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    深道丨地下施工超级难

      发布时间:2017-12-12 18:42

      2015年6月18日,广东东雷高速最为关键、难度最大的跨海工程通明海特大桥钢栈桥开工建设。大桥横跨通明海两岸,是连接东海岛和雷州市的重要路段,地层多由粉质粘土、中砂层、下砂层等构成,施工中极易塌孔。地质条件极为复杂,同时,跨海大桥的主桥墩桩设计更是深达140多米,这项各种复杂挑战非常集中的超级工程让众多普通桩基础施工企业望而却步。

      承担项目施工的广州民丰建筑工程机械有限公司为此专门联系了三一桩机研究院,希望能得到他们的技术支持,来克服这一难题。面对如此艰难的施工状况,三一桩机研究院的专家经过现场认真测量、评估后认定,北京桩机的SR420Ⅱ旋挖钻机完全可以满足施工方的大桩、深桩的施工要求。这让广州民丰的项目负责人们长出了一口气:“我们总算是找到救星了。”三一桩机研究院专门针对工程的需求、难点,对SR420Ⅱ进行了一系列定制化升级,进一步发挥旋挖钻的技术和性能优势。据北京桩机旋挖所所长王龙刚介绍:“三一采用了新的多层结构钻杆设计,调整了关键部件的结构,并结合新的施工工艺,提升设备的入岩性能。”

      在气氛专注而紧张的广东东雷高速通明海特大桥的主墩桩基施工现场,北京桩机的SR420Ⅱ旋挖钻机正有条不紊地运转,施工人员坚守岗位,各司其职。然而只有北京桩机的技术支持人员们知道,单从施工方的三点限制来看,就预示着这项工程绝不会如此简单。一方面海上平台的施工对整机重量有着严格的限制,最多不能超过200吨。广州民丰建筑工程机械有限公司技术总工程师王登寿表示:“最核心的是在深度上的要求,以前旋挖钻最深可以打到120米,这次施工方的目标却是146米。”在保证满足深度的同时,垂直度的误差必须控制在50cm以下。“这对于北京桩机来说无疑是一次极具挑战性的施工。”王龙刚表示道。

      “然而这只是一个开始,对设备的整体改造正如对病症的把握,我们要全盘考虑。”王龙刚表示。要想达到146.05米的墩桩深度,普通的20米一节的钻杆显然不能实现,必须配备足够长的钻杆。钻杆的加长可以靠拼焊实现,但要既保证钻杆长度又保证垂直度。“光靠工装的改造是不行的,还必须依赖我们最好的现场工程师和他们的经验。”王龙刚说道。

      对任何一个桩基础工程,其深度、直径的改进都存在一定的风险,而北京桩机却仍坚定地选择改造,王龙刚认为:“这主要因为我们对自身的结构件包括设计、标准、一些计算手段有信心。”十多年的经验积累,让北京桩机的所有机型结构件的设计寿命远远大于两万小时,在强度、刚度方面也具有较大的优势,完全可以保证整个桅杆的稳固以及钻杆的垂直度。王龙刚表示:“这是经过充分认证的。”

      随着钻杆长度的加长,其重量增加、提升力加大、卷扬系统容绳量加大等问题也接踵而来。王龙刚表示:“一个设备就如同一个系统工程,往往牵一发而动全身。”一些改进已势在必行,成为必须。如:桅杆和主卷扬的改进以保证其在重荷下不弯不坏、增加加压系统来增加提升力等,但这一系列的改进,对整机的稳定性又产生了巨大威胁。秉着可靠性原则,北京桩机对整机的底盘、尾部以及回转支撑的尾部做了改良。并且在实际运用之前进行了反复的测试与校验,王龙刚表示:“我们对整个组装做了精密的分析与计算,以保证其施工期间的可靠安全。”

      从中国最简单的回旋钻开始,在经历了冲孔桩基、冲击钻等的逐步发展之后,这些设备现在正逐渐被旋挖钻机取代,一般认为冲击钻的成孔对桩体具有极大的破坏性。但缺陷却不仅如此,回旋钻的被替代一方面是施工质量,其在成孔速度、垂直度等方面也远不如旋挖钻机;另一方面施工过程中产生的大量泥浆如果不能得以处理,会对环境造成较大的污染。“因此选用旋挖钻机已然成为一种趋势,不论是考虑到工程施工还是环境保护。”广州民丰建筑工程机械有限公司的机械工程师杨学强异常肯定地表示。

      经过技术升级的北京桩机SR420Ⅱ旋挖钻完全满足了通明海特大桥严苛的施工要求。王登寿对此非常满意。毕竟对于北京桩机的新尝试、新改进,包括他在内的施工方们一度存在很大疑虑。“但现在,我们心里的石头总算落了地。”

      2017年3月16日, “轰隆隆”的作业声在望京隧道中响起,中铁隧道集团承建的京沈客专13标段“共青团号”盾构机正式开始掘进。望京隧道的具体施工分为两个标段,京沈客专京冀段十三标项目部机电总工、工程师古艳旗所在的十三标段长4.63公里,其中3.74公里是盾构隧道,另有暗挖62米、明挖338米。据他介绍,目前第一台盾构机已经施工1300米,第二台也已施工了将近800米,两台盾构机平均每天以12米的速度同向掘进,且在掘进过程中,盾构机前端的推进力量在4000吨到5000吨左右。古艳旗表示:“施工之前的准备工作结束后,现在一切进展顺利。”

