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海底115米建高铁,“大湾区号”盾构机挑战“世界之最”

8月25日,“深江2号(大湾区号)” 超大直径泥水平衡盾构机在广东顺德下线。“大湾区号”由中铁隧道局集团和中铁装备联合研制,是为世界最大埋深、最高水压的深(圳)至江(门)铁路珠江口隧道建设量身打造的大国重器。

超长距离跨海盾构隧道

深江铁路正线长116公里,途径深圳、广州、东莞、中山、江门5个地市。珠江口隧道工位于东莞、广州之间的珠江入海口,为单洞双线高速铁路隧道。隧道全长13.69公里,设计时速250公里,建设后四分钟车程就可以从南沙到达东莞。

由“隧道与地下工程行业的国家队”中铁隧道局集团承建难度最大的珠江口隧道标段内施工内容包括9.1公里的海底隧道和南沙工区斜井应急通道。采用“盾构+矿山”组合工法施工,“大湾区号”从南沙万顷沙始发后进入珠江口海底,向东莞侧掘进。

珠江口隧道海域段水下最大埋深115米,是我国水下隧道的最深纪录,水文、地质条件极其复杂,周边环境水腐蚀性较为严重,最大水压1.06兆帕,强度超过10个标准大气压,为世界之最,深江铁路全线的控制性工程。

深(圳)茂(名)高铁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,采用何种方案是制约项目建设重要因素。

经长时间反复科学比选,深江高铁跨越珠江口方案最终由虎门公铁两用大桥改为隧道形式。同公铁两用桥、单一桥梁方案相比,海底隧道对城市规划、通航及防洪不造成影响,对海洋环境的影响微乎其微,后期运营过程中对恶劣天气的抵抗能力更强,运营成本方面优势明显。

大国重器挑战“世界之最”

“大湾区号”盾构机开挖直径为13.32米,总长133米,总重约3900吨,整机设计压力达12bar。盾构始发后,将会先后遭遇液化砂层区、软硬不均段、近距离侧穿凫洲大桥、破碎带等复合地质难题,长距离硬岩掘进极度考验刀盘的强度和耐磨性。

尤其是珠江口海域3组断裂破碎带及6条次生断裂带,岩体岩质软硬不均现象异常显著,盾构掘进至破碎带极易出现掌子面坍塌、江面冒顶、泥水仓仓内滞排等风险,对盾构机性能、掘进参数控制、隧道预制构件生产、拼装质量提出了极高的的要求。盾构需近距离穿越凫洲大桥,需严格控制掘进各种指标,过程做好实时监测,确保凫洲大桥的安全。在饱和粉土及砂土地层可能产生砂土液化现象,需在盾构掘进前通过加固措施对地质进行改良。

在“深江2号(大湾区号)”盾构机超大直径泥水平衡盾构机的设计制造阶段,中铁隧道局和中铁装备集团针对珠江口隧道海域的超高水压、复杂地质和长距离下穿深海的施工需求,进行了一系列改良设计,极大强化了设备性能。

其中,专门配备了小刀间距常压复合刀盘,提高了在高强度全断面地层下刀具切削能力。伸缩主驱动,可实时反馈刀盘所受到的反力数据,提高掘进控制能力,并在新刀具更换时可退后刀盘拉开刀盘与掌子面的空间保证了刀具更换空间。最大承压12bar的主轴承密封系统,配备了超高压压力自动补偿系统,可满足在12bar超高压施工下实现驱动箱自动加压。四回路保压系统,利用恒压分段并联式控制原理,实现压力精准快速控制。预留有气垫直排系统,兼具直排式泥水盾构堵仓滞排与气垫式泥水盾构压力精准控制的优点,进一步提高设备适用性。

深海隧道技术“试验场”

珠江口隧道的超高水压、复杂地质、长距离穿江等难题在国内尚无同等条件的工程经验、盾构设备和设计标准可供参考。

业界专家认为珠江口隧道“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都将取得多项突破性进展”。

目前,中铁隧道局正在积极部署,针对珠江口隧道建设开展一系列技术攻关。海域环境富水地层盾构始发加固与施工沉降联合控制、超高水压深埋海域环境盾构法隧道洞内超前地质预报、海域环境超高水压土岩复合地层盾构刀盘刀具优化配置及可预测换刀、超高水压软弱破碎带海底盾构开挖面稳定机理与防突涌掘进、超高水压复杂地质大直径盾构掘进参数设定与动态优化匹配、海域环境大直径盾构长距离施工洞内节能通风与降温降噪、海域环境盾构段基岩突起孤石群断裂带等复杂地质超前处理、深海隧道管片抗渗技术、大直径盾构海底洞室接收技术、大直径淤泥地层掘进施工技术、海底高速铁路隧道矿山法机械化配套成套关键技术、海底高速铁路隧道矿山法与盾构法海底对接关键技术等都将成为本工程实践探索和研究的技术亮点。

从本世纪初参建广州地铁开始,中铁隧道局集团在隧道建设史上13次成功下穿珠江,在穿江越海工程建设中有着丰富的施工经验。在凝聚前人心血智慧的基础上,深江铁路珠江口隧道的建设施工,将成为国内“矿山法+盾构法”深海隧道建造技术的绝佳“试验场”,穿江越海隧道建设史上的一项里程碑工程。

深江铁路贯穿粤港澳大湾区核心城市群,是全国“八纵八横”高铁网沿海通道的重要组成部分,对进一步提升粤港澳大湾区交通基础设施水平、加快广东自贸区建设、完善“八纵八横”高铁网中的沿海通道具有重要意义。深江铁路建成后,将进一步打通沿海高铁通道,助力打造粤港澳大湾区半小时生活圈、经济圈,辐射带动粤东粤西与珠三角区域协调发展。

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