直径15.76米的巨型刀盘相当于五六层楼高
长江网4月20日讯(长江日报记者张晟 郭佳 常敏 袁永华 陈惠东 图片李永刚拍摄)受到社会高度关注的武汉地铁7号线三阳路长江隧道日前传来了好消息：右线盾构机已胜利到达汉口接收井，安全破洞而出。这意味着，武汉地铁终于攻克了公铁两用的三阳路长江隧道这一世界级的工程难题。
三阳路长江隧道内，工人们正在绑扎钢筋 上海隧道工程有限公司供图
提起这条隧道，一连串的定义让人应接不暇：世界上首条公铁合建的盾构法隧道、国内在建最大直径的盾构法隧道和长江中上游首条超大直径越江隧道。2016年的国庆节期间，中央电视台《超级工程Ⅱ》纪录片第一集《中国路》就曾重点介绍过这一工程，并获得了海内外观众和网友的高度关注和肯定。
然而，世界级的工程也对应着世界级的难度：总重量达到4400吨左右的盾构机，全长达到了创纪录的167米;隧道断面达到195平方米，是2号线的6倍多;隧道挖掘出来的土方约有100万立方米，出土量相当于建造一座上海金茂大厦的建筑体量;1360米长的“泥岩+砾岩”复合地质让盾构机举步维艰，最慢时掘进速度仅为每天1环，长度只有2米……
世界级工程将一道世界级难题摆在了武汉面前，而这座城市的答案只有一个：克服一切困难，誓将三阳路长江隧道尽早打通!为此，武汉地铁集团与施工单位上海隧道工程有限公司等参建单位携起手来，开动脑筋，动员一切可以动员的力量，全身心地投入到了建设中去。
为了这条隧道，最高峰时曾经有700多人同时奋战在一线，他们24小时轮班坚守在地下40余米深处的盾构机内，很多人几个春节都没有回过家。
三阳路长江隧道是公铁两用隧道，通过在隧道内建设内衬结构，实现地铁与汽车的分离运行
为了工程顺利推进，中国科学院院士孙钧和中国工程院院士钱七虎、陈湘生都被请到过施工现场，他们和来自国内外的机械、材料、地质、盾构等多领域的顶级专家一起，在20多次高规格会议上向武汉提出了一个又一个技术方案。
武汉地铁集团有关负责人表示，右线盾构机即将出洞的前夕，大家丝毫没有放松的喜悦，神经反而越发紧绷。直径达到15.76米的盾构机在地下是一个庞然大物，不管出现任何意外，都将带来毁灭性结果。为了确保万无一失，武汉地铁集团组织专家对盾构机相关接收方案进行了半年的论证，并从集团主要领导开始，各级负责人带头审查设计计算书。这在武汉地铁几百次盾构机接收的历史中也是绝无仅有的。
武汉立志打造世界级地铁城市，全市将努力在2020年底建成400公里轨道交通。以三阳路长江隧道建设为契机，武汉地铁有信心兑现对这座城市和市民的承诺，也更有信心把更多的世界级的超级工程建设好和运营好。
揭秘背后故事
“钻石层”和“年糕团”构成复合地质“三明治”
两个月改造后让盾构机焕发新生
棘手难题在全球范围内无解——
盾构机刀具旋转切割10公里仅能前进1米
“做完这条隧道再回头看以前的越江工程，就相当于小学测验和高考的区别。”武汉地铁集团二级项目经理倪正茂说，此前他曾经负责过3号线穿越汉江的隧道工程。
他说，在参与3号线穿汉江的隧道工程建设时，觉得工程难度已到达了一个很难再去挑战的高度，但是接手三阳路长江隧道的建设任务后，他意识到，这次才算是遭遇到了真正棘手的难题。
