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中铁十四局运用德国盾构技术攻克南京长江隧道纪实
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内容提示：南京长江隧道全线贯通,标志着我国在特殊不良地质条件下水下隧道建设取得了重大成功,标志着中国铁建已经掌握了世界上最先进的超大型盾构的推进和超大型隧道的建造技术。
一次成型的钢铁“巨无霸”
在水下隧道工程中，采用近15米超大直径盾构机施工的项目，我国仅有三个：已经建成的上海长江隧道、上海中上路隧道和南京长江隧道。从技术含量看，南京长江隧道是技术难度最高、水土压力最大、地质条件最为复杂的深水隧道。（参考《建筑中文网》）
南京长江隧道左右线施工，采用的是两台德国海瑞克公司生产的泥水平衡式盾构机。每台盾构机有3万多个大小零部件，总长134米，总重近4000吨。一共分几十船从德国运到南京，又动用了200多辆超大型货车才运到工地。其中刀盘直径达14.93米，相当于5层楼高，重达400多吨，是目前国内盾构机刀盘整体下井实例中重量最大的。这两台当今世界水下隧道施工最先进的大型综合设备，是十四局集团斥资7亿多元，专门为南京长江隧道“量身定做”，称得上是让水下隧道一次成型的钢铁“巨无霸”。
攻克世界级技术难题
这两台泥水平衡盾构机，要在南京长江隧道中成功运用，需要破解六大世界级技术难题：14.93米的刀盘直径是当今世界上直径最大的盾构机之一；隧道最低点水土压力高达0.65兆帕，居世界同类隧道之最；隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等，地质情况极为复杂；强透水层占总掘进长度的85%以上，为国内外罕见；覆土厚度远低于盾构隧道常规安全埋深要求，构成高风险超浅埋段；掘进距离长达3公里多，在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损系数是软土地层中的10倍以上。
十四局集团建设者面对的这些技术难题都是全新的挑战，国内外尚无成功经验可以借鉴。因此，专家断言南京长江隧道堪称长江流域水下工程施工难度最大、科技含量和风险性最高、挑战性最强的工程项目。在建设单位南京长江隧道公司的组织和专家组的指导下，十四局集团对德国技术进行引进消化吸收再创新，破解了诸多重大技术难题，创下了成型隧道不渗、不漏、不裂的工程奇迹。
南京长江隧道工程技术难度世界罕见，可以说盾构机每向前推进一米，都面临着许多难以预知的风险和困难。十四局集团组成了包括6位院士、30多位国内顶尖专家的专家团队，为工程保驾护航。如此众多的技术精英为一座隧道“把脉”，在我国工程建设史上也是绝无仅有。
超大直径盾构机能否安全破门入洞，是决定始发成败的关键因素。为此，指挥部对洞门周围的连续墙加强支撑，对前方18米土体采用全断面旋喷加固，为防止前方因覆土厚度不足产生盾构机上浮，又延伸了37米的半段面旋喷加固。同时，为确保洞门破除及始发安全，在全断面加固的基础上，还采取了2米厚的冷冻墙加强方案，实现了“双保险”。
为使盾构机按轴线顺利滑移，科技人员通过改造轨道，安装了4条滑轨。严格控制焊缝精度，严防刺渣损伤盾体，避免了相互咬合，使盾构机按精确的轴线前移。
洞门密封，关系到泥水建仓和浆液封堵的成败。他们通过改革传统单一使用橡胶帘布的方法，既让密封圈和洞门吻合，又使盾体通过时刀具不划破帘布。确保泥水仓及时建立，防渗防漏，压力平衡。同时，还在帘布后边增设了1.5毫米厚的弹簧钢板，采用压注高分子聚合材料封堵，使帘布和钢板同时发挥作用，达到密封效果。
盾构推进时，技术人员综合冷冻、解冻、拔管和泥水仓内压力等数据参数，密切关注和检测各类数据系数，决定推力和速度。按照泥水循环分离、掘进、严格管片安装的程序，环环相扣，稳步推进。
