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山东济南:一隧穿“鹊华”智造新“样板”!

2024-03-02 产品中心

  1月6日,随着“黄河号”盾构机刀盘破洞而出,顺利抵达接收工作井,由山东济南城市建设集团投资建设、中铁十四局施工的济南黄河济泺路北延工程西线隧道贯通,标志着济南新旧动能转换起步区交通主动脉建设取得重要进展,为超大直径盾构隧道穿越大中型水库积累了宝贵经验。

  全长4383米的济泺路穿黄北延隧道项目,是2021年建成通车的“万里黄河第一隧”——济南黄河济泺路隧道向起步区腹地延伸的又一条国内在建最大直径公轨合建隧道工程。线路起自济泺路隧道敞开段,终点至国道308线,以盾构隧道方式下穿邯济铁路、鹊山水库,盾构段长2045米,管片外径15.2米,盾构机刀盘开挖直径15.76米。

  “超大直径盾构穿越中大型水库,这在国内尚无先例,尤其是长距离穿越,更对施工提出了超高挑战。”中铁十四局项目负责人杜昌言表示,他们通过新理念、新技术、新工艺的应用,已掌握了一套大直径盾构穿越大中型水库成套技术,依托该技术,西线隧道“黄河号”盾构机顺利出洞,东线隧道“泰山号”盾构机也已安全穿越鹊山水库等建构筑物,地面沉降控制在1厘米以内,远高于行业2厘米沉降控制标准。

  “穿黄北延隧道是连通济南市主城区和新旧动能转换起步区的重要纽带,工程起自济泺路黄河隧道敞开段,总长4383米,隧道以盾构方式下穿鹊山水库,再接入省道S101。”项目负责人杜昌言表示,作为济南黄河济泺路隧道的北延工程,相聚不远的两座隧道直径、建设方案基本一致,穿越地层都是粉质黏土、局部夹杂钙质结核。

  钙质结核对盾构机掘进的阻碍作用不可小觑。杜昌言介绍:“经过亿万年沉淀沉积而成的钙质结核,形态各异、结构复杂、质地坚硬,它们进入出浆管道并在其中横冲直撞,会产生浆液滞留、卡管卡泵等问题,严重时还会使管道磨损、设备停机。”

  为了解决上述问题,确保隧道顺利穿越铁路、水库、管线等建构筑物,结合穿黄隧道施工经验,项目团队决定对“黄河号”“泰山号”盾构机进行针对性改造。怎么改、如何改?杜昌言带领项目团队制定详细的“工作清单”,先后召开30余次会议,最终敲定盾构机“升级”举方案。

  ——“牙齿”更锋利。对盾构机刀盘进行适应性配置,增加38把焊接式先行刀,并对刀具高度进行提高,可以更加有效应对当前穿越地层。

  ——“血管”更通畅。盾构机增加了联通管路螺旋防堵系统,有效防止仓内联通管因底部堆积造成的压力不稳定,并能保证联通管始终处于通路,进而使掌子面保持稳定。

  实践证明,升级后的两台盾构机,有效适应了黄河特有的粉质黏土地层,工效提升了20%。

  翻开济泺路穿黄北延隧道工程路线图,可以清晰地看到,两台盾构机自鹊山水库下穿越而过。“鹊山水库承担着济南市40%的居民用水,而且没有替代性水源。”中铁十四局项目总工程师王超表示。

  鹊山水库修建之前,原始地貌为村庄和田地,经过多方了解,项目团队确定水库可能存在村用机井,但是时间久远,具置并不能明确。而盾构机掘进过程中,一旦出现未知水井出现在断面内时,可能引起盾构机前仓与水库连通,造成库水渗漏和对环境污染。

  2021年7月5日,济泺路穿黄北延隧道工程建设方案专家咨询会在济南举行,中国工程院钱七虎院士、李术才院士等6位专家组成的专家组认为,工程总体建设方案可行。他们强调,“水库原为村居,隧道穿越断面内情况复杂,可通过钻探、物探等多种手段,详细了解库底隧道穿越断面上的地质情况。”项目部随即组织了蛙人摸排,他们用半个月的时间,对掘进线路上的水域进行了细致摸排,确定了机井位置。

  项目还成立“王超创新工作室”,联合山东大学围绕“超大直径泥水盾构长距离穿越大型一级水源地”开展课题研究。他们采用理论分析、数值计算、室内模型试验等手段,分析水库区域复杂渗流场对盾构施工安全的影响,研究应用新型盾构泥水处理系统和同步注浆材料、配置技术。

  他们首次研制“隔水帷幕”为水库底部套上“保护罩”,不仅能够随着盾构机前行,使用后还可以回收,从根本上保护水质。“隔水帷幕”上装置应变片和水位计,定时自动读取水库底的位移变化情况。

  “为了确保水质安全,我们对水库进行了巡视和水质检测,每周开展1次水质检测,2-3天开展一次普通巡视。”作为土生土长的济南人,技术员宋玉琦承担着这份工作,一年多来,他们累计采样52次,样品多达200瓶。