原来，直径达到15.76米的盾构机在地下遇到了一种复杂地质情况：在长约1360米的地下范围内，同时分布着强度极高的砾岩和黏性极大的泥岩，两者如同“钻石层”和“年糕团”，一方面快速磨损盾构机的刀具，另一方面又结成泥饼贴在刀盘上，如同将年糕团糊在刀具上，大大增加了盾构机地下切割的难度。
“钻石层”和“年糕团”分布的断面最宽处超过了13米，超过了盾构机八成面积，给施工带来了极大的挑战。统计数据显示，从2016年11月开始，盾构机掘进速度由每天8环(16米)快速下降，到2017年6月，曾长时间出现1天仅能掘进1环(2米)的情况。而即便只能往前推进1米，这也是每把刀具在刀盘上一天不间断旋转、累计切割了10公里距离后产生的。难度之大，可见一斑。
倪正茂说，上软下硬地层复合叠加在武汉地铁以前的建设中不是没有遇到过，但7号线盾构机直径远大于武汉地铁过去使用过的任何型号盾构机，因此解决这种地质难题的难度呈几何倍数猛增。查阅文献资料，全球范围内都没有可参考的成功经验。
严峻和残酷的现实给各方都带来了无法名状的心理压力。倪正茂说，那段时间经常感到日子看不到头，人也多次面临崩溃的边缘。施工方上海隧道工程有限公司项目经理王志华也说，完全可以用“暗无天日”来形容当时的情况。那时，国内其他一流施工单位也派专人来越江隧道施工现场参观，不少人看后甚至悲观地预测，这条隧道2018年都无法打通。
挑战不可能完成的任务——
两个月针对性改造让盾构机重获新生
在项目部的小院内，一排排废弃的刀具被摆放在会议室门外。这些贝壳刀、滚刀、刮刀和羊角刀等都是从盾构机上更换下来的。可以明显看出，刀具都有不同程度损坏，有些损坏甚至超乎想象，发生了拦腰折断的情况。
项目部负责人说，从2016年4月盾构始发到现在，两年时间里，共有4000多把各式刀具被更换下来，换刀总次数接近300次。“这也是无法想象的事情!一般的越江盾构工程只需要换三次刀就足够，我们这次却接近别人100倍。”
由于江底砾岩强度太大，每种刀具选择何种规格更适应掘进也成了制约掘进速度的因素之一。以贝壳刀为例，项目部前后共选择了17种规格进行尝试，最终才找到了最合适的一种。
而对付遇水膨胀的泥岩，项目部则想了更多的办法。比如，他们加强了对刀盘的冲洗，让冲洗流量增加了一倍;向刀盘内加高压气，并添加调配好的化学药剂，减少泥饼生成。同时，将刀盘上的刀具由79把增加到131把，增加盾构机的“牙齿”。此外，通过总结施工过程中的经验，不断调整刀具姿态和水冲洗的方向，让盾构机掘进能力得到最大程度发挥。
2017年8月6日午夜，经过两个月改造后的盾构机开始复推，当天掘进距离即达到4环(8米)，当时项目部内不少人都流下了激动的泪水，大家击掌相庆，还专门买来了消夜，吃下了几个月以来最香的一顿饭。
此后，盾构机掘进速度不断提升，隧道建设进度也逐步恢复到常态。
全世界都没出现过的突发情况在这里出现了
作为国内在建最大直径的盾构法隧道，三阳路长江隧道建设中所遇到的一些突发情况也是“从来没有碰到过的。”
2017年8月11日，盾构机正像往常一样在长江江底掘进。突然，现场工人们听到了很大的水响声。
怎么会有水声?到底出了什么事?
