500米的巖層掘進用了2年，南京這條過江隧道史上最難
長江越到下游就越寬，跨越的難度也越大，在所有跨江工程中，南京揚子江隧道是世界上同類隧道中規模最大、長度最長、地質最複雜、水壓最高的隧道，被譽為「江底70米深處的世界級工程」。
出品 | 網易新聞
作者 | 須臾千秋，清華大學土木工程博士
如今對於基建狂魔中國來說，修一座長江大橋已經不算特別難的事情了，僅僅在南京，就已經有了5座長江大橋。
然而，對於南京這個橫跨長江兩岸、人口超過800萬的大城市而言，僅僅5座長江大橋是滿足不了城市的交通需求的，交通擁堵時常出現。
因此，南京還在快馬加鞭地修建運力更大的過江通道，揚子江隧道，就是這其中運力最大的一條。
（一）江底70米深處的世界級工程
南京揚子江隧道是雙管雙層八車道X形隧道，分別經南北兩條線路穿越長江，兩條隧道均為上下兩層，每層單向二車道，上層為江北至江南方向，下層為江南至江北方向，南線全長7363米，北線全長7014米，整個工程總投資約52億元人民幣。
南京揚子江隧道於2015年7月2日順利實現全線貫通，2016年1月1日正式通車，這是世界上同類隧道中規模最大、長度最長、地質最複雜、水壓最高的隧道，被譽為「江底70米深處的世界級工程」。
該隧道設計時速80公里，限速70公里，設計日通行車輛十萬輛，由於距離南京長江大橋最近，南京揚子江隧道可以有效地疏解目前已是全天候超負荷運轉的長江大橋的交通壓力。
此外，揚子江隧道的建成也為南京長江大橋的修繕爭取了時間。自1968年通車以來，大橋已經持續工作了50年，必須進行一次全面、系統的修繕。在此期間，揚子江隧道承擔了大橋的全部交通流量，可以稱得上是南京長江大橋的「繼任者」。
（二）開世界先例的「天和號」盾構機
與南京市之前已建成的緯七路長江隧道相比，緯三路揚子江隧道的地質和水文條件更為複雜。
地層中有軟土、一般性粘土、砂土、卵礫石及基岩等，這種土質的複雜性使得突發性湧水和流沙更容易發生，嚴重時會導致地層塌陷，尤其是江底的基石，其強度相當於混凝土的4倍。
大型的隧道工程通常採用盾構法進行施工，所謂盾構，就是指在向前掘進隧道的同時鋪設隧道的支撐性管片。
使用盾構機進行隧道施工具有自動化程度高、節省人力、施工速度快等優點，這項技術起源於英國，但到了21世紀，被中國雨後春筍般的隧道工程發揚光大了。
盾構機對施工地質有著非常強的針對性，一種盾構機只能在特定的地質環境中施工，南京緯三路揚子江隧道是中國第一條複雜地質隧道，要穿過軟土、硬巖、砂卵石等地層，施工水壓高達0.72兆帕，複雜程度在國內、國際上都沒有先例可循。
因此，承建單位為南京揚子江隧道施工量身打造了一對直徑14.93米、長130米、重達4758噸的超大型泥水氣壓平衡複合式盾構機：天和號，和它的孿生兄弟天和一號。
這一對盾構機創造性地設置可推出式滾刀，延長了掘進距離，屬於世界首創，初裝切削刀掘進距離是同類地質條件現有隧道盾構機的3倍。
「天和一號」和「天和號」這對孿生兄弟擁有世界上最複雜的刀盤，狀似摩天輪的巨型五彩刀盤上有717把刀具，不同顏色的刀具具有不同的功能。
同時，設計單位還開發出了超長距離掘進刀盤技術、刀盤伸縮機構、備用推出式滾刀裝置，世界首創氦氧飽和帶壓換刀技術等，獲得知識產權18項，發明專利9項。在揚子江隧道施工中，「天和一號」成功穿透了最堅硬的巖層，這些獨創的專利技術發揮了重要作用。
在施工過程中，兩臺盾構機先後更換了1000多把滾刀，每把滾刀重達267公斤，經過25800小時的施工，天和號兩兄弟穿越了4000多米被稱為「世界級地質博物館」的極其複雜的混合地質層，完美地完成了使命。
這標誌著中國長江流域工程技術難度最大、地質條件最複雜、挑戰風險最多的穿越江底隧道成功攻克了施工中的難題並取得重大突破，並成為超大型盾構施工領域劃時代的里程碑。
（三）光有技術還不夠，還要伺候這兩個大傢伙
儘管天和號的性能出眾，但由於地質條件複雜，超大型盾構機的使用絕非易事，突如其來的狀況很容易使機器陷入故障，而時時突變的地質環境也意味著刀頭需要時常更換。
「天和一號」首發開始進入複合地層段後，遇到了長達500米的巖層，岩石最高強度達120兆帕，高強度岩石使盾構機刀具磨損很厲害，此時，正處於緯三路過江隧道的最深處，承受水壓達0.72兆帕，這是目前世界盾構工程中遇到的最大水壓。
按照以往方法，施工人員需加壓進入工作面換刀，但是，即便是在0.6兆帕氣壓下，一次工作也不能超過40分鐘。
按照這種效率，隧道施工工期的拖延會非常驚人。項目施工團隊在討論之後決定：將「太空艙」運用到長江隧道中。
在氦氧飽和氣體下，地面上設置一個高壓生活艙，特種作業人員較長時間生活在高壓下，身體逐步適應該環境。作業時，將生活艙吊運到長江底隧道中，與高壓泥水艙對接，作業人員由生活艙進入壓力相同的泥水艙，工作時間就能夠從40分鐘增加到4個多小時，換刀效率是傳統換刀效率的8倍以上，實現飽和帶壓換刀後，平均2小時就可以換一把刀。
花了2年的時間，500米的巖層終於掘進成功。這2年間，工程採用世界首創的氦氧飽和帶壓換刀法進艙作業600多次，作業時間超過2400小時，更換各類刀具1009把，最終成功穿越巖層。這是全世界第一次飽和換刀工作，換刀時間過慢的世界性難題得到了破解。
結語
如今，南京已經擁有7條建成的長江過江通道，但這對於南京迅猛發展的交通需求而言仍然是遠遠不夠的。根據南京城市總體規劃，到2030年，南京長江將形成十六條過江通道，其中規劃鐵路與軌道過江通道七個。屆時，南京江南和江北之間的交通網路將會實現公路、城市道路、鐵路、城市軌道跨江成網成環。
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