“陽(yáng)明號(hào)”：世界最大斷面類矩形盾構(gòu)

姜浩峰

當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與周邊環(huán)境的相互關(guān)系愈加受到制約和重視，傳統(tǒng)“開膛破肚”式的大拆大建問(wèn)題突顯，尤其是城市核心區(qū)和舊城區(qū)，面臨“放不下”和“碰不得”兩大問(wèn)題。自主研發(fā)的類矩形盾構(gòu)，解決了狹小空間里的隧道施工難題，更適合這種“螺螄殼里做道場(chǎng)”的需求。

世界最大斷面類矩形盾構(gòu)“陽(yáng)明號(hào)”，目前正在寧波市鄞州區(qū)地底下作業(yè)。作為寧波市軌道交通3號(hào)線一期工程出入段線類矩形盾構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、科研總承包，隧道股份上海隧道工程有限公司要完成的工程包括——寧波市軌道交通3號(hào)線陳婆渡站（南端矩形盾構(gòu)始發(fā)范圍）、長(zhǎng)度約430米的矩形盾構(gòu)段區(qū)間隧道、盾構(gòu)工作井、U型槽段等施工。

“放不下”與“碰不得”

這個(gè)工程的由來(lái)著實(shí)有些曲折，還得從寧波地鐵4號(hào)線說(shuō)起。按照4號(hào)線部分區(qū)段規(guī)劃，要經(jīng)過(guò)街道狹窄的老城區(qū)，環(huán)評(píng)公示階段，沿線居民意見(jiàn)較為集中，擔(dān)心房屋沉降，也擔(dān)心通車后的近距離噪聲和震動(dòng)影響生活。實(shí)際情況是——如采用兩臺(tái)單圓盾構(gòu)，隧道會(huì)侵入沿街民宅的下方;如采用一臺(tái)雙圓盾構(gòu)，沉降控制能力可能不足。為此，寧波方面希望上海隧道提出新的技術(shù)方案。

“類矩形盾構(gòu)”，上海隧道提出了此種方案。之前中國(guó)還沒(méi)有此類裝備——它開挖的隧道斷面接近矩形，寬度上與兩臺(tái)單圓盾構(gòu)緊挨著開挖出的隧道差不多，高度上比容納雙線的大型圓隧道小很多，去除了圓斷面隧道里的無(wú)效空間。

考慮后續(xù)線網(wǎng)建設(shè)中此類問(wèn)題也會(huì)大量出現(xiàn)，成為可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，寧波地鐵方面做出了創(chuàng)新之舉——以科研、設(shè)計(jì)、施工一體化招標(biāo)方式，組織研發(fā)類矩形盾構(gòu)設(shè)備與施工成套技術(shù)。他們?cè)趯幉ǖ慕紖^(qū)選出一塊地方作為地鐵3號(hào)線試驗(yàn)段，上海隧道牽頭整合科研、設(shè)計(jì)、施工三大環(huán)節(jié)成為創(chuàng)新的主體，自行研制一臺(tái)類矩形盾構(gòu)，并完成這個(gè)標(biāo)段的推進(jìn)任務(wù)。

而作為第一個(gè)吃螃蟹的，寧波地鐵方面很有可能會(huì)根據(jù)此次與上海隧道的合作成果，考慮未來(lái)在穿越主城區(qū)、老城區(qū)的地鐵項(xiàng)目上更多地選擇類矩形盾構(gòu)。他們希望通過(guò)“陽(yáng)明號(hào)”，解決城市建設(shè)的“頑癥”。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，地下空間開發(fā)已成為擴(kuò)展人們生活空間的重要手段。城市基礎(chǔ)設(shè)施是城市地下空間的主要應(yīng)用對(duì)象，其涵蓋了城市地下通道、地鐵、隧道以及綜合管廊。而當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與周邊環(huán)境的相互關(guān)系愈加受到制約和重視，傳統(tǒng)“開膛破肚”式的大拆大建問(wèn)題突顯，尤其是城市核心區(qū)和舊城區(qū)，面臨“放不下”和“碰不得”兩大問(wèn)題。

“放不下是指道路狹窄，無(wú)法滿足傳統(tǒng)盾構(gòu)施工的空間需求;碰不得是指城市周邊環(huán)境不能被破壞，管線搬遷、房屋拆遷困難。這臺(tái)自主研發(fā)的類矩形盾構(gòu)，解決了狹小空間里的隧道施工難題。”上海隧道工程有限公司總工程師朱雁飛介紹說(shuō)，矩形隧道空間利用率很高，而圓形隧道上下兩端浪費(fèi)比較大。普通單圓盾構(gòu)在老舊城區(qū)狹窄道路下挖掘地鐵雙線隧道時(shí)，往往左右太寬，地上要拆房子;要是采用大型單圓盾構(gòu)把雙線并在一根隧道里，上下又太高，無(wú)法在管線和既有隧道之間穿越，因此矩形盾構(gòu)更適合這種“螺螄殼里做道場(chǎng)”的需求。

