国内最大直径、世界首条公铁合建盾构法隧道——武汉三阳路隧道正在全力推进
2017-07-11 上海隧道工程 盾构时代
在江城武汉，波澜壮阔的长江江底，国内最大直径、世界首条公铁合建盾构法隧道——武汉三阳路隧道正在全力推进。这条全长2.59公里的隧道，不仅直径问鼎世界三甲，且同时面临长江区段水位落差10米以上，高石英含量砂层、强风化泥质粉砂岩“钻石层”、“粘土层”复杂土层混合的水文、地质多重“险点叠加”，被中国工程院院士孙均、钱七虎同时誉为一道隧道施工领域的“世界级难题”。
然而，却在“钻石层”混合“年糕团”的复杂地层中，在长江水面下几十米深处迎难而上，突破重重难关，全力以赴破解着这道由地球开出的“世纪难题”。
世界级的高难度挑战
三阳路长江隧道工程是国内在建的最大直径盾构隧道，其采用的“巨无霸”盾构直径达15.76米，是现役世界第三大、中国大陆直径最大的盾构机，超过5层楼高。
同时，长江武汉段的水文、地质条件复杂，遭遇高石英含量的砂层、大粘度砂质泥岩和砾岩层，且隧道段长江水位落差达10米以上，隧道建设条件极为困难。孙钧院士和钱七虎院士均表示，超大直径隧道在如此复杂的复合地层中施工是“世界级难题”。
为推进三阳路长江隧道建设，项目引进了两台目前世界上最先进的盾构机，装备制造方、全球最大的盾构机制造商——德国海瑞克集团表示，“地层的复杂性，对直径超大的盾构来说挑战尤为突出”，“大断面盾构，跨越多层次的地层，对于盾构设计、施工来说都是难题。”面对复杂的地质情况，项目遍布欧洲、亚洲、美洲以及澳大利亚的海瑞克集团也直言挑战巨大。
“钻石层”的硬考验
三阳路隧道轴线所在地层，粉细砂层中石英含量高达70%，而石英晶体是自然界中硬度仅次于钻石的天然矿产。岩层中还含有大量由石英岩、石灰岩等硬质岩石组成的大直径骨架颗粒，最大直径可达20cm左右。更为艰难的是，盾构开挖面内的岩面最高达到了12.6米，也就是说盾构刀盘直接面对这些“钻石层”及不规则分布的“钻石颗粒”。而且，它们占据了整个开挖面积的80%。
“刀盘断面较大，分散在整个刀盘上每个轨迹的刀具相对较少，边缘刀具一分钟要跑超过70米”。如此大断面且“硬碰硬”的“亲密接触”，使采用高硬度和高耐磨的硬质合金材质制成的盾构刀具，也损耗严重。
为了加快施工效率，高耗磨损的刀具就要更换。在高水压的江底，更换刀具是一项大工程。“巨无霸”共配置常压可更换的先行刀79把，刮刀52把；带压可更换的刮刀160把，铲刀6组78个。常压换刀空间狭小，需人工攀爬长达8米、近三层楼高的直梯抵至刀臂底部，先拆后装，换好一把刀要花费整整4个小时。而带压换刀则更加困难，需要专业潜水员带压出仓，所承受的压力值相当于在48米的水深下进行作业。
自始发以来，两台盾构已更换刀具1000多把，隧道每推进40米就要停机更换一次。
“年糕团”的软折磨
江底两台“巨无霸”不止受到硬的考验，还要遭受软的“折磨”。复合地层中的强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，粘土矿物含量高，黏性极大。它们组成的“年糕团”，极易造成盾构机刀盘开口的堵塞，导致刀盘频繁结泥饼。刀盘结了泥饼，就好似锐利的刀锋糊上了面团，再坚硬的刀具也无处着力。这严重阻挠了盾构机的正常掘进。
复合地层下的盾构机刀盘刀具配置本就非常困难，因为想要找到一种同时适配多种土层的刀具，几乎是不可能的。对同时面临“钻石层”和“年糕团”双重考验的三阳路长江隧道来说，其建设难度指数更是叠加式增长。
顶尖团队誓守建设一线
三阳路隧道建设团队此前曾参与过长江、钱塘江、甬江及珠海海域等诸多复杂地质和水文条件下的大直径隧道建设，拥有过硬的专业技术和丰富的建设经验，堪称行业内的“顶尖团队”。
正是这样一只队伍，始终坚守在隧道建设一线，争分夺秒、攻坚克难。
此前，为了让隧道早日贯通，三阳路长江隧道项目部300多名工作人员，在整个春节期间一天都没有休息过，每天“两班倒”，在隧道里一待就是12个小时。 “2017年对于7号线来说是很关键的一年，全体人员都做好了‘撸起袖子拼命干’的准备。”
目前，在经过多轮的专家调研、考察和论证后，三阳路后续施工已总结出一套针对性的解决方案，重点着眼于刀具切削效率提升和刀盘泥饼防治两个方面。一是根据不同复杂地层的特性，系统性、阶段性地优化刀盘刀具配置，提高刀具耐磨性，并通过增加先行刀、刮刀两个层次刀具的高差，科学提高切削效率。另一方面，科学采用相关物理及化学方法，如在泥水中添加离散剂等，从源头上消除泥饼或有效减低泥饼的形成。同时，通过增大中心冲洗泵功率及增加中心区域冲刷刀筒的数量，改善刀盘中心无开口区域的泥水携渣能力，有效减低刀盘正面泥饼的形成。
“长期摸爬滚打的一线建设经验，加上行业专家的可行性建议，对‘啃’下这块硬骨头，我们有更多的自信和底气。”隧道股份上海隧道现场技术人员表示，为早日实现全线贯通，项目部上下已卯足干劲，做好了排除万难的准备。
据预测，三阳路长江隧道建成后,单是下层地铁7号线日均可运送的过江客流都可达到25万人次，相当于20至30条常规公交线路的过江客流量，将进一步有效缓解武汉的过江交通压力，为江城武汉再添一条“过江巨龙”。
