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我国隧道科技进入“穿江越洋”时代
2014-09-17 15:15:59 阅读:469次 发布者:admin

万里长江第一隧——武汉长江隧道

    新华网湖北频道8月27日电(段宏杰)厦门翔安隧道、青岛胶州湾隧道等著名工程拓宽沿海城市的发展空间;武汉、南京、上海等公路或地铁越江隧道,让长江天堑变通途;广(州)深(圳)(香)港高铁以350公里的时速穿越广东狮子洋,长(沙)株(洲)(湘)潭铁路穿越湘江构筑长株潭城市群和经济带……工程科技创新驱动着历史车轮飞速旋转,为人类文明进步提供了不竭动力源泉。以中国中铁隧道集团为代表的建筑企业,不断进行隧道掘进技术创新发展,穿越大江大河海洋,不断突破水下与海底隧道施工禁区,拓展人类生存发展空间,正引领我国隧道科技进入穿江越洋时代。

    “我国隧道建设正在从陆地向水下与海底延伸,交通变得更加高效快捷,使我国隧道科技进入穿江越洋时代,跻身国际先进行列。”著名隧道专家王梦恕院士近日表示。

    隧道科技主要分为盾构法、钻爆法和沉管法三种施工工艺。经过改革开放36年来的发展,我国工程科技从最初的跟进学习,到相互学习促进,到当前的创新超越,隧道科技的“中国梦”正越来越清晰。

    盾构科技让交通四通八达

    工程科技的每一次重大突破,都会催发社会生产力的深刻变革,都会推动人类文明迈向新的更高的台阶。

    盾构机是隧道掘进的一种专用工程机械,集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,是现代多学科交叉融合发展的产物,具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点,是目前国际上最先进的隧道施工装备。

    中铁隧道集团总经理唐忠说:“国际先进施工装备盾构机在我国的引入、自主研制、广泛应用和创新发展,为人类开发大江大河与海底空间提供了强大的支持。”

    21世纪初,我国开始大规模应用盾构机施工。谈起采用盾构机下穿长江,不得不提2002年底开工的西气东输城陵矶长江隧道。该隧道总长2756米,其中盾构隧道长度2012米,被誉为“长江第一(输气)长隧”。穿越区地质围岩较为破碎,透水性较强,有29条断层。

    专业人士都明白,盾构始发很关键。为了确保成功,攻关小组的技术人员先后对始发洞门密封装置、始发基座、推力环等 8 种部件进行优化设计,最终确定始发方案分 12 步完成。为了提高管片安装效率,技术员们聚在一起争论得面红耳赤,经过反复摸索,管片安装提高了数倍,2004年10月顺利实现全隧贯通。

    可以说,城陵矶长江隧道修建发挥了“探路者”的作用。随后,中铁隧道集团承建川气东送安庆长江隧道。川气东送工程是国家“十一五”重大项目,是国内能源建设史上地质情况最复杂、难度最大、最具挑战性的工程。该隧为全线重点控制性工程之一,具有诸多工程技术难点,盾构法隧道总长约2770米。

    为了确保掘进精度,中铁隧道集团坚持对导向设备进行一天两循环的检测,发现问题立即停机整修。技术人员在掘进过程中采取同步注浆、调配循环泥浆、刀盘保压、壁后注浆等方法,控制地表沉降,确保了盾构机在长江流沙地层长距离掘进。2008年11月,安庆长江隧道历时20个月竣工,并获得2012-2013年度“国家优质工程奖”金奖。

    上世纪初,孙中山先生《实业计划》首次提出修建武汉长江隧道。2008年12月底,被誉为“万里长江第一隧”的武汉长江隧道经过四年多建设通车试运营,圆了中华民族“隧穿长江”的百年梦想,使长江天堑变通途。

    武汉长江隧道全长3.63公里,连接武昌和汉口两个中心,7分钟可穿越长江,大大缓解了汉口与武昌中心区的客运交通压力。长江武汉段江底地质条件复杂,每一个施工阶段,几乎都伴随着世界级技术难题的攻关。

    唐忠介绍,“高压进舱”是水下盾构施工面临的重要难题。当盾构刀盘磨损或前方遇到障碍物时,需要技术人员进入盾构机前面的高压机舱里了解情况。潜水员一般能承受3公斤的压力,而武汉江底需要承受4.5公斤压力。他们反复试验,大胆探索,成功解决了这一难题。武汉长江公路隧道获得詹天佑大奖,《复合式泥水盾构穿越长江水下软硬不均地层隧道修建技术研究 》通过河南省科技厅鉴定,达到国际先进水平。