      地下工程在施工难度、施工技术、施工环境等方面都与地上工程结构有很大的不同,其风险和危险性也远远高于地上工程,稍有不慎便会造成类似于杭州地铁一号线施工大面积塌陷的惨痛事故。同时地下工程作为较为特殊的工程,工作条件差、工作面小而狭窄,极易受工程地质和水文地质条件的影响;另外暗挖法施工时对地面影响较小,但埋深较浅时可能导致地面沉陷,因而防水、防渗漏就显得异常重要。据了解,这两台盾构机开始掘进后,将依次穿越南皋路及框构地道、首都机场辅路、首都机场高速、机场快轨,以及多处居民区和高大建筑。古艳旗表示:“如果地面沉降大,地上建筑就会下沉甚至开裂,地面沉降要求高,尤其是机场快轨被称为首都的国门线毫米。”这要求盾构机的各部件必须具有较高的可靠性和耐用性,盾构施工技术控制精准。

      泥水处理一直是行业的沉疴却苦无良方。泥水的处理不仅会占用大量施工土地,处理不当更会造成严重的地下水污染。古艳旗解释道:“随着国家环保力度的愈发严苛,我们将泥水处理技术作为重大难题进行了攻关,通过优化泥水处理工艺,引进离心机等建成了国内首座‘零渗漏、零排放、零污染’的泥水处理工厂”。传统离心机一般处理能力是30方到40方泥浆,在工程机械领域并未得到广泛应用。对此,以古艳旗为代表的施工团队立即进行了大量的调查分析,并与专业厂家和国外相关技术人员进行沟通,希望能找到一种确实可行的研发方案,最终成功研发出处理100方以上泥浆的离心机。古艳旗略带兴奋地说道:“泥水盾构机领域第一次引进离心机是北京铁路地下直径线的施工,经过北京铁路地下直径线的实验和南昌地铁一号线的实践,现在我们的泥水技术已经非常成熟了。”

      泥水盾构机工作时一方面需要控制泥浆配比、质量,另一方面则要控制掘进过程中的参数,比如说泥水压力、速度、还有刀盘的转速、刀盘扭矩等。一般靠泥浆在开挖面形成一层泥膜,并通过泥水压力控制可以起到稳定开挖面的作用。古艳旗告诉记者:“泥浆可以携带渣土,并能稳定开挖面。”盾构机掘进后会地层与管片之间形成一个空隙,把这个空隙填满的注浆量需要经过精密计算,以保证完全充满。一旦注浆效果不好,地面就会产生大幅沉降。为了保证工程顺利安全进行,中铁隧道集团望京隧道项目部组织科技攻关,周密部署组织施工进度,严格安全施工管理,同时调集人员、设备,加强在施工中的监测,保证安全、质量万无一失。

      目前的地下施工技术正向着更深、更大、更难、更高方向发展。但在桩机领域,设备技术的升级固然必要,但最重要的是对市场需求的分析。“以前我们将设计理念聚焦于有用的设备,而现在,我们更关注工程本身。”在施工过程中,施工效率的提升、成本的降低都应在施工设备制造商的考虑范围内,主机厂家会根据市场需要为施工方制定最佳方案、配备最优设备。上海金泰东大区服务经理陈浩认为:“我们会调整我们的设备、工艺,甚至调整我们整体的设计方案。”

      对于工程主来说最为重要的是设备租赁费用和购机成本,而节省成本最好的办法其实是提高施工效率。”其中在铣槽过程中,通过排渣管的方式将渣土排出是最为常见的一种形式,为了提升排渣效率,“我们不仅将排渣管从6寸升到了8寸,还将原来的硬管连接改成伸缩式硬管。”陈浩介绍道。“我们会专门定做配套的后台处理系统,这对提升效率来说非常重要。”

      对比目前市面上的一些普通的后处理系统,专门定制的处理系统一方面能满足工程较大处理量的需要;而另一方面在设备的质量上,能保证设备进行及时的维护与检测。陈浩表示:“我们今年增加了水处理传感器,能有效监测保压系统和泥浆系统。”通过监测铣轮在地下的工作情况,进行及时的反馈并解决,并在未知的地下空间内通过数据进行分析、判断各齿轮的工作情况。

      当然,在具体的施工过程中,效率的提升不仅仅在于设备自身性能的提升,更重要的在其施工工艺上。地质条件的复杂更是加大了这种施工难度,而针对复杂的地质情况需要靠不同的施工设备来实现。当遇到液压抓斗无法克服的坚硬地层,便转换双轮铣槽机进行接力。陈浩说道:“此次我们60米以上的黏土层或卵石层采用抓斗深入,70米以下则进行铣槽机接力。”铣槽机就是抓铣结合后的一个施工流程,是对设备安全以及工作连续性的保障,这种施工工艺在上海金泰的设备中得运用十分普遍。

      通过在槽口放置后台处理系统,进行泥浆循环,并且根据施工规模与工地情况进行大小循环系统的选择。这样既能提高泥浆利用率,减少因泥浆随意处理带来的污染,又减少了泥浆量,从而提高施工效率,泥浆和渣土的妥善处理也能更好地满足当下愈发严苛的环保政策。而另一方面则减轻了施工方的成本压力。陈浩表示:“大多从国外引进的循环系统并不适合中国施工情况,我们会因此贴合工程需求进行适应性改进。”

      攻坚最深最宽的项目、克服最难最硬的工况,每一次的改进与创新为地下工程积累经验的同时,也让施工方和设备制造商们感受到了贴合工程需求,适应施工环境的重要性。正如陈国广所说:“我们的目的不是打造超级设备,而是为客户提供定制化的设备和方案。”