地铁隧道穿越五里墩桥墩沉降不超4毫米
2016-05-24
合肥地铁建设正酣，你可知道，就在安徽建筑大学，有一个实验室名为“建筑结构与地下工程重点实验室”，那里的科研工作者们，努力通过各种实验，着力解决地铁区间隧道和车站安全快速施工关键技术，为合肥地铁建设安全保驾护航。
实验室里有台迷你“钻地龙”
盾构尽管是一个很专业的词语，不过对合肥人来说并不陌生，因为合肥修地铁，经常要用到盾构施工。
“使用盾构机械在地下掘进，用机械把土送出洞外，同时拼装预制混凝土管片，形成隧道结构……”安徽省建筑结构与地下工程重点实验室副主任席培胜教授简单明了的解释了盾构施工，在地铁施工中，盾构法施工被认为是最安全、对环境影响最小的一种方法，也是合肥地铁建设中常用的施工方法，盾构机又被称形象的称为“钻地龙”。
在合肥地铁施工现场看到一条“钻地龙”不足为奇，如果在实验室里有条“钻地龙”，是不是出乎你的意料呢？
安徽建筑大学建筑结构与地下工程重点实验室里就有一条“钻地龙”。高高立起的“龙门吊”下面，是一个两米多深的“井”，“井”里一台“盾构机”正待掘进……走进这间实验室，仿佛走进了热火朝天的地铁建设工地，只不过，比起现实中的地铁施工现场来，这里所有的设备都“小几号”。这套复杂的设备构成了一个“大型盾构掘进模拟实验平台”。
身价百万可模拟各种地下环境
在合肥地铁的施工过程中，普通的盾构机重达数百吨，开挖直径动辄六七米。在实验室里的迷你版“盾构机”是按照1:5的比例制造。
记者看到，与现实中的地铁施工现场不同，这台迷你盾构机的掘进面是一个用钢板围成的两米多高的“盒子”，“盒子”里装啥，则完全模拟地下环境，并可以根据需要随时调整。“除了有成分不同的土壤结构，还可以布设各种管线。”安徽建筑大学曹广勇博士告诉记者，在土壤结构中还埋有十几个压力传感器和变形传感器，在实验的过程中，随时得出各种参数，方便科研人员了解施工过程中对环境的影响。“轨道交通工程均处于人口密集、建筑设施密布的城市中。就拿地铁3号线来说吧，它下穿了多座桥梁甚至河流。”曹广勇介绍说，这套“大型盾构掘进模拟实验平台”还可以加设实验设备，模拟下穿桥梁、河流的场景。“施工中面临的地下环境经常不能改变，但盾构施工的推进模式、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速和贯入度等都对周围土体稳定性有不同的影响。通过模拟实验，我们可以获取盾构掘进参数与土体稳定性规律，为施工提供科学的参考。”
席培胜教授告诉记者，这套设备完全由实验室自主设计研发，委托加工企业进行加工。别看它外表粗犷，“身价”可值上百万元呢！
在复杂地底寻找一条安全通道
为什么要搞“大型盾构掘进模拟实验平台”？那是因为盾构法施工虽然优点很多，不过还是会对地层及地表环境产生影响。“岩土开挖不可避免地产生对岩土体的扰动，并引起洞室周围地表发生位移和变形。当位移和变形超过一定的限度时，势必危及地面建筑设施、道路和地下管线的安全。”这套“大型盾构掘进模拟实验平台”，就是科研人员攻克地铁施工中各种技术难题的重要工具。
席培胜告诉记者，在施工中，人们总是尽量避免对开挖面周边土体的扰动，减少对周围环境可能造成的不利影响。“但地下环境非常复杂，土壤成分复杂，还经常分布有各种管线，掘进过程中稍有不慎，就可能导致建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等严重后果。盾构机掘进过程中会造成周围地表发生多大的位移和变形？会不会对天然气、自来水等管线造成影响？有没有可能影响桥梁安全？这些都需要在实验室中先进行模拟实验，然后再来寻求最佳解决方法。而模拟实验离不开盾构掘进模拟实验平台。”席教授说。
掘地百米深寻合肥“土质密码”
在地下结构研究中，常常要采用理论分析、数值模拟、物理模型实验、现场实测相结合的综合研究方法。因此在实验室里，除了能看到“大型盾构掘进模拟实验平台”和模拟矿山环境的“三维相似材料物理模拟实验平台”这样“高大威猛”的实验设备，还有不少看起来不起眼的实验设备进行的是数值模拟，为地下结构研究提供各种具体参数。
普通家用热水器大孝通过各种线缆相连接……“非饱和土三轴仪”模样不起眼，身价一样不菲。“英国进口的，全套配齐100多万元。”席培胜教授告诉记者，土壤中常常充满孔隙，当这些孔隙由水和空气填充时，它们就有了一个专业的名字——非饱和土，合肥地下基本都是非饱和土。在地铁施工中，不同的土壤在施工中可能会产生不同的地层位移和地表沉降，如何施工才能安全快捷，“非饱和土三轴仪”可以帮助科研人员获得不同土壤的实验参数。
规划中的合肥地铁共有15条线路，地下情况纷繁复杂。有了强大的实验设备，科研人员还需要在合肥地下寻找不同的土壤来进行分析。席培胜告诉记者，目前实验室在合肥的各个区域地铁线路沿线已经设了一百多个取样点，最深可以取到地下上百米深的土样。实验室里不仅进行非饱和土的三轴实验，还可以进行岩石三轴实验和冻土实验。
