探访世界在建工程最大直径泥水平衡盾构机

走近大国重器丨水下穿越黄河天堑

探访世界在建工程最大直径泥水平衡盾构机

中央纪委国家监委网站 沈东方

济南黄岗路穿黄隧道项目成型隧道效果图。中铁十四局供图

　　“目前隧道掘进至第100环，已完成试掘进，盾构施工进入正常掘进阶段。箱涵累计生产928块，管片累计生产1187环……”

　　9月1日，在山东省济南市黄岗路穿黄隧道项目北岸工作井，随着涂装着瑞兽麒麟图案的“山河号”盾构机刀盘缓缓转动，这台世界在建工程最大直径泥水平衡盾构机开始了“穿黄之旅”。从那天开始，中铁十四局济南黄岗路穿黄隧道项目负责人周祥每天都会去盾构现场，了解掘进进度。

　　开挖直径17.5米，开挖断面面积比半个标准篮球场还要大，要在水下开挖出这么大的隧道，需要克服哪些困难？隧道建成之后，将给两岸市民的工作生活带来怎样的变化？让我们一起探访“山河号”。

　　17.5米超大开挖直径满足“单洞双层”设计，直面地上悬河等复杂地质环境挑战

　　济南是我国黄河流域少数几个处于地上悬河段的省会城市。浩荡黄河，流经济南北部。

　　近年来，为进一步拓展城市发展空间，济南市实施“携河北跨”战略，跨越黄河的交通设施密度不断增加。

　　跨越河流，人们首先想到的往往是架桥。但黄河河床的地质条件极为复杂，在济南泺口段，河床高出南岸城区地面5米，最大洪水位高出河床11.62米，形成水量巨大的地上悬河。济南段悬河土质疏松，极易造成土壤侵蚀、滑坡，倘若两岸大堤垮塌，就会严重影响两岸人民生活。桥梁建设需要开挖地基，对土壤、水质等生态环境影响大，占用土地多。于是建设者们将目光转向了近年来大量采用的水下隧道。

　　继“万里黄河第一隧”——济南黄河济泺路隧道后，正在掘进的黄岗路穿黄隧道成为当地第二条采用超大直径盾构机下穿地上悬河的连接南北大通道。

　　该工程北起在建G309互通立交，向南依次下穿饮用水水源一级保护区沉砂池、北岸大堤、黄河、南岸大堤、绕城北高速、二环北路，终点与蓝翔中路相衔接。隧道全长约5755米，其中盾构段长约3290米。

　　虽然已经有了前一条穿黄隧道建设积累的经验，黄岗路穿黄隧道依然面临着新的挑战。

　　周祥介绍，“两条穿黄隧道地质条件都是以粉质黏土地层为主、夹杂钙质结核，不同之处是黄岗路穿黄隧道的粉质黏土细颗粒含量更高、塑性指数更大、钙质结核分布范围更广。”

　　这也是万里黄河之下首条穿黄单洞双层盾构隧道。所谓“单洞双层”，是指在一个隧道孔中设计上下两层车道。黄岗路穿黄隧道上层通行南向北交通，下层通行北向南交通，双向6车道，设计时速60公里。值得一提的是，未来在这6个车道中将有2个车道专供公交、消防、管理、救援等车辆通行，“隧道4.2米的净高在国内水下隧道中尚属首例，以往大多数隧道都因建设高度有限而无法设置公交车道。”周祥告诉记者。

　　“单洞双层”的结构在我国隧道建设中并不普遍，这样的设计能更大程度节约城市地下空间和建设成本，同时降低施工对外界环境的影响。与常规的“双洞单层”隧道相比，“单洞双层”相当于把两条隧道的车道分为上下两层在一条隧道内施工，这就需要一台更大直径的盾构机。

　　5月19日，“山河号”盾构机在济南重工下线，这台盾构机最大开挖直径为17.5米，约6层楼高。作为世界在建工程最大直径泥水平衡盾构机，“山河号”总长163米，相当于16辆公交车连在一起的长度；重约5200吨，相当于520头成年大象的重量。

　　盾构机直径的增大，带来的困难是多方面的。相较常规直径和大直径盾构机，17米级超大直径盾构机的系统集成更复杂，从盾构机的生产、运输、组装调试到盾构掘进控制、管片拼装、内部结构施工都充满挑战。其设计需要考虑更多结构力学、材料力学和流体力学等问题，以确保盾构机在掘进过程中的稳定和安全，还要精确计算盾构机的各项参数，包括推力、扭矩、掘进速度等，以确保其能满足施工要求。

　　超前地质预报、刀具磨损检测、同步注浆检测等智能化装备，让“山河号”看得远听得清挖得快砌得精

　　“穿黄之旅”启程以来，“山河号”正以每天约6米的掘进速度向前突进。“目前一切顺利，只是由于地下岩石硬度高，导致盾构机某些小部件的磨损程度超出预期，需要勤加更换。”在操作室内，“山河号”盾构机机长黄鲁时刻关注着掘进的每个步骤。

　　这台“庞然大物”由上万个零部件组成。它配备了带压复合型刀盘、开挖仓伸缩摄像头等，并搭载了超前地质预报、地层界面识别、刀具磨损检测、同步注浆检测等智能化装备系统。采用先进的伸缩式主驱动技术，在掘进过程中能够更灵活地调整自身结构以应对不同地质变化。