    “急转弯”是水下隧道施工面临的又一道重要难题。在武汉地铁二号线越江隧道施工中,盾构机小弯道施工极易造成盾构卡壳、管片破损甚至漏水等现象。项目科研人员让“盾头”和“盾尾”分离,通过精确计算,减小推力,严控掘进速度,最终取得成功。2012年底,武汉地铁2号线过江隧道正式通车,开创了中国首次在长江上游砂层建地铁连通道的新纪录。

    建设中的武汉地铁4号线过江隧道。江底掘进时刀盘突然遭遇到卵石较多的全断面的圆砾土层。施工人员开创性地果断采用盾构仓内减压的办法,让刀盘前方的地质变得松软,以利于盾构继续向前推进。“这就像刀尖上跳舞,必须把握好分寸和火候,过了就可能造成隧道漏水甚至坍塌的严重后果。”

    武汉地铁2号线越江盾构施工24个月,4号线只用了16个月,每环管片安装时间从原来的1小时提高到现在的十几分钟,实现了安全、高效江底掘进。专家认为,中国越江隧道开掘技术正在大步迈向成熟。

    南水北调中线被称为人类历史上穿越大江大河的宏大水利工程。2014年2月,“咽喉”工程穿黄隧洞开始充水试验。穿黄隧洞长4.25千米,是南水北调工程中投资较大、施工难度最高、立交规模最大的控制工期建筑物。中铁隧道集团攻克了诸多盾构施工难题。2013年11月30日,穿黄隧洞进出口建筑物施工完成,主体工程全面完工。

    盾构机不仅用于地铁施工,不仅能够穿越大山,而且已经成功用于铁路水下隧道。夺得国际项目管理大奖银奖的广(州)深(圳)(香)港高铁狮子洋隧道就是典型代表,其建设标志着中国施工行业项目管理逐步与国际标准接轨,从而向具有卓越管理水平的国际项目管理标准迈进。

    广深港高速铁路是京广深港高速铁路的组成部分,是珠三角城际快速轨道交通网的骨干部分,时速大陆段可达350公里。2011年12月26日,广深段正式开通,广州南站到深圳北站只需35分钟。

    狮子洋隧道全长10.8千米,是当时中国最深的水下隧道和首条水下铁路特长盾构隧道,三次穿江越洋,深埋处达62米,无论长度、直径还是时速目标值均可以与英法海峡隧道、东京湾海底隧道相较量。科研人员对子系统进行改进,故障率显著降低,逐一攻克了600米江底裂隙发育段等12项重大危险源,逐步探索出一套高速铁路特长水下高风险隧道盾构施工及对接技术,获2013年度河南省科技进步奖一等奖,为我国建设类似长大水下与海底隧道建设提供了具体参数和借鉴。

    在长沙,长(沙)株(洲)(湘)潭城际铁路2013年11月成功穿越湘江。目前国内盾构过江主要采用泥水盾构,而中铁隧道集团针对湘江复杂的地质特点,率先选择9.34米大直径土压平衡盾构机。为了顺利通过江底170米的砾岩与板岩不整合接触带,施工人员根据地质裂隙发育丰富,地层透水性强,渣土容易裹住刀具影响正常转动的特点,严格控制刀具密封性、严格配件质量装配工艺关,尽量避免江底换刀。建设者采取动态监控地质情况,全土压模式掘进,采用合理的掘进参数实现刀具的最优化管理,有效控制了地表沉降,成功穿越居民区、商业区、湘江大堤、江底、银盆岭大桥等施工风险点。

    提起采用盾构技术修建海底隧道,不得不提我国第一座采用盾构法施工的海底隧道——深圳前湾综合过海管廊工程。该工程是深圳市“十五”规划重大建设项目——深圳前湾友联船厂修船基地的重要配套工程之一。隧道全长1448米,内径2.44米。

    中铁隧道建设者逐步熟练掌握了盾构掘井最优的施工参数、沉降控制措施及泥水盾构过海技术,实现了在海底淤泥层的快速掘进,还实现了盾构机拆卸、组装自主化, 2006年10月16日工程胜利贯通,标志着我国成功掌握海底隧道修建技术。

    随后,中铁隧道集团承建世界单机容量最大的台山核电站1、2号机组取水隧洞工程,每条长4330.6米,主要解决核电厂的循环冷却水供应,是核电站建设的关键环节之一,成功采用海底爆破方式消除基岩突起和孤石群,获得国家级工法,施工进度提高了3倍多,进一步拓宽盾构机的应用范围,为今后穿越江河湖海积累了宝贵经验。

