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把高铁隧道建在百米海底 抗水压防腐设计保证行

2021-06-16 17:22浏览次数:
  6月10日,来自中国铁路广州局集团公司江门工程建设指挥部消息,开工近一年的粤港澳大湾区重大交通项目,即新建深圳至江门高铁(以下简称深江高铁)重要控制工程,跨越狮子洋的珠江口隧道工程进展顺利,斜井进洞二三十米,盾构部分将于11月始发。
 
  深江高铁途经深圳、广州、东莞、中山、江门5个地市,是深圳至茂名高铁组成部分,线路全长116公里。珠江口以隧道方式下穿,工程位于东莞、广州之间的珠江入海口,隧道全长13.69公里,设计时速250公里,计划工期为56个月。
 
  “珠江口隧道设计采用矿山法+盾构法组合施工。矿山法段最大埋置深度达到了115米,盾构法隧道最大水压1.06兆帕,超过10个标准大气压,与著名的土耳其博斯普鲁斯海峡公路隧道水压力相当。”承担全过程设计的中国中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道院(以下简称中铁六院隧道院)负责人贺维国说。
 
  如此大的水压,深江高铁跨越珠江口为何要采用全程水下隧道方式?面临的技术难点,设计方案如何解决?
 
  桥、隧方案论证比选长达10年
 
  深江高铁是国家“八纵八横”高铁主通道沿海通道重要组成部分,也是粤港澳大湾区重大交通基础设施。建成后,粤港澳大湾区将实现高铁半小时生活圈、经济圈。
 
  跨越河湖江海,或用桥梁、隧道,或用桥隧、岛桥隧。
 
  深江高铁跨越珠江口狮子洋,为何要采用全程水下隧道方式?
 
  贺维国告诉科技日报记者,深(圳)茂(名)高铁江门至茂名段已于2018年开通,江门至深圳段,需要跨越珠江口狮子洋海域,因地理环境因素十分复杂,考虑经济技术多种因素,公铁两用桥方案、单一桥方案、隧道方案均有各自特点,但究竟采用哪一种一直未有定论。
 
  根据规划图,该深茂高铁公铁两用大桥从东莞虎门(沙角炮台对面)引出,跨狮子洋后进入广州南沙。
 
  “桥梁、隧道方案论证比选,长达10年时间。”贺维国说。
 
  多数专家认为,桥梁方案采用公铁两用大桥,可增加跨江经济效益,但对城市规划、通航及防洪等方面有一定的影响。且在建设期,桥墩的施工对海洋环境有一定的污染;后期运营维护阶段,桥梁应对海洋环境及恶劣天气的抵抗能力较差,运维成本较高。
 
  经长时间反复科学比选,2017年8月,国铁集团发布第一次《新建铁路深圳至茂名铁路深圳至江门段环境影响评价》,确定将深江高铁跨越珠江口方案,由虎门公铁两用大桥改为隧道形式。
 
  新老方法结合应对复杂作业环境
 
  珠江口隧道是深江高路控制性工程,海域段长约11.05公里,采用“盾构+矿山”组合工法施工,预计在2025年建成通车。
 
  “大湾区目前有3条在建穿海铁路隧道,分别为广湛高铁湛江湾海底隧道、汕汕铁路汕头湾海底隧道和深江铁路珠江口隧道,其中珠江口隧道长度最长、埋深最大、技术难度最高。”贺维国说,这条隧道工程水文、地质极其复杂,周边环境水腐蚀性较为严重。
 
  资料显示,目前国内已建成的最大水下铁路盾构隧道是佛莞城际铁路狮子洋隧道,最大埋深为64米,最大水压0.78兆帕。
 
  “如此大的埋深和更高的水压,为工程带来了巨大的挑战,也蕴藏着更高的风险。一旦出现任何偏差,后果不堪设想。”贺维国说。
 
  珠江口隧道需要穿越淤泥、软弱砂层、极硬基岩凸起等多种复合地层。矿山法段需穿越多处断层,存在水头贯通的可能性,在超高水压作用下,预加固支护措施也面临着严峻的考验。不仅如此,巨大的水压及复杂的地质环境,对盾构机等设备也提出了更高的要求。
 
