扬子江下“穿针引线”

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扬子江下“穿针引线”

发布日期：2015-08-10来源：网络来源编辑：靳明伟

[摘要]

　　编者按：由中国交建采用PPPP模式投资建设的南京纬三路过江隧道即将全线贯通。这是全世界同类隧道中规模最大、长度最长、地质最复杂的隧道，南京纬三路项目部为此发明了近百项专利，并世界首创饱和带压换刀技术。盾构机由中交天和制造，这是首台国产超大型盾构机，荣获中国机械工业科学技术一等奖。

　　南京纬三路过江通道(又称“扬子江隧道”)即将贯通，张伯阳感觉上楼梯的步子都轻快了很多。作为纬三路过江通道指挥部副指挥长，在这条过江通道的建设中，他经历了太多困难。

　　“历经磨难，我们还是取得了值得自豪的成果。”说着，张伯阳从橱柜里翻出了一本红色的证书，这是中国机械工业科学技术一等奖的获奖证书。举着证书，张伯阳说，“饱和带压换刀的时候，公司领导来视察，问我敢保证成功吗?我果断地说，敢。”其实，那时他身上顶着巨大的压力。

　　很多业内人士看到盾构机在江底一段时间没动，都认为工程继续下去是不可能了，但中国交建的建设者们经过技术改造还是实现了隧道的全线贯通，张伯阳说，“我们最后还是获得了同行的认可。这盾构机就像是针，隧道就是线，我们就像在长江底下‘穿针引线’，把长江两岸缝合起来。”

　　设计一条水压最高的过江隧道

　　南京市纬三路过江通道是南京城市总体规划确定的城市重要过江通道之一，是沟通联系老城中心区、河西新城区和江北新市区的最直接便捷的快速通道。该工程项目位于南京长江大桥上游约5公里和已建成通车的南京纬七路长江隧道下游约4公里处。

　　从工程的规模上看，纬三路过江通道是世界上同类隧道中规模最大、长度最长的，在大直径盾构隧道中，这是世界上埋深最大的。这样一条过江隧道，仅从设计上来看就是一块难啃的硬骨头。隧道的设计工作最终交给了中交二公院和公规院。

　　经过一系列的考察、论证和实验，纬三路过江通道工程被分为北线(N线)和南线(S线)，主要包括接线道路、收费站、江北明挖暗埋段、江北盾构始发工作井、过江盾构段、梅子洲风井、江南盾构接收工作井及明挖暗埋段等施工内容。南线盾构段由江北始发井始发，穿过江北长江大堤经潜州、梅子洲，在江南上岸后与定淮门大街和江东北路顺接，全长约7.3公里;北线盾构段由江北始发井始发，穿过江北长江大堤经潜州在江南岸秦淮河口附近上岸，与扬子江大道顺接，全长约 7.0公里。

　　纬三路过江通道项目在世界上首创了双层多出口X型总体设计。“我们充分利用隧道空间，容纳更多的车流量，并且将车流分散疏导到四条不同的城市主干道，避免交通拥堵，通行能力将是南京长江大桥的两倍多。”隧道设计负责人——中交二公院副总工程师、隧道与地下工程设计院院长郭小红介绍说，与不远处的纬七路隧道相比，纬三路过江通道和其直径相同，但纬七路隧道采用了单层三车道设计，容纳的车流量要比纬三路隧道小很多。

　　在路线选择上，盾构隧道怕硬不怕软，需要减少穿岩量。郭小红介绍说，中交二公院的工程师们通过严密勘察，科学设计，将隧道整体往上抬了7米，岩层切削量减少了65%。“我们在施工过程中，岩层换刀1000把左右，如果不进行路线改良，岩层换刀可能将增加到2000多把。”这一设计至少使工期节约了1年，成本节约了近4亿。

　　“同类隧道中，这是世界上水压力最高的隧道。”郭小红说，英吉利海峡隧道的水压力也只有0.6兆帕，并且英吉利海峡隧道穿越的全是岩层，透水性很弱，隧道直径也只有8米多，而纬三路过江通道的隧道直径达15米，水压力最高值达0.72兆帕，对管片接缝材料的防水性能提出了更高的要求。

　　由于隧道长度很长，且在江底穿行，需要解决通风的问题。长江中的梅子洲由长江泥沙冲积形成，地质不稳定，洪水过来都可以将其淹没。郭小红说，“我们需要挖一个40米深的基坑，在这里做风井，把隧道里的汽车尾气排出，难度非常大。通过研究，在纬三路过江通道中，全世界首创盾构直接穿越江中富水的超大超深风井，节约工期五六个月。”隧道局项目经理张英明表示，南线隧道以前温度保持在四五十度，一直降不下来，梅子洲风井使用后，隧道温度终于降到37度了。

