“阳明号”与中国力量

陈一苇

类矩形盾构的空间利用率比圆形高30%～40%，它开挖的隧道断面宽度上和两台单圆盾构紧挨着开挖出的隧道差不多，高度上比容纳双线的大型圆隧道小很多，且双线隧道一次成型，不用破坏城市既有管线，又不破坏环境，尤其适用于都市核心区和旧城区轨道交通建设，更适合“螺蛳壳里做道场”的需求。

这是一次没有先例可循的施工。一条宽约11米、高约7米、长度420米的类矩形隧道在宁波贯通，这意味着由隧道股份上海隧道研发制造的世界最大断面类矩形盾构，首秀成功。盾构名叫“阳明号”，宽11.83米、高7.27米，它不仅是中国首台类矩形盾构，标志着类矩形盾构机经过仅三年的时间，完成了从筹划、可研、决策、招投标，到结构设计、设备研发、施工工艺研究，再到现场实施、现场测试的全部过程。

“‘阳明号盾构完成国内首条城市轨道交通的类矩形盾构法隧道贯通，这其中有我们许多原创性的东西，在技术应用上实现了颠覆性。”在隧道股份上海隧道工程有限公司办公室，董事长、党委书记宋晓东对记者说。

整个项目从立项到隧道贯通，过程中得到了中科院孙钧院士、工程院钱七虎、梁文灏、杨华勇院士、日本地域地盘环境研究所（GRI）所长桥本正，国际隧道协会前主席Lee In-Mo等国内外知名专家的认可和赞誉，给出了“罕见”“非常成功”、“国际领先”等高度评价。

“阳明号”最初之命名，取自明代思想家王守仁。阳明先生创立心学，提出“知行合一”的思想。同时，阳明先生还是浙江绍兴府余姚县（今宁波余姚市）人。“‘知行合一是项目团队开展类矩形盾构研发的心法。以‘阳明为名，是一种思想传承，更是我们对类矩形盾构的期盼……”宁波地铁方面对“阳明号”的名称如此解释。

类矩形盾构

解决城建“顽疾”

在类矩形盾构应用之前，建地铁大多采用圆形盾构。由圆改矩的科研创新，有着实实在在的现实意义。随着城市化进程的不断加快，传统“开膛破肚”式的大拆大建问题突显，尤其是城市核心区和旧城区，面临“放不下”和“碰不得”两大问题。

“放不下是指道路狭窄，无法满足传统盾构施工的空间需求;碰不得是指城市周边环境不能被破坏，管线搬迁、房屋拆迁困难。”上海隧道总工程师朱雁飞告诉记者，类矩形盾构的空间利用率比圆形高30%～40%，它开挖的隧道断面宽度上和两台单圆盾构紧挨着开挖出的隧道差不多，高度上比容纳双线的大型圆隧道小很多，且双线隧道一次成型，不用破坏城市既有管线，又不破坏环境，尤其适用于都市核心区和旧城区轨道交通建设，更适合“螺蛳壳里做道场”的需求。

宁波市轨道交通工程建设指挥部副总指挥、总工程师朱瑶宏亦表示，由于类矩形盾构机具有施工扰动小，避免大量拆迁，施工高效，不影响地面交通和地上地下构筑物等优点，在集约节约利用空间的当下及将来，可广泛用于地下人行、车行地道和轨道交通、共同管沟等地下空间工程。

“阳明号”在宁波地铁3号线的首秀工程的由来，还得从宁波地铁4号线说起。按照4号线部分区段规划，要经过街道狭窄的老城区，环评公示阶段，沿线居民意见较为集中，担心房屋沉降，也担心通车后的近距离噪声和震动影响生活。如采用两台单圆盾构，隧道的确会侵入沿街民宅的下方;如采用一台双圆盾构，沉降控制能力可能不足。为此，上海隧道提出了类矩形盾构这一新的技术方案。

为了更好地推进类矩形盾构可行性研究，2014年6月20日，宁波轨道交通亦成立了“类矩形盾构可行研究工作小组”，由朱瑶宏担任组长。宁波轨道交通技术团队通过开展国内外的调研、研讨，结合中外专家的意见，进行了详尽的可行性研究;另外，项目得到了宁波市各级领导的支持，最终促成宁波成为类矩形盾构技术创新的试验田。

数据显示，类矩形盾构首先能够有效解决宁波轨道交通4号线工程的现实问题，极大减少因盾构影响造成的拆迁量，仅4号线两个区间能够减少拆迁约5万平方，节约经济成本约7亿元。（宁波轨道交通后续线路上也存在此类情况，目前已准备建设的2号线二期工程镇海段，同样采用类矩形盾构进行施工，节约拆迁成本3亿元。）