指挥部联合上海超级计算机中心，对南京长江隧道施工中的关键技术点进行分析。通过采用超级计算机模拟施工事故的可能性，通过三维可视化仿真，对多种施工方案和施工参数进行比较分析，评价施工方案的优缺点，从而帮助选择最佳施工方案和参数。
洋设备与长江“水土”的艰难融合
2008年5月16日，左线隧道盾构机“扬子二号”成功始发。盾构机成功始发后，紧随其后的是如何安全穿越超浅埋段、水塘段、长江大堤和城南河。
超浅埋段，上方覆土厚度仅为5.5米。施工中通过对地表沉降、水位监测、土压测定和土体位移监测等设立多个观测点，反复观察、分析和判断，制定及优化施工方案。并联合北方交大科研人员进行覆土劈裂的静动态试验，利用传感器对地面动态和土体多次进行检测，使得盾构机掘进时泥浆配置、压力设定和水土压力吻合，实现安全快速通过。
2008年8月，右线盾构施工进入复合地层，推进至1316米时，掘进受阻。十四局集团指挥部分析判断可能是刀具出了问题，但德方坚称不是因为刀具磨损影响掘进。指挥部就此组织召开了5次专家论证会，积极会同国内外专家和海瑞克公司工程师分析原因，经过反复商讨会诊，确认是因刀具磨损过度所致，随即着手解决刀具修复问题。
盾构机刀盘上共有225把刀具，其中71把可在常压下更换，其余刀具则要通过高压进舱的方式更换修复。这项作业从未有过先例，被业内视为一项世界性的尖端技术难题。在6倍大气压的高压下进舱作业，国内外罕见；而要在如此高压下进行焊接和切割等“动火”作业，更是史无前例！2009年2月14日，来自德国北海公司的26名顶级潜水员和指挥部员工一起，在高气压条件下修复了刀盘刀具，这一世界级难题成功告破！
因高压环境下作业人体承受能力所限，潜水员在舱内的有效工作时间每天不足3小时。每次进入高压舱前，要进行30分钟左右的逐级加压，工作40分钟后必须返回减压舱，再经过近4个小时的逐级减压，才能走出工作舱。这样的过程与“神舟七号”航天员进出舱原理相似，但潜水员承受的压力变化，是航天员的5倍。
新型刀具的研发使用，也是值得一提的得意之作。在进入卵砾石地层后，左线的掘进也受到了严重的影响，2008年9~11月的月平均进度仅有70环，检查和更换刀具耗费了大量的时间。十四局集团指挥部联合国内外多家刀具制造商，共同研发适合复合地层的新型刀具。经过充分研究改进，反复试用对比和检验，最终采用的改进型刀具对卵砾石地层非常适应，使用寿命已达到原刀具的10倍以上，工作效率大为提高，确保了大量卵砾石地层的顺利通过。
实践出真知，对海瑞克公司的技术，建设者相信但不迷信，力求将德国先进技术与长江“水土”完美融合。在充分调研论证的基础上，他们大胆创新，总共进行了39项技术改进。盾构机零配件的国产化代用也取得很大进展，不仅节省了时间，而且降低了成本。
管片生产是盾构隧道质量保证的前提，其精度要求国际上一般为1毫米，抗渗性和耐久性要求严格，生产工艺复杂，质量控制标准相当高。南京长江隧道的管片生产被列入国家“863”计划，其精度误差要求控制在±0.5毫米，是混凝土的顶级产品。负责管片生产的第五项目部，回忆起那段“峥嵘岁月”，仍是感慨唏嘘：“没有任何施工经验，凭着一张平面照片，就开始开发工装设备；进口模具设计上有缺陷，只能自主改造，试产时最多要调整20次；一个钢筋笼有1900多个焊点，焊接工艺要求高，队伍来一批走一批，给多少钱人家都不干……”。
凭着一股越是艰难越向前的勇气，凭着一种“不破楼兰终不还”的精神，第五项目部走上了自主创新之路。吹尽黄沙始到金！经过不断的探索、试验、改进和创新，他们终于掌握了管片生产技术。
2008年11月13日，十四局集团指挥部第五项目部管片预制厂，鞭炮礼花震天炸响。随着最后一罐砼注入管片模具，南京长江隧道所需的30430块管片，提前48天圆满完成，合格率100%，实现了成品管片的高强度、高精度、高抗渗的目标。经德国VMT测量公司用扫描检测的方法检测，管片实际成品测量精度在0.3毫米，是目前为止精度最高的混凝土制件。德国专家声称：“这是我见过的世界上最好的管片！”日本专家赞叹说：“你们用车床加工的精度，制造出了一流的混凝土产品。” 来源: 《建筑中文网》.
