孙钧院士解读钱江隧道工程建设技术

  钱江通道于2014年4月16日正式通车，记者有幸采访到钱江通道的专家组组长――中国科学院孙钧院士，请他为我们介绍了钱江通道建设中的关键性技术，与我们回顾了“钱江通道”建设过程中的故事。

 

素有“天下第一潮”美誉的钱塘江潮，是由于天体引力和地球自转的离心作用使海洋水面发生周期性涨落的潮汐，加上杭州湾喇叭口的特殊地形，所造成的特大涌潮。继2010年12月28日庆春路过江隧道通车之后，穿越钱塘江的第二条公路隧道――钱江通道于2014年4月16日正式通车。杭州湾上再添便捷过江通道，不仅可有效缓解沪杭甬高速路特别是钱江二桥和下沙大桥的交通，同时缩短了杭州湾两岸的时空距离。在通车之际，记者有幸采访到钱江通道的专家组组长――中国科学院孙钧院士，请他为我们介绍了钱江通道建设中的关键性技术，与我们回顾了“钱江通道”建设过程中的故事。

 

钱江隧道缘起

 

钱江隧道原来的规划是钱江十桥。早在2004年，浙江省发改委和交通厅已基本赞同了过江工程采用建桥方案。然而，项目北岸紧邻观潮胜地――海宁县盐官镇，在这里修建桥梁，一旦因桥墩的阻挡破坏涌潮，损失不可估量。2005年浙江省“两会”期间，部分人大代表提案，建议采用隧道过江方案。

中国科学院孙钧院士表示，隧道方案是可行的，至少不会对涌潮造成破坏，但是“强涌潮下建设隧道，恐怕会对隧道施工造成影响。”经过再三比选，本着对子孙后代负责的原则，2006年5月23日，浙江省发改委和省交通厅确定了隧道方案。钱江隧道是杭州钱江流域第一条超大直径盾构法隧道，隧道全长4.45km，进行一次折返式长距离掘进，采用一台直径15.43m的超大型泥水气压平衡式盾构掘进机施工。隧道具备长、大、深三个特点：长――盾构机一次连续掘进距离3.2km，中间不设检修井；大――隧道开挖直径达到15.43m；深――隧道在江底最深的埋深达到39m。隧道跨径大、里程长、技术难度大，且地质条件复杂，叠次穿越古防洪大堤，是隧道工程中的又一奇迹。

 

强涌潮下的盾构是如何施工的？

 

在国内，对于超大直径盾构隧道在砂性土且高涌潮差等复杂环境下的掘进尚属首次。对强涌潮下的建设隧道，孙院士形象地形容为：“地上动一动，地下抖三抖”。因此，在农历八月十五左右，涌潮最壮观的几日，盾构施工必须停止作业，否则很容易造成土体坍塌，严重时甚至会造成海水渗漏，后果不堪设想。然而，盾构长时间停止作业容易引发沉降，造成管片变形，导致难以控制隧道轴线走向。“强涌潮下长时间停工可能引起的盾构下沉带来隧道轴线标高无法控制”，是孙院士一直特别担心的技术问题。

 

“二手货”盾构如何实现“华丽转身”？

 

据孙院士介绍，当初的上海崇明长江隧道使用了两台德国海瑞克生产的盾构机，而钱江隧道此次使用的盾构机，正是崇明长江隧道施工时的其中一台。

 

孙院士说：“盾构机的寿命是有限的，损耗比较大。一般来讲，一台盾构在砂性土质中推进10km左右就必须进行大修；而在黏性土质中也不能超过20km。”钱江通道使用的这台盾构机在崇明长江隧道已经一次性推进7.5km。孙院士感叹：“隧道股份的建设者真的很不容易！对使用过的‘二手货’，在盾构机的刀盘、车架都没有更换的情况下，没有发生任何意外，为国家节省了大量资金，非常难得！”

由于只使用了一台盾构机，盾构需要在江北工作井进洞后，整体调头进入东线隧道。钱江隧道盾构外径为15.43m，整体长度为15.8m，旋转直径为22.084m，总重量1800t，因为不均分布重量荷载，重心靠近前段。工程采用了PLC整体同步顶升技术，通过调整可移位式盾构基座搁架，达到盾构机的下降调平、平移、旋转、顶升调坡的目的。完成后，车架由特制超大44m跨距80t吊车从西线工作井分段吊出，从东线隧道暗埋段上的预留孔吊入安装。在盾构调头期间，一切施工作业正常进行。孙院士说，一台直径达15.43米的大型盾构机要在一个长圆形井内平移、转身、一次性调头，其技术在上海乃至中国都尚属首次。他在参观钱江通道工程时看到调头的情景，赞赏地称其为“大盾构的华丽转身”。