情急之下，在无法第一时间确认问题源头时，工人们在30秒内立刻关闭了盾构机仓门，将盾构机刀盘及其后的法兰罐与后方隧道隔离。
让人惊出一身冷汗的是，其后的48秒内，整个345立方米大的法兰罐就被长江的水和砂灌满。
“要不是仓门关闭及时，后果就不堪设想了。好在我们现场处置很快，没有形成不可控的局面。”项目部负责人说。
在接下来的三天时里，潜水员多次进入法兰罐排摸，最终找到了问题的原因：原来，坚硬的砾岩层在盾构机刮刀强大压力的作用下产生了反作用力，并将刮刀刀桶螺栓拉断，导致刀桶直接被弹回进法兰罐内，此时盾构机上就出现了一个窟窿，江水、江砂立刻通过这个洞进入盾构机的法兰罐。
“这是在全世界盾构工程中也从未遇到过的突发情况。没人会信，那么大的盾构机，怎么可能会被石头打掉刀桶。但长江下方复杂的地质情况，就让这绝对不可能发生的情况发生了。”武汉地铁集团二级项目经理倪正茂说。
最终，局面被完全控制，脱落的刀桶重新被固定，法兰罐内的水和砂也被及时清运掉，盾构机恢复了正常的工作。吃一堑长一智，考虑到江底砾岩硬度超普通混凝土三四倍，为了不再让这种突发情况发生，盾构机每推进5环，工作人员就要检查一次刮刀刀桶螺栓。
经过反复研究，技术人员想到在刮刀后方加一层保护罩，哪怕再一次刮刀螺栓断裂，刀桶反弹后被保护罩挡住，也不会完全弹退至法兰罐内并在盾构机上形成一个窟窿。
说干就干!保护罩很快被安装上去，并很快显示出了其威力。2018年1月12日，左线隧道施工过程中，再次出现刮刀螺栓断裂的情况。可由于安装了保护罩，刀桶未全部弹出，没有造成法兰罐浸没的情况，保护罩的实用性得到了证实，仅用了4个小时，技术人员就恢复盾构施工，将工程风险化解于无形之中。
不仅如此，项目部还在法兰罐前安排了专人值守，同时，法兰罐内也安装了摄像头，盾构操作室及中央监控室能够实时了解到法兰罐内的情况，这样能在第一时间了解到法兰罐内情况，并及时做出反应，处置可能发生的风险。同时，在制定处理方案时，技术人员也能够通过录像回放，清楚看到整个事情发生的全过程，这就能便于找到原因，指导解决方案的制定。
万众一心 众志成城
迎战4大难点终将天堑变通途
盾构机掘进操作瞬间
1 .“三超”大块头坐船来汉快速拼装
直径达15.76米，重量达4400吨，7号线一期的两台过江盾构机是名副其实的世界级“大块头”。2014年1月，这两台盾构机的生产订单下到了德国，经过定制生产再运送到武汉，前后有2年时间。来到武汉时，盾构机被拆分成了一个个拱形部件。将这些大方块运往施工地点，也费了一番气力。
武汉地铁集团有关负责人说，从德国运至上海，再从上海来到武汉，两个“大块头”都是坐船而来。从码头运往市中心，其进城线路也是多部门协作才定下来的。
“因为盾构机是‘三超’运输。”上述负责人说，“这‘三超’是指超高、超宽、超重，因此必须要精心选择运输线路，要不路上被电线杆等阻挡，根本送不到工地上来。为此，多个部门对运输线路进行反复选择、论证，最终才保证盾构机安全抵达。”
接下来，拼装也成了难题。先前准备的2万多平方米的拼装场地，等各个部件进场后就“挤得转不过身来”。尽管如此，项目部还是组织人力快速投入到拼装工作中来。
尽管困难重重，但大块头最终还是在3个半月内拼装完成，很多人不知道的是，一台最普通的盾构机，拼装仅需要一至两个星期，而这样如此大体量的盾构机拼装，最少也得4个半月。
2. 分离始发 “大块头”井下二次拼接
据悉，武汉地铁建设过程中，最为普通的盾构机始发时基本都是具备了完整的结构，然而，这个167米长，重达4400吨的“大块头”盾构机的始发是在全世界范围内第一次采用分离始发的方式。即，始发时的盾构机并不完整，只有盾体和部分车架。
为什么要这样呢?
