本报记者 刘薇

昨天，直径超过16米的“京华号”盾构机刀盘“破土而出”。

西线隧道最深处位于地下75米。

(资料图片仅供参考)

西线隧道贯通前，操作人员在吊装管片。本版摄影 常鸣

自2021年5月始发，历经2年多的“埋头苦干”，“地下蛟龙”终于破土而出——由北京市首都公路发展集团有限公司组织实施、中铁十四局集团承建的东六环入地改造工程西线隧道于昨日实现贯通。

重达4300吨、国产首台16米级的超大盾构机“京华号”在突破重重风险挑战后再现“本色”，用实力证明“大国重器”领先世界。回首来时路，盾构机如何助力“东六环改造”这项超级工程的顺利实施，记者走进施工现场，探访隧道掘进一路走来的建设过程。

国内超大直径盾构掘进最长隧道

东六环改造工程南起京哈高速立交，北至潞苑北大街，全长约16.3公里，分为直接加宽段和入地改造段。直接加宽段将把现状六环加宽到三车道，入地改造段为京津公路南侧至潞苑二街北侧，布置于现状六环西侧绿化带下方，隧道长度9.2公里，其中盾构掘进长度达7.4公里。

东六环为什么要设置如此长的入地段？从工程示意图上看，东六环路相当于城市副中心的中轴线，东西两侧分布着办公区、商务区、副中心站等重要功能区域。而现状东六环路路基段仅有14.1公里，宽26米的路基将城市副中心东西两侧一分为二，两侧往来只能通过几处钻桥，11条规划道路、5条现状道路均无法实现东西向贯通，交通拥堵时有发生。而东六环入地改造工程，正是“缝合”城市空间的“破题一笔”。

首发建设公司东六环改造工程项目管理处项目总经理何历超告诉记者，北京东六环改造工程具有“长、大、深、多、高”五大重难点。该盾构隧道是国内超大直径盾构单次掘进长度最长的隧道之一，也是北京市埋深最大的地下隧道。工程采用最大开挖直径达16.07米的超大直径盾构机施工，是我国北方地区最大的盾构隧道。掘进中，该工程地下空间环境复杂，盾构机需依次下穿通燕高速、运潮减河、通胡路、京哈铁路、北京地铁6号线等重大风险源，掘进控制因素多，且工程紧邻北京城市副中心核心区，串联张家湾设计小镇、北京城市副中心行政办公区、城市绿心森林公园、宋庄文化创意产业集聚区等多个功能区，运营安全和服务标准随之更高。

“此次贯通的西线隧道采用了中国拥有完全自主知识产权的泥水平衡盾构机‘京华号’，开挖断面达202平方米，高度超过了5层楼。”中铁十四局东六环项目负责人孙旭涛表示，之所以选择如此大直径盾构机，是为满足该项目高速公路80公里时速的三车道通行设计标准，且不受天气影响，可更好发挥自动化智能化优势。而这台“大家伙”的投用，标志着中国超大直径盾构隧道施工依靠国外品牌时代的终结。

4300吨的“巨无霸”如何破土？

盾构机享有“地下蛟龙”“钢铁穿山甲”的美誉。一台大型盾构机，重量超过4300吨，零部件超过3万个，涉及电气、光学、液压、力学、土木、机械等众多学科，制造工艺复杂，其自主化程度直接反映了一个国家的工业技术水平和产业链完善程度。

北京东六环改造工程地上风险源密集、地下空间环境复杂，对盾构机的可靠性及工程适应性要求非常高。为此，中铁十四局联合铁建重工为工程量身定制了“京华号”，并针对工程地层水压高，且盾构掘进距离长、耐磨性能要求高等难点，对整机的耐磨性及承压性进行了重点设计。

“京华号”刀盘直径超过16米，面对这样的庞然大物，运输是一个极大问题。早在设计之初，研发团队便详细调研了国内盾构组装能力、各种运输方式的能力，并借助三维建模优势，在充分考虑结构可靠性和生产可行性的基础上，结合实际运输能力，进行了针对性设计。“我们将盾体分为前中盾和盾尾两大部分。前中盾共分为10块，盾尾分为4块，刀盘分为1个中心块、6个刀箱和6个小边块，最大分块重量仅250吨，符合现有起吊和运输要求。”孙旭涛说，为方便运输，“京华号”各部分又重新进行了拆分，并采用水陆联运的方式运输。

