復(fù)合地層盾構(gòu)工程的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)展

文｜竺維彬

復(fù)合地層盾構(gòu)工程的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)展

文｜竺維彬

竺維彬，教授級(jí)高工，現(xiàn)任廣州地鐵集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理。國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、住建部城軌質(zhì)量安全專家委員會(huì)專家、全國(guó)軌道交通協(xié)會(huì)工程建設(shè)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，提出和定義了一系列復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)的新概念、新觀點(diǎn)、新方法，創(chuàng)立了“復(fù)合地層盾構(gòu)技術(shù)理論體系”，發(fā)表地鐵建設(shè)、盾構(gòu)技術(shù)方面論文50余篇，主編著作5本，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、第四屆詹天佑土木工程大獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，獲“全國(guó)建設(shè)系統(tǒng)勞動(dòng)模范”、“全國(guó)勞動(dòng)模范”等榮譽(yù)稱號(hào)。

長(zhǎng)期分管地鐵建設(shè)，我逐漸形成和堅(jiān)定一個(gè)理念：就是把所有的工地當(dāng)作新理論、新觀點(diǎn)、新技術(shù)的“產(chǎn)學(xué)研”試驗(yàn)田，這樣檢驗(yàn)最有效，成果轉(zhuǎn)化最快，盡可能在不花一分錢(qián)的情況下總結(jié)再創(chuàng)新。創(chuàng)新的目的就是給全國(guó)提供經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以降低工程風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量。

復(fù)合地層

以前，盾構(gòu)只是在上海的軟土、均一地層里面掘進(jìn)，接下來(lái)是廣州3臺(tái)盾構(gòu)，盾構(gòu)是在上半斷面是砂或淤泥、下半斷面是紅層的地層里面掘進(jìn)，這個(gè)地層怎么掘進(jìn)？所以說(shuō)必須像馬克思研究哲學(xué)一樣，要給你所研究的對(duì)象（地層）定一個(gè)名字。

這套地層，國(guó)外叫mix-ground，翻譯即“混合地層”，但我認(rèn)為地層是客觀存在的東西，不能人為“混合”，且人類歷史短暫，跟地層年代是沒(méi)法比的，名字應(yīng)反映客觀實(shí)際，最后花了半年時(shí)間，給出了“復(fù)合地層”這個(gè)名字。學(xué)術(shù)界對(duì)這個(gè)名字有兩種聲音：一種是認(rèn)同的，大多是從事過(guò)這套地層盾構(gòu)掘進(jìn)的工程技術(shù)人員；另一種是責(zé)疑的，大多是研究土且沒(méi)有從事過(guò)盾構(gòu)工程的人。復(fù)合地層，即在斷面范圍內(nèi)在開(kāi)挖延伸三維方向上有兩種或兩種以上的不同地層組成，而且這些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征相差懸殊。去年標(biāo)準(zhǔn)化制定單位把這種地層中掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)也定名為“復(fù)合盾構(gòu)”，“復(fù)合地層”的概念得到進(jìn)一步認(rèn)可，如今從事盾構(gòu)技術(shù)研究的人都認(rèn)同這個(gè)概念，大家有了“共同的語(yǔ)言”和共同認(rèn)知，為進(jìn)一步發(fā)展盾構(gòu)技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)，這應(yīng)該說(shuō)是最新的研究成果及進(jìn)展。

復(fù)合地層的特點(diǎn)：一、地史不同?，F(xiàn)在大部分城市，上部都存在第四紀(jì)的地層，包括諸如黃土地層，大多也是新生代第三、四紀(jì)的地層，底下有老黃土，老黃土和新黃土不一樣，盡管都叫黃土，但對(duì)盾構(gòu)來(lái)說(shuō)不一樣，新老黃土組合也是復(fù)合地層，所以說(shuō)復(fù)合地層是一個(gè)工程學(xué)的概念。二、巖性不同。這里面可以分成幾大類（表1）。隨著線路延伸、范圍擴(kuò)大、地層埋深加大，隧道斷面內(nèi)地層至少會(huì)有兩種以上組合，目前我國(guó)1500臺(tái)盾構(gòu)中，統(tǒng)計(jì)復(fù)合盾構(gòu)已有800～900臺(tái)。例如廣州、深圳、珠海、廈門(mén)、青島，上面是殘積層，底下是花崗巖，在這樣的斷面中盾構(gòu)掘進(jìn)是非常困難的，若你還是用以前均一地層的思路去指導(dǎo)工程，那只能以 “失敗”或“巨大代價(jià)”告終。