原来，整个盾构机全长167米，包括前方15.7米长的盾体和后面共6节、150多米长的车架。这么长的盾构机若整体始发将有两个困难：其一，安放如此大的盾构机，对基坑深度和长度都要求太高，现实中的施工场地不具备条件;其二，如果把167米长的整个盾构机完整始发，其需要修建加长加大的场地，会增加几千万元的成本投入。
怎么办?时间不等人。项目部技术人员们通过论证，在保证一切安全的情况下，决定创新性采用“盾构分离始发技术”，让一部分盾构设备先忙起来。
2016年4月下旬，15.7米长的盾体带着第1节和第4节车架开始了7号线三阳路长江隧道第一环的掘进。在前行80环、建成160米长的隧道后，地下空间变得足够大，具备了加挂剩余车架的能力。
接下来，施工人员将4节车架退回始发井，再让第2、3节车架各就各位，依次安装到盾体的后方，再接上第4、5、6节车架。随后，他们还对盾构机进行了第二次安装和设备调试，盾构机全部设计功能得到发挥，继续向长江底部掘进。
3 . 44米深度 始发考验抗压能力
由于盾构机本身超大、超长，与盾构机相匹配的基坑也是国内同等规模断面中开挖深度最深的基坑，达到了44.1米。这也造成盾构机底部水土压力相当大。
“又是第一次遇到。”项目部有关负责人表示，一般的盾构机水下始发，深度差不多20米左右，所产生的压力就已相当大了，而44.1米深处盾构施工，极大地提升了工程风险。与此同时，始发的盾构机姿势是一个下坡的形态，也会造成水土压力上下不一，密封牢固度受到影响。一旦对盾构机掌控不好，可能会发生“栽头”的情况。
为了解决上述问题，工程人员针对性地做了一系列的工作，首先在超深基坑施工中，设3道砼板撑和3道砼支撑，其中，武昌工作井采用1.5米厚的地下连续墙围护结构，地下连续墙深59米，最大入岩深度达8米;同时采用目前世界上最先进的铣槽机进行成槽工艺施工，最大单幅钢筋笼总重约170吨，确保一切安全。
在始发掘进中，技术人员也以“如履薄冰”的谨慎态度，监控每一个数据，对每一个可能出现的危险点都反复论证和预判，把风险控制在最低点，确保盾构机始发后的绝对安全。
4 . 地质情况复杂 改变换刀形式
武汉相对于国内外其他城市，地质条件显得特别复杂，也被形容为“地质博物馆”：软的、硬的、稀的、稠的什么都有，山体、溶洞、湖区、大江、大河一个不少。地下施工难度大，风险高。大武汉地下情况之复杂，曾被专家认定为“不适宜修地铁的城市”。
三阳路长江隧道的地下地质之复杂，给人最直接的感观就是陈列在项目部里的一瓶瓶装在玻璃罐里的岩石样品，这些石头都是从江底挖掘出来的。
这些坚硬岩石的上面还有大量泥岩分布，使得地层上软下硬，而且泥岩遇水膨胀，容易糊住刀盘。在整个掘进过程中，盾构机刀盘不仅磨损严重，还严重影响掘进速度。
除了坚硬的石头外，项目部内还陈列着很多拇指粗的生锈铁链、菜刀、船锚和铁片。有些铁片如同刀削面一样被从地下金属体上一片片切下，而这些都是盾构机前进的拦路虎。
技术人员说，盾构机在掘进中发现了一个直径在70厘米上下的金属体，从刀盘切割的过程来看，这家伙还有些大。但至于它是何物，仍无法断定。盾构机一路向前掘进了20米上下，这一物体才消失，而它完全是被盾构机一片片切割下来的。
由于“拦路虎”都是难啃的“骨头”，刀具的磨损便非常快。在前期设计和后期维护的过程中，盾构机都实现了常压下能够顺利换刀的目标，这大大降低了施工风险，也最大限度提升了施工效率。
此外，针对江底如此复杂的地质情况，技术人员们还对刀盘进行了改良。在以前的刀盘上，先行刀最高，遇到任何障碍物，都是它先行，由于盾构设计为了满足常压换刀，先行刀切削下来的渣土在刀盘面板上行走距离远，渣土不能快速进入开挖仓内，渣土间的黏连导致刀盘面板与开挖面之间淤积了大量渣土，渣土受高压在刀盘面板上固结成泥饼，先行刀被泥饼包裹失去切削能力。
为了加快掘进进度，工作人员改变了刀具切削的原设计理念，加高刮刀高度，使刮刀与先行刀同高，让刮刀主动参与切削，降低先行刀参与切削的比例，这样刮刀切削的渣土可以直接进入开挖仓，先行刀切削的渣土少了，刀盘结泥的可能性变小了，效率大大提高。
武汉地铁7号线从园博园北站出发，穿过武汉中央商务区后，经取水楼、香港路等地至三阳路，随后穿越长江到徐家棚、螃蟹岬和小东门等地，并通过南湖地区，终点设在野芷湖，沿线共设站点19座。该线计划年内通车。
7号线与三阳路长江隧道
武汉三阳路长江隧道工程为7号线一期工程过江段，距离长江二桥1.3公里、距离青岛路长江隧道1.9公里，规划定位为城市道路和7号线共用过江通道，是连接汉口滨江商务区和武昌岸临江商务区的重要纽带，开通后将缓解过江交通压力。
制图 陈昌