在水下隧道工程中，采用近15米超大直径盾构机施工的项目，我国仅有三个：已经建成的上海长江隧道、上海中上路隧道和南京长江隧道。从技术含量看，南京长江隧道是技术难度最高、水土压力最大、地质条件最为复杂的深水隧道。（参考《建筑中文网》）
南京长江隧道左右线施工，采用的是两台德国海瑞克公司生产的泥水平衡式盾构机。每台盾构机有3万多个大小零部件，总长134米，总重近4000吨。一共分几十船从德国运到南京，又动用了200多辆超大型货车才运到工地。其中刀盘直径达14.93米，相当于5层楼高，重达400多吨，是目前国内盾构机刀盘整体下井实例中重量最大的。这两台当今世界水下隧道施工最先进的大型综合设备，是十四局集团斥资7亿多元，专门为南京长江隧道“量身定做”，称得上是让水下隧道一次成型的钢铁“巨无霸”。
攻克世界级技术难题
这两台泥水平衡盾构机，要在南京长江隧道中成功运用，需要破解六大世界级技术难题：14.93米的刀盘直径是当今世界上直径最大的盾构机之一；隧道最低点水土压力高达0.65兆帕，居世界同类隧道之最；隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等，地质情况极为复杂；强透水层占总掘进长度的85%以上，为国内外罕见；覆土厚度远低于盾构隧道常规安全埋深要求，构成高风险超浅埋段；掘进距离长达3公里多，在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损系数是软土地层中的10倍以上。
十四局集团建设者面对的这些技术难题都是全新的挑战，国内外尚无成功经验可以借鉴。因此，专家断言南京长江隧道堪称长江流域水下工程施工难度最大、科技含量和风险性最高、挑战性最强的工程项目。在建设单位南京长江隧道公司的组织和专家组的指导下，十四局集团对德国技术进行引进消化吸收再创新，破解了诸多重大技术难题，创下了成型隧道不渗、不漏、不裂的工程奇迹。
南京长江隧道工程技术难度世界罕见，可以说盾构机每向前推进一米，都面临着许多难以预知的风险和困难。十四局集团组成了包括6位院士、30多位国内顶尖专家的专家团队，为工程保驾护航。如此众多的技术精英为一座隧道“把脉”，在我国工程建设史上也是绝无仅有。
超大直径盾构机能否安全破门入洞，是决定始发成败的关键因素。为此，指挥部对洞门周围的连续墙加强支撑，对前方18米土体采用全断面旋喷加固，为防止前方因覆土厚度不足产生盾构机上浮，又延伸了37米的半段面旋喷加固。同时，为确保洞门破除及始发安全，在全断面加固的基础上，还采取了2米厚的冷冻墙加强方案，实现了“双保险”。
为使盾构机按轴线顺利滑移，科技人员通过改造轨道，安装了4条滑轨。严格控制焊缝精度，严防刺渣损伤盾体，避免了相互咬合，使盾构机按精确的轴线前移。
洞门密封，关系到泥水建仓和浆液封堵的成败。他们通过改革传统单一使用橡胶帘布的方法，既让密封圈和洞门吻合，又使盾体通过时刀具不划破帘布。确保泥水仓及时建立，防渗防漏，压力平衡。同时，还在帘布后边增设了1.5毫米厚的弹簧钢板，采用压注高分子聚合材料封堵，使帘布和钢板同时发挥作用，达到密封效果。
盾构推进时，技术人员综合冷冻、解冻、拔管和泥水仓内压力等数据参数，密切关注和检测各类数据系数，决定推力和速度。按照泥水循环分离、掘进、严格管片安装的程序，环环相扣，稳步推进。
指挥部联合上海超级计算机中心，对南京长江隧道施工中的关键技术点进行分析。通过采用超级计算机模拟施工事故的可能性，通过三维可视化仿真，对多种施工方案和施工参数进行比较分析，评价施工方案的优缺点，从而帮助选择最佳施工方案和参数。
洋设备与长江“水土”的艰难融合
2008年5月16日，左线隧道盾构机“扬子二号”成功始发。盾构机成功始发后，紧随其后的是如何安全穿越超浅埋段、水塘段、长江大堤和城南河。
