大连地铁5号线工程线路平面图
工程概况
大连地铁5号线南起虎滩新区站，沿滨海路、解放路、友好路、甘井子路、泉水规划道路布置，北至后关村站。线路全长24.484km，全部为地下线，设车站18座，其中换乘站7座，平均站距1.37km。其中，火梭跨海大盾构区间下穿梭鱼湾海域，全长2870m，海底距隧道顶12.2～22.8m，海水深度9～14m。
大连地铁5号线火(火车站)～梭（梭鱼湾南站）区间为大连地铁5号线全线控制性工程，采用Φ12.26m大直径泥水平衡式盾构机施工。跨海大盾构区间下穿梭鱼湾海域，海域段2310m，陆域段长560m，隧道顶距海底12.2m～22.8m，海水深度9m～14m，为单洞双线双层衬砌盾构隧道。海底大盾构区间面临着四大难题：首先是长距离全断面硬岩掘进，最高岩石抗压强度达118兆帕；同时，隧道底部距离海平面最深达49m，穿越地层破碎、透水性强，且与海水相连、水头压力大，接近0.5兆帕；此外，盾构施工将穿越1538m岩溶地层，岩溶发育强烈、穿越三大溶洞群(有上千个溶洞)，专勘揭示最大溶洞高29.8m；盾构还将下穿铁路、航道等重要设施，区间施工环境异常复杂。
火车站至梭鱼湾南站区间
工程水文地质
大连地铁5号线（火车站～梭鱼湾南站）区间跨海施工中面临着隧道穿越溶洞多；长距离硬岩掘进岩石强度高；隧道埋深大、水压高；大盾构下穿铁路、军港码头、航道等重要建构筑物及军事设施等四大难题。
火车站—梭鱼湾南站地理环境图
火车站～梭鱼湾南站海底隧道全长2870m，设计为直径12m多单洞。隧道穿越一个海底岩溶区域，有上千个溶洞，已勘测的最大溶洞高30m。海底长大隧道由于施工难，大连5号线曾15次召开专家项目咨询会。
隧道工程最怕溶洞：盾构机掘进到溶洞，可能会马失前蹄，栽下去；穿越溶洞还可能引起坍塌或涌水，威胁生命。该隧道一路穿过硬质岩石，夹杂溶洞，很不利于施工——地层密度变化大，盾构机更容易歪头、钻偏。
盾构选型
中铁装备研制功能最全、技术领先的盾构机“海宏号”（Φ12.26m气垫式泥水平衡盾构机）进行穿海施工，并努力开展技术创新、管理创新，构建了智能化信息管理系统，实时指导现场施工。
“海宏号”大直径泥水盾构机
“海宏号”刀盘直径Φ12.26m，整机长158m，总重2840t。配备了精良的传感系统，盾构机在掘进时“感到”力量不平衡，就能尽快调整。盾构机还搭载有地震波超前物探系统，并配备了一根注入管，前方发现未预料的溶洞，可以即时注满空洞，盾构机再向前钻。针对溶洞地层掘进岩石强度高、刀具磨损严重、硬岩地层管片易上浮展开技术攻关，尤其是针对换刀频繁、刀具统计工作量大、人工分析刀具磨损更换难度较大等情况，开发出具有分析功能的盾构换刀系统。
盾构管片拼装系统
盾构机实行常压换刀。盾构机有几十上百个“牙齿”，刀盘一转它们就啃掉岩石和泥土。刀齿会磨损，需要更换。但在几十米深的海底，刀盘后的空舱内，气压巨大。以往是由专业人员提前适应气压，进舱换刀。“海宏号”不一样，它的牙齿向后退出时，“牙龈”可自动愈合——刀齿周边的小门，严丝合缝地闭上，隔绝外面的压力。换刀人员因此可以在常压下工作。做到这点不容易，因为即便有一颗小石子硌在门缝中间，也会给常压舱带来灾难。“海宏号”在Φ12.26m较小刀盘上实现了常压换刀。
联合开发了BIM+GIS三维动态模拟管理平台，做到三维可视化施工管理，指导岩溶地层处理及盾构掘进施工。
盾构机做到三维可视化施工管理
“海宏号”盾构下井安装
2018年11月，在地铁5号线梭鱼湾南站30余米深的地下盾构始发井内，“海宏号”海底盾构机1节刀盘和7节台车已全部下井，工人正在刀盘处进行负环管片的拼装。负环管片主要为盾构机推进提供支撑力，等盾构机始发掘进100m后再拆除。
大刀盘下井安装
“海宏号”盾构于8月10日开始下井，刀盘、拼装机、台车等单机调试已全部完成。同时，盾构机始发前各项工作也有序进行，已完成海面岩溶注浆处理600余米；泥水分离后台安装完毕，泥浆管道接入盾构机台机，进行管道保压试验等。再过10d左右，整体设备将进行联调。按计划，盾构机始发后，每月向前掘进100m左右。
“海宏号”盾构下井安装场景
“海宏号”盾构始发
2019年1月18日，在大连地铁5号线梭鱼湾南站深30m始发井内，Φ12.26m大直径泥水盾构机“海宏号”始发，穿越黄海海域溶洞群地层、面临系列世界性施工难题的海底隧道工程进入攻坚阶段。
“海宏号”盾构始发现场
针对溶洞地层掘进岩石强度高、刀具磨损严重、硬岩地层管片易上浮等困难，建设者们展开技术攻关，经常性研究新工艺工法，总结前期掘进参数并持续优化。开发出具有分析功能的盾构换刀系统和BIM+GIS三维动态模拟管理平台，做到三维可视化施工管理。
