作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士
如果要问武汉交通最大的天敌是什么，那答案想必是唯一的：长江天险。
随着近年来武汉市的交通流量指数增长，人们不得不在长江上迅速地建起一条又一条的过江通道。
（武汉的过江通道）
这些通道有的是桥梁，有的是隧道，有的是公路，有的是铁路，有的是地铁，但它们都有一个共同点：极为昂贵的价格。
无论隧道还是桥梁，一条过江通道的价格都会超过50亿元。
支付昂贵基建成本的同时，人们也不禁在想：能不能把一条通道当成两个用，花一份的钱，满足两个需求呢？
武汉三阳路长江公铁隧道就是这样一个巧妙的设计。
（一）同一条隧道既有公路又通地铁，难在哪儿？
武汉长江公铁隧道是世界上首条公铁合建的盾构法隧道、国内已建成最大直径的盾构法隧道，位于武汉长江二桥、青岛路长江隧道之间，始建于2014年。
隧道设有左右两条线，每条全长2950米，直径达15.2米。每条隧道内部分为三层，上层是公路隧道排烟道，中间是公路三条车道，下层是地铁7号线以及电缆廊道、排烟道和逃生通道。它将公路和地铁整合到了同一条隧道中，极其高效地利用了隧道内的每一处空间，大大降低了成本。
（武汉三阳路公铁隧道的截面）
不过，将公路和地铁整合到同一条隧道中也存在另一个难题，那就是：这会令隧道的截面积高达195米，远超一般隧道，这给盾构施工提出了很高的技术要求。
（二）超大直径的盾构施工，没你想象得那么简单
盾构施工，就是在隧道掘进机向前掘进的同时构建隧道的支撑性管片（被称为“盾”），集开挖、支护、出渣于一体，实现隧道一次成型的隧道施工技术，前面由全自动的圆柱形掘进机沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，一次性将隧道挖成适宜的形状，后面自动将挖出的岩土输送出地面，同时铺设盾片。
盾构机的外壳是一层坚固的护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面，挖掘、排土、衬砌等作业都在护盾的掩护下进行。
盾构法这种施工方式的自动化程度高，节省人力，施工速度快，而且对周围地面建筑物影响小，很适合在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下进行施工。
（盾构机的工作原理）
工程上常见的盾构隧道，盾构直径多在15米以下，人们对这一尺寸的盾构机使用经验比较丰富，解决起施工遇到的问题来也更加容易。
三阳路公铁隧道是目前国内直径最大的盾构隧道，施工所使用的“三阳号”盾构机的盾构直径为15.76米，总重达4400吨。
（三阳号盾构机）
超大断面盾构需要面临许多新的难题。
首先，在生产厂家，巨大的刀盘直径受制造厂家大型立式车床的限制，刀头驱动电机以及千斤顶等高液压设备的制造也很困难。
其次是现场的组装问题。由于受到陆地运输的限制，盾构将分成多块运输，刀头轴承的分块及焊接精度控制困难。
分块数增加，接头的加劲物也要增加，从而增加了机体的重量。
轴承在现场整体组装，要对实际起吊荷载及大型块体部件的运输进行研究，极大地增加了工程复杂程度，拖延了工期。
在施工阶段，由于盾构直径增大，导致外圈刀头和内圈刀头速度差增大，维持开挖面的稳定变得更加困难，需确保开挖土砂流动性同时防止内圈土砂堵塞。
（三阳号盾构机的正面刀盘，上面布满了刀头）
三阳路隧道的掘进距离将近3千米，属于长距离掘进，它的掘进难度要远高于普通隧道。
由于掘进时刀盘外侧的线速度与刀盘中心的线速度相差很大，面板边缘处和边缘刀具磨损严重，这给盾构机的刀盘、刀具、液压系统等关键构件的耐久性提出了很高的要求。
（盾构刀具，主要追求硬度和耐久性，与一般意义上的“刀”相距甚远）
