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【廣東】匠心精技通海灣

——寫在我國首臺15米級超大直徑盾構機穿越汕頭海灣之際

2020-08-10 16:38:16 來源:中國交通新聞網 作者:余紀偉

 8月7日,隨著盾構接收井中寧靜的水面泛起陣陣漣漪,施工現場響起一片片歡呼聲,在國家“863”計劃的強力支撐下,由中信集團投資,中鐵隧道局設計施工總承包的汕頭海灣隧道西線正式貫通。

施工過程中,項目團隊采用了“一中一外”兩臺盾構機同時推進的方案,同時積極創新,優化盾構方案、改良盾構刀具,順利穿越超強基巖,保證工程高質量完成。

汕頭海灣隧道。


國產盾構解五大難題

汕頭海灣隧道位于海灣大橋和礐石大橋之間,全長6680米,其中海底隧道段長3047米,雙向六車道,設計時速60公里,海底段采用2臺直徑分別為15.01米和15.03米的超大直徑盾構機施工。

汕頭海灣隧道是國內最大直徑越海盾構隧道,也是國內首條在8度地震烈度區建設的海底隧道,綜合難度高,可以用“大”“淺”“高”“硬”“險”五個字概括。

“大”是指盾構機直徑達15.03米,屬于超大直徑;“高”是指地處高地震烈度區,達到8度;“硬”是指岸上段孤石和海中基巖段,巖石強度高達兆帕;“淺”是指盾構機上方覆蓋層厚度薄,在始發地段隧道上覆土體僅為8.2米;“險”是指海灣隧道處于高度軟硬不均地層,海底軟土穩定性極差,施工難度大,安全風險高,特別是盾構機需要穿越的三段長達182米基巖凸出段。

由于綜合施工難度高,圍繞汕頭海灣隧道建設的種種爭論貫穿了工程始終,特別是在盾構機選擇上。

盾構機誕生于國外,以德國海瑞克公司為代表的當今國際著名盾構機制造商,具有豐富的制造業績。我國雖然在21世紀初開啟了盾構國產化進程,承擔國家“863”項目的中鐵隧道局也于2008年成功自主研制出我國首臺復合式盾構,但此時的國產盾構應用范圍有限,而國內制造15米級的超大直徑盾構尚無先例。

一邊是技術成熟的進口盾構,一邊是正在成長需要在實踐中汲取營養的國產盾構,面對汕頭海灣隧道這樣的工程,選擇進口盾構無疑能降低風險,這種方案在專家技術人員里面也占據了主流。

“盾構機是一種高端復雜設備,國產盾構經過幾十年的追趕,取得了長足的進步,但仍有許多空白需要填補,其中一個重要原因就是,許多人都傾向于選擇成熟的進口盾構,而不愿承擔國產盾構應用過程中所帶來的風險,以至于國產盾構錯失了很多成長機會?!眹摇?63”重大科技項目——“超大直徑泥水盾構關鍵技術研究和應用”的帶頭人洪開榮說。

最終,在洪開榮技術團隊的堅持下,各方都認可了支持民族工業發展的方案,并在建設過程中給予了大力幫扶和支持?!耙恢幸煌狻眱膳_盾構機同時推進的方案被確認,國產盾構第一次邁進15米級超大直徑領域。

2018年4月,進口盾構從汕頭海灣隧道南岸始發,歷時736天,穿越蘇埃海灣,于2020年5月成功抵達北岸。2018年10月,國產盾構亦從汕頭海灣隧道南岸啟航,歷時660天,穿越蘇埃海灣,于2020年8月成功抵達北岸。

汕頭海灣隧道南岸施工現場。


創新掘進穿越超強基巖

汕頭海灣隧道跨海隧道段處于海中主航道下方,穿越海底3047米,有三段基巖凸起,長度約182米,凸起的基巖強度達到216兆帕,面對超高強度基巖,許多專家認為不能直接掘進,應進行預處理。

洪開榮帶領的技術團隊堅持盾構直接掘進。他們依托盾構及掘進技術國家重點實驗室進行了一系列破巖試驗,提出了可利用適宜刀具和合理的掘進參數,建立了泥水參數與穩定壓力相結合的工作面穩定性控制關鍵技術,實現了在海底極端軟硬不均地層的可掘可穩。

實驗室破巖試驗。

盾構機前方刀盤上分布了幾十、上百把刀具,相當于人的牙齒,通過刀盤的旋轉,刀具切削磨碎前方的障礙物,實現不停地向前推進。而刀盤刀具結泥餅是制約盾構機在粘性地層高效掘進施工的難題。汕頭海灣隧道盾構始發段100米開挖面,存在50%以上的粉質粘土,極易附著于刀盤刀具造成結泥餅。傳統的掘進參數控制、泥漿環流控制、添加離散劑、進倉清理等措施無法在根本上解決結泥餅問題。

而在國產盾構制造之初,洪開榮就提出了“順流者暢,紋流者滯”的理念,可以利用常壓刀盤的結構特點,優化泥水循環系統,加大刀盤前方的泥水輸入量,既加強面板的沖刷防結泥,又能夠更好解決滯排問題,具有安全性高、效率高、成本低的優點。

“刀具刀盤結泥是盾構機掘進的頑疾,又難以根治,而我們在汕頭海灣隧道創新的環流系統和高壓沖洗系統這一關鍵技術,徹底解決了這個問題,能夠讓盾構機始終處于高效健康的掘進狀態?!敝需F隧道局汕頭海灣隧道項目總工程師王超峰感受頗深。

遇到軟土粘性地層,刀盤刀具容易結泥,在遭遇極硬的巖層時,又易出現刀具異常磨損破壞等情況。而海底隧道通常都會遭遇軟硬不均地層,兩種情況同時存在、此起彼伏。

為更有效應對超強硬巖,中鐵隧道局進行了一系列創新,如采用重型滾刀并且加寬刀刃厚度、升級刀圈的梯度硬度設計、常壓滾刀防后退監測裝置、常壓滾刀刀具安裝優化創新、刀具螺栓強制防松等,并形成了刀具運行狀態智能監測融合掘進參數評價的理論與關鍵技術,實現了刀具可感可知可換。據統計,汕頭海灣隧道東線盾構海域182米基巖凸起段掘進共計換刀225次,平均每掘進1米需要更換刀具2.5次。

每一項技術革新,既離不開施工現場的技術攻關,也離不開后方科研團隊的潛心研究。中鐵隧道局汕頭海灣隧道項目黨工委書記陳廣江回憶道:“我們依托國內唯一的盾構及掘進技術國家重點實驗室,隨時將現場采集的地層標本送到鄭州進行檢測,每一塊漂洋過海上千里的石頭,最終都化成了盾構機向前掘進的針對性參數、刀具設計和防護措施?!?/p>

不僅如此,中鐵隧道局與廣州大學、西南交通大學共同進行高烈度地震區海底超大直徑盾構隧道地震響應規律及抗震技術研究;與中鐵裝備共同開展盾構機設計制造專題研究;與中南大學共同研究海底單管特長隧道防火關鍵技術;與盾構及掘進技術國家重點實驗室、同濟大學進行土—巖—孤石混合地層超大直徑盾構裝備及施工關鍵技術研究。

從2019年7月8日到2020年2月5日,在對刀具、刀筒等進行針對性的優化后,歷時156天,最終安全順利通過基巖凸起段,開創了國內采用盾構機直接通過基巖的先例。

汕頭海灣隧道盾構大數據中心。

 

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