 

隧道四次穿越大堤，采取了什么措施控制地面沉降？

 

根据推进线路，钱江隧道将先后4次穿越江南大堤、江北大堤。其中江北大堤为明清老海塘，穿越大堤时由于覆土厚度变化梯度大，盾构施工参数控制困难，隧道之间净距离小，两次扰动土层对大堤也会产生一定的影响。

为了保证大堤安全，施工单位在大堤关键部位设置了监测断面，加密地面监测，信息及时反馈；根据埋深、地层、地下水等，准确设定切口水压及注浆量，并精确控制，同时根据监测情况及时微调；全天采集监测数据，用来监测大堤的沉降。在大堤影响范围内设置剪力销管片，增加隧道整体性。盾构匀速推进，一般控制在20mm/min左右，推进过程中保持盾构机姿态稳定，减少盾构纠偏量和纠偏频率。为减少盾构机背部产生地面沉降，利用原盾构壳体的注浆孔对盾构壳体进行压注，在盾构推进时根据大堤变形的实际情况，向盾构上部压注一定量浆液以控制地面沉降。

 

隧道进出洞施工需要控制哪些风险？

 

钱江隧道进出洞施工三个难度：一是覆土浅，且盾构大部分位于渗透性非常好的粉细砂层土中，易发生盾构正面土体坍塌或冒浆现象；二是对进出洞土体加固质量及辅助降水提出了很高要求，稍有不慎易发生水砂突涌现象；三是洞门断面面积较大，洞门圈直径比盾构外径大0.57m，给施工轴线控制和洞口止水工作带来较大难度。

 

针对钱塘江下长距离掘进，采取了哪些防范措施？

 

长距离掘进存在众多施工难点：如大断面隧道抗浮，通风和运输，长距离引发的测量偏差，盾尾钢丝刷和刀具磨损更换等等。在盾构推进过程中，如处理不当，轻则耽误工期，重则危害整个工程安全。

因此在盾构推进过程中，施工单位采取了多种防范措施，以保证工程顺利施工。例如在盾构设计阶段，设备增加了配重，通过盾构机内配置的车架来控制隧道上浮，随着车架前移，后续施工结构的跟进同样起到压重的效果；盾构全程保环及备品备件、江底变形监测、根据水位监测数据调整切口水压、排泥接力泵、盾尾油脂压注、江底更换盾尾刷等应急预案，使得盾构一次性过江，调头期间更换刀具及盾尾刷，未出现盾尾漏水漏沙现象。

 

逃生通道设计有何特别设计？

 

钱江隧道呈V字造型，空间上分为3层，中间层为行车道，上层系排烟层，下层则是逃生通道。钱江隧道盾构段采用“滑梯式逃生通道”。逃生滑梯每80m一个，主要用于人员进入车道层下方进行疏散逃生；同时，每240m设一个救援楼梯，主要用于救援人员从下方进入行车道进行救援，也可兼作人员疏散逃生用。另外，口型件中间通道可行驶电瓶车，便于人员逃生和救援。

 

地下空间开发让生活更美好

 

对于钱江通道的建设技术，孙院士颇为赞许，几次感叹施工过程“不容易”。他表示，在重重难点的困扰下，工程依然安全、稳步推进，施工中最高纪录为推进22m/天，而且在克服困难的过程中产生了很多技术上的创新，为以后同类工程的施工提供了有益的经验。孙院士还提到了我国近年来在建和拟建的大型隧道的建设情况，如在建的港珠澳大桥通道、拟建的琼州海峡、渤海湾、大连湾以及深圳到中山的跨海通道等，提出在当今地下空间开发的大好时代，需从开发理念、功能、做法上提高一个层次，既能造福现代，又能为子孙谋福利。如何合理利用有限的地下空间，使得地上地下开发一体化；有效采用绿色低碳节能的技术和材料，让地下空间更舒适都是未来亟待解决的问题。