“阳明号”：世界最大断面类矩形盾构
阅读提示：当前基础设施的建设与周边环境的相互关系愈加受到制约和重视，传统“开膛破肚”式的大拆大建问题突显，尤其是城市核心区和旧城区，面临“放不下”和“碰不得”两大问题。自主研发的类矩形盾构，解决了狭小空间里的隧道施工难题，更适合这种“螺蛳壳里做道场”的需求。
记者｜姜浩峰 摄影｜潘文龙 陆 政
世界最大断面类矩形盾构“阳明号”，目前正在宁波市鄞州区地底下作业。作为宁波市轨道交通3号线一期工程出入段线类矩形盾构的设计、施工、科研总承包，隧道股份上海隧道工程有限公司要完成的工程包括——宁波市轨道交通3号线陈婆渡站（南端矩形盾构始发范围）、长度约430米的矩形盾构段区间隧道、盾构工作井、U型槽段等施工。
“放不下”与“碰不得”
这个工程的由来着实有些曲折，还得从宁波地铁4号线说起。按照4号线部分区段规划，要经过街道狭窄的老城区，环评公示阶段，沿线居民意见较为集中，担心房屋沉降，也担心通车后的近距离噪声和震动影响生活。实际情况是——如采用两台单圆盾构，隧道会侵入沿街民宅的下方;如采用一台双圆盾构，沉降控制能力可能不足。为此，宁波方面希望上海隧道提出新的技术方案。
“类矩形盾构”，上海隧道提出了此种方案。之前中国还没有此类装备——它开挖的隧道断面接近矩形，宽度上与两台单圆盾构紧挨着开挖出的隧道差不多，高度上比容纳双线的大型圆隧道小很多，去除了圆断面隧道里的无效空间。
考虑后续线网建设中此类问题也会大量出现，成为可持续发展的瓶颈，宁波地铁方面做出了创新之举——以科研、设计、施工一体化招标方式，组织研发类矩形盾构设备与施工成套技术。他们在宁波的郊区选出一块地方作为地铁3号线试验段，上海隧道牵头整合科研、设计、施工三大环节成为创新的主体，自行研制一台类矩形盾构，并完成这个标段的推进任务。
而作为第一个吃螃蟹的，宁波地铁方面很有可能会根据此次与上海隧道的合作成果，考虑未来在穿越主城区、老城区的地铁项目上更多地选择类矩形盾构。他们希望通过“阳明号”，解决城市建设的“顽症”。
随着社会经济的迅猛发展和城市化进程的不断加快，地下空间开发已成为扩展人们生活空间的重要手段。城市基础设施是城市地下空间的主要应用对象，其涵盖了城市地下通道、地铁、隧道以及综合管廊。而当前基础设施的建设与周边环境的相互关系愈加受到制约和重视，传统“开膛破肚”式的大拆大建问题突显，尤其是城市核心区和旧城区，面临“放不下”和“碰不得”两大问题。
“放不下是指道路狭窄，无法满足传统盾构施工的空间需求；碰不得是指城市周边环境不能被破坏，管线搬迁、房屋拆迁困难。这台自主研发的类矩形盾构，解决了狭小空间里的隧道施工难题。”上海隧道工程有限公司总工程师朱雁飞介绍说，矩形隧道空间利用率很高，而圆形隧道上下两端浪费比较大。普通单圆盾构在老旧城区狭窄道路下挖掘地铁双线隧道时，往往左右太宽，地上要拆房子；要是采用大型单圆盾构把双线并在一根隧道里，上下又太高，无法在管线和既有隧道之间穿越，因此矩形盾构更适合这种“螺蛳壳里做道场”的需求。
不用破坏城市既有管线，不破坏环境，尤其适用于都市核心区和旧城区轨道交通建设，这么好的方案，为何迟迟没有人实施，却要等到2015年开始，才由上海隧道工程有限公司来首先“尝鲜”呢？原因无非技术难关很难逾越。
逾越圆改矩难关
在过去几十年中国各大城市的地铁建设施工中，盾构法隧道的断面形状基本上都是圆形的。“圆形盾构，比较容易实现切削，又拥有相对合理的结构受力体系。”上海隧道盾构试验中心机械室主任石元奇告诉记者，“回看过去我们曾经工作过的地方，绝大数多是采用圆形盾构完成施工的。”
盾构头由圆形改成矩形，可谓“牵一发而动全身”，需要解决刀盘切削、盾构转身、管片拼装等难题。记者眼前的这台“方脑袋”盾构，头部一横一竖装有两个“X”形刀盘，后方还有一个“I”形刀盘，通过交错旋转可实现100%全断面切削，边边角角都能照顾到。“这个技术只有我们一家独有。”石元奇言语中充满自豪，“上海隧道要做最新的、最难的项目，要抢占‘蓝海市场’，技术上就必须要领先。”
提到技术领先，不能绕过宁波的地质特点。宁波靠海，其土质比上海更松软，甚至带有海盐成分，盾构穿越的软弱地层，主要是淤泥、淤泥质黏土等，还要穿越外塘河。针对宁波软土地层的特性，以及类矩形隧道特殊的结构形式和高标准施工环境影响控制等因素，石元奇和他的团队综合采用理论分析、三维有限元计算、现场实验和实测数据分析等手段，获取隧道变形以及环境影响因素，建立了隧道变形以及环境影响预测模型，揭示影响机理和规律，形成控制技术。
