2024年9月1日，直径17.5米的“山河号”盾构机刀盘缓缓转动，由中铁十四局集团承建的济南黄岗路穿黄隧道正式开始盾构掘进，标志着世界上最大直径的水下盾构隧道开启穿越黄河之旅。穿山越海离不开被称为“钢铁巨龙”的盾构机。这条“钢铁巨龙”是如何轻松破土穿岩的？1月10日，记者走进了盾构掘进现场。
管片拼装精度要求高
“隧道开始掘进以来，总体进展顺利，目前每天平均掘进速度约为16米。”当天10日下午，在盾构机操作间内，隧道主管贾培剑告诉记者。
我国90%以上地铁隧道以及穿越大江大河的隧道大都采用盾构法施工，盾构机是挖掘地下空间、畅通路途的最佳帮手，因而盾构机也被称之为“工程机械之王”。黄岗路穿黄隧道穿越黄河和沿线多条公路，全长5755米，其中盾构段长约3290米，是世界上最大水下盾构隧道。
为了保障这条最大水下盾构隧道顺利建设，中铁十四局集团量身打造了“钢铁巨龙”——“山河号”盾构机。该设备刀盘直径17.5米，相当于6层楼高，配备带压复合型刀盘、伸缩式主驱动等先进技术和超前地质预报、同步注浆检测等智能化装备系统，盾构机总装达到世界先进水平。
“相较常规盾构机，17米级超大直径盾构机的系统集成更复杂，施工难度和风险系数呈几何式增长。”中铁十四局项目盾构经理薛永超表示，盾构开挖面积达到240平方米，每环管片足有12块，拼装风险更大、时间更长，精准度也更难控制。
隧道的管片外径为16.8米，内径15.4米，厚度达0.7米，单块管片重约15.6吨，使用104根斜螺栓进行连接，管片外环面设置了纵向剪力销34只。“管片越多肯定越难拼装，在进入隧道之前，管片的防水已经做好。拼装时每一块都有固定的位置，每两块拼接的时候，我们都会用强光手电观察和直角钢板尺去量，最终要呈现一个圆形出来。”贾培剑说。
升级“消化系统”吃下“软骨头”
金刚石贴片撕裂刀、刮刀、边刮刀……在黄岗路隧道的展示大厅内，放置着一些黑色的刀片和灰色的钙质结核岩石，从侧面反映出盾构掘进的难度。正在掘进中的“山河号”配备了各类型开挖刀具共计306把，其中57把具备滚齿互换功能，以优化其在多变地层中的作业性能。
万里黄河万里沙，黄河之下富含砂石和粉质黏土。黄岗路隧道的盾构长度为3290米，主要穿越地层为粉质黏土层，并夹杂大量钙质结核、较多胶结砂层、细粉砂以及少量粉土。其中，粉质黏土占比78%，钙质结核占比12%。
在盾构过程中，重达5200吨的“钢铁巨龙”要穿越“粘糕”一样的地层，沉降控制是关键，尤其是在穿越黄河大堤时，最大沉降要求不能超过1厘米。此外，黄河下还夹杂着大量钙质结核，就像“粘糕”里镶嵌着大小不一的石头，给隧道施工带来巨大的挑战。
为了让盾构机顺利吃下这块“软骨头”，这条“钢铁巨龙”的“消化系统”进行了“升级”，采用定制化刀盘，通过装备适合黄河流域黏土地层的撕裂刀和高流量中心冲刷泵，有效应对刀盘结泥饼问题，提高底部排渣效率。
项目部还采用了同步注双液浆技术，还能对效果进行检测，识别管片壁后注浆不密实、脱空等缺陷，实现盾构隧道沉降的毫米级精控。“把双液浆注入到管片和地层之间的缝隙之中，10-12秒就能凝固，缝隙很快就会完全充满。”贾培剑说。
“五官一脑”为掘进保驾护航
“山河号”盾构机是集光学、机械、电气、液压、传感器和信息技术于一体的隧道一体化成型设备，由刀盘、盾体、一号台车、桥架、二号台车、三号台车、四号台车组成。盾构机总长度为163米，相当于6.5节复兴号动车组车厢长度。如此庞然大物在地下是如何掘进的呢？
盾构机搭载了刀盘磨损自动监测、设备状态在线监测和“五官一脑”智能化装备系统，并通过大盾构云智慧平台实现远程操控，以保证掘进安全和效率。在一号车台的操作室内，电子屏幕上实时显示盾构机前景的状态，包括34组68个推进油缸的行程和压强、速度以及刀盘的各种参数。
这得益于山河号盾构机搭载的“五官一脑”智能系统，分别为“火眼金睛”超前地质预报系统、“听波聪耳”地层特征识别系统、“超级巧鼻”气体环境感知系统、“钢牙神经”刀具磨损预测系统、“号脉灵手”同步注浆监测系统以及“人工智脑”辅助决策支撑系统。
其中，“火眼金睛”超前地质预报系统可以探查岩性分界面、孤石、溶洞、断层破碎带、超大钙质结核等分布规模、赋存特征及地下水发育情况。“听波聪耳”地层特征识别系统则通过振动信息与地层特种信息匹配，动态识别开挖面地层强度特征，预测特殊地层条件的开挖面特征。能够校正地勘资料，结合“火眼金睛”预报数据，优化掘进参数，降低施工风险。
贾培剑告诉记者，搭载“五官一脑”系列智能化装备与系统，将有效控制开挖失稳、刀具刀盘损坏等灾害的发生，可实现盾构健康监测与实时感知，提高施工安全水平，保证掘进安全和效率。
（大众新闻记者 刘飞跃）
