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作者 | 須臾千秋，清華大學土木工程博士
如今對于基建狂魔中國來說，修一座長江大橋已經(jīng)不算特別難的事情了，僅僅在南京，就已經(jīng)有了5座長江大橋。
然而，對于南京這個橫跨長江兩岸、人口超過800萬的大城市而言，僅僅5座長江大橋是滿足不了城市的交通需求的，交通擁堵時常出現(xiàn)。
因此，南京還在快馬加鞭地修建運力更大的過江通道，揚子江隧道，就是這其中運力最大的一條。
（一）江底70米深處的世界級工程
南京揚子江隧道是雙管雙層八車道X形隧道，分別經(jīng)南北兩條線路穿越長江，兩條隧道均為上下兩層，每層單向二車道，上層為江北至江南方向，下層為江南至江北方向，南線全長7363米，北線全長7014米，整個工程總投資約52億元人民幣。
南京揚子江隧道于2015年7月2日順利實現(xiàn)全線貫通，2016年1月1日正式通車，這是世界上同類隧道中規(guī)模最大、長度最長、地質(zhì)最復雜、水壓最高的隧道，被譽為“江底70米深處的世界級工程”。
該隧道設(shè)計時速80公里，限速70公里，設(shè)計日通行車輛十萬輛，由于距離南京長江大橋最近，南京揚子江隧道可以有效地疏解目前已是全天候超負荷運轉(zhuǎn)的長江大橋的交通壓力。
此外，揚子江隧道的建成也為南京長江大橋的修繕爭取了時間。自1968年通車以來，大橋已經(jīng)持續(xù)工作了50年，必須進行一次全面、系統(tǒng)的修繕。在此期間，揚子江隧道承擔了大橋的全部交通流量，可以稱得上是南京長江大橋的“繼任者”。
?。ǔＤ険矶虏豢暗哪暇╅L江大橋）
（二）開世界先例的“天和號”盾構(gòu)機
與南京市之前已建成的緯七路長江隧道相比，緯三路揚子江隧道的地質(zhì)和水文條件更為復雜。
地層中有軟土、一般性粘土、砂土、卵礫石及基巖等，這種土質(zhì)的復雜性使得突發(fā)性涌水和流沙更容易發(fā)生，嚴重時會導致地層塌陷，尤其是江底的基石，其強度相當于混凝土的4倍。
（揚子江隧道工程地質(zhì)剖面圖）
大型的隧道工程通常采用盾構(gòu)法進行施工，所謂盾構(gòu)，就是指在向前掘進隧道的同時鋪設(shè)隧道的支撐性管片。
使用盾構(gòu)機進行隧道施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快等優(yōu)點，這項技術(shù)起源于英國，但到了21世紀，被中國雨后春筍般的隧道工程發(fā)揚光大了。
盾構(gòu)機對施工地質(zhì)有著非常強的針對性，一種盾構(gòu)機只能在特定的地質(zhì)環(huán)境中施工，南京緯三路揚子江隧道是中國第一條復雜地質(zhì)隧道，要穿過軟土、硬巖、砂卵石等地層，施工水壓高達0.72兆帕，復雜程度在國內(nèi)、國際上都沒有先例可循。
因此，承建單位為南京揚子江隧道施工量身打造了一對直徑14.93米、長130米、重達4758噸的超大型泥水氣壓平衡復合式盾構(gòu)機：天和號，和它的孿生兄弟天和一號。
?。ㄌ旌吞柖軜?gòu)機，上面的每一個小圓點就是一把267公斤的滾刀）
這一對盾構(gòu)機創(chuàng)造性地設(shè)置可推出式滾刀，延長了掘進距離，屬于世界首創(chuàng)，初裝切削刀掘進距離是同類地質(zhì)條件現(xiàn)有隧道盾構(gòu)機的3倍。
“天和一號”和“天和號”這對孿生兄弟擁有世界上最復雜的刀盤，狀似摩天輪的巨型五彩刀盤上有717把刀具，不同顏色的刀具具有不同的功能。
同時，設(shè)計單位還開發(fā)出了超長距離掘進刀盤技術(shù)、刀盤伸縮機構(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，獲得知識產(chǎn)權(quán)18項，發(fā)明專利9項。在揚子江隧道施工中，“天和一號”成功穿透了最堅硬的巖層，這些獨創(chuàng)的專利技術(shù)發(fā)揮了重要作用。
在施工過程中，兩臺盾構(gòu)機先后更換了1000多把滾刀，每把滾刀重達267公斤，經(jīng)過25800小時的施工，天和號兩兄弟穿越了4000多米被稱為“世界級地質(zhì)博物館”的極其復雜的混合地質(zhì)層，完美地完成了使命。
這標志著中國長江流域工程技術(shù)難度最大、地質(zhì)條件最復雜、挑戰(zhàn)風險最多的穿越江底隧道成功攻克了施工中的難題并取得重大突破，并成為超大型盾構(gòu)施工領(lǐng)域劃時代的里程碑。
（三）光有技術(shù)還不夠，還要伺候這兩個大家伙
盡管天和號的性能出眾，但由于地質(zhì)條件復雜，超大型盾構(gòu)機的使用絕非易事，突如其來的狀況很容易使機器陷入故障，而時時突變的地質(zhì)環(huán)境也意味著刀頭需要時常更換。
“天和一號”首發(fā)開始進入復合地層段后，遇到了長達500米的巖層，巖石最高強度達120兆帕，高強度巖石使盾構(gòu)機刀具磨損很厲害，此時，正處于緯三路過江隧道的最深處，承受水壓達0.72兆帕，這是目前世界盾構(gòu)工程中遇到的最大水壓。
按照以往方法，施工人員需加壓進入工作面換刀，但是，即便是在0.6兆帕氣壓下，一次工作也不能超過40分鐘。
按照這種效率，隧道施工工期的拖延會非常驚人。項目施工團隊在討論之后決定：將“太空艙”運用到長江隧道中。
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，身體逐步適應該環(huán)境。作業(yè)時，將生活艙吊運到長江底隧道中，與高壓泥水艙對接，作業(yè)人員由生活艙進入壓力相同的泥水艙，工作時間就能夠從40分鐘增加到4個多小時，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，平均2小時就可以換一把刀。
花了2年的時間，500米的巖層終于掘進成功。這2年間，工程采用世界首創(chuàng)的氦氧飽和帶壓換刀法進艙作業(yè)600多次，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。這是全世界第一次飽和換刀工作，換刀時間過慢的世界性難題得到了破解。
結(jié)語
如今，南京已經(jīng)擁有7條建成的長江過江通道，但這對于南京迅猛發(fā)展的交通需求而言仍然是遠遠不夠的。根據(jù)南京城市總體規(guī)劃，到2030年，南京長江將形成十六條過江通道，其中規(guī)劃鐵路與軌道過江通道七個。屆時，南京江南和江北之間的交通網(wǎng)絡將會實現(xiàn)公路、城市道路、鐵路、城市軌道跨江成網(wǎng)成環(huán)。
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編輯| 史文慧
