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揚(yáng)子江下“穿針引線”

發(fā)布日期：2015-08-10來源：網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(guī)模最大、長度最長、地質(zhì)最復(fù)雜的隧道，南京緯三路項目部為此發(fā)明了近百項專利，并世界首創(chuàng)飽和帶壓換刀技術(shù)。盾構(gòu)機(jī)由中交天和制造，這是首臺國產(chǎn)超大型盾構(gòu)機(jī)，榮獲中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。

　　南京緯三路過江通道(又稱“揚(yáng)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(shè)中，他經(jīng)歷了太多困難。

　　“歷經(jīng)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(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)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(lǐng)導(dǎo)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(yè)內(nèi)人士看到盾構(gòu)機(jī)在江底一段時間沒動，都認(rèn)為工程繼續(xù)下去是不可能了，但中國交建的建設(shè)者們經(jīng)過技術(shù)改造還是實現(xiàn)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(rèn)可。這盾構(gòu)機(jī)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(shè)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(guī)劃確定的城市重要過江通道之一，是溝通聯(lián)系老城中心區(qū)、河西新城區(qū)和江北新市區(qū)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(guī)模上看，緯三路過江通道是世界上同類隧道中規(guī)模最大、長度最長的，在大直徑盾構(gòu)隧道中，這是世界上埋深最大的。這樣一條過江隧道，僅從設(shè)計上來看就是一塊難啃的硬骨頭。隧道的設(shè)計工作最終交給了中交二公院和公規(guī)院。

　　經(jīng)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(fèi)站、江北明挖暗埋段、江北盾構(gòu)始發(fā)工作井、過江盾構(gòu)段、梅子洲風(fēng)井、江南盾構(gòu)接收工作井及明挖暗埋段等施工內(nèi)容。南線盾構(gòu)段由江北始發(fā)井始發(fā)，穿過江北長江大堤經(jīng)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(gòu)段由江北始發(fā)井始發(fā)，穿過江北長江大堤經(jīng)潛州在江南岸秦淮河口附近上岸，與揚(yáng)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(chuàng)了雙層多出口X型總體設(shè)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(dǎo)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(shè)計負(fù)責(zé)人——中交二公院副總工程師、隧道與地下工程設(shè)計院院長郭小紅介紹說，與不遠(yuǎn)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(shè)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(gòu)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(yán)密勘察，科學(xué)設(shè)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(jìn)行路線改良，巖層換刀可能將增加到2000多把。”這一設(shè)計至少使工期節(jié)約了1年，成本節(jié)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(dá)15米，水壓力最高值達(dá)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(fēng)的問題。長江中的梅子洲由長江泥沙沖積形成，地質(zhì)不穩(wěn)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(fēng)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(chuàng)盾構(gòu)直接穿越江中富水的超大超深風(fēng)井，節(jié)約工期五六個月。”隧道局項目經(jīng)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(fēng)井使用后，隧道溫度終于降到37度了。

　　超大直徑盾構(gòu)打破國外壟斷

　　緯三路過江通道的設(shè)計工作接近尾聲，但如此大的直徑隧道需要的盾構(gòu)機(jī)哪里找?任務(wù)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(fù)合式盾構(gòu)機(jī)。這時候，國內(nèi)企業(yè)在超大型盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)在施工方法、設(shè)計思路和理念上與中小型盾構(gòu)機(jī)完全不同，緯三路過江通道是我國第一條復(fù)雜地質(zhì)隧道，要穿過軟土、硬巖、砂卵石等地層，施工水壓高達(dá)0.72兆帕。由于盾構(gòu)機(jī)對施工地質(zhì)有非常強(qiáng)的針對性，而緯三路地質(zhì)復(fù)雜程度在國內(nèi)、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(shù)人員只有30多名，均沒有開發(fā)超大型盾構(gòu)機(jī)的經(jīng)驗。公司開始也想買技術(shù)，但每一家盾構(gòu)機(jī)企業(yè)的核心技術(shù)都不會輕易轉(zhuǎn)讓，即便轉(zhuǎn)讓也要收取高額的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)。中交天和的管理團(tuán)隊意識到，因為地質(zhì)等條件限制，就算是受讓全部技術(shù)，也無法確保就能研制出符合緯三路需要的盾構(gòu)機(jī)。

　　以盾構(gòu)機(jī)管片搬運(yùn)系統(tǒng)為例，中交天和當(dāng)時想向德國一家廠商購買成熟產(chǎn)品，但多次談判均以失敗告終。另請他們重新開發(fā)，則需1500萬元人民幣。中交天和決定自己開發(fā)，經(jīng)過8個月努力，系統(tǒng)研發(fā)成功。實踐表明，中交天和管片搬運(yùn)系統(tǒng)性能甚至優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。“即使搬運(yùn)15噸重的管片，也從來沒出過差錯。” 中交天和副總經(jīng)理周駿說。

　　1年多后，中交天和研制出了兩個孿生盾構(gòu)機(jī)“天和一號”和“天和號”，這是世界上最復(fù)雜的刀盤，機(jī)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(jìn)前行。

　　同時，中交天和還開發(fā)出了超長距離掘進(jìn)刀盤技術(shù)、刀盤伸縮機(jī)構(gòu)、備用推出式滾刀裝置，世界首創(chuàng)氦氧飽和帶壓換刀技術(shù)等。超大型盾構(gòu)機(jī)的研制使該公司獲得知識產(chǎn)權(quán)18項，發(fā)明專利9項。隨后，“天和一號”在南京緯三路始發(fā)，并成功穿透工程中最堅硬的巖層。期間，刀盤伸縮機(jī)構(gòu)、備用推出式滾刀裝置等發(fā)揮了重要作用。

