巧馭盾構(gòu)穿高鐵 大國工程樹標桿
——記同濟大學城市軌道與鐵道工程系教授周順華

□ 王長丹 趙 昱 劉 佳

周順華

當列車以300km/h的速度平穩(wěn)駛過山川大地時，人們可能不會想到，在軌道下方數(shù)十米的地層中，盾構(gòu)機這樣的“龐然大物”正在緩緩向前推進。長期以來，下穿高速鐵路施工困難重重，其帶來的擾動更嚴重威脅著列車的運營安全，甚至在早期鐵路保護范圍內(nèi)施工便代表著列車停運。

從施工即停運到列車限速45km/h，再到如今列車不限速的下穿高速鐵路施工，背后凝結(jié)了一代代科研人員數(shù)十年如一日的不輟耕耘、上下求索的潛心研究，以及數(shù)以百計的工程實踐。同濟大學教授周順華，正是列車不限速下穿高速鐵路施工的“逐夢人”。

逐夢高鐵 引領(lǐng)潮流

2017年7月18日，濟南軌道交通R1線盾構(gòu)機成功下穿京滬高鐵，完成了國內(nèi)首個多重復雜工況下對運營高鐵線路的下穿施工。作為國內(nèi)首次地鐵盾構(gòu)隧道在大埋深、高富水、小半徑等多重復雜工況下的下穿施工，它憑借0.3毫米范圍內(nèi)的沉降控制，實現(xiàn)了“零沉降”。

與下穿普通鐵路相比，下穿高鐵無砟軌道變形控制更嚴，周順華表示，“以前最為嚴苛的標準——機場跑道道面允許變形為10毫米，而下穿高鐵無砟軌道變形僅為它的1/5，也就是2毫米?！边@也就代表著技術(shù)難度極高，施工要求也更為嚴格。為了滿足下穿高速鐵路施工的剛性需求，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，周順華及其團隊經(jīng)過20載刻苦攻關(guān)，在理論、技術(shù)、裝備等方面取得重要突破，形成了地下工程穿越高速鐵路的精細化控制技術(shù)。他們在無先例可循的形勢下，率先打破了被國際工程界視作禁區(qū)的下穿高速鐵路技術(shù)受限格局，累計為500多項下穿工程保駕護航。

與此同時，順應“一帶一路”倡議和中國高鐵“走出去”的時代潮流，周順華還組織編寫了首部《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》雙語行業(yè)標準，將國產(chǎn)原創(chuàng)技術(shù)推向世界，服務(wù)于多項海外工程。其成果填補了有關(guān)高鐵運維標準體系的空白，引領(lǐng)了國際地下穿越技術(shù)的發(fā)展，具備廣闊的應用前景。此外，憑借一系列先進性技術(shù)成果，周順華領(lǐng)導研發(fā)團隊先后獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2項、省部級科學技術(shù)獎一等獎7項。近年來，他還出版專著7部、發(fā)表學術(shù)論文300余篇，其中被SCI、EI收錄200余篇，獲得國家發(fā)明專利37項、軟件著作權(quán)4項、工法3項，編寫標準規(guī)范2部。

攻堅克難 敢為人先

把論文寫在列車飛馳的祖國大地上。周順華自20世紀80年代開始，便與鐵道工程領(lǐng)域結(jié)下不解之緣。他畢業(yè)后主動赴高校任職，開展與鐵路相關(guān)的工程研究，“除了教書，我其余的時間基本都用在自己的研究興趣上，周末沒有特別的事情更喜歡待在工程現(xiàn)場和實驗室里”。

正是因為積極的學習和參研態(tài)度，周順華為自身謀求到更多的發(fā)展機會，陸續(xù)投入到上海軌道交通1號線、滬寧線“上?！暇笨焖倭熊囅刃刑柕软椖拷ㄔO(shè)。建設(shè)施工過程中，他深感復雜地下工程開挖對經(jīng)驗的依賴，也逐漸認識到要改變以經(jīng)驗為主的現(xiàn)狀，必須建立真實反映開挖施工物理過程的理論模型?！暗叵鹿こ涕_挖影響因素繁多，建立模型困難，只有去偽存真、抓主要矛盾才能實現(xiàn)從傳統(tǒng)經(jīng)驗為主到理論創(chuàng)新的突破?！本拖裰茼樔A說的這樣，短短幾年內(nèi)，他整合施工現(xiàn)場的經(jīng)驗現(xiàn)象，抽象提出了開挖應力釋放計算理論，揭示了開挖土體應力釋放和變形自鎖機理，真實反映了開挖施工的物理過程。

而為了解決列車提速，舒適度難以保障等難題，周順華還針對鐵路路基工程研究進行了大量嘗試，在滬寧線上打響了中國鐵路提速第一炮?！盎疖嚭推嚥煌?，提速行駛后，對路基是一次巨大的考驗。因為列車自身重量大，行駛速度越快，對路基的破壞力也就越大，必須對不符合標準的路基進行改造才能保證行駛安全。”面對原鐵道部提出的發(fā)展需要，周順華作為主要負責人與團隊成員合力攻堅，在鐵路下埋設(shè)傳感器、站在鐵路邊搜集數(shù)據(jù)、埋頭在實驗室分析研究，連續(xù)數(shù)月，終于計算出不同速度所需的路基強度標準，并成功應用于多條鐵路線路提速路基整治。