    专家认为,盾构掘进面失稳、关键部件失效、掘进方向失准,是三大国际公认的世界难题。中铁隧道集团在实践中不断突破,不但成功攻克了这三大难题,而且成为规则的制订者,其主编完成的《盾构法隧道施工与验收规范》等规范已成为国家标准。

 

大陆首座海底隧道——厦门翔安隧道

    钻爆法传统工艺焕发生机

    钻爆法,顾名思义,是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法。这一方法早期是由人工手把钎、锤击凿孔,用火雷管逐个引爆单个药包,现在则是用凿岩台车或多功能台架钻孔,应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。

    钻爆法在二十世纪八十年代末成功修建衡广铁路复线大瑶山隧道,实现了大型机械化作业,一举将我国落后国际30年的隧道施工技术,迅速提高到当时国际先进水平。二十多年来广泛应用与我国的隧道施工。尤其是近年来成功运用于石太、武广、京石、合武、渝利、贵广、云桂、沪昆等高铁建设中,以及高速公路、水下与海底隧道新领域。

    “经过持续创新和发展,再加上新的设计理念,钻爆法这一传统施工工艺依然焕发出生机,”中铁隧道集团董事长丁荣富介绍,“即使在修建施工难度最大的海底隧道方面,钻爆法依然具有自己的优势和生命力!”

    目前已投入运营4年多的厦门翔安隧道是我国大陆第一座海底隧道,双向六车道,是厦门岛第五条出入岛通道,它的建成通车使厦门出入岛形成了从海上到海底的全天候立体交通格局。

    据交通流量分析及预测,翔安隧道2030年将达到近10万辆/天。交通流量大,决定了翔安隧道的断面必须更大。翔安隧道主洞隧道开挖宽13.5米、高5米,最大开挖断面达170.7平方米,这使它一跃而成为世界上断面最大的海底隧道之一。

    厦门翔安隧道全长8.70千米,海底隧道长6.05千米,其中风化土层、透水砂层就像大片沼泽,风化深槽犹如座座陷阱,处处充满危险。

    中铁隧道集团开创性地运用“眼睛工法”攻克了长达1118米的全强风化软弱围岩;采用全程超前探孔探水、渗透水压力数值模拟计算、减震爆破等一系列新技术,成功破解了涌水、涌泥等世界级难题,创造了海底隧道施工的奇迹。该集团主持完成的《厦门翔安海底隧道建设与运营成套技术》获2012年福建省科技进步奖一等奖。

    王梦恕院士认为,厦门海底隧道对于探索适合我国国情的海底隧道建造技术,缩小与世界先进水平的差距,都将起到里程碑式的作用。

    还有今年上半年正式运营的青岛胶州湾海底隧道,全长7.8公里,双向六车道,为大陆第二座海底隧道,也是世界第三长海底公路隧道,由中铁隧道集团设计和施工。《海底隧道钻爆法修建技术及风险控制研究》获中国施工企业管理协会科学技术奖一等奖。

    长沙,集“山水洲城”于一体,湘江携橘子洲、傅家洲将长沙中心城区一分为二, “过江难,难过江”阻隔着人们的生活空间。“水下时代到来”,中铁隧道集团破除经验主义,勇于创新,打破了“一条隧道两个口”的传统隧道设计,首次成功将立交桥搬到了水下。

    丁荣富自始至终关注隧道建设,他介绍:“该隧道攻克了不少技术难题,8次穿越湘江大堤,8次穿越断层破碎带,施工难度、技术含量、风险系数在目前国内水下矿山法隧道设计和建设过程中极为罕见。” 中铁隧道集团完成的《浅埋跨海越江隧道暗挖法设计施工与风险控制技术》获2013年河南省科技进步奖一等奖。

    2012年,长沙营盘路湘江隧道通车。“水下立交”设计新理念,为解决城市交通拥堵提供了一种重要交通建设模式,不仅最大限度保护了生态环境,而且共节约用地200多亩,节省成本超过1亿元。

 

厦门东通道翔安隧道通车

    沉管技术创新开创多项第一

    沉管法是国内外成熟的功法,目前我国在建或已建成的沉管法隧道共11个,中铁隧道集团设计施工的项目占半壁江山。

    中铁隧道集团党委书记于保林介绍,该集团沉管技术运用方面始于宁波甬江隧道,建成了广州仑头—生物岛、生物岛—大学城、浙江舟山沈家门港海底隧道等水下沉管隧道,逐步掌握了沉管隧道的设计和施工技术。