　　“中交天和通過集成創(chuàng)新，研制出了以前被國外壟斷的超大型盾構(gòu)機(jī)，也成為了國內(nèi)唯一一家能夠設(shè)計制造超大型盾構(gòu)機(jī)的企業(yè)。”中國交建科技部總經(jīng)理王武勤說。

　　緯三路之后，中交天和不僅在國內(nèi)市場打破了外國巨頭的壟斷，還將自己的產(chǎn)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(jīng)理高光輝說。

　　在艱難曲折中不斷前行

　　在團(tuán)隊的日夜鏖戰(zhàn)下，盾構(gòu)機(jī)終于在規(guī)定時間內(nèi)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(fā)。轟鳴聲中，龐大的刀盤在黑暗的地底轉(zhuǎn)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(cè)的經(jīng)濟(jì)圈連成一體。

　　由于前期工作準(zhǔn)備充分，“天和一號”入土后一路高歌猛進(jìn)，創(chuàng)造了超大型盾構(gòu)機(jī)3個月掘進(jìn)620米的國內(nèi)新紀(jì)錄。然而，項目部還沒來得及慶功，盾構(gòu)機(jī)就出現(xiàn)了狀況。

　　11月1日，隧道局員工在操控室的大屏幕上發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度和角度出現(xiàn)異常，刀盤被不明物質(zhì)卡住了，沒法繼續(xù)前進(jìn)。

　　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(jù)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(guān)鍵時刻，中交天和首創(chuàng)的刀盤伸縮機(jī)構(gòu)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(fù)切削障礙物，逐步推進(jìn)。“我們后來看了從隧道里向外排泥的管道，發(fā)現(xiàn)里面都是被切碎的枯樹。”張伯陽說，一個月后，盾構(gòu)機(jī)終于穿越“難纏”的百米枯樹區(qū)。

　　一波未平，一波又起。2014年1月，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(fā)現(xiàn)了很多大石頭。

　　這可難倒了張伯陽，因為之前的地質(zhì)探測結(jié)果也沒有發(fā)現(xiàn)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(jì)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(jīng)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(gòu)機(jī)前進(jìn)的路線。

　　要穿過這片拋石區(qū)，就要保障輸泥管道的暢通，張伯陽帶領(lǐng)團(tuán)隊想盡辦法，最終通過改造循環(huán)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(jì)錄。

　　緯三路過江通道使用的盾構(gòu)機(jī)采用了泥水加壓平衡盾構(gòu)的工作原理，施工作業(yè)要在盾構(gòu)開挖面的密封隔倉內(nèi)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(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時開挖下來的土石進(jìn)入盾構(gòu)前部的泥水室，經(jīng)攪拌裝置進(jìn)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(jīng)過分離，然后進(jìn)入地下盾構(gòu)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(gòu)機(jī)邊縫進(jìn)入隧道的主要工具，其實給盾構(gòu)機(jī)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(jīng)理施瑾偉這樣介紹更換盾尾刷的過程。

　　盡管該盾構(gòu)機(jī)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(fā)意外，張英明在南線隧道就遇到了這一難題。當(dāng)時，長江水從盾尾刷損壞處不斷灌進(jìn)隧道，隧道積水處長達(dá)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(fù)責(zé)人，乘著小船來到隧道深處，一邊調(diào)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(huán)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(gòu)機(jī)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(xiàn)了更換盾尾刷，冷凍長江水，這在國內(nèi)工程中也屬首次。

　　世界首次實現(xiàn)飽和帶壓換刀

　　2014年2月，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度慢了下來。探測發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)遇到了長達(dá)500米的巖層，巖石最高強(qiáng)度達(dá)120兆帕，而一般混凝土強(qiáng)度也不過在40兆帕左右。高強(qiáng)度巖石使盾構(gòu)機(jī)刀具磨損很厲害，不久，盾構(gòu)機(jī)就因需要更換刀具而停止了前進(jìn)。此時，盾構(gòu)機(jī)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(dá)0.72兆帕——這是目前世界盾構(gòu)工程中遇到的最大水壓。

　　這種情況下，需要人工進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)的刀盤部位進(jìn)行換刀，但在這種水壓下工作，已經(jīng)超出了中國的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，按照中國標(biāo)準(zhǔn)，是不允許進(jìn)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(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)，工人可以在0.7兆帕氣壓下工作。

　　按照傳統(tǒng)工作方法，工人需要加壓進(jìn)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(guān)艙門等就需花費(fèi)20多分鐘。經(jīng)常是工人進(jìn)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(chuàng)新。冥想苦思之后，工程師們想出了絕招：將“太空艙”運(yùn)用到長江隧道中。在氦氧飽和氣體下，地面上設(shè)置一個高壓生活艙，特種作業(yè)人員較長時間生活在高壓下，身體逐步適應(yīng)該環(huán)境。作業(yè)時，將生活艙吊運(yùn)到長江底隧道中，與高壓泥水艙對接。作業(yè)人員由生活艙進(jìn)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(tǒng)換刀效率的8倍以上。實現(xiàn)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(qū)，掘進(jìn)僅用了2個多月，而這500米的巖層，盾構(gòu)機(jī)在江底耗費(fèi)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(chuàng)的氦氧飽和帶壓換刀法進(jìn)艙作業(yè)600余次，作業(yè)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(jīng)磨練的刀盤從當(dāng)年的五彩斑斕被錘煉成了銀灰色，如同少不經(jīng)事的少年歷經(jīng)磨難和洗禮，獲得了成長。“天和一號”仍在江底進(jìn)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。