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蛟龙潜海 天堑变通途

2018-07-06 10:48:14|来源:科技日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

超前探孔施工

厦门翔安海底隧道实现了我国内地海底隧道零的突破

  地球上的大陆被海洋所分割,形成了悬浮在海中的孤岛和群岛,还有蜿蜒曲折的海岸线。海洋在分割的陆地之间形成了海峡和海湾。

  在过去漫长的岁月里,人们需要借助船舶来通过海峡,风大浪高,翻船沉没的悲剧经常上演。而在沿海地区,弯曲复杂的海岸线将直线距离不远的两座城市阻隔,要到达彼此,需要绕行很远的距离。

  随着社会的不断进步,科技发展一日千里,人类靠掌握的科学利器不断与险恶的自然环境做斗争,创造了一个又一个工程奇迹,海底隧道就是其中的一个代表。

  海底隧道,是一种建造在海底横跨海峡或是海湾的通道,与建设跨海大桥相比,它不会妨碍海上船只的通行,不影响生态环境,并且通行时不受天气情况的影响。近些年,我国海底隧道建设迎来蓬勃发展,目前,我国已建成和拟建的跨海隧道共21座,其中已建9座,拟建12座。

  “海底隧道修建方法主要有钻爆法、沉管法和掘进机法。其中,钻爆法因具有适应性强等诸多优点得到了较为普遍的应用。”北京交通大学土木建筑工程学院院长张顶立告诉记者,海底隧道的核心问题是施工中突涌水事故的防治和运营中排水量的控制。

  国外在修建海底隧道中曾多次出现过灾难性的突涌水事故,如日本青函隧道发生4次重大突涌水事故,造成重大人员伤亡。为此,在国家863计划、国家自然科学基金重点项目、北京市科技计划项目等的支持下,张顶立和他的研究团队围绕海底隧道建设的核心技术难题进行了系统研究和实践,并在我国率先建成的厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道中得到了全面应用。实现了复合注浆技术、施工过程精细化控制和隧道排水量主动控制3项技术突破,创造了我国海底隧道钻爆法建造的技术模式。在2017年北京市科学技术奖评选中,该项目荣获一等奖。

  与“龙王爷斗法”

  家住青岛辛安片区的市民们正在热切盼望着胶州湾第二海底隧道的修建。

  据了解,青岛胶州湾第二条海底隧道初步计划在西海岸新区一端接疏港高速,全长15.8公里,双向六车道标准,设计车速80公里/小时。开通后,辛安片区居民再也无需绕行薛家岛,从此畅达主城区。

  如果说厦门翔安海底隧道实现了我国内地海底隧道零的突破,那么7年前开通的胶州湾第一海底隧道则在技术上再次实现了突破。

  胶州湾海底隧道全长7.8公里,地质情况复杂,共穿过18条地质断层,建设难度巨大,在中国海底隧道建设史上尚属首次。该隧道通车后,青岛至黄岛由环湾高速通行需1.5小时,轮渡需40分钟,而穿过隧道只要 5分钟,为唯一一条实现东西岸半小时圈的全天候通道。

  “即将开工的隧道是为了缓解胶州湾海底隧道的交通压力,它也将采用钻爆法施工。”张顶立说。

  在全世界的海底隧道施工中,钻爆法以其适应性强成为主流方法。“在海床下的岩体内建造水底隧道,许多方面与在山岭建造隧道是相同的。”张顶立介绍说。

  但是与山岭隧道相比,海底隧道的钻爆法修建技术具有其显著的特殊性。“比如,海底隧道具有承受持续高水压作用且水量补给无限、对地质条件绝对依赖且精准勘测极其困难、排水量标准严格且可控性差等难点。”张顶立说。

  在几十米甚至上百米深的海底修建隧道,就好比与“龙王爷斗法”,存在着极大的风险。事实上,日本青函隧道穿越断层带施工时就曾发生4次突涌水事故,造成33人死亡和1300多人受伤,且每次影响工期均在一年以上,运营初期日排水量达6万立方米;挪威奥斯陆海底隧道穿越15米的松散冰碛沉积带,被迫采用冻结法施工,耗时两年。

  由于厦门、青岛等地修建的海底隧道具有地质条件极其复杂、覆盖层较薄及隧道断面超大的突出特点,由此我国技术团队需要在核心技术方面实现原始创新,并吸收国内外先进技术实现集成创新,从而在隧道突涌水和排水量控制方面实现技术突破。

  知难而上、创新突破,引领世界水平

  在胶州湾修建海底隧道是一件非常棘手而又危险的事。

  张顶立告诉记者,胶州湾海域地质条件特别复杂,包括沧口断裂带在内的几条区域性大断裂带,经多次、多角度活动,形成胶州湾湾口的地质地貌,而断层是隧道建设中的巨大障碍。

  据统计,胶州湾海底隧道所经海域,要穿越5个大的断裂带,包括北西方面、北东方面各两条,先后有18条地质断层横架在隧道上方,这些断层之间交叉分割非常复杂。这种地质条件下建隧道,难度可想而知。