不用破壞城市既有管線，不破壞環(huán)境，尤其適用于都市核心區(qū)和舊城區(qū)軌道交通建設(shè)，這么好的方案，為何遲遲沒(méi)有人實(shí)施，卻要等到2015年開始，才由上海隧道工程有限公司來(lái)首先“嘗鮮”呢？原因無(wú)非技術(shù)難關(guān)很難逾越。

逾越圓改矩難關(guān)

在過(guò)去幾十年中國(guó)各大城市的地鐵建設(shè)施工中，盾構(gòu)法隧道的斷面形狀基本上都是圓形的。“圓形盾構(gòu)，比較容易實(shí)現(xiàn)切削，又擁有相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)受力體系?！鄙虾Ｋ淼蓝軜?gòu)試驗(yàn)中心機(jī)械室主任石元奇告訴記者，“回看過(guò)去我們?cè)?jīng)工作過(guò)的地方，絕大數(shù)多是采用圓形盾構(gòu)完成施工的?！?/p>

盾構(gòu)頭由圓形改成矩形，可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，需要解決刀盤切削、盾構(gòu)轉(zhuǎn)身、管片拼裝等難題。記者眼前的這臺(tái)“方腦袋”盾構(gòu)，頭部一橫一豎裝有兩個(gè)“X”形刀盤，后方還有一個(gè)“I”形刀盤，通過(guò)交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)100%全斷面切削，邊邊角角都能照顧到。“這個(gè)技術(shù)只有我們一家獨(dú)有?！笔嫜哉Z(yǔ)中充滿自豪，“上海隧道要做最新的、最難的項(xiàng)目，要搶占‘藍(lán)海市場(chǎng)，技術(shù)上就必須要領(lǐng)先。”

提到技術(shù)領(lǐng)先，不能繞過(guò)寧波的地質(zhì)特點(diǎn)。寧波靠海，其土質(zhì)比上海更松軟，甚至帶有海鹽成分，盾構(gòu)穿越的軟弱地層，主要是淤泥、淤泥質(zhì)黏土等，還要穿越外塘河。針對(duì)寧波軟土地層的特性，以及類矩形隧道特殊的結(jié)構(gòu)形式和高標(biāo)準(zhǔn)施工環(huán)境影響控制等因素，石元奇和他的團(tuán)隊(duì)綜合采用理論分析、三維有限元計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析等手段，獲取隧道變形以及環(huán)境影響因素，建立了隧道變形以及環(huán)境影響預(yù)測(cè)模型，揭示影響機(jī)理和規(guī)律，形成控制技術(shù)。

隧道在地下承受巨大壓力，矩形隧道的管片扛得住嗎？上海隧道為此專門設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，制作整環(huán)管片進(jìn)行承載力試驗(yàn)，平臺(tái)上60只千斤頂每只最大推力達(dá)100噸，整環(huán)最大壓力可達(dá)6000噸。同時(shí)每塊管片上裝有眾多傳感器，整環(huán)共有1000多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，任何微小的變化都逃不過(guò)。

對(duì)類矩形盾構(gòu)特殊的斷面形式導(dǎo)致建筑空隙有效填充難，以及容易影響地表變形和成環(huán)隧道穩(wěn)定的問(wèn)題，技術(shù)人員還采用數(shù)值模擬研究漿液填充運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究獲得適宜的漿液性能配比。

2015年9月30日，當(dāng)這臺(tái)寬11.83米、高7.27米的世界最大斷面類矩形盾構(gòu)在上海最終研制成功時(shí)，項(xiàng)目相關(guān)方都眼前一亮。由此，花費(fèi)10個(gè)多月的時(shí)間，在沒(méi)有先例的情況下，上海隧道完成了世界最大類矩形盾構(gòu)的研制和始發(fā)準(zhǔn)備工作。

然而，考驗(yàn)才剛剛開始。2015年11月底，“陽(yáng)明號(hào)”始發(fā)寧波。

成功掘進(jìn)100環(huán)

作為隧道股份上海隧道工程有限公司的一員，劉喜東出任“陽(yáng)明號(hào)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。這次在寧波的這個(gè)項(xiàng)目，對(duì)劉喜東來(lái)說(shuō)，是比較特殊的一個(gè)，因?yàn)椤瓣?yáng)明號(hào)”項(xiàng)目，是一個(gè)從頭至尾的創(chuàng)新集合體。

“昨晚拼裝之后，我的心這才放下了大半?！?015年11月30日，在“陽(yáng)明號(hào)”施工現(xiàn)場(chǎng)，劉喜東對(duì)記者說(shuō)，“拼裝機(jī)、刀盤等等，都采用了創(chuàng)新理念。‘陽(yáng)明號(hào)擁有數(shù)十項(xiàng)專利，98%的專利申請(qǐng)已獲得受理。所以說(shuō)，‘陽(yáng)明號(hào)具有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。”

在劉喜東看來(lái)，無(wú)論從公司的角度，還是從全行業(yè)的角度，“陽(yáng)明號(hào)”都是一次全新的突破，沒(méi)有歷史參數(shù)可以參考，即使日本等國(guó)有類似的土壓平衡矩形盾構(gòu)的先例，也沒(méi)有做到這么大的。

