广阔的前景。

         然而,目前国内仅有两台TBM,盾构掘进机也屈指可数。

         中铁隧道股份有限公司不仅拥有一台TBM和4台盾构掘进机,而且熟练地掌握了技术,并着手开发与研制,这对我国的隧道建设事业及地下工程空间的开发具有十分重要的意义。

                         中国隧道建设的里程碑

          中国隧道建设从钢钎大锤、手持风钻、凿岩台车到TBM一步一个台阶走来。中铁隧道股份有限公司作为四个里程的唯一见证人,经历了中国铁路发展与建设的全过程,在不同时期都谱写着壮丽的乐章。60年代,他们采用钢钎大锤建成了成昆铁路长达6.5公里的沙木拉打隧道;70年代,他们手持风钻修建了枝柳铁路5.5公里的彭莫山隧道;80年代,他们引进液压凿岩台车建成了全国最长的双线铁路隧道--全长14.3公里的衡广复线大瑶山隧道,90年代末到21世纪初,他们率先应用国际最先进的隧道掘进机(TBM)建成了国内最长的单线铁路隧道--西安安康铁路秦岭隧道,为中国铁路第四个里程碑写下了浓墨重彩的一笔。

           国家"九五"重点工程西安安康铁路秦岭隧道全长18.46公里,是中国第一长大铁路隧道,也是西康铁路的咽喉工程,无论其长度还是地质复杂情况都堪称"中国第一",即使在亚洲乃至全世界也名列前茅。

         为建设秦岭隧道这一中国"头号工程",1997年铁道部科学决策,花巨资从德国维尔特公司购进直径为8.8米的敞开式全断面硬岩掘进机--TBM,并将此重任交给了中铁隧道股份有限公司。

          面对第一长隧,面对复杂地质,面对洋机器,面对工期压力,面对严峻的考验,中铁隧道股份有限公司没有退缩,而是牢牢抓住了这一难得的机遇,准备打一场高科技的攻坚战。

         为了管好用好TBM,中铁隧道股份有限公司选配了有技术、懂管理、精明强干的指挥班子。为实现科技领先,尽快熟练驾驭这台世界最先进的设备,他们成立了科技攻关小组,小组成员平均年龄不到30岁,都在德国和瑞士进行过严格的技术培训。同时他们还对所有参战员工进行文化技术培训,受训人数超过3000人次,使之成为一个团结协作,能攻善战的集体。

         对于直径8.8米这样大的隧道掘进机,德国维尔特公司也是第一次制造,因此有许多技术问题德国专家也是第一次遇到。1997年12月,TBM组装完毕准备试机时,皮带机的皮带总是跑偏,现场的德国专家调试了5昼夜仍未效果。为使TBM早日试机成功,中铁隧道集团攻关组制定了解决这一技术难题的3套方案,请德国专家配合调试,经过一昼夜的苦战,3套方案轮番施展,终于将皮带机调试好,保证了试掘进的按期举行。

          TBM的引进和使用,不仅打破了传统的施工工艺,同时具备了破岩、运渣、初期支护等多工序平行作业,施工生产具有连续性、集中性、同时性、安全性和速度快、投资见效快等特点,完全实现了隧道施工工厂化作业。利用钻爆法8-10年才能打通的秦岭隧道,采用TBM施工,工期整整提前了5年。中隧股份在机遇和挑战面前不仅树立了敢打善拼、无往不胜的气概,在秦岭隧道的建设中将一项项崭新的纪录和自己的名字一起永载中国铁路建设史册:TBM平均机时利用率45%,超过了40%的国际水平;以日掘进40.5米,月掘进528.1米,双双创造国内最高最新纪录;ZED导向系统在秦岭隧道方向误差控制在3厘米以内,此项成果同时荣获铁道部科技进步一等奖。
中隧股份有限公司员工在创造一项项纪录的同时,也为拓展地下空间,独立掌握和运用TBM积累了宝贵的经验。伴随着新世纪的第一缕阳光,中隧股份积极响应党中央西部大开发的决策,驾驭着TBM挺进西安南京铁路,在全长6113米的磨沟岭隧道,开始了新的征程。