　　“山河号”的开挖面积（在隧道施工中，土方开挖的横截面积）超240平方米，地质勘探覆盖区域有限，不可控的未知区域增多。盾构机前行的每一步都踏在细腻而又复杂的粉质黏土之上，加之胶结砂层、钙质结核等石块的交织，黏泥和石块堵住出浆管是常事。

　　为了“看”得远、“听”得清，“山河号”搭载了光纤地震超前地质预报系统。

　　“这个系统通过光纤传感技术进行信号感知成像，可以定位前方地层的波阻抗差异界面以及地下水赋存情况。采用空间多点激发和接收的三维观测方式，以充分获取空间场波信息，提高前方不良地质体的定位精度。”项目工程部部长张哲介绍，目前可实现盾构开挖面前方50—80米范围内溶洞、断层破碎带、地下水等不良地质体的有效探测。

　　除此之外，刀盘前端的开挖仓伸缩摄像头也让“山河号”有了火眼金睛。“摄像头可以360度旋转，既能‘探出头’去看前方地质情况，又能‘回过头’来观察刀盘磨损或泥浆堵塞等问题。”项目盾构经理薛永超说。

　　工欲善其事，必先利其器。盾构机的刀盘就像“铁齿钢牙”，可以“咬碎”坚硬岩石，但相应损耗也大，刀具需要经常维保和更换。“山河号”用于盾构掘进的各类刀具共有306把，其中57把可实现滚齿互换。周祥介绍，“我们配备了刀具磨损检测系统，刀箱上搭载了电磁互感装置，通过磁场和电场的变化，可实时反馈刀具的磨损状态，还能融合地质信息实现刀具磨损的预测，这样作业人员就能更准确地掌握什么时候该换刀。”

　　盾构机刀盘所过之处，隧道随之成型。超大直径盾构机掘进后留下的隧道空间更大，对管片拼装的要求也更高。

　　黄岗路穿黄隧道的每一环都由12片管片拼装而成，工程人员不仅需要采用更先进的材料来确保隧道的安全稳定，还必须提高衬砌施工的质量和精度。据了解，“山河号”搭载了全自动弹性波智能检测仪，可以实现管片壁后同步注浆的密实度和注浆质量实时检测，并直观地展示同步注浆层厚度，发现注浆不密实、空洞等缺陷，可为同步注浆参数优化与二次补浆提供数据支撑。

　　隧道通车后跨越黄河只需5分钟，助力济南实现“携河北跨”

　　曾经很长一段时间，对于济南鹊山周边居民来说，穿越黄河只能依靠泺口浮桥。但受凌汛影响，浮桥每年都会有一段时间被拆除，拆除时间有时长达两个月，严重影响交通出行。等黄岗路穿黄隧道通车后，任何时间他们都可顺畅地跨过黄河，去主城区上班上学。

　　“从前的黄河是一道鸿沟，将附近村居与主城区分割。”周祥告诉记者，按照进度，黄岗路穿黄隧道预计于2026年底通车，届时，黄河两岸的济南居民通过该隧道跨越黄河将只需要5分钟。

　　作为济南“携河北跨”的重大民生工程，黄岗路穿黄隧道的建设安全和黄河流域生态保护问题备受关注。

　　在济南，黄河的平均水位高于地表8米。这条隧道最低点位于河床下54米，最大水土压力650千帕，相当于一个人手掌大小的面积上承受两个成年男子的重量。

　　这条隧道多次下穿敏感地区，包括饮用水水源一级保护区沉砂池、黄河两岸大堤、黄河、结构厂房、济广绕城高速等，这对掘进施工的精准管控和设备可靠性提出了极高的要求。

　　根据多年来盾构施工经验以及大直径盾构下穿黄河成功经验，项目团队针对黄岗路穿黄隧道特殊地质条件、超大直径隧道断面制定了一系列沉降控制措施。从盾构泥浆管理、切口压力控制、同步双液注浆等5个方面，确保盾构到达前、到达时、通过时、通过后及后期固结稳定5个阶段，都能实现沉降毫米级精控。

　　记者了解到，隧道临近济南市重要饮用水水源地鹊山水库。施工会对济南市民的生活用水带来影响吗？

　　“隧道每掘进1环就会产生1000立方米废浆，预计整条隧道将产生160万立方米废浆。但我们可以肯定地说，废浆处理过程不会对水源产生任何影响。”周祥介绍，该项目使用一套每小时可处理4500立方米废浆的泥水分离设备，进行渣土和泥浆的分离。“这些泥浆通过管道循环到地面后，我们通过压滤工艺将其中的水分去除，然后把‘挤干’的泥饼集中外运，投入再利用。”

　　在济南，黄河隧道群建设如火如荼。

　　从黄岗路穿黄隧道向东，紧邻济南遥墙国际机场的航天大道穿黄隧道工程（I期）也正在紧锣密鼓地加紧建设。一条已经通车、一条正在掘进、一条加紧推进，济南三条穿黄隧道彼此守望，构成了黄河之下的超级隧道群，助力济南“携河北跨”。

中国企业新闻网摘编：亓淦玉