“陽明號”：世界最大斷面類矩形盾構
2016-03-21 09:00:59 來源：新民周刊世界最大斷面類矩形盾構“陽明號”，目前正在寧波市鄞州區地底下作業。作為寧波市軌道交通3號線一期工程出入段線類矩形盾構的設計、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號線陳婆渡站（南端矩形盾構始發范圍）、長度約430米的矩形盾構段區間隧道、盾構工作井、U型槽段等施工。
“放不下”與“碰不得”
這個工程的由來著實有些曲折，還得從寧波地鐵4號線說起。按照4號線部分區段規劃，要經過街道狹窄的老城區，環評公示階段，沿線居民意見較為集中，擔心房屋沉降，也擔心通車后的近距離噪聲和震動影響生活。實際情況是——如采用兩臺單圓盾構，隧道會侵入沿街民宅的下方;如采用一臺雙圓盾構，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方案。
“類矩形盾構”，上海隧道提出了此種方案。之前中國還沒有此類裝備——它開挖的隧道斷面接近矩形，寬度上與兩臺單圓盾構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效空間。
考慮后續線網建設中此類問題也會大量出現，成為可持續發展的瓶頸，寧波地鐵方面做出了創新之舉——以科研、設計、施工一體化招標方式，組織研發類矩形盾構設備與施工成套技術。他們在寧波的郊區選出一塊地方作為地鐵3號線試驗段，上海隧道牽頭整合科研、設計、施工三大環節成為創新的主體，自行研制一臺類矩形盾構，并完成這個標段的推進任務。而作為第一個吃螃蟹的，寧波地鐵方面很有可能會根據此次與上海隧道的合作成果，考慮未來在穿越主城區、老城區的地鐵項目上更多地選擇類矩形盾構。他們希望通過“陽明號”，解決城市建設的“頑癥”。
隨著社會經濟的迅猛發展和城市化進程的不斷加快，地下空間開發已成為擴展人們生活空間的重要手段。城市基礎設施是城市地下空間的主要應用對象，其涵蓋了城市地下通道、地鐵、隧道以及綜合管廊。而當前基礎設施的建設與周邊環境的相互關系愈加受到制約和重視，傳統“開膛破肚”式的大拆大建問題突顯，尤其是城市核心區和舊城區，面臨“放不下”和“碰不得”兩大問題。
“放不下是指道路狹窄，無法滿足傳統盾構施工的空間需求；碰不得是指城市周邊環境不能被破壞，管線搬遷、房屋拆遷困難。這臺自主研發的類矩形盾構，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，矩形隧道空間利用率很高，而圓形隧道上下兩端浪費比較大。普通單圓盾構在老舊城區狹窄道路下挖掘地鐵雙線隧道時，往往左右太寬，地上要拆房子；要是采用大型單圓盾構把雙線并在一根隧道里，上下又太高，無法在管線和既有隧道之間穿越，因此矩形盾構更適合這種“螺螄殼里做道場”的需求。
不用破壞城市既有管線，不破壞環境，尤其適用于都市核心區和舊城區軌道交通建設，這么好的方案，為何遲遲沒有人實施，卻要等到2015年開始，才由上海隧道工程有限公司來首先“嘗鮮”呢？原因無非技術難關很難逾越。
逾越圓改矩難關
在過去幾十年中國各大城市的地鐵建設施工中，盾構法隧道的斷面形狀基本上都是圓形的。“圓形盾構，比較容易實現切削，又擁有相對合理的結構受力體系。”上海隧道盾構試驗中心機械室主任石元奇告訴記者，“回看過去我們曾經工作過的地方，絕大數多是采用圓形盾構完成施工的。”
盾構頭由圓形改成矩形，可謂“牽一發而動全身”，需要解決刀盤切削、盾構轉身、管片拼裝等難題。記者眼前的這臺“方腦袋”盾構，頭部一橫一豎裝有兩個“X”形刀盤，后方還有一個“I”形刀盤，通過交錯旋轉可實現100%全斷面切削，邊邊角角都能照顧到。“這個技術只有我們一家獨有。”石元奇言語中充滿自豪，“上海隧道要做最新的、最難的項目，要搶占'藍海市場’，技術上就必須要領先。”
提到技術領先，不能繞過寧波的地質特點。寧波靠海，其土質比上海更松軟，甚至帶有海鹽成分，盾構穿越的軟弱地層，主要是淤泥、淤泥質黏土等，還要穿越外塘河。針對寧波軟土地層的特性，以及類矩形隧道特殊的結構形式和高標準施工環境影響控制等因素，石元奇和他的團隊綜合采用理論分析、三維有限元計算、現場實驗和實測數據分析等手段，獲取隧道變形以及環境影響因素，建立了隧道變形以及環境影響預測模型，揭示影響機理和規律，形成控制技術。
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計了一個試驗平臺，制作整環管片進行承載力試驗，平臺上60只千斤頂每只最大推力達100噸，整環最大壓力可達6000噸。同時每塊管片上裝有眾多傳感器，整環共有1000多個數據采集點，任何微小的變化都逃不過。
