文/本刊記者 王琳琳山東高速集團有限公司 蔣慶

燕山立交改建工程于2017年7月1日恢復通車

項目建設關鍵技術一覽

京滬高速、濟南繞城高速濟南連接線線路圖
這是一個承載民生厚望的工程。它將大大緩解濟南城區的擁堵,并打開濟南南部、東部的出入口。
這是一個直面重重挑戰的工程。鑄造世界上規模最大的雙向八車道隧道群,需要科技創新、科學管理、精細施工,更需要“人”與“魂”。
在這里,一群雄心勃勃的建設者,凝聚智慧與力量,鍛造品質工程。
在這里,一群可敬可愛的年輕人,釋放激情與夢想,刻下歷史印記。
山東濟南城區呈東西狹長狀態分布,多年來,地面交通壓力一直很大,城市發展也頗受限制。由山東高速集團有限公司投資建設的京滬高速公路、濟南繞城高速公路濟南連接線項目,便是打破濟南市交通擁堵局面、拓展濟南發展空間的力作。2015年8月,一群熱血澎湃的建設者,開始了這一雙向八車道隧道群的公路工程“大業”。兩年多來,他們不畏艱險,立志打通濟南向南、向東延伸的發展通道,造福一方百姓;他們集思廣益,向科技要力量、向管理要效益,以“繡花”般的耐心,攻克一個個難關……
作為山東省的政治、經濟、文化、科教、金融中心,泉城濟南北連京津冀,南接長三角,西連黃河中上游大中原,東連膠東半島,是連接華東、華北和中西部地區的重要樞紐。“十三五”期間,濟南市將著力建設全國重要交通樞紐城市,充分銜接省會城市群經濟圈區域交通系統,提高濟南市交通承載能力和輻射功能。
在這樣的大背景下,京滬高速、濟南繞城高速濟南連接線的重要性不言而喻。它是濟南市“三橫六縱”城市快速路系統的重要組成部分,對完善城市快速路網體系、緩解濟南市區交通擁堵、提高道路服務水平,具有重大作用。
對周邊區域乃至山東省而言,這一項目也是影響深遠。濟南繞城高速濟南連接線將打通濟南向南出口,連通南部山區和泰安;將結合濟泰高速公路的建設,為南部山區通行提供一條快速通道,徹底解決繞城省道103線的現狀。京滬高速濟南連接線將打通濟南向東出口,更迅捷地連通長三角乃至珠三角區域,加快濟萊協作區建設、助力統籌區域經濟發展。項目建成后,可實現與濟南周邊多條高速公路的便捷轉換。
從這個意義上說,這是兩條不折不扣的“黃金延長線”。
2015年8月,山東高速集團有限公司抽調精兵強將,成立山東高速濟萊(泰)城際公路有限公司,具體負責統籌協調該項目的建設工作。據項目公司董事長劉洪武介紹,該項目具有“三大兩高”五大特點:

項目采用三臂液壓鑿巖臺車、大型噴射混凝土施工機械手等施工機械裝備,加快了施工進度。

上圖:8月25日,交通運輸部部長李小鵬(前排中)到項目調研,詳細了解大斷面隧道施工工藝,強調要打造品質工程,為我國八車道公路隧道建造提供新經驗。

下圖:2016年6月17日,長達3101米的 漿水泉隧道首板二襯成功澆筑混凝土。
隧道全長達9.74公里,橋隧比達64.6%,最大開挖寬度20米,最大開挖斷面219.8平方米,扁平率0.678,是當前世界上八車道隧道建設規模和數量最大的公路工程。
隧址區地質條件復雜,受泰山至濟南泉域水系影響,地下水豐富,施工中存在塌方、雨季涌水風險;多處洞口圍巖松散,自穩能力差,易坍塌;洞身淺埋段長,巖層存在破碎帶及溶洞,存在小凈距巖墻失穩、淺埋地表沉陷等風險。
項目位于濟南市區,干擾因素多,有效作業時間短。隧道施工量測、打眼、爆破、通風、出渣、立架、初噴、仰拱、二襯等工序必須嚴格在規定的時間內完成,人員、設備、物資供應必須嚴密組織,做到無縫銜接,才能保證每天2個開挖循環連續施工。
項目位于市區,存在市區內大規模運輸不方便,炸藥管制和場地狹小等突出問題,施工效率難以保證。項目穿越國家4A級風景保護區——千佛山風景區、漿水泉水庫泉水涵養區、人口居住密集區,環境保護難度大,環保要求標準高。
項目是濟南市治堵治霾重大建設工程,建成后將有效緩解城區交通擁堵,提升城市環境,保障和改善民生,因此各級領導和廣大市民熱切關注,必須做好安全、質量、廉政、工期、環保等各方面工作。
“這些給我們施工帶來了不小的挑戰,我們通過持續強化科技創新和管理創新,為項目順利開展提供了有力支撐。”劉洪武說。
“從一開始,項目公司就確定了‘匯聚頂級智慧’的方針。我們與集團院士工作站、山東大學等17家單位合作,成立了《復雜城區環境下大跨度公路隧道群建設關鍵技術》課題組。”項目公司總經理侯福金告訴記者,這項雙向八車道隧道群工程在國際上尚無明確的施工標準,課題組開展了系統的理論、裝備、材料、工藝和技術研究,力爭使該項目成為我國雙向八車道隧道建設的樣板工程。他們邊施工邊科研,取得了一系列突破。
項目公司遴選聘請知名專家,組成隧道專家組,通過召開專家會、培訓會,現場指導等,對施工全過程把脈、盡最大可能控制風險。同時,引進具有專業資質的單位對全線進行圍巖分級、超前地質預報等工作,以便及時掌握前方圍巖情況。若實際圍巖狀況與地勘不同,根據專家組的指導意見,結合實測數據現場動態優化、調整設計參數及施工方案。

即將完工的搬倒井互通同時連接老虎山隧道、漿水泉隧道、小嶺隧道,是京滬高速、濟南繞城高速濟南連接線的交叉點。整體建筑面積近10萬平方米,相當于16個足球場,從空中俯瞰,造型優美,十分壯觀。
目前八車道隧道尚無設計規范,通過反復比選與設計校驗,提出了洞口大跨、小凈距巖墻與洞身淺埋段隧道設計標準。建立了施工中支護參數動態優化的設計方法,最大限度減少開挖面積,最大限度壓縮隧道凈距,充分利用圍巖承載能力,降低支護自重,節省圬工,節約用地,實現工程建設的綠色、環保、節能。
針對沿線賦存的重大地質災害源,研發了隧道掌子面自動編錄系統,快速獲取隧道結構巖體參數。隧道施工中采用TRT、雷達等探測方法,初步確定災害源沿線分布情況,并創新研發了鉆孔式數字掃描探查裝備,實現了斷層、溶洞等災害源的真實成像與位置、大小的精確探查。基于GIS系統開發,集成勘察、設計、物探、鉆探資料及序列掌子面圖像資料,建立了隧道三維可視化模型,實現了隧道地質結構及不良地質體的真實再現。
全線隧道進口大部分淺埋、大跨、偏壓,進洞坍塌風險極高,尤其是老虎山隧道進口為殘蝕土,無成功進洞經驗。通過理論分析、數值校驗和現場監測,提出了土質和巖質兩種情況下最佳的進洞方式,實現了大斷面開挖快速安全進洞。同時,開展了小凈距隧道承載與變形模型試驗,確定了中夾巖墻承載特征、破壞模式與前后洞最佳距離,提出了小凈距隧道近接施工的影響分區標準,建立了非對稱深、淺埋超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計算方法,填補了設計規范中大跨隧道中夾巖墻承載力計算的空白。通過爆破震動測試,采用電磁波CT法確定爆破對掌子面、中夾巖墻和臨洞圍巖的損傷深度,首次提出了雙向八車道小凈距隧道爆破震動控制標準。
快速施工是大斷面層狀隧道面臨的最大挑戰,亟需在工法優化、快速支護與機械化施工方面取得全面突破。通過開展工法比選和支護時機優化試驗,建立了IV級圍巖半部CD工法,極大地縮短了拆撐時間,減少了臨時支撐用量,相較于CD工法,每10米可縮短工期半天,節約成本約1.2萬元。通過開展工法比選和支護時機優化數值試驗,建立了基于洞周正交位移比率展布規律的圍巖穩定性判別方法,制定了施工過程圍巖穩定性位移管理基準。引進三臂液壓鑿巖臺車和濕噴機械手,形成了超大斷面隧道快速施工與圍巖變形控制成套技術。通過工法、工藝創新,建立了一套集光爆一次成型、拱架機械安裝、二襯智能養護、電纜槽臺車作業等于一體的機械化作業流水線,使施工效率提高26%,成為保障工期的重要舉措。

