“陽明號(hào)”與中國力量

陳一葦

類矩形盾構(gòu)的空間利用率比圓形高30%～40%，它開挖的隧道斷面寬度上和兩臺(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，且雙線隧道一次成型，不用破壞城市既有管線，又不破壞環(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)，更適合“螺螄殼里做道場”的需求。

這是一次沒有先例可循的施工。一條寬約11米、高約7米、長度420米的類矩形隧道在寧波貫通，這意味著由隧道股份上海隧道研發(fā)制造的世界最大斷面類矩形盾構(gòu)，首秀成功。盾構(gòu)名叫“陽明號(hào)”，寬11.83米、高7.27米，它不僅是中國首臺(tái)類矩形盾構(gòu)，標(biāo)志著類矩形盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過僅三年的時(shí)間，完成了從籌劃、可研、決策、招投標(biāo)，到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備研發(fā)、施工工藝研究，再到現(xiàn)場實(shí)施、現(xiàn)場測(cè)試的全部過程。

“‘陽明號(hào)盾構(gòu)完成國內(nèi)首條城市軌道交通的類矩形盾構(gòu)法隧道貫通，這其中有我們?cè)S多原創(chuàng)性的東西，在技術(shù)應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了顛覆性。”在隧道股份上海隧道工程有限公司辦公室，董事長、黨委書記宋曉東對(duì)記者說。

整個(gè)項(xiàng)目從立項(xiàng)到隧道貫通，過程中得到了中科院孫鈞院士、工程院錢七虎、梁文灝、楊華勇院士、日本地域地盤環(huán)境研究所（GRI）所長橋本正，國際隧道協(xié)會(huì)前主席Lee In-Mo等國內(nèi)外知名專家的認(rèn)可和贊譽(yù)，給出了“罕見”“非常成功”、“國際領(lǐng)先”等高度評(píng)價(jià)。

“陽明號(hào)”最初之命名，取自明代思想家王守仁。陽明先生創(chuàng)立心學(xué)，提出“知行合一”的思想。同時(shí)，陽明先生還是浙江紹興府余姚縣（今寧波余姚市）人。“‘知行合一是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展類矩形盾構(gòu)研發(fā)的心法。以‘陽明為名，是一種思想傳承，更是我們對(duì)類矩形盾構(gòu)的期盼……”寧波地鐵方面對(duì)“陽明號(hào)”的名稱如此解釋。

類矩形盾構(gòu)

解決城建“頑疾”

在類矩形盾構(gòu)應(yīng)用之前，建地鐵大多采用圓形盾構(gòu)。由圓改矩的科研創(chuàng)新，有著實(shí)實(shí)在在的現(xiàn)實(shí)意義。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，傳統(tǒng)“開膛破肚”式的大拆大建問題突顯，尤其是城市核心區(qū)和舊城區(qū)，面臨“放不下”和“碰不得”兩大問題。

“放不下是指道路狹窄，無法滿足傳統(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。”上海隧道總工程師朱雁飛告訴記者，類矩形盾構(gòu)的空間利用率比圓形高30%～40%，它開挖的隧道斷面寬度上和兩臺(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，且雙線隧道一次成型，不用破壞城市既有管線，又不破壞環(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)，更適合“螺螄殼里做道場”的需求。

寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部副總指揮、總工程師朱瑤宏亦表示，由于類矩形盾構(gòu)機(jī)具有施工擾動(dòng)小，避免大量拆遷，施工高效，不影響地面交通和地上地下構(gòu)筑物等優(yōu)點(diǎn)，在集約節(jié)約利用空間的當(dāng)下及將來，可廣泛用于地下人行、車行地道和軌道交通、共同管溝等地下空間工程。

“陽明號(hào)”在寧波地鐵3號(hào)線的首秀工程的由來，還得從寧波地鐵4號(hào)線說起。按照4號(hào)線部分區(qū)段規(guī)劃，要經(jīng)過街道狹窄的老城區(qū)，環(huán)評(píng)公示階段，沿線居民意見較為集中，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。如采用兩臺(tái)單圓盾構(gòu)，隧道的確會(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，上海隧道提出了類矩形盾構(gòu)這一新的技術(shù)方案。

