500米的岩层掘进用了2年，这条过江隧道史上最难

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2020-08-23 09:42:48

出品 | 网易新闻

作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士

如今对于基建狂魔中国来说，修一座长江大桥已经不算特别难的事情了，仅仅在南京，就已经有了5座长江大桥。

然而，对于南京这个横跨长江两岸、人口超过800万的大城市而言，仅仅5座长江大桥是满足不了城市的交通需求的，交通拥堵时常出现。

因此，南京还在快马加鞭地修建运力更大的过江通道，扬子江隧道，就是这其中运力最大的一条。

（一）江底70米深处的世界级工程

南京扬子江隧道是双管双层八车道X形隧道，分别经南北两条线路穿越长江，两条隧道均为上下两层，每层单向二车道，上层为江北至江南方向，下层为江南至江北方向，南线全长7363米，北线全长7014米，整个工程总投资约52亿元人民币。

南京扬子江隧道于2015年7月2日顺利实现全线贯通，2016年1月1日正式通车，这是世界上同类隧道中规模最大、长度最长、地质最复杂、水压最高的隧道，被誉为“江底70米深处的世界级工程”。

该隧道设计时速80公里，限速70公里，设计日通行车辆十万辆，由于距离南京长江大桥最近，南京扬子江隧道可以有效地疏解目前已是全天候超负荷运转的长江大桥的交通压力。

此外，扬子江隧道的建成也为南京长江大桥的修缮争取了时间。自1968年通车以来，大桥已经持续工作了50年，必须进行一次全面、系统的修缮。在此期间，扬子江隧道承担了大桥的全部交通流量，可以称得上是南京长江大桥的“继任者”。

常年拥堵不堪的南京长江大桥

（二）开世界先例的“天和号”盾构机

与南京市之前已建成的纬七路长江隧道相比，纬三路扬子江隧道的地质和水文条件更为复杂。

地层中有软土、一般性粘土、砂土、卵砾石及基岩等，这种土质的复杂性使得突发性涌水和流沙更容易发生，严重时会导致地层塌陷，尤其是江底的基石，其强度相当于混凝土的4倍。

扬子江隧道工程地质剖面图

大型的隧道工程通常采用盾构法进行施工，所谓盾构，就是指在向前掘进隧道的同时铺设隧道的支撑性管片。

使用盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快等优点，这项技术起源于英国，但到了21世纪，被中国雨后春笋般的隧道工程发扬光大了。

盾构机对施工地质有着非常强的针对性，一种盾构机只能在特定的地质环境中施工，南京纬三路扬子江隧道是中国第一条复杂地质隧道，要穿过软土、硬岩、砂卵石等地层，施工水压高达0.72兆帕，复杂程度在国内、国际上都没有先例可循。

因此，承建单位为南京扬子江隧道施工量身打造了一对直径14.93米、长130米、重达4758吨的超大型泥水气压平衡复合式盾构机：天和号，和它的孪生兄弟天和一号。

天和号盾构机，上面的每一个小圆点就是一把267公斤的滚刀

这一对盾构机创造性地设置可推出式滚刀，延长了掘进距离，属于世界首创，初装切削刀掘进距离是同类地质条件现有隧道盾构机的3倍。

“天和一号”和“天和号”这对孪生兄弟拥有世界上最复杂的刀盘，状似摩天轮的巨型五彩刀盘上有717把刀具，不同颜色的刀具具有不同的功能。

同时，设计单位还开发出了超长距离掘进刀盘技术、刀盘伸缩机构、备用推出式滚刀装置，世界首创氦氧饱和带压换刀技术等，获得知识产权18项，发明专利9项。在扬子江隧道施工中，“天和一号”成功穿透了最坚硬的岩层，这些独创的专利技术发挥了重要作用。

在施工过程中，两台盾构机先后更换了1000多把滚刀，每把滚刀重达267公斤，经过25800小时的施工，天和号两兄弟穿越了4000多米被称为“世界级地质博物馆”的极其复杂的混合地质层，完美地完成了使命。

这标志着中国长江流域工程技术难度最大、地质条件最复杂、挑战风险最多的穿越江底隧道成功攻克了施工中的难题并取得重大突破，并成为超大型盾构施工领域划时代的里程碑。

（三）光有技术还不够，还要伺候这两个大家伙

尽管天和号的性能出众，但由于地质条件复杂，超大型盾构机的使用绝非易事，突如其来的状况很容易使机器陷入故障，而时时突变的地质环境也意味着刀头需要时常更换。

“天和一号”首发开始进入复合地层段后，遇到了长达500米的岩层，岩石最高强度达120兆帕，高强度岩石使盾构机刀具磨损很厉害，此时，正处于纬三路过江隧道的最深处，承受水压达0.72兆帕，这是目前世界盾构工程中遇到的最大水压。

按照以往方法，施工人员需加压进入工作面换刀，但是，即便是在0.6兆帕气压下，一次工作也不能超过40分钟。

按照这种效率，隧道施工工期的拖延会非常惊人。项目施工团队在讨论之后决定：将“太空舱”运用到长江隧道中。

在氦氧饱和气体下，地面上设置一个高压生活舱，特种作业人员较长时间生活在高压下，身体逐步适应该环境。作业时，将生活舱吊运到长江底隧道中，与高压泥水舱对接，作业人员由生活舱进入压力相同的泥水舱，工作时间就能够从40分钟增加到4个多小时，换刀效率是传统换刀效率的8倍以上，实现饱和带压换刀后，平均2小时就可以换一把刀。

花了2年的时间，500米的岩层终于掘进成功。这2年间，工程采用世界首创的氦氧饱和带压换刀法进舱作业600多次，作业时间超过2400小时，更换各类刀具1009把，最终成功穿越岩层。这是全世界第一次饱和换刀工作，换刀时间过慢的世界性难题得到了破解。

结语

如今，南京已经拥有7条建成的长江过江通道，但这对于南京迅猛发展的交通需求而言仍然是远远不够的。根据南京城市总体规划，到2030年，南京长江将形成十六条过江通道，其中规划铁路与轨道过江通道七个。届时，南京江南和江北之间的交通网络将会实现公路、城市道路、铁路、城市轨道跨江成网成环。