上圖:2016年11月3日,小嶺隧道在6座隧道中率先實現全線貫通。

下圖:2017年7月19日,項目控制性重點工程、濟南繞城高速濟南連接線最長的隧道——老虎山隧道左洞順利貫通,至此,項目6座隧道全部貫通。
當掌子面逐漸靠近斷層等風險源時,圍巖變形和受力變化劇烈。采用“連續-非連續數值分析方法”,開展隧道穿越斷層等施工過程模擬,揭示了整個過程圍巖荷載釋放與變形時空演化規律,建立了圍巖整體荷載釋放率計算方法。隧道沿線水平層狀巖體發育,施工中存在板狀巨石垮塌等風險。研發了巖體結構信息掃描裝備,每次爆破后進行采集,連續構建三維地質模型,通過不穩定塊體搜索方法,實現了掌子面附近不穩定塊體的準確判識與垮塌預警。引進德國巴斯夫、瓦克技術,聯合革新了系列化新型噴射混凝土與防水材料及配套工藝,創造性提出了“初噴混凝增韌-韌性高黏防水噴涂-二襯厚度控制”的新型結構形式,有效降低了隧道沿線薄弱部位運營期滲漏水風險。
針對該項目安全風險高的特點,開發了隧道群施工全過程安全管理與風險決策系統,施工過程中動態獲取地質、環境、人員、物資等綜合信息,進行大數據挖掘和風險辨識,提前發現和規避安全事故,最終形成了一套集視頻監控、施工綜合信息反饋、動態風險評估于一體的大數據管理平臺與應急決策系統。
該項目在山東省首次采用了公路工程設計施工總承包模式,并推行入股施工一體化,吸引了中國中鐵四局集團有限公司、中國建筑股份有限公司入股并參與建設。在不增加山東高速集團有限公司負債水平的前提下,通過外圍資金帶動項目陸續融資23億元,大大緩解了集團的資本壓力。項目建成后由山東高速集團按正常銀行利率逐步回購對方股權,施工總承包單位通過優化設計及施工組織管理取得效益,山東高速集團通過資產規模、收益權獲得效益。這種方式以時間換空間,緩解了融資困難,降低了負債率和成本費用,為高效完成建設任務提供了有力保障。

港溝隧道左線于2017年1月16日貫通,實現了京滬高速濟南連接線首座長隧道貫通,目前裝飾和綠化等工作也即將完成。項目6座隧道內部均以藍、白、綠三種顏色為主,寓意藍天白云,給司乘人員帶來愉悅的感受。
2016年12月,依托該項目的《高速建設企業基于設計施工總承包項目投資控制管理》榮獲第30屆山東省企業管理創新一等獎,基于該項目的《山東高速集團“入股施工一體化”模式研究》榮獲山東高速集團2015年度調研成果一等獎。該模式改變了以往概算超估算,預算超概算,結算超預算的情況,大幅提高了項目法人工作效率和降低了管理投入,直接經濟效益優勢明顯。由此在山東高速集團內部形成了大型基礎設施項目的新型管理模式,并在后續的同類項目中得到全面推廣。
“采用設計施工總承包、入股施工一體化模式,提高了各項目部的積極性,項目公司和三大項目部相處很融洽,大家勁往一處使,心往一處想,各個項目部都努力創新科研和管理,最大可能提高施工效率,確保在工期內完成項目任務。”項目公司董事長劉洪武對該模式贊不絕口。
要想打造樣板工程,質量管理很關鍵。在緊張的施工過程中,如何保障該項目的質量管理?項目公司副總經理趙然告訴記者,為夯實工程質量基礎,項目公司全面推行了1234管理標準。
“1”是指“一個平臺”:在重大結構物施工現場建立質量安全曝光平臺,對現場的質量問題及時曝光并整改閉合,對相關責任人予以處罰。

