揚子江下“穿針引線”

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揚子江下“穿針引線”

發布日期：2015-08-10來源：網絡來源編輯：靳明偉

[摘要]

　　編者按：由中國交建采用PPPP模式投資建設的南京緯三路過江隧道即將全線貫通。這是全世界同類隧道中規模最大、長度最長、地質最復雜的隧道，南京緯三路項目部為此發明了近百項專利，并世界首創飽和帶壓換刀技術。盾構機由中交天和制造，這是首臺國產超大型盾構機，榮獲中國機械工業科學技術一等獎。

　　南京緯三路過江通道(又稱“揚子江隧道”)即將貫通，張伯陽感覺上樓梯的步子都輕快了很多。作為緯三路過江通道指揮部副指揮長，在這條過江通道的建設中，他經歷了太多困難。

　　“歷經磨難，我們還是取得了值得自豪的成果。”說著，張伯陽從櫥柜里翻出了一本紅色的證書，這是中國機械工業科學技術一等獎的獲獎證書。舉著證書，張伯陽說，“飽和帶壓換刀的時候，公司領導來視察，問我敢保證成功嗎?我果斷地說，敢。”其實，那時他身上頂著巨大的壓力。

　　很多業內人士看到盾構機在江底一段時間沒動，都認為工程繼續下去是不可能了，但中國交建的建設者們經過技術改造還是實現了隧道的全線貫通，張伯陽說，“我們最后還是獲得了同行的認可。這盾構機就像是針，隧道就是線，我們就像在長江底下‘穿針引線’，把長江兩岸縫合起來。”

　　設計一條水壓最高的過江隧道

　　南京市緯三路過江通道是南京城市總體規劃確定的城市重要過江通道之一，是溝通聯系老城中心區、河西新城區和江北新市區的最直接便捷的快速通道。該工程項目位于南京長江大橋上游約5公里和已建成通車的南京緯七路長江隧道下游約4公里處。

　　從工程的規模上看，緯三路過江通道是世界上同類隧道中規模最大、長度最長的，在大直徑盾構隧道中，這是世界上埋深最大的。這樣一條過江隧道，僅從設計上來看就是一塊難啃的硬骨頭。隧道的設計工作最終交給了中交二公院和公規院。

　　經過一系列的考察、論證和實驗，緯三路過江通道工程被分為北線(N線)和南線(S線)，主要包括接線道路、收費站、江北明挖暗埋段、江北盾構始發工作井、過江盾構段、梅子洲風井、江南盾構接收工作井及明挖暗埋段等施工內容。南線盾構段由江北始發井始發，穿過江北長江大堤經潛州、梅子洲，在江南上岸后與定淮門大街和江東北路順接，全長約7.3公里;北線盾構段由江北始發井始發，穿過江北長江大堤經潛州在江南岸秦淮河口附近上岸，與揚子江大道順接，全長約 7.0公里。

　　緯三路過江通道項目在世界上首創了雙層多出口X型總體設計。“我們充分利用隧道空間，容納更多的車流量，并且將車流分散疏導到四條不同的城市主干道，避免交通擁堵，通行能力將是南京長江大橋的兩倍多。”隧道設計負責人——中交二公院副總工程師、隧道與地下工程設計院院長郭小紅介紹說，與不遠處的緯七路隧道相比，緯三路過江通道和其直徑相同，但緯七路隧道采用了單層三車道設計，容納的車流量要比緯三路隧道小很多。

　　在路線選擇上，盾構隧道怕硬不怕軟，需要減少穿巖量。郭小紅介紹說，中交二公院的工程師們通過嚴密勘察，科學設計，將隧道整體往上抬了7米，巖層切削量減少了65%。“我們在施工過程中，巖層換刀1000把左右，如果不進行路線改良，巖層換刀可能將增加到2000多把。”這一設計至少使工期節約了1年，成本節約了近4億。

　　“同類隧道中，這是世界上水壓力最高的隧道。”郭小紅說，英吉利海峽隧道的水壓力也只有0.6兆帕，并且英吉利海峽隧道穿越的全是巖層，透水性很弱，隧道直徑也只有8米多，而緯三路過江通道的隧道直徑達15米，水壓力最高值達0.72兆帕，對管片接縫材料的防水性能提出了更高的要求。

　　由于隧道長度很長，且在江底穿行，需要解決通風的問題。長江中的梅子洲由長江泥沙沖積形成，地質不穩定，洪水過來都可以將其淹沒。郭小紅說，“我們需要挖一個40米深的基坑，在這里做風井，把隧道里的汽車尾氣排出，難度非常大。通過研究，在緯三路過江通道中，全世界首創盾構直接穿越江中富水的超大超深風井，節約工期五六個月。”隧道局項目經理張英明表示，南線隧道以前溫度保持在四五十度，一直降不下來，梅子洲風井使用后，隧道溫度終于降到37度了。

