把高鐵隧道建在百米海底 抗水壓防腐設計保證行車安全

全程水下作業

把高鐵隧道建在百米海底

1.06兆帕

珠江口隧道設計采用礦山法+盾構法組合施工。礦山法段最大埋置深度達到了115米，盾構法隧道最大水壓1.06兆帕，超過10個標準大氣壓，與著名的土耳其博斯普魯斯海峽公路隧道水壓力相當。

◎本報記者 矯 陽

6月10日，來自中國鐵路廣州局集團公司江門工程建設指揮部消息，開工近一年的粵港澳大灣區重大交通項目，即新建深圳至江門高鐵(以下簡稱深江高鐵)重要控制工程，跨越獅子洋的珠江口隧道工程進展順利，斜井進洞二三十米，盾構部分將于11月始發。

深江高鐵途經深圳、廣州、東莞、中山、江門5個地市，是深圳至茂名高鐵組成部分，線路全長116公里。珠江口以隧道方式下穿，工程位于東莞、廣州之間的珠江入?？冢淼廊L13.69公里，設計時速250公里，計劃工期為56個月。

“珠江口隧道設計采用礦山法+盾構法組合施工。礦山法段最大埋置深度達到了115米，盾構法隧道最大水壓1.06兆帕，超過10個標準大氣壓，與著名的土耳其博斯普魯斯海峽公路隧道水壓力相當?！背袚^程設計的中國中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道院(以下簡稱中鐵六院隧道院)負責人賀維國說。

如此大的水壓，深江高鐵跨越珠江口為何要采用全程水下隧道方式？面臨的技術難點，設計方案如何解決？

橋、隧方案論證比選長達10年

深江高鐵是國家“八縱八橫”高鐵主通道沿海通道重要組成部分，也是粵港澳大灣區重大交通基礎設施。建成后，粵港澳大灣區將實現高鐵半小時生活圈、經濟圈。

跨越河湖江海，或用橋梁、隧道，或用橋隧、島橋隧。

深江高鐵跨越珠江口獅子洋，為何要采用全程水下隧道方式？

賀維國告訴科技日報記者，深(圳)茂(名)高鐵江門至茂名段已于2018年開通，江門至深圳段，需要跨越珠江口獅子洋海域，因地理環境因素十分復雜，考慮經濟技術多種因素，公鐵兩用橋方案、單一橋方案、隧道方案均有各自特點，但究竟采用哪一種一直未有定論。

根據規劃圖，該深茂高鐵公鐵兩用大橋從東莞虎門(沙角炮臺對面)引出，跨獅子洋后進入廣州南沙。

“橋梁、隧道方案論證比選，長達10年時間?！辟R維國說。

多數專家認為，橋梁方案采用公鐵兩用大橋，可增加跨江經濟效益，但對城市規劃、通航及防洪等方面有一定的影響。且在建設期，橋墩的施工對海洋環境有一定的污染；后期運營維護階段，橋梁應對海洋環境及惡劣天氣的抵抗能力較差，運維成本較高。

經長時間反復科學比選，2017年8月，國鐵集團發布第一次《新建鐵路深圳至茂名鐵路深圳至江門段環境影響評價》，確定將深江高鐵跨越珠江口方案，由虎門公鐵兩用大橋改為隧道形式。

新老方法結合應對復雜作業環境

珠江口隧道是深江高路控制性工程，海域段長約11.05公里，采用“盾構+礦山”組合工法施工，預計在2025年建成通車。

“大灣區目前有3條在建穿海鐵路隧道，分別為廣湛高鐵湛江灣海底隧道、汕汕鐵路汕頭灣海底隧道和深江鐵路珠江口隧道，其中珠江口隧道長度最長、埋深最大、技術難度最高?！辟R維國說，這條隧道工程水文、地質極其復雜，周邊環境水腐蝕性較為嚴重。

資料顯示，目前國內已建成的最大水下鐵路盾構隧道是佛莞城際鐵路獅子洋隧道，最大埋深為64米，最大水壓0.78兆帕。

“如此大的埋深和更高的水壓，為工程帶來了巨大的挑戰，也蘊藏著更高的風險。一旦出現任何偏差，后果不堪設想?！辟R維國說。

珠江口隧道需要穿越淤泥、軟弱砂層、極硬基巖凸起等多種復合地層。礦山法段需穿越多處斷層，存在水頭貫通的可能性，在超高水壓作用下，預加固支護措施也面臨著嚴峻的考驗。不僅如此，巨大的水壓及復雜的地質環境，對盾構機等設備也提出了更高的要求。