    仑头—生物岛—大学城隧道作为广州市南拓战略的重要节点,起着关键的中轴枢纽作用。生物岛—大学城隧道全长为1339米,在国内首次采用岸边水下最终接头、护岸结构采用空间立体锚索支护体系、在国内首次采用水下不扩散混凝土实现二次围堰浇筑等,多项成果达到了国内先进水平。

    中铁隧道集团在世界上首次采用移动干坞法预制沉管隧道,成功解决了城市建设沉管法隧道场地限制、航道限制以及坞址选择困难等问题,填补了沉管隧道建设的一项空白。在工程二期,他们在国内首次采用水下不扩散混凝土施工二次围堰,该项工艺已获国家专利局授权。2010年8月31日,广州市仑头—生物岛、生物岛—大学城两座水下沉管隧道正式建成通车。

    舟山市普陀区沈家门港海底隧道工程,是我国内地第一次真正意义上在海底修建的沉管隧道,北起沈家门滨港路轮渡码头、南至鲁家峙岛客运大楼,工程由沉管段、北岸段、南岸段和干坞组成。沉管段218米,隧道合计建筑长度393.9米。

    据介绍,沈家门港海底隧道工程主要难点就在三节沉管的沉放与对接上。由于沈家门渔港内潮流急、潮落差也大,可施工时间很短,一个月中只有三四天可供沉管浮运、沉放、对接施工。所以,建设者一直在等待最佳“时机”。

    2012年12月10日,第三根74米的沉管完成沉放与对接,这也标志着海底隧道完成了全部沉管安放与对接。经过两年两个月紧张施工,沈家门港海底隧道沉管通道已经贯通。该集团完成的《复杂工况条件下海底沉埋隧道综合修建技术》通过河南省科技厅鉴定,达到国际先进水平。

    目前中铁隧道集团正在采用沉管法承建国内内河规模最大、长度最长的城市道路沉管隧道南昌红谷隧道。该隧道干坞长559米,宽278米,设置分体式独立干坞2个。

    中铁隧道集团在施工工艺创新的同时,不断进行总结和推广,其参与主编的《内河沉管法隧道设计、施工及验收规范》正式颁布,被批准为天津市地方工程建设标准,自2013年11月1日起在天津市实施,填补了国内该工程领域标准的空白,为今后类似工程项目建设提供了依据。

    水下与海底隧道发展方兴未艾

    当前,我国已成为世界隧道大国。专家认为,我国隧道施工水平已跻身国际先进行列,尤其是穿江越洋领域已领先国际水平。

    “平步跨高山,谈笑越江海,”中铁隧道集团总工程师洪开荣认为,“数百年来遇水架桥的思维正在被打破,从大江大河甚至海底下面穿越已不再是梦想。”

    长江作为母亲河,已建和在建的大桥有50余座,对解决长江两岸的交通运输发挥了巨大的作用。但同时制约了水上运输,造成了水资源浪费。

    因此,专家们疾呼:长江是我国最重要的黄金水道,今后要慎建桥梁,多采用过江隧道方案!而且沿江沿海城市空间有限,而隧道出入口占地少、不扰民,优势很大。因此,向地下和水下空间开发将是必然趋势。

    随着经济和社会的飞速发展,岛与岛之间、岛与大陆之间、海峡之间的海底隧道连接越来越多,越来越重要。例如研究论证中的琼州海峡隧道、渤海海峡和台湾海峡,属于世界级工程,关系到物资运输储备、国家发展战略和领土安全,适合采用超级盾构、TBM与钻爆法联合施工。施工智能化、信息化和机械化技术,都需要继续加快发展和提高。

    有关专家指出,江河海洋地下工程空间开发具有广阔的发展前景,已成为建筑业新的发展亮点。

    目前,中铁隧道集团拥有盾构机60余台,多次成功穿越长江、黄河、珠江等大江大河,攻克了海底花岗岩极度软弱不均地层、高水压进仓作业、长距离掘进对接等世界级难题,不断刷新国内甚至世界记录。他们不但总结出适宜水下大直径盾构施工计算模型,前瞻性地进行盾构前沿科技研究,而且引领我国隧道施工进入穿江越洋时代,走在了国际盾构科技及产业化前沿。

    “人在地上走,车在地下行。江河湖海任我游,岛峡相连新大陆。这是中隧隧道集团的梦想,也是隧道科技未来使命之所在。”洪开荣说。

(来源:新华网)

 

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