“超级穿海”工程施工现场，有一个团队，是项目的盾构机换刀班。盾构复合地层掘进，换刀是最重要的一项工作，在大连地铁5号线过海段尤为重要。换刀的效率，直接决定着施工的进度。对掘进参数进行逐环总结分析，并进行100m、300m、1000m等阶段性总结分析，不断优化施工参数，逐步提高掘进效率。项目部从各个项目抽调了些换刀熟手，专门组建了项目的7人换刀班。用70万元购买了一台1:1常压刀盘换刀模拟舱进行集中培训。一般一个月掘进和换刀各占15d，换一个刀筒需要10h。经过培训到8月份，换一个刀筒只需6h，一个月换刀最多只需12d，工程总共换刀1860多把。
钻孔+CT扫描+注浆预处理，攻克盾构施工下穿海域岩溶强烈发育地质
“超级穿海”工程遇到第一个“世界性难题”是穿越海底溶洞群地层。跨海施工面临着隧道穿越溶洞多、长距离硬岩掘进岩石强度高、隧道埋深大、水压高、大盾构下穿铁路、航道等重要建筑物等多项困难，被业内专家定性为“世界性难题”。特别是隧道穿越溶洞多，需穿越1500m岩溶发育区，勘探共发现大小溶洞1000余个，钻孔平均见洞率59%，给建设者们带来了前所未有的挑战。
地铁5号线跨海段是岩溶多发区域，其中有约1500多米的海底地下均为溶洞，给后期的盾构施工带来极大风险，如果不进行填充，盾构机掘进中可能会在溶洞处发生倾斜、栽头等情况。
“海宏号”盾构机掘进示意
施工确定了“以海面预处理为主，洞内处理为辅”的溶洞处理思路，采用钻孔+弹性波CT扫描的方式勘察溶洞的位置、大小、分布情况等。海上作业共安排了4艘船，其中2艘为岩溶专项勘测船。船上都带着CT仪，就像是给人做CT扫描一样，要给地层做CT。另外2艘船则根据勘测结果，在溶洞位置上进行针对性注浆。建设者们做的主要是海上岩溶注浆处理，注入水泥浆，对溶洞进行填充。溶洞对于盾构施工来说，就相当于开车时前面有个深坑，如果不小心车子就会栽倒，注浆处理就是提前将深坑填埋。
海域段溶洞发育强烈，形态齐全，规模很大。大小溶洞相互交错，分布范围广，共有3个大溶洞群，每个溶洞群的溶洞发育情况，规模，结构，充填物都有不同。发现的最大溶洞高达29.8m，长约30m，相当于102021.09施工企业管理107层楼大小。首先是密排打孔，仅这一处溶洞就有上百个孔，一个钻孔深近50m，然后不断地向地层注入水泥浆。由于钻孔深度较大，打孔需要1d时间，而单孔注入水泥浆则需要约2d时间。
2019年12月20日，跨海盾构区间的溶洞全部处理完毕，安全质量全面受控。
盾构机司机现场操作
2020年5月6日，梭鱼湾海底48.8m深处，“海宏号”盾构推进至760环1520m，成功下穿海域岩溶强烈发育地质，穿越海底溶洞群，进入板岩地层。
梭鱼湾穿海成型隧道
火车站至梭鱼湾南站区间贯通
2021年1月16日，随着“海宏号”盾构机破洞而出，国内常压刀盘大直径泥水盾构、穿越最长距离硬岩地层盾构、最大直径地铁海底隧道贯通。
火车站至梭鱼湾南站区间贯通
大连5号线火～梭大盾构区间，起始于大连沈铁站北新居的中间风井，止于梭鱼湾南站，区间全长2882m，下穿疏港铁路、疏港路，侧穿疏港路军港公寓，下穿黑嘴子码头进入梭鱼湾海湾，于大连船舶重工厂区东侧海域下穿香炉礁航道，在海湾北侧世界公园东侧接入梭鱼湾南站。
“海宏号”国内最长距离硬岩地层大盾构，单向掘进2882m，盾构横跨大连湾海域，始发、接收端无法进行导线串联，且不具备中间竖井或投点定位条件，对控制测量要求极高。控制测量项目为了确保盾构按照设计线路掘进，一是采用陀螺定向测量，对地下控制点进行方位角校核，保证盾构掘进方位准确，二是对跨海始发、接收两端的控制点多次进行陀螺方位角验证，确定始发、接收端起算方位偏差，并积极进行误差调整，力保“海宏号”始发与接收。
测量控制要求高
“海宏号”穿海段掘进时最高岩石抗压强度达118兆帕，且与海水相连、水头压力大，接近0.5兆帕，对刀盘和管片强度有很高的要求，为了掌握管片结构受力、变形情况，掘进对周边环境的影响，除了在增设管片结构、连接螺栓上安装应力计和变形监测点，更是在盾构掘进的731个日夜里，奋战在施工一线，每日坚持对管片结构和周边环境进行监测，安排专人进行安全巡视，观察管片渗漏水、盾尾环密封和管片错台情况，坚持“勤量测、勤巡视、排隐患、早预报、保安全”的方针，以充当施工“眼睛”为己任，确保了“海宏号”穿海期间零事故。
施工过程中实现了成型隧道无漏水、管片无破损、错台，在长距离硬岩地层掘进中创造了月掘进150m成绩。