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周顺华:巧驭盾构穿高铁 大国工程树标杆

来源:  发布时间:2019-02-19

  ——记同济大学城市轨道与铁道工程系教授周顺华


  □ 王长丹  赵 昱  刘 佳 
  
  
  

  
  当列车以300km/h的速度平稳驶过山川大地时,人们可能不会想到,在轨道下方数十米的地层中,盾构机这样的“庞然大物”正在缓缓向前推进。长期以来,下穿高速铁路施工困难重重,其带来的扰动更严重威胁着列车的运营安全,甚至在早期铁路保护范围内施工便代表着列车停运。
  从施工即停运到列车限速45km/h,再到如今列车不限速的下穿高速铁路施工,背后凝结了一代代科研人员数十年如一日的不辍耕耘、上下求索的潜心研究,以及数以百计的工程实践。同济大学教授周顺华,正是列车不限速下穿高速铁路施工的“逐梦人”。
  

逐梦高铁 引领潮流


  2017年7月18日,济南轨道交通R1线盾构机成功下穿京沪高铁,完成了国内首个多重复杂工况下对运营高铁线路的下穿施工。作为国内首次地铁盾构隧道在大埋深、高富水、小半径等多重复杂工况下的下穿施工,它凭借0.3毫米范围内的沉降控制,实现了“零沉降”。
  与下穿普通铁路相比,下穿高铁无砟轨道变形控制更严,周顺华表示,“以前最为严苛的标准——机场跑道道面允许变形为10毫米,而下穿高铁无砟轨道变形仅为它的1/5,也就是2毫米。”这也就代表着技术难度极高,施工要求也更为严格。为了满足下穿高速铁路施工的刚性需求,突破关键技术瓶颈,周顺华及其团队经过20载刻苦攻关,在理论、技术、装备等方面取得重要突破,形成了地下工程穿越高速铁路的精细化控制技术。他们在无先例可循的形势下,率先打破了被国际工程界视作禁区的下穿高速铁路技术受限格局,累计为500多项下穿工程保驾护航。
  与此同时,顺应“一带一路”倡议和中国高铁“走出去”的时代潮流,周顺华还组织编写了首部《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》双语行业标准,将国产原创技术推向世界,服务于多项海外工程。其成果填补了有关高铁运维标准体系的空白,引领了国际地下穿越技术的发展,具备广阔的应用前景。此外,凭借一系列先进性技术成果,周顺华领导研发团队先后获得了国家技术发明奖二等奖2项、省部级科学技术奖一等奖7项。近年来,他还出版专著7部、发表学术论文300余篇,其中被SCI、EI收录200余篇,获得国家发明专利37项、软件著作权4项、工法3项,编写标准规范2部。
  

攻坚克难 敢为人先


  把论文写在列车飞驰的祖国大地上。周顺华自20世纪80年代开始,便与铁道工程领域结下不解之缘。他毕业后主动赴高校任职,开展与铁路相关的工程研究,“除了教书,我其余的时间基本都用在自己的研究兴趣上,周末没有特别的事情更喜欢待在工程现场和实验室里”。
  正是因为积极的学习和参研态度,周顺华为自身谋求到更多的发展机会,陆续投入到上海轨道交通1号线、沪宁线“上海—南京”快速列车先行号等项目建设。建设施工过程中,他深感复杂地下工程开挖对经验的依赖,也逐渐认识到要改变以经验为主的现状,必须建立真实反映开挖施工物理过程的理论模型。“地下工程开挖影响因素繁多,建立模型困难,只有去伪存真、抓主要矛盾才能实现从传统经验为主到理论创新的突破。”就像周顺华说的这样,短短几年内,他整合施工现场的经验现象,抽象提出了开挖应力释放计算理论,揭示了开挖土体应力释放和变形自锁机理,真实反映了开挖施工的物理过程。
  而为了解决列车提速,舒适度难以保障等难题,周顺华还针对铁路路基工程研究进行了大量尝试,在沪宁线上打响了中国铁路提速第一炮。“火车和汽车不同,提速行驶后,对路基是一次巨大的考验。因为列车自身重量大,行驶速度越快,对路基的破坏力也就越大,必须对不符合标准的路基进行改造才能保证行驶安全。”面对原铁道部提出的发展需要,周顺华作为主要负责人与团队成员合力攻坚,在铁路下埋设传感器、站在铁路边搜集数据、埋头在实验室分析研究,连续数月,终于计算出不同速度所需的路基强度标准,并成功应用于多条铁路线路提速路基整治。
  随着研究的深入开展,对地下工程和铁路工程涉足越深,周顺华越感到地下工程穿越铁路技术发展的迫切性。他表示,未来现代化的工程建设是大势所趋,“国内外理论及技术方法研究远远落后于工程实践需求,特别是城市地下工程下穿运营铁路,严重制约了我国城市地下工程建设发展和铁路运营安全”。于是,基于前期的领域研究理论和技术开发经验,周顺华做了一个重要的决定——深入研究下穿高速铁路施工技术方案,切实解决地下工程建设中各阶段所面临的问题。
  