為了更好地推進(jìn)類矩形盾構(gòu)可行性研究，2014年6月20日，寧波軌道交通亦成立了“類矩形盾構(gòu)可行研究工作小組”，由朱瑤宏擔(dān)任組長。寧波軌道交通技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過開展國內(nèi)外的調(diào)研、研討，結(jié)合中外專家的意見，進(jìn)行了詳盡的可行性研究;另外，項(xiàng)目得到了寧波市各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的支持，最終促成寧波成為類矩形盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新的試驗(yàn)田。

數(shù)據(jù)顯示，類矩形盾構(gòu)首先能夠有效解決寧波軌道交通4號(hào)線工程的現(xiàn)實(shí)問題，極大減少因盾構(gòu)影響造成的拆遷量，僅4號(hào)線兩個(gè)區(qū)間能夠減少拆遷約5萬平方，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本約7億元。（寧波軌道交通后續(xù)線路上也存在此類情況，目前已準(zhǔn)備建設(shè)的2號(hào)線二期工程鎮(zhèn)海段，同樣采用類矩形盾構(gòu)進(jìn)行施工，節(jié)約拆遷成本3億元。）

鑒于4號(hào)線擬采用類矩形盾構(gòu)的區(qū)域位于城市中心區(qū)，周邊環(huán)境保護(hù)要求高，為了穩(wěn)妥起見，可行性小組建議先在周邊環(huán)境較為簡單的3號(hào)線出入段線進(jìn)行試驗(yàn)，再運(yùn)用到4號(hào)線工程中。

“陽明號(hào)”完成首秀以后，記者獲悉，在寧波市，上海隧道起碼已經(jīng)中得三個(gè)標(biāo)的——位處寧波市中心的4號(hào)線TJ4010標(biāo)，共1.5公里;位處市郊小洋江站的4號(hào)線TJ4016標(biāo)，共200多米;位處市中心的2號(hào)線TJ2218標(biāo)。這三段矩形隧道，無疑都能吸取“陽明號(hào)”的經(jīng)驗(yàn)。特別是2號(hào)線TJ2218標(biāo)，是一共2.2公里的三段矩形隧道，將再次挑戰(zhàn)施工難度。

創(chuàng)新引領(lǐng)的中國力量

“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。”上海隧道盾構(gòu)試驗(yàn)中心機(jī)械室主任石元奇告訴記者，“回看過去我們?cè)?jīng)工作過的地方，絕大數(shù)多是采用圓形盾構(gòu)完成施工的。”這也是為何早前的盾構(gòu)大多采取圓形的原因。

類矩形盾構(gòu)雖然有諸多好處，但盾構(gòu)頭由圓改方，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。經(jīng)過10個(gè)多月的研發(fā)設(shè)計(jì)制造，“陽明號(hào)”類矩形盾構(gòu)頭部裝備了一橫一豎兩個(gè)“X”形刀盤，后方還有一個(gè)“I”形刀盤，通過交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)100%全斷面切削，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)拱頂采用圓弧段“類矩形”斷面的特殊設(shè)計(jì)形式，強(qiáng)化了盾構(gòu)機(jī)在軟弱地層條件下的施工沉降控制能力，避免了正矩形盾構(gòu)施工易背土而導(dǎo)致的大范圍地層擾動(dòng)，此技術(shù)獨(dú)上海隧道一家。

類矩形隧道能抗住地下的巨大壓力嗎？上海隧道制作整環(huán)管片進(jìn)行承載力試驗(yàn)，最大壓力可達(dá)6000噸;每塊管片上裝有傳感器，整環(huán)共1000多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，類矩形隧道比圓形隧道更加強(qiáng)壯，隧道建成后即便遇到周邊開挖，也能更好地保持穩(wěn)定。