盾构主要是靠安装在刀盘上的刀具切削土体或破碎岩层来完成的，刀盘和刀具的耐久性直接关系到盾构的长距离掘进能力。因此，为了延长盾构的一次掘进长度，工程师们采用了碳化钨材质的高耐磨切刀，并设计有耐磨齿。
碳化钨是一种硬度与金刚石接近的硬质合金，甚至可以用来切割钢材。
（碳化钨粉末与碳化钨硬质合金）
刀具采用双层伸缩设计，在正常刀具下方还另外设计了一层备用短刀具，收缩到刀盘以内。当一层刀具发生磨损殆尽后，通过特定的机械装置，第二层刀具被激活伸出，自动补位，以延长盾构的掘进长度。
此外，在不同区域的切刀上还安装刀具磨损量检测装置，以便及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具正常工作。
（伸缩道具示意图）
三阳路公铁隧道的掘进施工中，难度最高的地方在于穿越一段“钻石层和年糕团”的复合地层。
在盾构施工中，挖掘单纯的硬地层和单纯的软底层都有对应的刀具与施工流程，两种方案差别很大。
然而，长江底的地质环境，是石英含量高达70％的粉细砂层和富含黏土的强风化泥质粉砂岩地层，夹杂遇水大幅膨胀的泥岩，这就相当于是在黏性极大的黏土里混进了硬度极高的“钻石”，间歇性出现的高硬度组分盾构施工难度很大。
经过反复的探索和经验归纳，工程师们总结出了应对这种地质条件的方法，这些适用于长江流域隧道施工的宝贵经验可以推广到更多工程中。
（三）作为一条长隧道，隧道内的消防和逃生如何布置？
隧道内的消防和逃生设施历来是隧道设计的一大重点。
通常情况下的公路隧道，汽车行车道下方的通道被用作疏散通道使用，但实际上，这种设计的疏散效果并不好，而且造成了大量的空间浪费。
三阳路隧道中，汽车行车道的正下方空间被地铁车道占据，因此，疏散通道被布置在了隧道的右下方。
这是世界首条连接公路和地铁的逃生通道，可以供上下两层通行者的应急使用。
通道高2.5米，最窄的地方也有1.9米宽，足够隧道中的人们逃生所需。
每75米就有一个逃生通道出入口，平时被盖板覆盖，应急时只需拉开即可前往疏散通道内通行，其中的环境与公路、铁路内隧道相互隔开，可以防止火焰和烟气进入。整个公路隧道段单边方向设置34个应急逃生出入口，两侧共68个。
此外，F匝道还设了一个疏散楼梯，一名成年女性的力气就能拉开。
在整个隧道中，布置了263个监控摄像头，隧道里的一切灾害隐患在管理中心调度大厅里可以看得一清二楚，24小时有专人进行监控。
为了确保疏散通道的安全性，在疏散通道对应的每个疏散楼梯处都隔成了封闭的空间，仅有人员可以穿行。疏散通道两端设置加压风机，火灾时与余压阀联合作用，形成不同的压力梯度，可以确保隧道中的火灾烟气不进入楼梯间和疏散通道。
（逃生通道内景）
公路隧道上部的新月形空间是排烟通道。
由于隧道是城市主干道，交通量大，长度长而且要考虑到交通阻滞问题，因此排烟标准很高。
在武汉长江公铁隧道内设置有6台大型隧道排风机，和2台隧道送风机，每台功率110-160千瓦，单台风机风量达每秒120立方米。它们可以将新鲜空气引入隧道内，同时将隧道内的尾气送出。
同时，该隧道工程还在道路沿线布置有100台功率30千瓦的射流风机，加速隧道内空气的流动。
除人为排风外，隧道还充分利用了车辆通行时造成的隧道内“活塞风”来进行排风。车辆的自然通行，带动了隧道内的空气随之向前平移，进而将隧道内的污浊空气自然带出。
在隧道下部的地铁隧道中，利用行车区侧部空间分段设置有排烟道，将越江段隧道分为3个排烟区段，解决了超长区间内多辆列车追踪运行时的通风排烟难题。
结语
2018年10月1日，在挖出了相当于一座上海金茂大厦建筑体量的土方量之后，武汉三阳路公铁隧道正式通车，武汉地铁7号线的一、二期工程不久后亦随之开通，将北起黄陂前川，南至江夏纸坊的全长48公里的人口密集区连接在了一起。地铁的旅客日发运量达63.8万人次，其中过长江客流量为25万人次，有效地缓解过江交通压力。