　　超大直徑盾構打破國外壟斷

　　緯三路過江通道的設計工作接近尾聲，但如此大的直徑隧道需要的盾構機哪里找?任務交給了中交天和。

　　2010年8月，中交天和接下了這筆大訂單：為緯三路過江通道提供2臺直徑14.93米的超大型泥水氣壓平衡復合式盾構機。這時候，國內企業在超大型盾構機的研制上還是一片空白。

　　中交天和副董事長史福生說，超大型盾構機在施工方法、設計思路和理念上與中小型盾構機完全不同，緯三路過江通道是我國第一條復雜地質隧道，要穿過軟土、硬巖、砂卵石等地層，施工水壓高達0.72兆帕。由于盾構機對施工地質有非常強的針對性，而緯三路地質復雜程度在國內、國際上都沒有先例。這意味著中交天和即便放眼全球，也難以找到可借鑒的案例。

　　此時，中交天和的技術人員只有30多名，均沒有開發超大型盾構機的經驗。公司開始也想買技術，但每一家盾構機企業的核心技術都不會輕易轉讓，即便轉讓也要收取高額的技術轉讓費。中交天和的管理團隊意識到，因為地質等條件限制，就算是受讓全部技術，也無法確保就能研制出符合緯三路需要的盾構機。

　　以盾構機管片搬運系統為例，中交天和當時想向德國一家廠商購買成熟產品，但多次談判均以失敗告終。另請他們重新開發，則需1500萬元人民幣。中交天和決定自己開發，經過8個月努力，系統研發成功。實踐表明，中交天和管片搬運系統性能甚至優于國外同類產品。“即使搬運15噸重的管片，也從來沒出過差錯。” 中交天和副總經理周駿說。

　　1年多后，中交天和研制出了兩個孿生盾構機“天和一號”和“天和號”，這是世界上最復雜的刀盤，機器總重近5000噸，狀似摩天輪的巨型五彩刀盤上有717把刀具，不同顏色代表不同刀具的類型，這兩個龐然大物將在長江底部掘進前行。

　　同時，中交天和還開發出了超長距離掘進刀盤技術、刀盤伸縮機構、備用推出式滾刀裝置，世界首創氦氧飽和帶壓換刀技術等。超大型盾構機的研制使該公司獲得知識產權18項，發明專利9項。隨后，“天和一號”在南京緯三路始發，并成功穿透工程中最堅硬的巖層。期間，刀盤伸縮機構、備用推出式滾刀裝置等發揮了重要作用。

　　“中交天和通過集成創新，研制出了以前被國外壟斷的超大型盾構機，也成為了國內唯一一家能夠設計制造超大型盾構機的企業。”中國交建科技部總經理王武勤說。

　　緯三路之后，中交天和不僅在國內市場打破了外國巨頭的壟斷，還將自己的產品銷往國外。“目前我們40%的訂單都來自日本、新加坡等國外客戶。”中交天和總經理高光輝說。

　　在艱難曲折中不斷前行

　　在團隊的日夜鏖戰下，盾構機終于在規定時間內組裝完成。2012年7月20日，隨著一聲令下，“天和一號”在南京緯三路成功始發。轟鳴聲中，龐大的刀盤在黑暗的地底轉動，開鑿出來的泥土混合著水從排泥管道輸送到地面，從而在地底打造一條從江北通向江南的通道，把長江兩側的經濟圈連成一體。

　　由于前期工作準備充分，“天和一號”入土后一路高歌猛進，創造了超大型盾構機3個月掘進620米的國內新紀錄。然而，項目部還沒來得及慶功，盾構機就出現了狀況。

　　11月1日，隧道局員工在操控室的大屏幕上發現，盾構機掘進速度和角度出現異常，刀盤被不明物質卡住了，沒法繼續前進。

　　刀盤前面的情況無法查看，一時間，各種猜想紛至沓來，有人說是沉船，有人說是枯樹。如果是枯樹，根據其他項目的先例，要從地面挖一個大洞，將樹連根拔起。而這是過江隧道，地面開挖要破壞很多建筑，況且枯樹大小和位置尚未可知，不能確定從哪挖起。

　　關鍵時刻，中交天和首創的刀盤伸縮機構解決了這個難題。隧道開挖時，刀盤一直是伸出的，遇到緊急情況，卡死的刀盤可以縮回10厘米。在伸縮中，刀盤反復切削障礙物，逐步推進。“我們后來看了從隧道里向外排泥的管道，發現里面都是被切碎的枯樹。”張伯陽說，一個月后，盾構機終于穿越“難纏”的百米枯樹區。

　　一波未平，一波又起。2014年1月，盾構機掘進速度再次異常，從以往的每分鐘30至40毫米降到了每分鐘幾毫米。在排泥管輸出的泥土中，操作人員還發現了很多大石頭。

　　這可難倒了張伯陽，因為之前的地質探測結果也沒有發現有這種巖石，這些巖石是哪里來的呢?張伯陽一遍遍地跑工地，思考這些石頭的來歷，最后，答案在水利局的檔案里找到了。原來是在上世紀50年代，為了抗擊長江洪水，南京市組織市民曾向長江里大量拋石。經過長江水多年的沖刷，這些直徑約50厘米的石塊堆積在了長江江堤上，這正好是盾構機前進的路線。