  截至目前,他们已经掌握了一套行之有效的穿越大中型水库成套技术,已形成6篇论文和8项发明专利。

  此外,北延隧道的黏土地层具有很好的携渣能力,为此他们就地取材来调制泥浆。“一般情况下,泥浆需要通过人工添加膨润土来调制,使其具备良好的携渣能力,在这里我们直接注入清水,通过盾构机的推进循环,溶解地层里的泥浆,使其成为原浆,过程中不再添加制浆剂等材料,从小细节的地方做好环保工作。”王超表示。

  济南黄河济泺路隧道北延工程先后需要4次穿越大堤和长达1550米的水域,相较于黄河济泺路隧道建设时期,施工难度并不小。

  “我们的最浅覆土仅为10米,距离库底不足十米的地方,要挖出一个直径超过15米的断面,施工难度可想而知。”中铁十四局盾构经理周赞说,一旦隧道沉降值过大,将会出现裂纹,甚至塌空,对水库都是极大的危害。

  长距离穿越水域段,速度并不是项目团队唯一的追求,因为盾构机不能频繁的长时间停机,所以需要匀速快速穿越。他们通过掘进参数的控制、施工组织的优化、设备物资的保证来确保施工的连续性和稳定。

  不足10平米的操控室,就是周赞团队的“战场”,下达掘进命令,机器开始轰鸣,油泵、泥浆泵、刀盘运转,盾构机开始缓慢前进。他们要紧盯切口压力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度、盾构推力、出土情况等参数,根据埋深和地质以及测量反馈的数据,逐项调整盾构掘进的主要参数,保证切口压力要稳定。

  “如果速度太快,设备刀盘扭矩都会变大,对地面的扰动也会同样增加,同时,盾构机的设备故障率也会提高。”周赞说,如果把盾构机比喻为人,在进行跑步时,匀速慢跑的人的耐力将会更长久。

  为此,他们严控切口要求,主动控制掘进速度,最高日进尺18米,最高月进尺332米。此外,他们还加强对设备的维护保养,截至现在,维保团队已经了完成了近11000余条设备点巡检任务以及近36000条润滑任务,有效延长了盾构机的使用寿命,避免了盾构机发生突发故障。

  此外,他们还进一步加密监控,下穿大堤河水域时,每天开展四次监测,并开展大堤24小时巡视,随时监测和反馈地面监测情况。

  与正在建设的实体隧道相对应,一座数字孪生的“云上隧道”也在同步“掘进”。“每掘进一环,云上数据就更新一环,在‘数字盾构’中,点击具体模块,就可以查阅相应参数。”周赞表示,这些信息也实时传输到600公里外的南京大盾构公司盾构智慧管控中心。

  盾构智慧管控中心对数据进行自动化分析,当参数出现异常时,相关预警信息就会分级发送给对应人员,使隧道建设“尽在掌控”。据统计,济泺路穿黄北延隧道掘进期间,系统共发送预警1100余次,为项目团队及时发现隐患、解决问题提供了重要信息。

  在现场工序作业时,工人怎么干、班组长怎么管、管理人员怎么验?走进济泺路穿黄北延隧道工程,答案一目了然。

  在“泰山号”盾构机管片拼装区,矗立着一块SOP标准作业工序标志牌,管片拼装工序的准备工作、作业标准、施工程序、验收程序、注意事项、设备工具等内容,在标志牌上被一一明确。

  “这让一线工人和管理人员在作业过程中,能够熟练掌握质量控制标准,从而保证工序质量,让管片实现高精度拼装。”该项目盾构经理周赞说,以SOP管理模式为抓手,现场工序作业逐渐迈向“程序化、标准化”,有效促进工程质优目标的实现。

  SOP管理模式并不是该项目管理提升的唯一手段,以设备寿命周期为改善对象的TPM精益管理理念,也在该项目落地推行。“TPM就是全员参与生产维护,通过小组活动,使作业程序更加规范化,最终追求设备零故障率。”该项目物资部部长高震说,他们成立了8个TPM课题小组,将课题目标数据化、具体化,并设定完成期限。

  盾构机注浆泵的故障率降低52%、资料查找时间由原来的5分钟缩短为1.5分钟……翻开济泺路穿黄北延工程TPM课题成果,一项项数据都有了显著提升,通过各项课题大力开展,设备完好率达到96%以上,有效提高了盾构掘进工效和施工质量。

  既要有“里子”,也要有“面子”。在中铁十四局济泺路穿黄北延隧道工程施工现场,“5S”标准化管理让安全文明常态化、现场管理工厂化成为现实——走进盾构机掘进掌子面,现场整洁有序、工具定置存放;步入物资仓库,材料摆放整齐,领用方便快捷……

  “‘5S’标准化管理是项目精细化管理的一项重要内容,通过借鉴‘目视化、定置化’管理的成熟做法,有效提升安全文明施工以及项目整体管理水平。”该项目党支部书记贺小宾介绍,“5S”管理品牌的应用,进一步提升了项目标准化管理水平,该项目也成为展示中铁十四局大盾构品牌的最佳窗口。

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