換言之，“陽(yáng)明號(hào)”的此番施工，還是一次研發(fā)的過(guò)程。按照劉喜東的話說(shuō)，那叫做“現(xiàn)場(chǎng)科研現(xiàn)場(chǎng)用”，亦即科研、施工，招標(biāo)一體化的全新嘗試。

盾構(gòu)將面臨復(fù)雜地層、小曲率半徑、穿越拔樁區(qū)、淺覆土穿河、轉(zhuǎn)角控制等施工難題。針對(duì)這些施工難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需及時(shí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，確保類矩形盾構(gòu)順利推進(jìn)。

“除了‘隧道兩個(gè)字是原本就有的，其他的都是創(chuàng)新?！币晃滑F(xiàn)場(chǎng)施工人員亦稱，“科研與施工、設(shè)計(jì)，在我們‘陽(yáng)明號(hào)來(lái)說(shuō)，就像是被擰在一起形成的麻花，我甚至要說(shuō)，只有兩根擰在一起的，那是油條。必須是科研、施工、設(shè)計(jì)三股力量擰在一起，才能成為麻花。麻花比油條結(jié)實(shí)，大家都懂的。”

“盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，姿態(tài)控制靈敏，加固區(qū)外地表沉降控制良好，隧道無(wú)滲漏水，軸線控制符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到工程現(xiàn)階段既定目標(biāo)?！弊?015年11月底“陽(yáng)明號(hào)”始發(fā)寧波，至《新民周刊》發(fā)稿，已掘進(jìn)超過(guò)100環(huán)，出入段線類矩形盾構(gòu)區(qū)間1～100環(huán)子單位工程也順利通過(guò)驗(yàn)收。

“我們單日最快掘進(jìn)速度是4環(huán)，將近5米。而我們的一環(huán)是單線雙洞，又相當(dāng)于一般單個(gè)圓形盾構(gòu)的兩環(huán)！”劉喜東在電話那頭驕傲地說(shuō)。這臺(tái)“方腦袋”盾構(gòu)開掘出的寬約11米、高約7米的近似長(zhǎng)方形隧道，可容納一來(lái)一去兩條地鐵線。

從裝備入手破解“滿城挖”

回看歷史，上海地鐵的建設(shè)大幕，真正拉開要從1990年算起。當(dāng)年，上海地鐵1號(hào)線開工建設(shè)，由上海隧道控制的一號(hào)盾構(gòu)機(jī)率先掘進(jìn)，根據(jù)地質(zhì)、埋深、地面荷載和環(huán)境條件合理確定參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由法國(guó)引進(jìn)的土壓平衡式盾構(gòu)原裝超挖刀并不適合上海地層條件，上海隧道建議從7臺(tái)盾構(gòu)上拆除，為盾構(gòu)施工控制地面沉降提供了重要的經(jīng)驗(yàn)。

“當(dāng)時(shí)我們的施工技術(shù)已經(jīng)與世界水平趨向一致，但還是基于進(jìn)口的裝備。可以說(shuō)是其他國(guó)家提供什么樣的裝備，我們就拿過(guò)來(lái)造什么樣的工程。”朱雁飛告訴記者：“第二階段就倒了倒，我們要造什么樣的工程，就去找什么樣的裝備。但總體來(lái)說(shuō)我們還是被動(dòng)的。”

作為國(guó)內(nèi)最早涉足隧道施工的企業(yè)，上海隧道工程有限公司在地底下與盾構(gòu)機(jī)打了半個(gè)世紀(jì)的交道，除了打造出眾多世界第一的隧道外，更率先完成了盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化和批量出口。時(shí)光荏苒，上海地鐵建設(shè)的豐功偉績(jī)得益于上海隧道的盾構(gòu)技術(shù)，而上海隧道也在上海地鐵發(fā)展過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，繼續(xù)服務(wù)于上海的地鐵施工，并“技術(shù)輸出”，跨出上海，在全國(guó)其他城市地鐵建設(shè)中展示“上海智造”的實(shí)力。

“這次的‘陽(yáng)明號(hào)項(xiàng)目，證明我們已擁有了根據(jù)城市建設(shè)的需求制造特殊裝備的能力，即‘要做什么樣的工程，我們就造什么樣的裝備。目前來(lái)看，城市建設(shè)最嚴(yán)重的問(wèn)題就是‘滿城挖，我們便通過(guò)自主研發(fā)的裝備制造入手，來(lái)破解這個(gè)難題。這不僅是我們，更是中國(guó)隧道行業(yè)的一個(gè)進(jìn)步?！?/p>

上海隧道正在走出一條由“上海制造”到“上海智造”的蝶變之路，依靠的就是科技創(chuàng)新?？萍紕?chuàng)新對(duì)企業(yè)而言，贏得了更大利潤(rùn)，謀得了更大市場(chǎng)，而對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，帶來(lái)的恰恰是付出更少的資金，贏得更大的回報(bào)?！瓣?yáng)明號(hào)”類矩形盾構(gòu)就屬于這樣的科技創(chuàng)新。