          1999年5月,随着TBM交接结束,维尔特公司的专家也陆续撤离,标志着TBM完全进入靠自己使用维修的新阶段。尽管中隧股份人在秦岭隧道成功地运用TBM,并创造了骄人的战绩,但秦岭的成功并不表示已经完全掌握了TBM,只有到磨沟岭隧道工地后的TBM拼装使用,才是真正检验队伍综合实力的试金石。一台全长256米,总重量超过3000吨的"庞然大物"拆卸后,到新工点又重新组装使用,如果没有一整套科学、详尽、规范的程序和方案,后果是不堪设想的。为确保万无一失,工程技术人员翻阅大量资料,做标识500多处,拍摄照片400多张,仅拆机方案文稿就达45万多字。在TBM组装时,工程技术人员严格控制拼装全过程,并依靠自身力量解决难题20多项,重新优化改变设计15项,使TBM更完善、更科学、更合理。

          TBM作为针对秦岭隧道专门设计制造的硬岩掘进机,如今面对磨沟岭隧道的软弱地质,中隧股份人没有被困难所吓倒,在围岩破碎承载力低、地质极不适应TBM施工的情况下,全体参战员工克服重重困难,发扬艰苦创业的精神,依靠科技攻关,有效地拓展了敞开式硬岩掘进机在软弱围岩中的适应性,使TBM在软弱围岩施工指标不断提高,创造了软弱围岩地段月均掘进379米的均衡高产指标;改写了传统的矿山法隧道施工月进尺几十米的历史,2001年12月份(11月26日至12月25日),隧道施工创下了最高日掘进41.3米,最高月掘进573.9米的铁路隧道单口独头掘进全国新纪录,磨沟岭隧道于2002年1月29日实现胜利贯通。TBM在秦岭隧道和磨沟岭隧道的成功运用,展示了中国隧道施工技术的创新,展示了现代化管理的科学性和现代化人才的重要性,也预示出掘进机工法在隧道及地下工程领域美好的发展前景。

                      中国城市地铁建设的新飞跃

          TBM的成功使用表明中铁隧道股份有限公司已占据了山岭隧道建设的制高点。但是他们没有因此而满足,而是将目光早早地瞄准了前景广阔的城市地铁领域。在世界经济全球化和以高科技为动力的知识经济浪潮汹涌而来的时代,中国经济的持续稳定增长为中国的进一步发展提供了更广阔的空间。中国的二十一世纪,城市化必将是其主要的发展道路,然而城市化的发展必将带来三大难题:城市人口的急剧增长,城市交通的繁忙与拥挤,城市社会与人文环境的恶化。发达国家的发展历程证明了发展城市地铁是解决城市三大难题的有效途径之一。城市地铁以其舒适、快捷、准时、无污染得到了各国政府与广大市民的青睐。作为改革开放的前沿的广州,地铁建设仍然像城市经济的飞速发展一样,以其独特魅力受到了众多的关注,特别是国际先进的城市地铁施工方法--盾构法的运用更是成为瞩目的焦点。担负广州地铁二号线扛鼎之作的,正是中铁隧道股份有限公司。

         越三区间盾构作为中隧股份在广州地铁二号线里程碑式的代表作,从一进场开始就受了社会各界的广泛关注,究其原因,正是工程的极其艰难所致。

         越三区间隧道单线总长3926米,该工程有突出的三大难点:一是隧道通过的地质软弱不均,变化频繁,穿越地下富水段的广从断裂带;二是隧道穿过广交会楼群,友谊剧院等大小不一、年代不同,结构各异的建筑物达135幢之多,尤其是穿起距隧道顶部0.6-2米的建筑物桩基群和广州火车站的京广铁路轨道群;三是工期压力大,进度指标高,按照地铁二号线的总体建设计划,越三区间盾构项目月平均开挖必须达到220米以上,大大超过了同类盾构施工进度指标。

         为了突破这三大难关,更快、更优地建成越三区间隧道,中隧股份充分发挥优势,组织了土木、机械、电气等专家与技术人员,确定施工工艺与施组方案,从德国引进了两台土压平衡式盾构掘进机,并命名为"先锋一号"和"先锋二号"。这两台盾构掘进机刀盘和刀具能够根据地质变化进行更换与调整,可采用三种不同的模式,最大推进速度达到每分钟80毫米,该类型盾构掘进机不仅能够满足广州地铁盾构法施工的需要,而且可以运用到国内其它的城市地铁。