項目成功研發了超大斷面隧道約束混凝土支護體系

燕山立交在現澆箱梁施工中采用新型承插式盤扣支架,相比碗扣式支架,鋼材強度高,立桿最大荷載達 20 噸;空間用鋼量節約 50% 以上,10 米高度支架每孔(30 米)可節約 30 個人工,每聯減少支架租賃費用約 15 萬元。

項目成功研究并推行隧道光面爆破施工,安全性、施工效果及施工效率均得到大幅提升。

項目創新研發了鉆孔式數字掃描探查裝備,圖為鉆孔式數字化掃描原理。
“2”是指“兩個標準化”:場站標準化與工藝標準化齊頭并進。項目駐地、隧道洞口、攪拌站、鋼筋加工場等場站按照標準化設計建造。工藝標準化方面,自主研發并推廣防水板掛設定位、防水板超聲波焊接、止水帶焊接及固定、仰拱鋼筋定位、電纜槽臺車作業、二襯智能養生等工藝,取得了良好效果。
“3”是指“三項制度”:原材料留樣制度、質量可追溯制度、首件工程認可制度。原材料留樣制度要求各施工單位,按照標準化要求設置原材料留樣室,并建立原材料進場及責任臺賬,確保施工質量在原材料上的可追溯性。質量可追溯制度要求施工中所有工序環節都要建立質量溯源臺賬,各工序環節如開挖、立架、錨桿打設、初噴混凝土、掛防水板、二襯施做等都要留存影像資料并有質量責任人確認簽字,把具體操作人、檢測人、監督人等均記錄在冊,便于質量追責和考核。在計量支付時必須附齊相關質量溯源臺賬后方可予以計量。首件工程認可制度立足于“預防為主、試點先導、以點帶面、全面推廣”的原則,綜合總結與評價首件工程的各項技術、質量等指標,及時預防和糾正后續生產中可能出現的各種質量問題,提升整體工程的品質。
“4”是指“四項微攻關”:一是項目自主研發了隧道初期支護拱架安裝機器人,可大幅降低施工安全風險,每循環用工數量由原來的11人減少到4人,作業效率提高25%;二是項目自主研發了隧道二襯混凝土自動噴淋養護臺車,顯著提高了二襯混凝土養護效果,解決了隧道二襯養護難題;三是應用BIM技術指導隧道機電安裝施工,此項技術在2016年中國BIM技術交流會暨優秀案例展示會上榮獲“最佳BIM專項應用二等獎”;四是基于項目研發的“隧道二次襯砌模板臺車用堵頭模板、堵頭節點及封堵方法”獲得國家發明專利授權,該發明是一種鋼木組合的模板形式,克服拼接木模存在的諸多缺陷,可大幅提升二襯施作工效,提高二襯施工縫處施工質量。
“項目公司高度重視安全管理,為貫徹落實安全生產責任制,增補制定了《分項工程開工安全工程師簽認制度》《重大事故隱患清單管理制度》《隧道工程質量安全動態管理實施辦法》等10余項創新型管理制度。”趙然介紹道。
趙然說,施工安全管理大多屬于動態管理,項目公司推行了《輪值安全員制度》。輪值安全員由工程技術管理相關人員輪流擔任,安全管理主管每日下班前在微信群內公布次日的輪值安全員,當日輪值安全員在輪值期間只對項目經理負責,其職責為安全督查曝光工作,整改由現場生產管理負責人和安全管理人員監督施工隊伍落實。輪值安全員制度的核心是無責任曝光。通過實施輪值安全員制度,多重監督,不留死角,構建全員抓安全的態勢,提高施工隊伍安全意識和整改的積極性。
施工風險管控也是項目公司重點抓的一項工作。隧道開工伊始,項目公司組織召開施工安全風險評估專家論證會,根據隧道地質條件、開挖斷面、隧道長度、洞口形式及特征、氣候與地形等按權重進行打分,開展靜態風險評估。
結合實際情況,項目公司建立了安全風險管控和隱患排查治理雙重預防機制工作方案,從排查風險點、制定風險分級四色圖、風險公告警示、消除隱患、應急管理、防控職業病等方面著手,突出預防為主、關口前移,把握安全生產工作的主動權。
在隧道施工過程中還開展了動態風險評估,主要是在隧道開挖過程中,根據超前預報、監控量測、圍巖判定、地質調查等數據結合現場實際情況動態分析、評價項目風險并做出應對控制措施,形成動態風險評估報告,提交施工、監理、建設單位,及時采取相應措施,確保風險受控。
在采訪中,記者聽到最多的話就是任務重,工期緊,必須提高施工效率,必須加快施工進度。為確保2017年年底實現通車,三大項目部卯足了勁,開展了多項創新。
山東高速路橋集團股份有限公司項目部項目經理呂新建坦言,面對項目“三大兩高”、工期極其緊張的挑戰,他一度“壓力山大”,甚至晚上經常睡不著覺。在經過深入調研,摸清重點、難點后,項目部制定了一系列創新方案,決心以此保障項目的順利、高效開展。
項目部聯合高校、設計院等業內知名單位,以“超大斷面公路隧道施工”為特色,開展了“復雜地層超大斷面小凈距隧道中夾巖墻穩定性與圍巖變形控制”等6項科研課題。與高校簽署了“隧道圍巖分級與質量評價”“隧道工程安全風險管理與控制”技術服務協議,根據圍巖變化實時調整施工參數、優化施工方法,組織動態設計、動態施工,取得了良好的經濟與社會效益。
在施工工藝方面,老虎山隧道進洞后穿越300多米殘蝕坡積土段落,施工難度大、風險高,是制約全線能否按計劃通車的“卡脖子工程”。項目部根據圍巖變化,靈活采用雙側壁導坑法、交叉中隔壁 (CRD) 法、中隔壁 (CD) 法,在確保安全的前提下組織動態施工。項目部果斷決策,在老虎山隧道右線ZK2+800(距進口850米)處加設導洞,增加正洞工作面,加快施工進度。