表1 復(fù)合地層分類

風(fēng)險(xiǎn)源之間的易理關(guān)系

還有一些不良地質(zhì)，諸如廣州、深圳、東莞、珠海、廈門(mén)經(jīng)常碰到的孤石，臺(tái)北的流木，還有古墓、古井等特殊地質(zhì)，今年有一個(gè)基坑里面挖出來(lái)的解放以前的炸彈，這些都可歸入到特殊的復(fù)合地層，需有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

風(fēng)險(xiǎn)管控理論

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)及其控制的核心理念，考慮了有十幾年。受《易經(jīng)》啟發(fā)，基于盾構(gòu)的工程風(fēng)險(xiǎn)和事故特征，又結(jié)合馬克思著作歸納為：表面上，盾構(gòu)工程施工風(fēng)險(xiǎn)像幽靈一樣游趟在天地之間、黑白之間，總是利用或?qū)ふ摇暗刭|(zhì)復(fù)雜性”、“盾構(gòu)機(jī)的不適應(yīng)性”、“人認(rèn)知的局限性、責(zé)任性、方案和措施的不合理性”等薄弱環(huán)節(jié)或漏洞作為突破口，擴(kuò)張盾構(gòu)工程的風(fēng)險(xiǎn)概率和級(jí)別，制造盾構(gòu)工程事故；實(shí)際上，在自然風(fēng)險(xiǎn)與人為風(fēng)險(xiǎn)之間，人為風(fēng)險(xiǎn)是主要的，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和盾構(gòu)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)人的過(guò)失體現(xiàn)的，因此首先要建立地下工程“以風(fēng)險(xiǎn)管控為核心”的理念，重點(diǎn)“控制人為”風(fēng)險(xiǎn)。按照《易經(jīng)》來(lái)說(shuō)盾構(gòu)機(jī)是“陽(yáng)”的，地質(zhì)是“陰”的，但人有兩面性，所以演繹出一個(gè)科學(xué)理念：地質(zhì)是基礎(chǔ)，盾構(gòu)機(jī)是關(guān)鍵，人是根本。人有兩面性，責(zé)任心強(qiáng)、技能高的為“陽(yáng)”，責(zé)任心差、技能差的為“陰”。眾所周知，地下工程講究平衡，不平衡就要出事，這是提升到一個(gè)哲學(xué)的理念，方便理解和掌控。

有關(guān)盾構(gòu)工程風(fēng)險(xiǎn)管控的理論是在廣州等城市100多公里的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，2006年我們出版了全世界第一本盾構(gòu)工程風(fēng)險(xiǎn)管控的著作《地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)源及典型事故的研究》。廣州地鐵有個(gè)好的傳統(tǒng)，地鐵設(shè)計(jì)院、監(jiān)理公司、建設(shè)總部等都堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，一旦發(fā)生事故，一定要找到真相，如今看來(lái)實(shí)踐難得，卻十分值得。社會(huì)上報(bào)道的許多事故原因，其實(shí)有很多水分，往往把“人為因素”去掉，都強(qiáng)調(diào)客觀因素，這或許是許多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確率不到50%的主要原因。

風(fēng)險(xiǎn)的管控模式

風(fēng)險(xiǎn)的管控模式，也是十幾年前提出的。流程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，即當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)演變成危險(xiǎn)時(shí)如何處理？目前許多城市出的事故，原來(lái)是可以控制的，問(wèn)題是行政干預(yù)很多，又需開(kāi)許多論證會(huì)，還是診斷不出主要原因來(lái)，浪費(fèi)了時(shí)間，忽視了工程的“時(shí)空效應(yīng)”，錯(cuò)失了決策良機(jī)。每當(dāng)此時(shí)，當(dāng)事人必須找到風(fēng)險(xiǎn)真相，分析清楚主要風(fēng)險(xiǎn)和次生風(fēng)險(xiǎn)，果斷決策，因?yàn)榈貙訒r(shí)刻在變化。地鐵建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管控是要建立以風(fēng)險(xiǎn)管控為核心的一個(gè)全過(guò)程管控。

盾構(gòu)掘進(jìn)仿生圖

盾構(gòu)掘進(jìn)仿生圖是受多年的腸胃病困擾啟發(fā)，覺(jué)得把盾構(gòu)跟自己的身體結(jié)合在一起來(lái)考慮會(huì)永生難忘。人和盾構(gòu)一樣，人的口腔和牙跟盾構(gòu)的刀盤(pán)相對(duì)應(yīng)，刀盤(pán)能“啃下”巖土嗎？吃進(jìn)去以后到土倉(cāng)里面能不能“消化”？“消化”了以后，能“排”的出來(lái)嗎？國(guó)內(nèi)許多盾構(gòu)機(jī)選型，包括南京長(zhǎng)江四條隧道，都出了“滯排”問(wèn)題。人要是排不出來(lái)就憋死，盾構(gòu)機(jī)同樣的道理，排不出來(lái)就憋死，這個(gè)概念早在2004年提出來(lái)的叫“滯排。