　　要穿過這片拋石區，就要保障輸泥管道的暢通，張伯陽帶領團隊想盡辦法，最終通過改造循環管路的方式，解決了問題。“天和一號”在未更換刀具的情況下，一次性前行了1100米，再次打破世界紀錄。

　　緯三路過江通道使用的盾構機采用了泥水加壓平衡盾構的工作原理，施工作業要在盾構開挖面的密封隔倉內注入泥水，通過泥水加壓和外部壓力保持平衡，以保證開挖面土體的穩定。盾構推進時開挖下來的土石進入盾構前部的泥水室，經攪拌裝置進行攪拌，攪拌后的高濃度泥水用泥水泵送到地面，泥水在地面經過分離，然后進入地下盾構的泥水室，不斷地排渣凈化使用。

　　盾尾刷是阻隔江水透過盾構機邊縫進入隧道的主要工具，其實給盾構機更換盾尾刷是一項很平常的操作，“我們一般采取聚氨酯這種材料封堵盾尾，然后拆換盾尾刷，這樣又快成本又低，而且安全。但這要求水壓不能太高，我們在水壓比較低的時候就更換了一遍。”二航局緯三路項目經理施瑾偉這樣介紹更換盾尾刷的過程。

　　盡管該盾構機采用了5道盾尾刷防水，但使用一定時間后，盾尾刷還是會磨損。磨損后就容易突發意外，張英明在南線隧道就遇到了這一難題。當時，長江水從盾尾刷損壞處不斷灌進隧道，隧道積水處長達100多米，最深處約1.5米。聽聞險情，張伯陽、張英明和其他項目負責人，乘著小船來到隧道深處，一邊調動工人搶險，一邊想辦法怎樣順利地更換盾尾刷。

　　工程師們想出了環形冷凍辦法，用液氮將一定體積的長江水冷凍起來形成固定的冰圈，以提供充足時間來更換盾尾刷。這一次，項目部在長江底部近70米水深處，將5倍于盾構機體積的長江水冷凍了10天。“冷凍長江水，聽起來不可能的事情，但我們做到了。”張伯陽說。通過這種方式，項目部順利實現了更換盾尾刷，冷凍長江水，這在國內工程中也屬首次。

　　世界首次實現飽和帶壓換刀

　　2014年2月，盾構機的推進速度慢了下來。探測發現，盾構機遇到了長達500米的巖層，巖石最高強度達120兆帕，而一般混凝土強度也不過在40兆帕左右。高強度巖石使盾構機刀具磨損很厲害，不久，盾構機就因需要更換刀具而停止了前進。此時，盾構機在長江水下63.049米，正處于緯三路過江隧道的最深處，承受水壓達0.72兆帕——這是目前世界盾構工程中遇到的最大水壓。

　　這種情況下，需要人工進入盾構機的刀盤部位進行換刀，但在這種水壓下工作，已經超出了中國的作業標準，也就是說，按照中國標準，是不允許進行人工換刀的。最后，中國交建緯三路過江通道項目部請來了一家德國公司，根據德國標準，工人可以在0.7兆帕氣壓下工作。

　　按照傳統工作方法，工人需要加壓進入工作面換刀，但是，即便是在0.6兆帕氣壓下，人類一次工作也不能超過50分鐘。在這50分鐘時間里，開關艙門等就需花費20多分鐘。經常是工人進入刀具螺絲都還沒擰完，工作時間就到了，必須出艙。為提高工作效率，必須要創新。冥想苦思之后，工程師們想出了絕招：將“太空艙”運用到長江隧道中。在氦氧飽和氣體下，地面上設置一個高壓生活艙，特種作業人員較長時間生活在高壓下，身體逐步適應該環境。作業時，將生活艙吊運到長江底隧道中，與高壓泥水艙對接。作業人員由生活艙進入壓力相同的泥水艙，工作時間就能夠從50分鐘增加到4個多小時。

　　緯三路指揮部總工程師張亞果表示，“這樣一來，換刀效率大大提升，換刀效率是傳統換刀效率的8倍以上。實現飽和帶壓換刀后，我們平均2小時就可以換一把刀。”

　　隧道前面500米軟土區，掘進僅用了2個多月，而這500米的巖層，盾構機在江底耗費了近2年時間。在這2年里，緯三路過江隧道工程采用世界首創的氦氧飽和帶壓換刀法進艙作業600余次，作業時間超過2400小時，更換各類刀具1009把，最終成功穿越巖層。

　　2015年6月22日，“天和號”從江底穿出土層，重見陽光。久經磨練的刀盤從當年的五彩斑斕被錘煉成了銀灰色，如同少不經事的少年歷經磨難和洗禮，獲得了成長。“天和一號”仍在江底進行著最后的沖刺，再過幾天，南京緯三路過江通道全線貫通的好消息即將傳來。