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启用“国之重器”,攻克多项世界级施工难题

成就潮人百年梦想工程

汕头海湾隧道的建设,开启了我国跨江越海隧道建设的新篇章。在建设中,中铁隧道局建设者攻克了孤石群地层掘进、高粘度软土地层掘进、长距离浅覆土高水压掘进、海中高强度基岩凸起、淤泥地层带压进仓等多项世界级施工难题,创建了“可感、可知、可掘、可稳”的高地震烈度区复杂地层大直径盾构隧道修建关键技术体系,对未来的超长海底隧道建设、世界隧道建设将起到示范作用。

汕头海湾隧道是世界首座地处8度地震烈度区的大直径盾构海底隧道,在这个世界级挑战性工程的舞台上,多项前沿研究交叉汇聚:中铁隧道局与广州大学、西南交通大学共同开展高烈度地震区海底超大直径盾构隧道地震响应规律及抗震技术研究;与中铁装备共同开展盾构机设计制造专题研究;与中南大学共同研究海底单管特长隧道防火关键技术;与盾构及掘进技术国家重点实验室、同济大学开展土-岩-孤石混合地层超大直径盾构装备及施工关键技术研究等。

中铁隧道局汕头海湾隧道项目南岸工区副总工程师杨杰告诉记者,汕头海湾隧道西线盾构,采用了首台具有自主知识产权的国产超大直径泥水盾构机,该盾构机总长130米,总重4600吨,总功率10123千瓦,其中刀盘直径15.03米,相当于五层楼高,是当时国产最大直径的泥水盾构刀盘。这台国产盾构机集合了超高承压能力系统集成设计、常压换刀技术、伸缩摆动式主驱动技术、双气路压力控制技术、智能化程度高五大创新点,也创造了国产高技术装备铸造超级工程的新纪录。

杨杰介绍道,盾构机是建设隧道的利器,前方刀盘上分布了几十、上百把刀具,相当于人的牙齿,通过刀盘的旋转,刀具切削磨碎前方的障碍物,实现不停地向前推进。遇到软土粘性地层,刀具容易结泥饼,在遭遇极硬的岩层时,又易出现刀具异常磨损破坏等情况。“汕头海底隧道软硬不均的地层,让两种情况同时存在、此起彼伏。”

“我们发明了一种高压清洗装置!”杨杰说,隧道穿越高粘度地泥层时,由于地层黏性大,就像年糕一样粘住牙齿,致使盾构机刀盘结成泥饼而被糊死的现象,项目多次组织带压进仓清理,但最终清理效果不理想、成本投入、作业风险高。“通过多方调研、自主研发,我们发明了一种高压清洗装置,该高压清洗装置可以在常压状态下利用停机时间清洗刀盘,作业功效、成本、安全性均大幅度改善,成功地解决了刀盘结泥饼的难题。”

为更有效应对超强硬岩,中铁隧道局运用了一系列创新,如采用重型滚刀并且加宽刀刃厚度、升级刀圈的梯度硬度设计、常压滚刀刀具安装优化创新等,并形成了刀具运行状态智能监测融合掘进参数评价的理论与关键技术,实现了刀具可感可知可换。

“以前盾构机更换刀盘时,需要工人进入泥浆里操作,现在有了常压换刀技术就避免了这种情况,可以直接更换刀盘。” 汕头市苏埃通道建设投资发展有限公司工程部经理石曲说,西线使用的国产盾构机刀盘首次采用伸缩摆动装置,同时刀具还安设了全套的质量状况监测系统,就是仓内安装可视系统,这些都是领先的技术。

石曲还告诉记者,汕头海湾隧道施工中,还研发了盾构机在花岗岩凸起复合地层直接掘进技术研究。“传统方法是需要对基岩采用爆破预处理,由于该区域位于海湾主航道范围,相关作业将严重影响航道的通行和安全,本项目采用盾构机直接掘进,对于使用泥水平衡盾构机的地质条件限制作了重大尝试,并取得突破。”

汕头海湾隧道工程的成功实施及取得的技术性成果,提升了我国在极端工况条件下的超大直径盾构装备设计研发和应用能力,增强了国产超大直径盾构装备的性能和市场竞争力,带动了盾构装备研发、设计、制造、应用等环节的持续发展,打破了国外大型盾构长期垄断的局面,标志着我国在超大直径盾构隧道施工技术和盾构装备的研发制造步入世界先进领域。此外,建设过程中形成的地震高烈度地区隧道抗震设计,将对未来隧道抗震设计施工工作起一个指导作用,大量已验证过的基础数据的提供和积累下来的建设经验,也将对我国未来开工建设的琼州海峡隧道、烟大隧道和川藏铁路隧道等重大项目具有重要参考意义。

作者:汕头融媒记者 蔡晓丹 发表日期:2022年09月29日 来源:汕头日报
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