2015年11月底，“陽明號(hào)”始發(fā)掘進(jìn)，施工各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均顯示出良好的水平，尤其是沉降控制方面，效果超過了預(yù)期。回看“陽明號(hào)”的施工過程，由于寧波靠海，土質(zhì)比上海更松軟，且盾構(gòu)需穿越淤泥、淤泥質(zhì)黏土、外塘河等“險(xiǎn)地”，施工過程中的地面沉降控制難度極大。上海隧道對(duì)防背土、軸線及盾構(gòu)姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)展開專項(xiàng)研究，建立隧道變形及環(huán)境影響預(yù)測(cè)模型，獲取影響機(jī)理和規(guī)律，提前形成控制技術(shù)，在試驗(yàn)段工程面臨地層條件差、小曲率半徑、穿越重要建構(gòu)筑物等多重不利工況條件下，成功實(shí)現(xiàn)了施工對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)控制。

除此之外，他們還有一個(gè)秘密武器——上海隧道自主開發(fā)的“盾構(gòu)管控平臺(tái)”利用信息化技術(shù)，全方位收集、集成大量標(biāo)準(zhǔn)化施工數(shù)據(jù)挖掘出盾構(gòu)法隧道施工規(guī)律，實(shí)時(shí)對(duì)此次隧道施工動(dòng)態(tài)分析，并利用智能化分析功能指導(dǎo)優(yōu)化施工參數(shù)，幫助管理人員全方位掌控工程風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)提供預(yù)警，降低工程管控風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于寧波本地地質(zhì)地貌頗為熟悉的朱瑤宏稱，在寧波這樣典型的軟土地區(qū)，建造類矩形隧道，是一場大規(guī)模的技術(shù)創(chuàng)新。“陽明號(hào)”一舉建立了類矩形盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)、裝備、施工三大技術(shù)體系，在技術(shù)上解決了類矩形盾構(gòu)全斷面切削與異形復(fù)雜管片拼裝技術(shù)的國際難題，在異型多刀盤切削系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等核心技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了首創(chuàng)性突破。

朱瑤宏表示，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研高效、有機(jī)合作，寧波軌道交通方面首次嘗試“科研、設(shè)計(jì)、施工總承包”的管理模式，并引入盾構(gòu)設(shè)備制造、設(shè)計(jì)、施工企業(yè)及科研院所等優(yōu)勢(shì)力量共同參與“聯(lián)合體”的承包模式，自2015年初招標(biāo)完成起始，“陽明號(hào)”聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)僅僅經(jīng)歷了10個(gè)月的項(xiàng)目突擊就完成了這項(xiàng)工程。

宋曉東亦表示，“陽明號(hào)”的成功應(yīng)用，不但提振了上海隧道在地下工程高端裝備領(lǐng)域深化發(fā)展的信心，而且項(xiàng)目研發(fā)過程中的大量協(xié)作，充分體現(xiàn)了“中國力量”。例如，在“陽明號(hào)”研發(fā)施工的過程中，涉及到大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。上海隧道與上海交大等高校協(xié)作，共同完成設(shè)計(jì)思路的確定，一些軟件則交給上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等大學(xué)相關(guān)單位研發(fā)。這樣“科研、設(shè)計(jì)、施工”總承包和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體的合作模式，也為國內(nèi)工程建設(shè)承包模式單一，技術(shù)創(chuàng)新難的窘境，注入了新思路和想法。

“陽明號(hào)”的創(chuàng)新是立足于寧波市軌道交通工程實(shí)際需求，旨在推動(dòng)整個(gè)軌道交通甚至工程行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的壯舉。這是國內(nèi)自主研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)技術(shù)，破解了眾多技術(shù)難題，打破了軌道交通領(lǐng)域圓形盾構(gòu)一統(tǒng)天下，技術(shù)單一陳舊的現(xiàn)狀，為城市軌道交通以及城市地下空間開發(fā)提供了新的技術(shù)選項(xiàng)，為解決城市核心區(qū)地下空間集約化利用及高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境保護(hù)開辟一條新路。