  翔安海底隧道先后穿越3条风化深槽和1条风化囊,地质条件极其复杂且透水性强,曾修建挪威奥斯陆海底隧道和青函隧道的专家察看了地层结构后摇头说,“这个工程是海底隧道钻爆法修建的禁区”。

  外国专家的否定,并没有让中国团队退缩。“针对海底隧道工程特点,我们提出了结构界面滑移、地层坍塌和水力劈裂等3种突水模式,建立了相应模式的突水机理模型。”张顶立说。

  项目团队开发了以超前地质预报为核心的地质保障系统,针对海底隧道突水模式和机理提出了灾害预测方法;开发基于复合注浆原理的周边帷幕注浆技术,提高了地层加固可靠性和堵水效率;建立了不良地质段的隧道施工技术及监测方案,创新了施工技术体系。

  项目团队还按照地层条件,建立了隧道涌水量分级方案,揭示了排水量—地层加固标准—结构荷载的动态关系,提出主动控制的海底隧道“堵水限排”设计理念和方法,明确了围岩初期支护的主体作用,实现对排水量的主动控制,并开发了可维护防排水系统。

  “对于海底隧道,由于承受持续高水压作用且水量补给无限,若采用全封堵方案则造成水荷载过大结构无法承受,而全排放方案则因排水量过大经济上无法承受。”张顶立说。

  据了解,实施了新的技术后,堵水效果显著改善,排水量控制在0.2m3/(d·m)以内,实测二衬结构水压力近乎为零,隧道不良地质段结构安全状态良好。

  项目团队还提出以隧道突涌水事故和排水量控制为核心的安全风险新理念,提出了基于安全系数的隧道平纵断面设计方法,创建了服务隧洞超前的三孔布置形式,建立了不同围岩条件下钻爆法与浅埋暗挖法相结合的大断面海底隧道工法模式,形成高风险重大工程建设管理的新模式,实现了海底隧道施工零死亡和高效率。

  如果说,日本的青函隧道和挪威的奥斯陆海底隧道曾经代表了当时的世界水平,那么这个大旗现在由中国来扛。

  张顶立认为,日本青函隧道在全断面注浆技术,尤其是钻注装备方面取得了较大的进步,但在注浆效果方面存在较大的问题,这是没有实现安全施工的主要原因。奥斯陆海底隧道没能成功采用注浆技术,而是采用了价格昂贵的地层冻结技术,不适宜大范围使用。

  “我们针对我国海底隧道的工程和地质特点,以及国外隧道修建中的问题进行研究,形成的核心技术成功地指导了厦门翔安和青岛胶州湾海底隧道工程的顺利建成,刷新了多项技术指标,该成果代表了当今该技术领域的世界水平。”张顶立说。

  我国海底隧道建设的开拓者

  项目研究成果形成了复杂条件下海底隧道钻爆法建造技术体系,直接应用于厦门翔安海底隧道工程建设全过程,成功破解了世界级技术难题和消除了特大建设风险,建成国内第一座海底隧道,也是世界最大断面钻爆法海底隧道,取得高难度、高风险海底隧道施工零死亡的佳绩。迄今投入使用已近8年,根据管养单位反馈,隧道结构物和附属设施各项使用功能正常,通车运营情况良好,综合效益显著。

  厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道是国内钻爆法海底隧道建设的开拓者,研究成果对我国钻爆法海底隧道建设起到示范和引领作用,促进我国海底隧道的建设和设计理论研究、施工技术与施工设备等的进步。

  “作为我国第一批开建的海底公路隧道,青岛胶州湾海底隧道的建设及管理经验对我国解决沿海地区的海底大通道有着很好的借鉴意义。不仅在技术标准、技术内涵上实现了许多创新和突破,在工程质量、施工安全等方面也都处于领先水平,成为我国海底隧道建设的新样本。”中国工程院院士周丰峻曾如此评价。

  “相关技术已在我国后续海底隧道工程建设中得到推广应用,如浏阳河隧道、湘江隧道、厦门海沧隧道以及地铁隧道等,综合效益显著。”张顶立说。

  据不完全统计,在今后10—15年内,我国将有约20—40座大型水下隧道工程需要开工建设,如胶州湾第二海底隧道、大连湾海底隧道、渤海湾跨海隧道、上海至宁波的杭州湾海底隧道,广东至海南琼州海峡跨海工程,乃至台湾海峡隧道等也都提上议事日程。由此可见,随着我国水下隧道建设高峰期的到来,研究成果应用前景将更加广阔。(申 明)

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