而要把体积如此庞大“京华号”盾构机顺利地深入地下，还需要开挖一个长237米的基坑，基坑最深处达31米，最宽处要达到55米。面对紧张的施工工期，项目建设团队优化施工方案，有效把控土建施工关键线路，最终仅用时7.5个月就完成了平常需要近一年的时间才能完成的任务，创造了国内同类型工程施工新纪录。

“在紧张的工期目标之下，团队还需要在始发井土建施工继续进行的同时，在有限的场地内完成盾构机组装，这也是我们面临的另一大难题。”中铁十四局北京东六环改造工程项目总工程师杨哲说，同步施工对场地协调、安全管理等方面都提出了非常高的要求，为了保证施工顺利进行，项目部先后召开了十多次专题会议，制定修改了十余份场地布置图，最终才实现了盾构机预组装与土建施工的同步进行。

2020年11月29日，拆解后的“京华号”盾构机经过20多天的水陆联运，经长沙港、张家港、太重码头抵达北京。接下来，就是超高难度的吊装环节。杨哲坦言，别看都是大块头零件，吊装却是个精细活儿。需要事先对每一个零件的重心、起吊翻转角度等进行精密计算，微调距离以厘米计算。

“大块头更有大智慧”

中铁十四局北京东六环改造工程项目盾构经理孙长松告诉记者，此次启用的超大直径盾构机，不仅块头大，功能也非常强大。“京华号”在盾构掘进过程中，可同时完成开挖、排土、碎石、出渣、支护、衬砌、封固等工序，实现隧道主体一次性成型。

孙长松解释说，所谓“盾”，就是指在掘进同时建造隧道之“盾”——支撑性管片。在隧道盾构施工中，盾构机每向前推进两米，就要拼装一环管片，每一环由10块管片拼装而成。“此次东六环入地改造工程盾构隧道使用的管片外径达到15.4米，为中国北方直径最大。”孙长松说，为保证管片精准安装，保护隧道的防水体系不受破坏，管片生产的尺寸精度需控制在毫米范围内，对于预制构件来说难度可想而知。

150米长的盾构机“肚子”里有什么秘密？据介绍，盾构机内部一般分为推动、注浆、拼装、泥水循环、密封等五部分系统。“它好比一条巨大的‘机器蚯蚓’，前面的刀盘‘吃’土，然后管道内泥水会通过循环系统排到地面。”孙长松形象地比喻。为了确保在地表下精准走位、准确施工，“京华号”盾构机装有高精度测量和导航系统，动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，准确度精准到毫米级。

在掘进过程中，隧道需穿越粉细沙、中粗沙及黏性土交互层等地质。这些地质区听上去“软”，实际硬度却非常高。比如中粗沙中的石英含量就很高，这意味着什么呢？工程专家解释，日常生活中的磨刀石常用的就是石英，磨刀石能“磨钢”。为此，盾构机脸谱刀盘采用了比钢更硬，含有锰、铬等元素的特殊合金刀具，极大减少刀具磨损。

刀够硬，换刀也要够快。“京华号”应用了常压换刀技术。目前，“京华号”盾构机采用的是更安全、更高效的第四代常压换刀技术。孙长松介绍，地层中富水高压，以前工作人员只能带压换刀，要像“潜水员”一样，在高压环境下操作。换一次刀具需要经过繁琐的加压、减压等过程，经常要花上一天时间，并且危险系数极高。现在采用了常压换刀，就是在刀盘内部设置一个刀箱，工作人员进入里面，最快一个小时就能轻松更换刀具。

除了常压换刀技术，“京华号”盾构机还应用了多项核心创新技术。据了解，掘进中的盾构机并不是直线运动，而是始终沿隧道轴线做连续的蛇形运动，会产生超挖和理论间隙，造成管片与地层间存在环形建筑空间。因此，为了减少和防止隧道沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙。而常规的盾构隧道施工同步注浆采用的是水泥单液浆，存在凝固时间较长、流失量大、不能及时有效控制管片上浮等缺点。为此，“京华号”在研发和施工应用中，在国内首创超大直径泥水盾构同步双液注浆技术。两种浆液在盾尾后方混合，通过8个注浆口，快速注入管片壁后的环形间隙，仅十余秒就成为胶凝状，并在短短的30分钟内就形成早期强度，为隧道管片提供更加坚固的“金钟罩”。