隨著研究的深入開展，對地下工程和鐵路工程涉足越深，周順華越感到地下工程穿越鐵路技術(shù)發(fā)展的迫切性。他表示，未來現(xiàn)代化的工程建設(shè)是大勢所趨，“國內(nèi)外理論及技術(shù)方法研究遠遠落后于工程實踐需求，特別是城市地下工程下穿運營鐵路，嚴重制約了我國城市地下工程建設(shè)發(fā)展和鐵路運營安全”。于是，基于前期的領(lǐng)域研究理論和技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗，周順華做了一個重要的決定——深入研究下穿高速鐵路施工技術(shù)方案，切實解決地下工程建設(shè)中各階段所面臨的問題。

在中國科學院學部軌道交通工程科學技術(shù)前沿論壇上作學術(shù)報告

厚積薄發(fā) 砥礪前行

進入21世紀，復雜的工程地質(zhì)條件和嚴格的環(huán)境制約條件使我國地下工程建設(shè)面臨諸多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。周順華深感肩上責任重大。身為地下工程專家，他指出，多次城市地下工程施工開挖事故，對國家和社會造成了重大損失。破除工程施工阻礙不僅關(guān)乎經(jīng)濟、社會發(fā)展，更與施工人員的生命安全密切相關(guān)。

為此，周順華帶領(lǐng)研究團隊來回奔波于工程現(xiàn)場與實驗室，力求早日找到突破點。結(jié)合對傳統(tǒng)下穿鐵路方法管棚法和箱涵頂進法的深入認識，他們通過對管棚支護體系的進一步研究，發(fā)現(xiàn)管棚并不是傳統(tǒng)認為的數(shù)量越多、直徑越大越好，并基于應力釋放理論提出了棚架原理，驗證了原理的正確性。而后，將理論和方法部分應用于南京地鐵1號線下穿滬寧鐵路、杭州解放路下穿滬杭鐵路等工程當中，不僅打破傳統(tǒng)管棚法45k m/h的速度限制，還節(jié)約了大量的施工成本，被業(yè)內(nèi)廣泛認可并推廣。

“將來，伴隨著高鐵時代的來臨和城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的推進，道路、地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施地下穿越高鐵的需求劇增”。盡管取得了一些成就，但從我國剛剛開通第一條高速鐵路起，周順華就明白，研究只是剛剛開始。

面對高鐵軌面只允許2毫米的變形限制，他思考著“如何保證城市地下隧道安全穿越高速鐵路”，利用同濟大學較早開展相關(guān)研究的基礎(chǔ)優(yōu)勢，從理論和技術(shù)兩方面尋求突破。“首先是缺乏相應的理論分析方法，當時，國內(nèi)外還沒有建立行車動荷載和開挖耦合影響的理論模型。我們從系統(tǒng)動力學角度，創(chuàng)立了動力學設(shè)計方法。”在理論方法建立的同時，周順華團隊還發(fā)明了新的控制技術(shù)，并根據(jù)盾構(gòu)法施工原理，明確傳統(tǒng)施工控制的缺陷，提出了掌子面、千斤頂、盾尾的三元同步控制技術(shù)及相關(guān)的控制裝置。這套裝置的智能調(diào)控水平得到了飛躍，突破了傳統(tǒng)機械施工對鐵路嚴重干擾的重大設(shè)備瓶頸，成果納入相關(guān)技術(shù)規(guī)范。不僅如此，基于應力釋放原理，周順華還提出了剛?cè)釓秃辖Y(jié)構(gòu)的變形逐階阻隔方法。

僅僅停留在理論和技術(shù)的研究層面，對周順華而言還遠遠不夠。2012年，杭州地鐵1號線下穿滬杭高鐵；2015年，連續(xù)下穿京滬、滬漢蓉等高鐵群9條線路……周順華經(jīng)過反復的論證，采用提出的分區(qū)加固、剛?cè)釓秃辖Y(jié)構(gòu)隔離法等不限速下穿鐵路設(shè)計技術(shù)，運用首創(chuàng)的不限速下穿高鐵設(shè)計方法服務(wù)于多項工程?！败浲恋貙酉麓└咚勹F路，猶如在豆腐中‘穿針引線’，而采用我們的方法成功創(chuàng)造了一次性穿越距離最長、速度最高、高鐵線路最密集和下穿高鐵咽喉道岔區(qū)4項工程紀錄，經(jīng)受了350k m/h復興號列車提速的檢驗！”周順華驕傲地說。

雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。在周順華看來，科學研究道路沒有盡頭?！拔覀兡哪芡Ｏ聛恚苛熊囋脚茉娇?，我們搞科研的稍不留神，就跟不上了！