上圖:項目通過組織專家召開座談會等形式,對建設全過程把脈問診。

下圖:項目通過模型試驗,建立了非對稱深、淺埋超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計算方法,填補了設計規范中大跨隧道中夾巖墻承載力計算的空白。
在設備使用方面,引進了自動化程度較高的“大型噴射混凝土施工機械手”,提高了施工效率,加快了工程進度。相較于小型濕噴機,噴射機械手能夠通過速凝劑自動配比系統將速凝劑摻量控制在設計范圍內,保障混凝土質量。同時,每一循環噴射時間由原來的5.5小時縮短到3.5小時,用工數量由原來的8人減少到2人。
引進鋼板沖床機對隧道鋼拱架連接鋼板沖眼加工,改變了普通鉆眼機作業完成后周邊有毛刺出現,造成連接鋼板連接不密貼的情況。該設備兼具切割鋼板條功能,切割面整齊光滑。
引進自行軌道式火焰切割機,切割鋼板后切割面光滑整齊,改變了原有人工切割鋼板變成鋸齒狀的情況,極大提高了連接鋼板的精度。同時降低了工人的勞動強度,提高了作業效率。
針對隧道跨度大、初支鋼拱架自重大、工人施工困難、施工時間長,項目部自主研發了隧道初期支護鋼拱架拼裝機器人,縮短初期支護閉合時間,增加施工安全系數,提高工作效率。
針對隧道二襯臺車堵頭端模采用小木模環形拼裝,環向中埋式止水帶施工,易造成隧道二襯滲漏水,項目部研發了雙L型襯砌鋼端模,保證二襯中埋式止水帶施工質量,提高了隧道防水施工質量。
路面工程方面,項目部專門調撥了中大抗離析超級“變形金剛”攤鋪機,該攤鋪機最大攤鋪寬度可達19.5米,實現了全幅寬一機攤鋪,消除并機接縫,確保路面平整均勻,節約后期養護成本,縮短工期。
小嶺分離立交左右幅上部構造均為5米×30米預應力混凝土簡支轉連續小箱梁。為節約存梁空間,加快施工進度,預制箱梁采用預制與架設同步作業方式,使用雙梁式架橋機施工。經驗證,架橋機架設比傳統吊機架設施工成本減少約25%,架設速度提高50%左右。
項目部加大投入,為每個隧道配備了路面專用模板、帶排振的三輥軸攤鋪機以及雙盤座駕式抹光機。尤其采用雙盤座駕式抹光機施工,增強了對地面的壓實,提漿速度快,該機器還有噴水裝置和照明設計,大大減輕了勞動強度,提高了工作效率。