“相比单液注浆，管片上浮得到有效控制，且随工艺的优化，上浮范围还在收窄。”2021年9月，经中国工程院院士钱七虎等组成的专家组认定，该技术填补了我国超大直径泥水盾构隧道同步双液注浆的空白。

“京华号”先后攻克55处风险源

隧道掘进过程中，对沉降要求极为严格，风险控制难度大，一路可谓“过关斩将”。中铁十四局东六环改造工程项目盾构机长王虎然说，隧道最深处位于地下75米，盾构机需长距离穿越高致密富水砂层，先后下穿铁路、地铁、公路、河流等55处风险源。其中，连续穿越京哈铁路、副中心站综合交通枢纽，是“京华号”盾构机在整个掘进过程中面临的两个最大风险源。

京哈铁路为全国交通最繁忙的铁路干线之一，每天通过运营列车88对，客、货车混跑，重载列车多。盾构机下穿时，京哈铁路始终保持正常运营状态，铁轨上的轻微扰动都可能带来巨大的影响。而从京哈铁路线地下穿越出来的“京华号”还不能停机，需持续穿越在建的城市副中心站，此处穿越基坑段全长207米，盾壳距离基坑底板仅23米，距城市副中心站地基的成排抗拔桩仅3米。“连续穿越两大风险源，盾构机处于爬坡状态，覆土厚度从58米突然变到23米，这在行业内几乎闻所未闻，稍有不慎，都将产生不可估量的影响。”王虎然说，为确保隧道安全顺利掘进，项目部超前谋划，优化施工方案，并通过严格控制盾构机掘进姿态，采用同步双液注浆以及洞内径向深孔注浆等先进技术，及时纠偏，掘进速度由每日8环提高到每日10环，历经20天连续施工，才安全穿越京哈铁路、城市副中心站这两处全线最大风险区。

北京地铁6号线是该工程攻克的另一项特级风险源。6号线是一条贯穿北京中心城区、东西向运行的轨道交通骨干线，东六环改造下穿段位于北运河东站至郝家府站，区间列车最高时速可达到100公里。穿越正在运营中的地铁6号线，既要保证盾构正常推进，又不能对地铁线路造成扰动，对盾构施工要求极高。另外，该区间地面建筑密集、管线错综复杂，施工难度好比是让盾构机在地下“穿针”。

为保质保量实现盾构顺利下穿，建设者们还在穿越前选取工程地质、水文地质等条件与下穿区间相仿的100米区域作为试验段，划分4个试验单元模拟盾构下穿施工。通过研究4个试验单元的沉降控制效果，“京华号”以平均80分钟掘进一环的速度，用两天时间就安全快速地完成了下穿任务。

而后，“京华号”盾构机便一路高歌猛进，在完成首段4772米的掘进任务后，主机盾体成功进入中间井，建设团队对盾构机进行全面检查、维修后二次始发，继续向前开挖了2.6公里到达接收井，实现隧道全线贯通。

国内首次设立疏散救援专用通道层

“地下蛟龙”东西并进：隧道东线另一台相同直径的盾构机——“运河号”已进入隧道贯通冲刺阶段。何历超介绍，东六环改造工程隧道采用分离式双洞布置，每洞布置3条车道，分为三层，上层为排烟通道、中间层为行车通道、下层空间为疏散救援专用通道及管线廊道，这也是国内首次设立疏散救援专用通道层。

“隧道采用纵横结合的疏散方式，将配备完备的应急处置设施，为隧道的安全运营提供有力保证。”何历超说，盾构隧道段每公里设置一处人行横道，每80米设置一处上下层疏散楼梯。当发生火灾时，隧道监控中心将第一时间开启自动喷淋灭火系统及重点排烟系统，并通过广播指挥人员疏散，司机及乘客可以利用人行横道和救援楼梯逃生。

此外，盾构隧道还提供了两种疏散救援路径：一是救援车辆通过行车层进入隧道，到达现场；二是通过盾构隧道两端设置的由地面直通隧道下层通道的专用匝道，进入盾构下层专用通道。“救援人员走‘捷径’可快速抵达发生风险事件的点位，并利用疏散楼梯到达事故地点指挥并处置。”何历超说。

值得一提的是，不同于常规的道路改造，东六环入地后，地面上原有的东六环主路将建设为高线公园并改造成为慢行系统，与城市景观融为一体，成为居民散步骑行好去处。

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