對類矩形盾構特殊的斷面形式導致建筑空隙有效填充難，以及容易影響地表變形和成環隧道穩定的問題，技術人員還采用數值模擬研究漿液填充運動規律，通過實驗室研究獲得適宜的漿液性能配比。
2015年9月30日，當這臺寬11.83米、高7.27米的世界最大斷面類矩形盾構在上海最終研制成功時，項目相關方都眼前一亮。由此，花費10個多月的時間，在沒有先例的情況下，上海隧道完成了世界最大類矩形盾構的研制和始發準備工作。
然而，考驗才剛剛開始。2015年11月底，“陽明號”始發寧波。
成功掘進100環
作為隧道股份上海隧道工程有限公司的一員，劉喜東出任“陽明號”項目負責人。這次在寧波的這個項目，對劉喜東來說，是比較特殊的一個，因為“陽明號”項目，是一個從頭至尾的創新集合體。
“昨晚拼裝之后，我的心這才放下了大半。”2015年11月30日，在“陽明號”施工現場，劉喜東對記者說，“拼裝機、刀盤等等，都采用了創新理念。'陽明號’擁有數十項專利，98%的專利申請已獲得受理。所以說，'陽明號’具有多項自主知識產權。”
在劉喜東看來，無論從公司的角度，還是從全行業的角度，“陽明號”都是一次全新的突破，沒有歷史參數可以參考，即使日本等國有類似的土壓平衡矩形盾構的先例，也沒有做到這么大的。
換言之，“陽明號”的此番施工，還是一次研發的過程。按照劉喜東的話說，那叫做“現場科研現場用”，亦即科研、施工，招標一體化的全新嘗試。
盾構將面臨復雜地層、小曲率半徑、穿越拔樁區、淺覆土穿河、轉角控制等施工難題。針對這些施工難題，項目團隊需及時采取相應的技術措施，確保類矩形盾構順利推進。
“除了'隧道’兩個字是原本就有的，其他的都是創新。”一位現場施工人員亦稱，“科研與施工、設計，在我們'陽明號’來說，就像是被擰在一起形成的麻花，我甚至要說，只有兩根擰在一起的，那是油條。必須是科研、施工、設計三股力量擰在一起，才能成為麻花。麻花比油條結實，大家都懂的。”
“盾構設備狀態穩定，姿態控制靈敏，加固區外地表沉降控制良好，隧道無滲漏水，軸線控制符合質量標準要求，達到工程現階段既定目標。”自2015年11月底“陽明號”始發寧波，至《新民周刊》發稿，已掘進超過100環，出入段線類矩形盾構區間1～100環子單位工程也順利通過驗收。
“我們單日最快掘進速度是4環，將近5米。而我們的一環是單線雙洞，又相當于一般單個圓形盾構的兩環！”劉喜東在電話那頭驕傲地說。這臺“方腦袋”盾構開掘出的寬約11米、高約7米的近似長方形隧道，可容納一來一去兩條地鐵線。
從裝備入手破解“滿城挖”
回看歷史，上海地鐵的建設大幕，真正拉開要從1990年算起。當年，上海地鐵1號線開工建設，由上海隧道控制的一號盾構機率先掘進，根據地質、埋深、地面荷載和環境條件合理確定參數，結果發現由法國引進的土壓平衡式盾構原裝超挖刀并不適合上海地層條件，上海隧道建議從7臺盾構上拆除，為盾構施工控制地面沉降提供了重要的經驗。
“當時我們的施工技術已經與世界水平趨向一致，但還是基于進口的裝備。可以說是其他國家提供什么樣的裝備，我們就拿過來造什么樣的工程。”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。但總體來說我們還是被動的。”
作為國內最早涉足隧道施工的企業，上海隧道工程有限公司在地底下與盾構機打了半個世紀的交道，除了打造出眾多世界第一的隧道外，更率先完成了盾構機的國產產業化和批量出口。時光荏苒，上海地鐵建設的豐功偉績得益于上海隧道的盾構技術，而上海隧道也在上海地鐵發展過程中積累了豐富的經驗，在經驗的基礎上不斷創新，繼續服務于上海的地鐵施工，并“技術輸出”，跨出上海，在全國其他城市地鐵建設中展示“上海智造”的實力。
“這次的'陽明號’項目，證明我們已擁有了根據城市建設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’。目前來看，城市建設最嚴重的問題就是'滿城挖’，我們便通過自主研發的裝備制造入手，來破解這個難題。這不僅是我們，更是中國隧道行業的一個進步。”
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，依靠的就是科技創新。科技創新對企業而言，贏得了更大利潤，謀得了更大市場，而對客戶來說，帶來的恰恰是付出更少的資金，贏得更大的回報。“陽明號”類矩形盾構就屬于這樣的科技創新。 
