文/陈一苇 姚晨辉
2019年9月17日，在第21届中国国际工业博览会上，一台椭圆断面的全断面隧道掘进机（简称盾构）荣获了“中国国际工业博览会大奖”，引来不少观众驻足观看。
随着隧道建设在全国各大城市如火如荼的进行，人们对盾构这一隧道施工利器也不再陌生。但是，平时我们在新闻上看到的盾构都是圆形的，而这台获奖的盾构却长得像个“横鸭蛋”，为什么要制造这样一台相貌奇特的盾构呢？
“阳明号”盾构
01
类矩形盾构曲折的诞生过程
这台“横鸭蛋”盾构是隧道股份上海隧道工程有限公司（简称上海隧道）自主研发的11.83米×7.27米全断面切削类矩形盾构。（“类矩形”是专为描述此类断面隧道发明的新词，指由四条曲线围合的截面，国际上也被称为“复合圆形”。）根据上海隧道总工程师朱雁飞的介绍，它的诞生还有一段曲折的故事。
“这要从2014年说起。”朱雁飞娓娓道来。当时在一场交流会上，宁波地铁业主诉说了一件烦心事：宁波地铁4号线进入规划环评公示阶段，其中部分区段要经过街道狭窄的老城区，隧道将侵入沿街房屋的下方，不少居民担心隧道施工会造成房屋沉降，也担心地铁通车后的噪声和震动对日常生活造成影响，意见比较大。宁波地铁希望用世界最先进的技术来解决这个问题。一开始上海隧道提出，采用自日本引进的双圆盾构施工，就可以避免房屋下穿行。但宁波地铁并不满意，因为双圆盾构在上海和台湾都有过沉降控制不成功的案例，日本本土也多年未有应用案例。宁波地铁要求“必须用世界最先进的技术，而不是人家淘汰的技术”。
为此宁波地铁专门组织了考察团赴日，实地调研了多个异形断面盾构法隧道的案例，了解到日本房屋产权含投影线下方的地下空间，因此这一问题更为突出。自20世纪90年代后期开始，日本已将矩形或类矩形断面的盾构作为克服此类困难的不二法门，效果很不错。然而，一旦谈起设备引进，日方却委婉地表示：“近期没有向海外销售此类产品的意愿。”于是，宁波地铁决定走自主研发的道路。
他们将位于宁波郊区的地铁3号线的末端一条出入场线短隧道作为“试验田”，工况包括超浅覆土穿越河流、穿越浅基础房屋、穿越拔桩回填区等复杂工况，在全国首次以“科研-设计-施工一体化”公开招标的形式，为一种全新装备及其配套的设计、施工技术开发和现场验证试验，发出了“风险共担、利益共享”的招标邀约。上海隧道在与“巨无霸”级对手的竞争中脱颖而出，成功中标该项目，联合同济大学、上海交通大学、上海隧道设计院等单位，共同开发“类矩形”盾构法隧道技术体系。
这种特殊的盾构是根据宁波地铁4号线的实际情况，兼顾类似条件下的可推广性而设计的。这种隧道断面接近矩形，去除了圆断面隧道里的无效空间，比一般地铁的双峒双线隧道窄1/3，高度则比普通单峒双线的大型圆隧道矮了近50%。
02
首战告捷
根据业主要求，一年内，类矩形盾构要完成装备下线并推进100环，这近乎是一个不可能完成的任务。上海隧道牵头的产学研团队迎难而上，开拓创新，用不到10个月的时间，完成了类矩形盾构的研制和始发准备工作，用实干精神证明了这一创新模式的高效。后来日本专家到现场参观时，对此高效率也是赞叹不已。
2015年9月30日，国内首台类矩形盾构机研制完成，宁波地铁有感于项目“知行合一”的精神，用宁波历史名人——王阳明先生的名号将其命名为“阳明号”。
2015年11月30日，“阳明号”在宁波地铁3号线工地顺利始发，这也是中国人第一次完整地创造一种盾构形式、一个隧道技术体系。
与传统圆形盾构施工一次推进只能成形一条隧道不同，这台断面为11.83米×7.27米的土压平衡类矩形盾构开掘出的隧道可容纳一来一去两条地铁线，高效地利用了地下空间，将解决城市核心区和老旧城区“放不下”与“碰不得”的难题。
“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，施工过程中要精确控制沉降，不能再像双圆盾构一样被诟病。这台自主研发的类矩形盾构，解决了老旧城区、历史风貌保护区小马路造地铁的施工难题。”朱雁飞介绍说，类矩形盾构的空间利用率比圆形盾构高30%～40%，更适合“螺蛳壳里做道场”。
“阳明号”盾构施工现场
“阳明号”盾构在首秀中，要穿越主要由淤泥、淤泥质黏土等构成的软弱地层以及超浅覆土，还要穿越房屋和河流。而“阳明号”不负众望，顺利完成了任务，外地表沉降控制良好，隧道无渗漏水，达到了工程既定目标。
谈到那次“阳明号”盾构的首秀，有一个精彩的小插曲令朱雁飞记忆犹新。宁波地铁3号线一期工程出入段要从宁波正宇电机厂的厂房下穿过，该厂主要生产精密塑料件，当时正值订单生产高峰期，如果施工过程中厂房地面发生沉降变形，将可能会造成大量残次品。为此，该厂的老板忧心忡忡。不过，“阳明号”盾构没有让人失望，在顺利完成这一段隧道施工后，隧道上方的厂房地面没有产生一条裂缝，也没有因为地面变形而造成残次品。为此，正宇电机厂的老板特地买了几大箱水果，送到了上海隧道的施工人员手中，感谢他们高质量的穿越施工保障了工厂的正常生产。
（原载于《科学画报》2021年第4期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。）
本文选自《科学画报》
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