左上:項目研發的泥漿分離設備,獲得國家實用技術發明專利。

左下:項目自主研發了隧道初期支護鋼拱架拼裝機器人,減輕工人勞動強度,大幅提高施工效率。

右圖:燕山立交高架橋瀝青攤鋪采用超級“變形金剛”瀝青攤鋪機,實現了全幅寬一機攤鋪。
項目部還研發了一種泥漿分離循環設備,獲得國家實用新型專利授權,相較于傳統泥漿池,泥漿外運減少一半,極大地降低了外運成本,清孔效率提高3倍,節省施工用水。綜合比較,每樁節約成本約0.15萬元。
中國中鐵四局集團有限公司項目部深入開展精細化管理,以“五化”(標準化、機械化、信息化、集約化、專業化)為目標,努力打造精細化管理典范。安裝使用了監控量測信息和智能門禁管理系統,涵蓋施工人員車輛進出管理、洞內人員定位、掌子面視頻監控、LED大屏顯示、煙塵報警、有害氣體檢測、一氧化碳檢測、班前講話等功能。
據該項目部總工余誠介紹,項目部成功研究并強力推行隧道光面爆破施工,為加快進度和降低成本提供了技術保障。經過反復培訓和試驗,形成了從爆破設計、快速放樣、準確打眼、合理裝藥和連線一整套超大斷面石灰巖隧道光面爆破施工技術。使用該技術,隧道每一循環降低超挖58%,噴射混凝土降低損耗55%,節約成本0.66萬元, 每循環加快進度3小時。進行光面爆破后隧道巖面整體光滑,松散損傷圍巖明顯減少,安全性和施工功效均得到大幅提升。
積極使用三臂鑿巖臺車、濕噴機械手、二襯環向止水帶鋼端模、整體式水溝電纜槽、軌道式火焰切割機等新型隧道工程設備,創新使用防水板紅外線發射裝置、止水帶焊接機、防水板超聲波焊接機、仰拱鋼筋定位卡具等新型工藝。
中國建筑股份有限公司項目部制定了隧道標準化工序作業時間,并配套工序獎懲措施,大大加快了工序循環時間。其中,CD工法最快月進尺達到70米,臺階法最快月進尺達到120米,創造了國內目前超大跨度隧道人工鉆爆法施工的最快速度。
該項目部工程技術部長劉國曉告訴記者,項目部開展了“復雜地質條件超大斷面隧道約束混凝土支護體系”研究,采用約束混凝土支護替代傳統型鋼拱架,有效解決了大跨度隧道施工中鋼拱架變形以及噴射混凝土脫落問題。同時,研發了多功能拱架安裝設備及配套設備,實現約束混凝土拱架快速機械化作業。使用后,縮短拱架安裝作業時間37%至50%,每一循環節約施工時間2小時;減少工人數量約50%,每延米節約成本500元。

上圖:中鐵四局集團有限公司積極打造花園式幸福項目部

下圖:山東路橋集團股份有限公司舉行“五一”國際勞動節文藝晚會
為掌握現場第一手數據,為施工工藝調整、施工質量把控提供試驗支撐,2016年1月,項目部成立了中心試驗室并投入使用。主要負責全標段混凝土配比選定、混凝土試件強度檢測、膠凝材料檢測、預應力材料檢測、路基路面材料檢測、土工材料檢測等試驗任務。
項目部通過“超大斷面約束混凝土支護體系研究及應用”“聚能水壓爆破技術應用”等課題研究,“智能噴淋臺車”“防水板超聲波焊接技術”“電纜槽移動模板臺架”等10多項技術的開發和應用,大大提高了施工效率,降低了施工成本。
“通過建設單位、監理單位、總承包單位及合作科研單位等多方的共同努力,6座隧道已于今年7月全部安全順利貫通,目前正在加緊開展后期裝飾、綠化等工作。經過2年多的科研攻關與工程現場實踐,積累了一些研究數據與管理經驗,希望能夠為今后的公路雙向八車道隧道建設提供借鑒。”趙然表示。