超浅埋段，上方覆土厚度仅为5.5米。施工中通过对地表沉降、水位监测、土压测定和土体位移监测等设立多个观测点，反复观察、分析和判断，制定及优化施工方案。并联合北方交大科研人员进行覆土劈裂的静动态试验，利用传感器对地面动态和土体多次进行检测，使得盾构机掘进时泥浆配置、压力设定和水土压力吻合，实现安全快速通过。
2008年8月，右线盾构施工进入复合地层，推进至1316米时，掘进受阻。十四局集团指挥部分析判断可能是刀具出了问题，但德方坚称不是因为刀具磨损影响掘进。指挥部就此组织召开了5次专家论证会，积极会同国内外专家和海瑞克公司工程师分析原因，经过反复商讨会诊，确认是因刀具磨损过度所致，随即着手解决刀具修复问题。
盾构机刀盘上共有225把刀具，其中71把可在常压下更换，其余刀具则要通过高压进舱的方式更换修复。这项作业从未有过先例，被业内视为一项世界性的尖端技术难题。在6倍大气压的高压下进舱作业，国内外罕见；而要在如此高压下进行焊接和切割等“动火”作业，更是史无前例！2009年2月14日，来自德国北海公司的26名顶级潜水员和指挥部员工一起，在高气压条件下修复了刀盘刀具，这一世界级难题成功告破！
因高压环境下作业人体承受能力所限，潜水员在舱内的有效工作时间每天不足3小时。每次进入高压舱前，要进行30分钟左右的逐级加压，工作40分钟后必须返回减压舱，再经过近4个小时的逐级减压，才能走出工作舱。这样的过程与“神舟七号”航天员进出舱原理相似，但潜水员承受的压力变化，是航天员的5倍。
新型刀具的研发使用，也是值得一提的得意之作。在进入卵砾石地层后，左线的掘进也受到了严重的影响，2008年9~11月的月平均进度仅有70环，检查和更换刀具耗费了大量的时间。十四局集团指挥部联合国内外多家刀具制造商，共同研发适合复合地层的新型刀具。经过充分研究改进，反复试用对比和检验，最终采用的改进型刀具对卵砾石地层非常适应，使用寿命已达到原刀具的10倍以上，工作效率大为提高，确保了大量卵砾石地层的顺利通过。
实践出真知，对海瑞克公司的技术，建设者相信但不迷信，力求将德国先进技术与长江“水土”完美融合。在充分调研论证的基础上，他们大胆创新，总共进行了39项技术改进。盾构机零配件的国产化代用也取得很大进展，不仅节省了时间，而且降低了成本。
管片生产是盾构隧道质量保证的前提，其精度要求国际上一般为1毫米，抗渗性和耐久性要求严格，生产工艺复杂，质量控制标准相当高。南京长江隧道的管片生产被列入国家“863”计划，其精度误差要求控制在±0.5毫米，是混凝土的顶级产品。负责管片生产的第五项目部，回忆起那段“峥嵘岁月”，仍是感慨唏嘘：“没有任何施工经验，凭着一张平面照片，就开始开发工装设备；进口模具设计上有缺陷，只能自主改造，试产时最多要调整20次；一个钢筋笼有1900多个焊点，焊接工艺要求高，队伍来一批走一批，给多少钱人家都不干……”。
凭着一股越是艰难越向前的勇气，凭着一种“不破楼兰终不还”的精神，第五项目部走上了自主创新之路。吹尽黄沙始到金！经过不断的探索、试验、改进和创新，他们终于掌握了管片生产技术。
2008年11月13日，十四局集团指挥部第五项目部管片预制厂，鞭炮礼花震天炸响。随着最后一罐砼注入管片模具，南京长江隧道所需的30430块管片，提前48天圆满完成，合格率100%，实现了成品管片的高强度、高精度、高抗渗的目标。经德国VMT测量公司用扫描检测的方法检测，管片实际成品测量精度在0.3毫米，是目前为止精度最高的混凝土制件。德国专家声称：“这是我见过的世界上最好的管片！”日本专家赞叹说：“你们用车床加工的精度，制造出了一流的混凝土产品。” 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201004/14315.htm
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