搭载多项新技术 “妈湾号”顺利穿越国内在建最大海底隧道

科技日报记者 矫阳

不久前,妈湾号在深圳妈湾跨海通道南线,搭载多项“妈湾号”盾构机精准驶出预先设计好的新技接收洞,至此,术顺隧道妈湾跨海通道2标段隧道顺利贯通。利穿

妈湾跨海通道是越国粤港澳大湾区互联互通交通建设重点示范工程,也是内建深圳首条跨海通道,隧道管片外径15米,海底为我国在建最大直径盾构法跨海隧道。妈湾号

深圳妈湾跨海通道工程分为右线和左线,搭载多项中铁隧道局负责承建右线部分——深圳妈湾跨海通道2标,新技项目盾构段全长2063米,术顺隧道是利穿整条线路的控制性工程。施工过程中,越国攻克了填海区域松软地层掘进、内建穿越海底高水压长距离软硬不均地层及全断面硬岩地层等世界级海底隧道施工难题。

为妈湾跨海通道海底隧道建设量体定制的“妈湾号”盾构机,由中铁装备研发,开挖直径15.53米、相当于五层楼高,全长约140米、重量达4650吨。

掘进应对长、难、深、大四大挑战

妈湾跨海通道工程位于广东省深圳市南山区,分为地面道路和地下道路两部分,其中地下道路规划等级为城市快速路,双向6车道,设计时速80公里,地下隧道全长6280米。

“妈湾号”盾构机施工段全长2063米,在掘进过程中需应对长、难、深、大四大挑战。

“长”,即妈湾跨海通道隧道地质构造复杂,34.15%为全断面硬岩,最大强度高达193兆帕,设备穿越高强度岩层距离长,考验刀盘破岩能力的同时也造成刀具因磨损需要频繁更换情况。

“难”,指穿越海底复杂地形,存在50%的软硬不均岩层,容易导致盾构上部切削过快而造成盾构机整体姿态上抬,进而偏离预设轨迹。

“深”,指海底隧道位于水下40多米深处,最大水压达500千帕,施工风险高;“大”,指隧道断面大,管片外径15米,是目前国内在建的最大直径海底隧道,对设备性能和施工技术要求极高。

如何应对这四大挑战,成了研发团队需要突破的难关。

刀具状态实时监测,准确度达95%以上

“为高质量建设妈湾海底隧道,中铁装备量身定制了气垫式泥水平衡盾构机‘妈湾号’,搭载了多项先进技术。”中铁装备掘进机研究院工程师张鹏豪说。

妈湾通道跨海隧道施工中,50%长度的软硬不均岩层,全断面硬岩达34.15%,设备长距离穿越高强度岩层,对刀具提出了很高要求。“我们运用了一种首创的滚刀安装专利技术,改善了滚刀受力,大大提高了滚刀的使用寿命。”张鹏豪说。

超大直径盾构机在软土地层掘进,容易引起刀盘结泥,无法有效掘进,这是行业性难题。为解决这一难题,研发团队为“妈湾号”配备了高精度保压系统、高效渣石筛分处理、大流量泥浆循环系统等技术。

研发团队还为“妈湾号”搭载了刀具状态实时监测系统,可对滚刀的旋转状态、磨损状况进行检测,并且可以实时反馈开挖地层的图像信息,全方位提高了泥水盾构机的可感可知能力。“这套刀具状态实时监测系统,避免人工频繁抽检刀具,系统可靠性好、准确度达95%以上。”张鹏豪说。

2.5万吨推力超 “复兴号”动车10%

“妈湾号”盾构机在海下40米施工,承受的压力有5公斤左右,相当于盾构机实时推进时,要克服5公斤的压力,否则,就会发生海水倒灌的严重安全事故。

“这台盾构机设计的承载压力是10公斤,相当于普通人不带任何辅助设备,潜水100米所承受的压力。为克服这个压力,我们设计这台超级盾构机的最大推力达到了2.5万吨,装机总功率超过1.15万千瓦,比‘复兴号’高铁的总牵引动力还要高10%。”张鹏豪说。

2021年1月18日,“妈湾号”超大直径泥水平衡盾构机在中铁装备顺德基地成功下线。为了把这个庞然大物运输到现场,工程师们把刀盘分成了13块,壳体分成了10块,大大小小上万块零件,通过上百辆运输车将其运输至现场。2021年7月15日,“妈湾号”如期始发。

“掘进过程中,连续攻克了填海区域深厚淤泥质地层基坑开挖、超大直径盾构浅覆土始发、高水压环境复杂地层掘进等关键性挑战。取得了盾构机在上软下硬地层最高月进尺172米的优异成绩,以及单日最高掘进10米的海底大盾构日掘进全国纪录。”张鹏豪说。