  在项目开工前的3年多时间,中铁六院集团隧道院成立专门的科研攻关团队,设计出一个“矿山+盾构”穿越隧道的组合工法。矿山法,即用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法,是一种传统的施工方法;而盾构法,则是采用大型盾构机施工的现代方法。
 
  据贺维国介绍,针对工程中所有的重难点以及关键节点,设计方案都进行了分析以及专项方案设计。
 
  经过多次内外部评审,珠江口隧道设计方案被认为“在特长海底隧道工法、超高水压海域盾构法隧道外水压力取值及接缝防水、深厚淤泥地层大直径盾构欠压始发、矿山法隧道洞内大直径盾构接收及整体拆解等技术方面取得了多项突破性进展”。
 
  抗水压防腐设计保证隧道行车安全
 
  珠江口隧道现场施工共分虎门、南沙及万顷沙3个工区。2020年7月2日,3个工区施工全面展开。
 
  虎门工区和万顷沙工区明挖段基底,均位于大面积深厚淤泥层中,压缩性高、承载力低,施工过程中基坑变形控制难度大。“为确保后期高铁运营安全,设计方案中重点考虑了沉降要求控制,制定了高精度的指标要求。”贺维国说。
 
  按照设计方案,待盾构始发井完工后,两台大直径盾构机将分别从东莞虎门及广州万顷沙始发相向掘进,盾构管片外径12.9米,盾构独头掘进最长达3590米。
 
  “这就意味着,盾构机必须在高水压下不良地质段进行磨损刀具的更换。这无异于在水中打开了一扇窗户,安全风险极大。”贺维国表示,对此设计上要求采用更可靠的常压刀盘+气垫模式换刀技术。同时,对于掘进极高风险地段,在盾构机上还将配置相应超前地质探测手段,对前方地层进行预测分析,实现一机多能。
 
  除水下换刀问题,还有一块更难啃的骨头,就是盾构机未来如何在海中完成接收及拆解。
 
  贺维国说,盾构机长距离掘进后,必须精准在海中扩大硐室实现对接,这犹如在大海中穿针引线,不仅在设计时要考虑足够预留量,对盾构机掘进过程中的动态控制要求也极为苛刻。同时,在盾构接收中还必须确保零渗水的要求。
 
  “设计方案采取了依靠洞内外联动测量,使盾构机认准方向进行掘进施工;通过地质勘查和超前地质预报,摸清前方地质条件,及时调整盾构机掘进参数和姿态,保障盾构机在正确的方向掘进;设置大型接收洞室,在接收端预留有一定容错的接收洞门及止水系统,保障盾构机能够直接进入。”贺维国说。
 
  除了在设计方案中严格把关,新工艺、新材料、新技术的运用也成为了珠江口隧道的一大亮点。
 
  海洋是氯离子的主要来源,而氯离子会渗透到混凝土内部对钢筋表面的钝化膜进行破坏,最终导致钢筋锈蚀,造成钢筋混凝土结构性能劣化,影响到结构的使用寿命。为解决海洋带来的腐蚀问题,设计采用了浸入型硅烷浸渍材料来加强混凝土管片的抗侵蚀作用。
 
  普通穿海盾构隧道工程,由于处于低水压环境下,主要考虑提高混凝土强度以及抗渗标准来抵抗氯离子的侵蚀。“而珠江口隧道,是通过利用硅烷材料的小分子结构,将有机硅分子牢固地附着在管片混凝土表面和毛细孔道中,形成一层致密的保护层。”贺维国说,这同时也避免了常规外防腐材料在管片拼装时受到盾尾刷对其产生的破坏问题。
 
  结构自身的防腐措施,结构接缝处的防腐设计也至关重要,在管片接缝处,设计方案采用了两道三元乙丙橡胶弹性密封垫设计,增强了抗水压效果,以保证隧道的安全。
 
  业内专家认为,珠江口隧道工程具有“‘矿山+盾构’组合工法技术难度大、极端地层盾构掘进长、淤泥环境施工风险高、防灾疏散组织救援难、世界级高水压无案例”的特点,项目建成后将成为一个世界级的超级工程,更为世界海底隧道工程技术提供独特的样本和宝贵的经验。
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