厚积薄发 砥砺前行


  进入21世纪,复杂的工程地质条件和严格的环境制约条件使我国地下工程建设面临诸多技术难题和挑战。周顺华深感肩上责任重大。身为地下工程专家,他指出,多次城市地下工程施工开挖事故,对国家和社会造成了重大损失。破除工程施工阻碍不仅关乎经济、社会发展,更与施工人员的生命安全密切相关。
  为此,周顺华带领研究团队来回奔波于工程现场与实验室,力求早日找到突破点。结合对传统下穿铁路方法管棚法和箱涵顶进法的深入认识,他们通过对管棚支护体系的进一步研究,发现管棚并不是传统认为的数量越多、直径越大越好,并基于应力释放理论提出了棚架原理,验证了原理的正确性。而后,将理论和方法部分应用于南京地铁1号线下穿沪宁铁路、杭州解放路下穿沪杭铁路等工程当中,不仅打破传统管棚法45km/h的速度限制,还节约了大量的施工成本,被业内广泛认可并推广。
  “将来,伴随着高铁时代的来临和城镇化战略的推进,道路、地铁等基础设施地下穿越高铁的需求剧增”。尽管取得了一些成就,但从我国刚刚开通第一条高速铁路起,周顺华就明白,研究只是刚刚开始。
  面对高铁轨面只允许2毫米的变形限制,他思考着“如何保证城市地下隧道安全穿越高速铁路”,利用同济大学较早开展相关研究的基础优势,从理论和技术两方面寻求突破。“首先是缺乏相应的理论分析方法,当时,国内外还没有建立行车动荷载和开挖耦合影响的理论模型。我们从系统动力学角度,创立了动力学设计方法。”在理论方法建立的同时,周顺华团队还发明了新的控制技术,并根据盾构法施工原理,明确传统施工控制的缺陷,提出了掌子面、千斤顶、盾尾的三元同步控制技术及相关的控制装置。这套装置的智能调控水平得到了飞跃,突破了传统机械施工对铁路严重干扰的重大设备瓶颈,成果纳入相关技术规范。不仅如此,基于应力释放原理,周顺华还提出了刚柔复合结构的变形逐阶阻隔方法。
  仅仅停留在理论和技术的研究层面,对周顺华而言还远远不够。2012年,杭州地铁1号线下穿沪杭高铁;2015年,连续下穿京沪、沪汉蓉等高铁群9条线路......周顺华经过反复的论证,采用提出的分区加固、刚柔复合结构隔离法等不限速下穿铁路设计技术,运用首创的不限速下穿高铁设计方法服务于多项工程。“软土地层下穿高速铁路,犹如在豆腐中‘穿针引线’,而采用我们的方法成功创造了一次性穿越距离最长、速度最高、高铁线路最密集和下穿高铁咽喉道岔区4项工程纪录,经受了350km/h复兴号列车提速的检验!”周顺华骄傲地说。
  雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。在周顺华看来,科学研究道路没有尽头。“我们哪能停下来?列车越跑越快,我们搞科研的稍不留神,就跟不上了!”

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2019年9月上

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