繼港珠澳大橋后,又一項挑戰(zhàn)世界難題、突破科技壁壘的超級跨海工程——甬(寧波)舟(舟山)鐵路項目準(zhǔn)備開建。“全線控制性工程——金塘海底隧道,全長16.2公里,海底盾構(gòu)段長10.87公里,最大埋深78米,直徑14米。建成后將刷新世界紀(jì)錄。”中國鐵建第四勘察設(shè)計院集團(tuán)公司(以下簡稱鐵四院)金塘海底隧道項目負(fù)責(zé)人唐雄俊告訴科技日報記者。
7月底,歷經(jīng)2年多,由鐵四院勘察設(shè)計的“隧道風(fēng)險評估與金塘海底隧道關(guān)鍵技術(shù)方案”,通過了以中國工程院院士錢七虎為組長的專家組評審,標(biāo)志著這條世界最長海底高鐵隧道,技術(shù)方案已準(zhǔn)備就緒。
看似簡單增加長度,實則挑戰(zhàn)科技極限
甬舟鐵路全長77公里,設(shè)計時速250公里,主體工程采用橋+隧組合,被譽(yù)為“鐵路版港珠澳大橋”。寧波北侖至金塘島,設(shè)計為海底隧道;金塘島至舟山島,設(shè)計為主跨1488米的特大橋。
“港珠澳大橋越海隧道全長6.7公里,屬沉管公路隧道,而金塘隧道是高鐵盾構(gòu)隧道,16.2公里占全線五分之一里程,都將沉在東海。”唐雄俊說,長度的簡單增加看似輕松,工程背后從量變到質(zhì)變的難度跨越,挑戰(zhàn)著科技極限。
據(jù)唐雄俊介紹,金塘海底隧道主要面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)。
首先是地質(zhì)條件差。隧道海中段位于巖土復(fù)合地層,硬巖與粉質(zhì)黏土,使地層軟硬不均,區(qū)域共有9處斷層,6處節(jié)理密集帶。盾構(gòu)機(jī)在這樣的地層掘進(jìn),硬巖加快磨損刀具,粉質(zhì)黏土又結(jié)成泥餅貼在刀盤上,大大增加了大直徑、長距離、高水壓更換刀具的風(fēng)險和施工難度。
其次是水壓高。相比港珠澳大橋隧道海底埋深40多米,甬舟鐵路金塘盾構(gòu)隧道需承受78米的最大海底埋深,海水壓力高達(dá)1.0兆帕(MPA)以上,而目前國內(nèi)水下施工技術(shù)水平可承受的壓力為0.8MPA。
再有是防災(zāi)救援難度大。世界已建成的鐵路海底隧道均采用一條線路、兩個隧洞設(shè)計,一旦出現(xiàn)災(zāi)情事故,可利用兩個隧洞互相疏散。受地質(zhì)條件所限,金塘隧道則采用單洞設(shè)計,且海中段長約9公里,無法設(shè)置直通地面的出入口,對隧道內(nèi)的防災(zāi)救援設(shè)計難度極大,要求極高。
此外,還面臨海中對接難度大。金塘隧道建設(shè)采用兩頭盾構(gòu)掘進(jìn)、中途對接貫通模式,寧波側(cè)4920米,金塘側(cè)約5950米。長距離相向掘進(jìn),對接精度要求更高,技術(shù)更復(fù)雜。
進(jìn)行勘察設(shè)計嘗試,探索最先進(jìn)的技術(shù)
面對諸多技術(shù)挑戰(zhàn),2017年,鐵四院成立了以全國勘察設(shè)計大師、副總工程師肖明清為首的設(shè)計團(tuán)隊,立項“隧道風(fēng)險評估與金塘海底隧道關(guān)鍵技術(shù)方案”,初設(shè)14個課題。
勘察設(shè)計嘗試探索了諸多最先進(jìn)的技術(shù)手段和理念。
“為詳細(xì)收集海域地質(zhì)資料,隧道加大了鉆孔采樣密度,平均30米一個孔。而此前鐵路地質(zhì)勘探基本為50米—100米。”唐雄俊說,金塘海域還是寧波港黃金航道,這也加大了鉆孔難度。因此,勘探首次采用了三維物探、海上鉆井平臺以及智能化勘察手段。
針對含粉質(zhì)黏土、凝灰?guī)r又有多處斷層的軟硬不均的復(fù)雜地質(zhì),盾構(gòu)隧道采用單洞雙線不設(shè)隔墻橫斷面,設(shè)計研發(fā)團(tuán)隊專門進(jìn)行了盾構(gòu)選型專題的研究,經(jīng)反復(fù)比選、模擬計算和驗證,設(shè)計出適合該地質(zhì)的盾構(gòu)刀具參數(shù)。
長距離海底兩頭掘進(jìn),怎樣保證精準(zhǔn)對接?
唐雄俊說:“通過對國內(nèi)外對接案例的調(diào)研,對海底對接位置、對接段不同襯砌結(jié)構(gòu)形式的受力與變形、不同加固方案圍巖穩(wěn)定性、盾構(gòu)對接精度及姿態(tài)控制進(jìn)行了研究,最后根據(jù)實際情況,做出洞外貫通中誤差18毫米、洞內(nèi)貫通中誤差17毫米或洞內(nèi)外貫通中誤差25毫米的設(shè)計。”
隧道設(shè)計為單洞雙線,防災(zāi)檢修通道利用雙線軌道之間下方的空間,設(shè)置疏散與檢修廊道,這也是鐵路建設(shè)中首次采用的設(shè)計方案。
除金塘海底隧道外,甬舟鐵路橋+隧組合中的“一橋”,即主跨1488米的西堠門特大橋,將突破不久前通車的滬通鐵路大橋單跨1092米紀(jì)錄,成為世界同類項目中跨度最大的公鐵合建大橋。
甬舟鐵路建成后,將結(jié)束舟山群島不通火車的歷史,屆時從寧波到舟山只要30分鐘,從杭州至舟山只需80分鐘。專家表示,該項目的建設(shè),將使我國隧道、橋梁設(shè)計水平提升到一個新高度。
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