在項目開工前的3年多時間，中鐵六院集團隧道院成立專門的科研攻關團隊，設計出一個“礦山+盾構”穿越隧道的組合工法。礦山法，即用開挖地下坑道的作業方式修建隧道的施工方法，是一種傳統的施工方法；而盾構法，則是采用大型盾構機施工的現代方法。

據賀維國介紹，針對工程中所有的重難點以及關鍵節點，設計方案都進行了分析以及專項方案設計。

經過多次內外部評審，珠江口隧道設計方案被認為“在特長海底隧道工法、超高水壓海域盾構法隧道外水壓力取值及接縫防水、深厚淤泥地層大直徑盾構欠壓始發、礦山法隧道洞內大直徑盾構接收及整體拆解等技術方面取得了多項突破性進展”。

抗水壓防腐設計保證隧道行車安全

珠江口隧道現場施工共分虎門、南沙及萬頃沙3個工區。2020年7月2日，3個工區施工全面展開。

虎門工區和萬頃沙工區明挖段基底，均位于大面積深厚淤泥層中，壓縮性高、承載力低，施工過程中基坑變形控制難度大。“為確保后期高鐵運營安全，設計方案中重點考慮了沉降要求控制，制定了高精度的指標要求?！辟R維國說。

按照設計方案，待盾構始發井完工后，兩臺大直徑盾構機將分別從東莞虎門及廣州萬頃沙始發相向掘進，盾構管片外徑12.9米，盾構獨頭掘進最長達3590米。

“這就意味著，盾構機必須在高水壓下不良地質段進行磨損刀具的更換。這無異于在水中打開了一扇窗戶，安全風險極大?！辟R維國表示，對此設計上要求采用更可靠的常壓刀盤+氣墊模式換刀技術。同時，對于掘進極高風險地段，在盾構機上還將配置相應超前地質探測手段，對前方地層進行預測分析，實現一機多能。

除水下換刀問題，還有一塊更難啃的骨頭，就是盾構機未來如何在海中完成接收及拆解。

賀維國說，盾構機長距離掘進后，必須精準在海中擴大硐室實現對接，這猶如在大海中穿針引線，不僅在設計時要考慮足夠預留量，對盾構機掘進過程中的動態控制要求也極為苛刻。同時，在盾構接收中還必須確保零滲水的要求。

“設計方案采取了依靠洞內外聯動測量，使盾構機認準方向進行掘進施工；通過地質勘查和超前地質預報，摸清前方地質條件，及時調整盾構機掘進參數和姿態，保障盾構機在正確的方向掘進；設置大型接收洞室，在接收端預留有一定容錯的接收洞門及止水系統，保障盾構機能夠直接進入?！辟R維國說。

除了在設計方案中嚴格把關，新工藝、新材料、新技術的運用也成為了珠江口隧道的一大亮點。

海洋是氯離子的主要來源，而氯離子會滲透到混凝土內部對鋼筋表面的鈍化膜進行破壞，最終導致鋼筋銹蝕，造成鋼筋混凝土結構性能劣化，影響到結構的使用壽命。為解決海洋帶來的腐蝕問題，設計采用了浸入型硅烷浸漬材料來加強混凝土管片的抗侵蝕作用。

普通穿海盾構隧道工程，由于處于低水壓環境下，主要考慮提高混凝土強度以及抗滲標準來抵抗氯離子的侵蝕。“而珠江口隧道，是通過利用硅烷材料的小分子結構，將有機硅分子牢固地附著在管片混凝土表面和毛細孔道中，形成一層致密的保護層。”賀維國說，這同時也避免了常規外防腐材料在管片拼裝時受到盾尾刷對其產生的破壞問題。

結構自身的防腐措施，結構接縫處的防腐設計也至關重要，在管片接縫處，設計方案采用了兩道三元乙丙橡膠彈性密封墊設計，增強了抗水壓效果，以保證隧道的安全。

業內專家認為，珠江口隧道工程具有“‘礦山+盾構’組合工法技術難度大、極端地層盾構掘進長、淤泥環境施工風險高、防災疏散組織救援難、世界級高水壓無案例”的特點，項目建成后將成為一個世界級的超級工程，更為世界海底隧道工程技術提供獨特的樣本和寶貴的經驗。