鉴于4号线拟采用类矩形盾构的区域位于城市中心区，周边环境保护要求高，为了稳妥起见，可行性小组建议先在周边环境较为简单的3号线出入段线进行试验，再运用到4号线工程中。

“阳明号”完成首秀以后，记者获悉，在宁波市，上海隧道起码已经中得三个标的——位处宁波市中心的4号线TJ4010标，共1.5公里;位处市郊小洋江站的4号线TJ4016标，共200多米;位处市中心的2号线TJ2218标。这三段矩形隧道，无疑都能吸取“阳明号”的经验。特别是2号线TJ2218标，是一共2.2公里的三段矩形隧道，将再次挑战施工难度。

创新引领的中国力量

“圆形盾构，比较容易实现切削，又拥有相对合理的结构受力体系。”上海隧道盾构试验中心机械室主任石元奇告诉记者，“回看过去我们曾经工作过的地方，绝大数多是采用圆形盾构完成施工的。”这也是为何早前的盾构大多采取圆形的原因。

类矩形盾构虽然有诸多好处，但盾构头由圆改方，可谓“牵一发而动全身”，需要解决刀盘切削、盾构转身、管片拼装等难题。经过10个多月的研发设计制造，“阳明号”类矩形盾构头部装备了一横一竖两个“X”形刀盘，后方还有一个“I”形刀盘，通过交错旋转可实现100%全断面切削，结合盾构机拱顶采用圆弧段“类矩形”断面的特殊设计形式，强化了盾构机在软弱地层条件下的施工沉降控制能力，避免了正矩形盾构施工易背土而导致的大范围地层扰动，此技术独上海隧道一家。

类矩形隧道能抗住地下的巨大压力吗？上海隧道制作整环管片进行承载力试验，最大压力可达6000吨;每块管片上装有传感器，整环共1000多个数据采集点。通过试验发现，类矩形隧道比圆形隧道更加强壮，隧道建成后即便遇到周边开挖，也能更好地保持稳定。

2015年11月底，“阳明号”始发掘进，施工各项参数指标均显示出良好的水平，尤其是沉降控制方面，效果超过了预期。回看“阳明号”的施工过程，由于宁波靠海，土质比上海更松软，且盾构需穿越淤泥、淤泥质黏土、外塘河等“险地”，施工过程中的地面沉降控制难度极大。上海隧道对防背土、轴线及盾构姿态控制等关键技术展开专项研究，建立隧道变形及环境影响预测模型，获取影响机理和规律，提前形成控制技术，在试验段工程面临地层条件差、小曲率半径、穿越重要建构筑物等多重不利工况条件下，成功实现了施工对周边环境的保护控制。

除此之外，他们还有一个秘密武器——上海隧道自主开发的“盾构管控平台”利用信息化技术，全方位收集、集成大量标准化施工数据挖掘出盾构法隧道施工规律，实时对此次隧道施工动态分析，并利用智能化分析功能指导优化施工参数，帮助管理人员全方位掌控工程风险，及时提供预警，降低工程管控风险。

对于宁波本地地质地貌颇为熟悉的朱瑶宏称，在宁波这样典型的软土地区，建造类矩形隧道，是一场大规模的技术创新。“阳明号”一举建立了类矩形盾构法隧道设计、装备、施工三大技术体系，在技术上解决了类矩形盾构全断面切削与异形复杂管片拼装技术的国际难题，在异型多刀盘切削系统、管片拼装系统、推进系统等核心技术方面实现了首创性突破。

朱瑶宏表示，为了实现产学研高效、有机合作，宁波轨道交通方面首次尝试“科研、设计、施工总承包”的管理模式，并引入盾构设备制造、设计、施工企业及科研院所等优势力量共同参与“联合体”的承包模式，自2015年初招标完成起始，“阳明号”联合科研团队仅仅经历了10个月的项目突击就完成了这项工程。

宋晓东亦表示，“阳明号”的成功应用，不但提振了上海隧道在地下工程高端装备领域深化发展的信心，而且项目研发过程中的大量协作，充分体现了“中国力量”。例如，在“阳明号”研发施工的过程中，涉及到大量的数据计算。上海隧道与上海交大等高校协作，共同完成设计思路的确定，一些软件则交给上海交通大学、同济大学等大学相关单位研发。这样“科研、设计、施工”总承包和产学研联合体的合作模式，也为国内工程建设承包模式单一，技术创新难的窘境，注入了新思路和想法。

“阳明号”的创新是立足于宁波市轨道交通工程实际需求，旨在推动整个轨道交通甚至工程行业创新发展的壮举。这是国内自主研发，具有自主知识产权的盾构技术，破解了众多技术难题，打破了轨道交通领域圆形盾构一统天下，技术单一陈旧的现状，为城市轨道交通以及城市地下空间开发提供了新的技术选项，为解决城市核心区地下空间集约化利用及高标准环境保护开辟一条新路。