復(fù)合地層創(chuàng)新成果

在二十年來(lái)復(fù)合地層的盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展基本成果中，一個(gè)核心點(diǎn)是廣州地質(zhì)太復(fù)雜，有花崗巖、溶洞、煤層氣、淤泥、粉細(xì)砂層，廣州地鐵9號(hào)線70%見(jiàn)洞率，可以說(shuō)整條線盾構(gòu)都在溶洞里掘進(jìn)。因此在掘進(jìn)方面要?jiǎng)?chuàng)新，碰到工程難題，既是挑戰(zhàn)又是機(jī)遇，只要大膽探索，勇于創(chuàng)新嘗試，一定能夠找到解決方法。這系列復(fù)合地層盾構(gòu)的創(chuàng)新成果都是從克服工程實(shí)際困難中誕生的。

盾構(gòu)掘進(jìn)仿生圖

二十年來(lái)復(fù)合地層的盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展基本成果

廣州地鐵5號(hào)線建設(shè)時(shí)，全國(guó)第一臺(tái)雙螺旋盾構(gòu)機(jī)過(guò)珠江

串聯(lián)雙模盾構(gòu)原理圖

我這一輩子很有幸全程經(jīng)歷廣州地鐵519臺(tái)次盾構(gòu)施工，經(jīng)歷了無(wú)數(shù)險(xiǎn)境，值得欣慰的是定義了幾大概念，諸如泥餅、噴涌、有效推力、滯排等。泥餅、噴涌現(xiàn)象不是我最早經(jīng)歷的，國(guó)外早已有發(fā)現(xiàn)，但在國(guó)外尚未研究清楚它的機(jī)理時(shí)，我們基本研究清楚了。在復(fù)合地層里面，影響進(jìn)度50%的原因都是“泥餅”“噴涌”“滯排”這幾個(gè)詞，事故的50%，也是這幾個(gè)詞理解不透，沒(méi)有能力控制造成的。

廣州地鐵5號(hào)線時(shí)，采用了全國(guó)第一臺(tái)雙螺旋盾構(gòu)機(jī)過(guò)珠江。后來(lái)為更好地解決噴涌和滯排問(wèn)題，建議海瑞克試制6臺(tái)串聯(lián)式雙模盾構(gòu)，以應(yīng)對(duì)馬來(lái)西亞吉隆坡灰?guī)r地層，提議華隧試制兩臺(tái)并聯(lián)式雙模盾構(gòu)，以應(yīng)對(duì)廣州地鐵9號(hào)線斷裂破碎帶地層，其機(jī)理是：泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的時(shí)候，許多大的顆粒管道排不出來(lái)，可以用土壓盾構(gòu)的螺旋輸送機(jī)把它排出，并且平衡不會(huì)被打破。

展望

我這一輩子只做了一件事，就是“研究清楚地下地質(zhì)特征，把地下的土搬到地面，再把本來(lái)屬于地上的混凝土鋼筋又放到地下形成結(jié)構(gòu)空間”。長(zhǎng)期以來(lái)，我們堅(jiān)持“創(chuàng)新引領(lǐng)，一線創(chuàng)新”的方針，創(chuàng)新取得許多突破和效益，概括為：創(chuàng)新需要勇氣，創(chuàng)新無(wú)止境，創(chuàng)新有風(fēng)險(xiǎn)，但是創(chuàng)新能贏得質(zhì)量和安全，創(chuàng)新能贏得效益，創(chuàng)新贏得市場(chǎng)，創(chuàng)新贏得尊重。隨著超大直徑、超深埋深、超長(zhǎng)距離盾構(gòu)機(jī)的使用，挑戰(zhàn)和希望并存，現(xiàn)在還有許多諸如大盾構(gòu)常壓換刀刀盤(pán)結(jié)泥餅等問(wèn)題尚未解決，希望同仁們共同繼續(xù)創(chuàng)新，共同分享創(chuàng)新的成果和喜悅。

本文為竺維彬在2017年第三屆城市軌道交通工程建設(shè)發(fā)展研討會(huì)中的發(fā)言，根據(jù)錄音整理后授權(quán)刊登。