全程水下作業(yè)

把高鐵隧道建在百米海底

1.06兆帕

珠江口隧道設(shè)計(jì)采用礦山法+盾構(gòu)法組合施工。礦山法段最大埋置深度達(dá)到了115米，盾構(gòu)法隧道最大水壓1.06兆帕，超過10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)。

◎本報(bào)記者 矯 陽

6月10日，來自中國鐵路廣州局集團(tuán)公司江門工程建設(shè)指揮部消息，開工近一年的粵港澳大灣區(qū)重大交通項(xiàng)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(jìn)展順利，斜井進(jìn)洞二三十米，盾構(gòu)部分將于11月始發(fā)。

深江高鐵途經(jīng)深圳、廣州、東莞、中山、江門5個(gè)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、廣州之間的珠江入海口，隧道全長13.69公里，設(shè)計(jì)時(shí)速250公里，計(jì)劃工期為56個(gè)月。

“珠江口隧道設(shè)計(jì)采用礦山法+盾構(gòu)法組合施工。礦山法段最大埋置深度達(dá)到了115米，盾構(gòu)法隧道最大水壓1.06兆帕，超過10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)。”承擔(dān)全過程設(shè)計(jì)的中國中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道院(以下簡稱中鐵六院隧道院)負(fù)責(zé)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(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案如何解決？

橋、隧方案論證比選長達(dá)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(qū)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施。建成后，粵港澳大灣區(qū)將實(shí)現(xiàn)高鐵半小時(shí)生活圈、經(jīng)濟(jì)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(bào)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(huán)境因素十分復(fù)雜，考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(diǎn)，但究竟采用哪一種一直未有定論。

根據(jù)規(guī)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(jìn)入廣州南沙。

“橋梁、隧道方案論證比選，長達(dá)10年時(shí)間。”賀維國說。

多數(shù)專家認(rèn)為，橋梁方案采用公鐵兩用大橋，可增加跨江經(jīng)濟(jì)效益，但對城市規(guī)劃、通航及防洪等方面有一定的影響。且在建設(shè)期，橋墩的施工對海洋環(huán)境有一定的污染；后期運(yùn)營維護(hù)階段，橋梁應(yīng)對海洋環(huán)境及惡劣天氣的抵抗能力較差，運(yùn)維成本較高。

經(jīng)長時(shí)間反復(fù)科學(xué)比選，2017年8月，國鐵集團(tuán)發(fā)布第一次《新建鐵路深圳至茂名鐵路深圳至江門段環(huán)境影響評價(jià)》，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(jié)合應(yīng)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)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(gòu)+礦山”組合工法施工，預(yù)計(jì)在2025年建成通車。

“大灣區(qū)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(shù)難度最高。”賀維國說，這條隧道工程水文、地質(zhì)極其復(fù)雜，周邊環(huán)境水腐蝕性較為嚴(yán)重。

資料顯示，目前國內(nèi)已建成的最大水下鐵路盾構(gòu)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(zhàn)，也蘊(yùn)藏著更高的風(fēng)險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)任何偏差，后果不堪設(shè)想。”賀維國說。

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(fù)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(yù)加固支護(hù)措施也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。不僅如此，巨大的水壓及復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，對盾構(gòu)機(jī)等設(shè)備也提出了更高的要求。

在項(xiàng)目開工前的3年多時(shí)間，中鐵六院集團(tuán)隧道院成立專門的科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)出一個(gè)“礦山+盾構(gòu)”穿越隧道的組合工法。礦山法，即用開挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法，是一種傳統(tǒng)的施工方法；而盾構(gòu)法，則是采用大型盾構(gòu)機(jī)施工的現(xiàn)代方法。

據(jù)賀維國介紹，針對工程中所有的重難點(diǎn)以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案都進(jìn)行了分析以及專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)。

經(jīng)過多次內(nèi)外部評審，珠江口隧道設(shè)計(jì)方案被認(rèn)為“在特長海底隧道工法、超高水壓海域盾構(gòu)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(gòu)欠壓始發(fā)、礦山法隧道洞內(nèi)大直徑盾構(gòu)接收及整體拆解等技術(shù)方面取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展”。