隧道在地下承受巨大压力，矩形隧道的管片扛得住吗？上海隧道为此专门设计了一个试验平台，制作整环管片进行承载力试验，平台上60只千斤顶每只最大推力达100吨，整环最大压力可达6000吨。同时每块管片上装有众多传感器，整环共有1000多个数据采集点，任何微小的变化都逃不过。
对类矩形盾构特殊的断面形式导致建筑空隙有效填充难，以及容易影响地表变形和成环隧道稳定的问题，技术人员还采用数值模拟研究浆液填充运动规律，通过实验室研究获得适宜的浆液性能配比。
2015年9月30日，当这台宽11.83米、高7.27米的世界最大断面类矩形盾构在上海最终研制成功时，项目相关方都眼前一亮。由此，花费10个多月的时间，在没有先例的情况下，上海隧道完成了世界最大类矩形盾构的研制和始发准备工作。
然而，考验才刚刚开始。2015年11月底，“阳明号”始发宁波。
成功掘进100环
作为隧道股份上海隧道工程有限公司的一员，刘喜东出任“阳明号”项目负责人。这次在宁波的这个项目，对刘喜东来说，是比较特殊的一个，因为“阳明号”项目，是一个从头至尾的创新集合体。
“昨晚拼装之后，我的心这才放下了大半。”2015年11月30日，在“阳明号”施工现场，刘喜东对记者说，“拼装机、刀盘等等，都采用了创新理念。‘阳明号’拥有数十项专利，98%的专利申请已获得受理。所以说，‘阳明号’具有多项自主知识产权。”
在刘喜东看来，无论从公司的角度，还是从全行业的角度，“阳明号”都是一次全新的突破，没有历史参数可以参考，即使日本等国有类似的土压平衡矩形盾构的先例，也没有做到这么大的。
换言之，“阳明号”的此番施工，还是一次研发的过程。按照刘喜东的话说，那叫做“现场科研现场用”，亦即科研、施工，招标一体化的全新尝试。
盾构将面临复杂地层、小曲率半径、穿越拔桩区、浅覆土穿河、转角控制等施工难题。针对这些施工难题，项目团队需及时采取相应的技术措施，确保类矩形盾构顺利推进。
“除了‘隧道’两个字是原本就有的，其他的都是创新。”一位现场施工人员亦称，“科研与施工、设计，在我们‘阳明号’来说，就像是被拧在一起形成的麻花，我甚至要说，只有两根拧在一起的，那是油条。必须是科研、施工、设计三股力量拧在一起，才能成为麻花。麻花比油条结实，大家都懂的。”
“盾构设备状态稳定，姿态控制灵敏，加固区外地表沉降控制良好，隧道无渗漏水，轴线控制符合质量标准要求，达到工程现阶段既定目标。”自2015年11月底“阳明号”始发宁波，至《新民周刊》发稿，已掘进超过100环，出入段线类矩形盾构区间1～100环子单位工程也顺利通过验收。
“我们单日最快掘进速度是4环，将近5米。而我们的一环是单线双洞，又相当于一般单个圆形盾构的两环！”刘喜东在电话那头骄傲地说。这台“方脑袋”盾构开掘出的宽约11米、高约7米的近似长方形隧道，可容纳一来一去两条地铁线。
从装备入手破解“满城挖”
回看历史，上海地铁的建设大幕，真正拉开要从1990年算起。当年，上海地铁1号线开工建设，由上海隧道控制的一号盾构机率先掘进，根据地质、埋深、地面荷载和环境条件合理确定参数，结果发现由法国引进的土压平衡式盾构原装超挖刀并不适合上海地层条件，上海隧道建议从7台盾构上拆除，为盾构施工控制地面沉降提供了重要的经验。
“当时我们的施工技术已经与世界水平趋向一致，但还是基于进口的装备。可以说是其他国家提供什么样的装备，我们就拿过来造什么样的工程。”朱雁飞告诉记者：“第二阶段就倒了倒，我们要造什么样的工程，就去找什么样的装备。但总体来说我们还是被动的。”
作为国内最早涉足隧道施工的企业，上海隧道工程有限公司在地底下与盾构机打了半个世纪的交道，除了打造出众多世界第一的隧道外，更率先完成了盾构机的国产产业化和批量出口。时光荏苒，上海地铁建设的丰功伟绩得益于上海隧道的盾构技术，而上海隧道也在上海地铁发展过程中积累了丰富的经验，在经验的基础上不断创新，继续服务于上海的地铁施工，并“技术输出”，跨出上海，在全国其他城市地铁建设中展示“上海智造”的实力。
“这次的‘阳明号’项目，证明我们已拥有了根据城市建设的需求制造特殊装备的能力，即‘要做什么样的工程，我们就造什么样的装备’。目前来看，城市建设最严重的问题就是‘满城挖’，我们便通过自主研发的装备制造入手，来破解这个难题。这不仅是我们，更是中国隧道行业的一个进步。”
上海隧道正在走出一条由“上海制造”到“上海智造”的蝶变之路，依靠的就是科技创新。科技创新对企业而言，赢得了更大利润，谋得了更大市场，而对客户来说，带来的恰恰是付出更少的资金，赢得更大的回报。“阳明号”类矩形盾构就属于这样的科技创新。
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