　　超大直径盾构打破国外垄断

　　纬三路过江通道的设计工作接近尾声，但如此大的直径隧道需要的盾构机哪里找?任务交给了中交天和。

　　2010年8月，中交天和接下了这笔大订单：为纬三路过江通道提供2台直径14.93米的超大型泥水气压平衡复合式盾构机。这时候，国内企业在超大型盾构机的研制上还是一片空白。

　　中交天和副董事长史福生说，超大型盾构机在施工方法、设计思路和理念上与中小型盾构机完全不同，纬三路过江通道是我国第一条复杂地质隧道，要穿过软土、硬岩、砂卵石等地层，施工水压高达0.72兆帕。由于盾构机对施工地质有非常强的针对性，而纬三路地质复杂程度在国内、国际上都没有先例。这意味着中交天和即便放眼全球，也难以找到可借鉴的案例。

　　此时，中交天和的技术人员只有30多名，均没有开发超大型盾构机的经验。公司开始也想买技术，但每一家盾构机企业的核心技术都不会轻易转让，即便转让也要收取高额的技术转让费。中交天和的管理团队意识到，因为地质等条件限制，就算是受让全部技术，也无法确保就能研制出符合纬三路需要的盾构机。

　　以盾构机管片搬运系统为例，中交天和当时想向德国一家厂商购买成熟产品，但多次谈判均以失败告终。另请他们重新开发，则需1500万元人民币。中交天和决定自己开发，经过8个月努力，系统研发成功。实践表明，中交天和管片搬运系统性能甚至优于国外同类产品。“即使搬运15吨重的管片，也从来没出过差错。” 中交天和副总经理周骏说。

　　1年多后，中交天和研制出了两个孪生盾构机“天和一号”和“天和号”，这是世界上最复杂的刀盘，机器总重近5000吨，状似摩天轮的巨型五彩刀盘上有717把刀具，不同颜色代表不同刀具的类型，这两个庞然大物将在长江底部掘进前行。

　　同时，中交天和还开发出了超长距离掘进刀盘技术、刀盘伸缩机构、备用推出式滚刀装置，世界首创氦氧饱和带压换刀技术等。超大型盾构机的研制使该公司获得知识产权18项，发明专利9项。随后，“天和一号”在南京纬三路始发，并成功穿透工程中最坚硬的岩层。期间，刀盘伸缩机构、备用推出式滚刀装置等发挥了重要作用。

　　“中交天和通过集成创新，研制出了以前被国外垄断的超大型盾构机，也成为了国内唯一一家能够设计制造超大型盾构机的企业。”中国交建科技部总经理王武勤说。

　　纬三路之后，中交天和不仅在国内市场打破了外国巨头的垄断，还将自己的产品销往国外。“目前我们40%的订单都来自日本、新加坡等国外客户。”中交天和总经理高光辉说。

　　在艰难曲折中不断前行

　　在团队的日夜鏖战下，盾构机终于在规定时间内组装完成。2012年7月20日，随着一声令下，“天和一号”在南京纬三路成功始发。轰鸣声中，庞大的刀盘在黑暗的地底转动，开凿出来的泥土混合着水从排泥管道输送到地面，从而在地底打造一条从江北通向江南的通道，把长江两侧的经济圈连成一体。

　　由于前期工作准备充分，“天和一号”入土后一路高歌猛进，创造了超大型盾构机3个月掘进620米的国内新纪录。然而，项目部还没来得及庆功，盾构机就出现了状况。

　　11月1日，隧道局员工在操控室的大屏幕上发现，盾构机掘进速度和角度出现异常，刀盘被不明物质卡住了，没法继续前进。

　　刀盘前面的情况无法查看，一时间，各种猜想纷至沓来，有人说是沉船，有人说是枯树。如果是枯树，根据其他项目的先例，要从地面挖一个大洞，将树连根拔起。而这是过江隧道，地面开挖要破坏很多建筑，况且枯树大小和位置尚未可知，不能确定从哪挖起。

　　关键时刻，中交天和首创的刀盘伸缩机构解决了这个难题。隧道开挖时，刀盘一直是伸出的，遇到紧急情况，卡死的刀盘可以缩回10厘米。在伸缩中，刀盘反复切削障碍物，逐步推进。“我们后来看了从隧道里向外排泥的管道，发现里面都是被切碎的枯树。”张伯阳说，一个月后，盾构机终于穿越“难缠”的百米枯树区。

　　一波未平，一波又起。2014年1月，盾构机掘进速度再次异常，从以往的每分钟30至40毫米降到了每分钟几毫米。在排泥管输出的泥土中，操作人员还发现了很多大石头。

　　这可难倒了张伯阳，因为之前的地质探测结果也没有发现有这种岩石，这些岩石是哪里来的呢?张伯阳一遍遍地跑工地，思考这些石头的来历，最后，答案在水利局的档案里找到了。原来是在上世纪50年代，为了抗击长江洪水，南京市组织市民曾向长江里大量抛石。经过长江水多年的冲刷，这些直径约50厘米的石块堆积在了长江江堤上，这正好是盾构机前进的路线。