抗水壓防腐設(shè)計(jì)保證隧道行車安全

珠江口隧道現(xiàn)場施工共分虎門、南沙及萬頃沙3個(gè)工區(qū)。2020年7月2日，3個(gè)工區(qū)施工全面展開。

虎門工區(qū)和萬頃沙工區(qū)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(yùn)營安全，設(shè)計(jì)方案中重點(diǎn)考慮了沉降要求控制，制定了高精度的指標(biāo)要求。”賀維國說。

按照設(shè)計(jì)方案，待盾構(gòu)始發(fā)井完工后，兩臺大直徑盾構(gòu)機(jī)將分別從東莞虎門及廣州萬頃沙始發(fā)相向掘進(jìn)，盾構(gòu)管片外徑12.9米，盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)最長達(dá)3590米。

“這就意味著，盾構(gòu)機(jī)必須在高水壓下不良地質(zhì)段進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)極大。”賀維國表示，對此設(shè)計(jì)上要求采用更可靠的常壓刀盤+氣墊模式換刀技術(shù)。同時(shí)，對于掘進(jìn)極高風(fēng)險(xiǎn)地段，在盾構(gòu)機(jī)上還將配置相應(yīng)超前地質(zhì)探測手段，對前方地層進(jìn)行預(yù)測分析，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。

除水下?lián)Q刀問題，還有一塊更難啃的骨頭，就是盾構(gòu)機(jī)未來如何在海中完成接收及拆解。

賀維國說，盾構(gòu)機(jī)長距離掘進(jìn)后，必須精準(zhǔn)在海中擴(kuò)大硐室實(shí)現(xiàn)對接，這猶如在大海中穿針引線，不僅在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮足夠預(yù)留量，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的動態(tài)控制要求也極為苛刻。同時(shí)，在盾構(gòu)接收中還必須確保零滲水的要求。

“設(shè)計(jì)方案采取了依靠洞內(nèi)外聯(lián)動測量，使盾構(gòu)機(jī)認(rèn)準(zhǔn)方向進(jìn)行掘進(jìn)施工；通過地質(zhì)勘查和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，摸清前方地質(zhì)條件，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和姿態(tài)，保障盾構(gòu)機(jī)在正確的方向掘進(jìn)；設(shè)置大型接收洞室，在接收端預(yù)留有一定容錯(cuò)的接收洞門及止水系統(tǒng)，保障盾構(gòu)機(jī)能夠直接進(jìn)入。”賀維國說。

除了在設(shè)計(jì)方案中嚴(yán)格把關(guān)，新工藝、新材料、新技術(shù)的運(yùn)用也成為了珠江口隧道的一大亮點(diǎn)。

海洋是氯離子的主要來源，而氯離子會滲透到混凝土內(nèi)部對鋼筋表面的鈍化膜進(jìn)行破壞，最終導(dǎo)致鋼筋銹蝕，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化，影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命。為解決海洋帶來的腐蝕問題，設(shè)計(jì)采用了浸入型硅烷浸漬材料來加強(qiáng)混凝土管片的抗侵蝕作用。

普通穿海盾構(gòu)隧道工程，由于處于低水壓環(huán)境下，主要考慮提高混凝土強(qiáng)度以及抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，將有機(jī)硅分子牢固地附著在管片混凝土表面和毛細(xì)孔道中，形成一層致密的保護(hù)層。”賀維國說，這同時(shí)也避免了常規(guī)外防腐材料在管片拼裝時(shí)受到盾尾刷對其產(chǎn)生的破壞問題。

結(jié)構(gòu)自身的防腐措施，結(jié)構(gòu)接縫處的防腐設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，在管片接縫處，設(shè)計(jì)方案采用了兩道三元乙丙橡膠彈性密封墊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了抗水壓效果，以保證隧道的安全。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，珠江口隧道工程具有“‘礦山+盾構(gòu)’組合工法技術(shù)難度大、極端地層盾構(gòu)掘進(jìn)長、淤泥環(huán)境施工風(fēng)險(xiǎn)高、防災(zāi)疏散組織救援難、世界級高水壓無案例”的特點(diǎn)，項(xiàng)目建成后將成為一個(gè)世界級的超級工程，更為世界海底隧道工程技術(shù)提供獨(dú)特的樣本和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。