   盾构法施工作为当今国际最为先进的地铁施工方法,实现了工厂化作业。注浆、出碴、管片运输等环节是施工要达到最佳效益的关键。经过多次试验和联合攻关,中铁隧道股份有限公司在国内盾构工程中首次研制和采用翻转式矿车、砂浆车、管片车、重载编组列车,并联合开发了适应城市地铁施工运输的大吨位变频交流机车运输系统,大大提高了运输能力,缩短了施工循环时间。而他们与协作单位合作开发的大吨位悬臂龙门吊又开辟了国内出碴方式的先河,有效缓解施工现场狭小带来的困难,科技创新已为高速度创精品插上了腾飞的翅膀,受到了国内外的广泛关注。日本、德国专家先后三次参观考察,发出了一次次的惊叹。

          越三区间盾构工程从开始掘进就达到了高速度,创造了单机日成洞30米和单机月成洞405米的全国地铁施工新纪录,两台盾构掘进机仅用8个月打通了3926米的区间隧道,据有关专家介绍,这样的施工速度在国内城市建设尚属罕见。

         马克思说,最先朝气蓬勃投入新生活的人,他们的命运是令人羡慕的。是的,中铁隧道股份有限公司员工在攻坚过程中找到了幸福和欢乐。他们追求的是物质与精神的统一,个人利益与企业利益的统一,他们工程干得漂亮,安全、文明施工也毫不逊色,从现场围屏的竖立、材料的堆放、员工住宿美化到治安综合治理都有严格的规定,处处一派现代企业的盎然生机。今年3月,该工地被广州市建委评为"安全文明施工样板工地",该项目部被广州地铁总公司评为"先进施工项目部"。

                       中国地下空间开发的新时代

          任何事物的成功都不可能是一时的即兴之作,完全是合乎逻辑的延续连贯。中铁隧道股份有限公司在秦岭特长山岭隧道、西安南京线磨沟岭隧道、广州地铁二号线越三区间隧道的优秀表现,正是其雄厚实力的直接体现,正是这支富有传奇色彩队伍的本色使然。20多年来,中隧股份以推动国家隧道与地下工程事业为已任,面对高科技飞速发展和产业技术革命的浪潮,始终紧跟时代步伐,站在我国隧道和地下工程施工技术领域的前沿。80年代初,他们率先在国内引进四臂凿岩台车修建了衡广复线大瑶山隧道,90年代又率先在国内使用TBM,建成了我国最长的西康铁路秦岭隧道,无不显示出作为隧道和地下工程专业队伍的责任与实力。进入前景广阔的城市地铁施工领域,开发盾构技术,是中铁隧道集团和中隧股份多年的夙愿。2000年初,在广州市地下铁道总公司的信任与支持下,中铁隧道股份有限公司承担了地铁二号线越三区间盾构施工任务,成为进入盾构技术领域的首家铁路施工企业,盾构新技术的开发,必将成为中铁隧道集团和中隧股份历史上的又一座里程碑。

          一直致力于TBM、盾构引进和使用的中国工程院院士王梦恕曾撰文这样描述TBM及盾构的发展前景:今后TBM在中国还是大有用武之地的,修建海底隧道穿越琼州海峡连接内陆与海南岛,穿越台湾海峡连接大陆与台湾,穿越渤海海峡连接烟台与大连都是以后的发展方向,而海底隧道运用TBM法开挖,又是最优方案,尤其是目前疏通海南岛的呼声很高,其投资、技术都是可行的。王梦恕院士同时就海上大桥方案与隧道方案进行了对比;认为海峡受台风影响严重,大桥不可能全天候运行,由于水较深、墩台厚、跨度大,施工难度大,而且还会对海峡东西通航造成人为的障碍,修建海底隧道不受气候影响,可保证全天候运行,不干扰海面通航。不会对所在海域造成污染,而且结构安全度高,抗战争能力将会发挥更大的作用。

         爱因斯坦说,对一个真正的人来讲,他们渴望的不是别的,而仅仅是全力以赴和献身于一种美好的事业。对中隧股份人来说,他们执著追求的是管理和思维的创新,是为共和国建造更多的优质精品工程。目前,磨沟岭隧道、广州地铁二号线盾构区间隧道已经安全优质建成,南京地铁盾构施工正在红红火火地展开,不仅创造了月成洞308米的高产指标,而且荣获南京市地铁优胜杯和先进项目经理部称号。

         人说中隧股份是先锋,中隧股份人已经熟练掌握了TBM和盾构掘进机的施工工艺,具备世界先进水平的地下工程施工技术。他们追求的是更完美的工艺与质量,最终实现打造TBM、盾构领域的王牌梦想。


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