　　要穿过这片抛石区，就要保障输泥管道的畅通，张伯阳带领团队想尽办法，最终通过改造循环管路的方式，解决了问题。“天和一号”在未更换刀具的情况下，一次性前行了1100米，再次打破世界纪录。

　　纬三路过江通道使用的盾构机采用了泥水加压平衡盾构的工作原理，施工作业要在盾构开挖面的密封隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力保持平衡，以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土石进入盾构前部的泥水室，经搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用泥水泵送到地面，泥水在地面经过分离，然后进入地下盾构的泥水室，不断地排渣净化使用。

　　盾尾刷是阻隔江水透过盾构机边缝进入隧道的主要工具，其实给盾构机更换盾尾刷是一项很平常的操作，“我们一般采取聚氨酯这种材料封堵盾尾，然后拆换盾尾刷，这样又快成本又低，而且安全。但这要求水压不能太高，我们在水压比较低的时候就更换了一遍。”二航局纬三路项目经理施瑾伟这样介绍更换盾尾刷的过程。

　　尽管该盾构机采用了5道盾尾刷防水，但使用一定时间后，盾尾刷还是会磨损。磨损后就容易突发意外，张英明在南线隧道就遇到了这一难题。当时，长江水从盾尾刷损坏处不断灌进隧道，隧道积水处长达100多米，最深处约1.5米。听闻险情，张伯阳、张英明和其他项目负责人，乘着小船来到隧道深处，一边调动工人抢险，一边想办法怎样顺利地更换盾尾刷。

　　工程师们想出了环形冷冻办法，用液氮将一定体积的长江水冷冻起来形成固定的冰圈，以提供充足时间来更换盾尾刷。这一次，项目部在长江底部近70米水深处，将5倍于盾构机体积的长江水冷冻了10天。“冷冻长江水，听起来不可能的事情，但我们做到了。”张伯阳说。通过这种方式，项目部顺利实现了更换盾尾刷，冷冻长江水，这在国内工程中也属首次。

　　世界首次实现饱和带压换刀

　　2014年2月，盾构机的推进速度慢了下来。探测发现，盾构机遇到了长达500米的岩层，岩石最高强度达120兆帕，而一般混凝土强度也不过在40兆帕左右。高强度岩石使盾构机刀具磨损很厉害，不久，盾构机就因需要更换刀具而停止了前进。此时，盾构机在长江水下63.049米，正处于纬三路过江隧道的最深处，承受水压达0.72兆帕——这是目前世界盾构工程中遇到的最大水压。

　　这种情况下，需要人工进入盾构机的刀盘部位进行换刀，但在这种水压下工作，已经超出了中国的作业标准，也就是说，按照中国标准，是不允许进行人工换刀的。最后，中国交建纬三路过江通道项目部请来了一家德国公司，根据德国标准，工人可以在0.7兆帕气压下工作。

　　按照传统工作方法，工人需要加压进入工作面换刀，但是，即便是在0.6兆帕气压下，人类一次工作也不能超过50分钟。在这50分钟时间里，开关舱门等就需花费20多分钟。经常是工人进入刀具螺丝都还没拧完，工作时间就到了，必须出舱。为提高工作效率，必须要创新。冥想苦思之后，工程师们想出了绝招：将“太空舱”运用到长江隧道中。在氦氧饱和气体下，地面上设置一个高压生活舱，特种作业人员较长时间生活在高压下，身体逐步适应该环境。作业时，将生活舱吊运到长江底隧道中，与高压泥水舱对接。作业人员由生活舱进入压力相同的泥水舱，工作时间就能够从50分钟增加到4个多小时。

　　纬三路指挥部总工程师张亚果表示，“这样一来，换刀效率大大提升，换刀效率是传统换刀效率的8倍以上。实现饱和带压换刀后，我们平均2小时就可以换一把刀。”

　　隧道前面500米软土区，掘进仅用了2个多月，而这500米的岩层，盾构机在江底耗费了近2年时间。在这2年里，纬三路过江隧道工程采用世界首创的氦氧饱和带压换刀法进舱作业600余次，作业时间超过2400小时，更换各类刀具1009把，最终成功穿越岩层。

　　2015年6月22日，“天和号”从江底穿出土层，重见阳光。久经磨练的刀盘从当年的五彩斑斓被锤炼成了银灰色，如同少不经事的少年历经磨难和洗礼，获得了成长。“天和一号”仍在江底进行着最后的冲刺，再过几天，南京纬三路过江通道全线贯通的好消息即将传来。