【創(chuàng )新故事】
汕頭灣，跨越難。
廣東汕頭內海灣，是我國重要的海上交通樞紐，這里商船如織、航線(xiàn)繁忙。用高鐵連通南北兩岸，架橋會(huì )阻礙通航，建設隧道便成為首選方案。
汕汕高鐵汕頭灣海底隧道是世界首條時(shí)速350公里高鐵海底隧道，全長(cháng)9781米。隧道采用鉆爆法和盾構法從南北兩端雙向掘進(jìn)，設計與建造難度堪稱(chēng)世界級“工程教科書(shū)”。
近日，經(jīng)過(guò)4年多艱難掘進(jìn)，工程團隊突破高烈度地震區、復雜地質(zhì)條件、超高水壓等多重難關(guān)，汕頭灣海底隧道成功貫通。它宛如“海底蛟龍”斜跨汕頭灣，連接起珠三角和粵港澳大灣區，為區域經(jīng)濟發(fā)展注入強勁動(dòng)能。
內外加固方式：穿越海底地層最薄處
“地處高烈度地震區，穿越17條斷層破碎帶，承受海底近1兆帕超高水壓?！?018年，經(jīng)現場(chǎng)踏勘確認，中國鐵路設計集團有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國鐵設”）汕頭灣海底隧道主管總工程師孟慶余判斷，他們可能闖進(jìn)了鐵路隧道設計“禁區”。
以從南向北開(kāi)挖的鉆爆段為例，由于要下穿汕頭灣主航道風(fēng)化凹槽，爆破作業(yè)的洞頂上方，弱風(fēng)化完整巖層最薄處僅2.36米！一旦爆破失敗，整條隧道將被海水“吞噬”。
繞避絕無(wú)可能，加固圍巖成為最有效的解決辦法。
一種建議是，以地下超前注漿方式對隧道周?chē)伴_(kāi)挖地層進(jìn)行加固，形成隧道周圈保護層，應對高水壓、多斷層難題；另一種建議是，著(zhù)眼于施工安全與長(cháng)遠運營(yíng)，應該做隧道區域保護層。
第一種方案，需破解漿液滲入難題；第二種方案，國內尚無(wú)成熟先例。為確保安全，中國鐵設團隊頂著(zhù)壓力對兩種方案進(jìn)行綜合，圍繞一條全新技術(shù)路線(xiàn)的攻關(guān)由此開(kāi)啟。
工程團隊在主航道上搭建海上注漿平臺，保障通航的同時(shí)，見(jiàn)縫插針“打游擊戰”。但是，當鉆桿下探至海底百米深處，漿液不僅難以滲入巖層裂隙，還被高壓海水悉數沖釋。
如何解決？巖體不可改變，只能在工藝上想辦法。工程團隊創(chuàng )新施工方法，在海底巖體周邊先加注一圈快凝膠材料，將其“箍住”后，再將超細水泥壓進(jìn)巖體，封堵裂隙，變“豆腐渣”般的巖體為堅固混凝土。
經(jīng)過(guò)數月作業(yè)，一個(gè)橫向36米寬、縱向45米長(cháng)的門(mén)字型保護層抵在海底地層最薄處。它猶如一個(gè)可靠的棚子，將破碎巖石與高壓海水擋在外側。
但是，海水的侵蝕力遠超孟慶余的設想。當隧道鉆爆至風(fēng)化凹槽處，地下水氯鹽的侵蝕性已達到最高等級，隧道鋼筋混凝土結構面臨潛在威脅。大家思來(lái)想去，決心勇闖“無(wú)人區”，在高鐵海底隧道中首次嘗試使用抗壓強度為C50的混凝土結構。
中國鐵設團隊聯(lián)合高校開(kāi)展科研攻關(guān)，從基礎材料入手，調整混凝土配合比、首創(chuàng )冰水低溫拌合工藝……經(jīng)過(guò)數十次試驗后，團隊最終掌握了混凝土不裂的方法與工藝。
2022年8月，汕頭灣海底隧道內，第一板C50模筑襯砌澆筑成功。此后，孟慶余帶領(lǐng)團隊用內外加固方式，讓汕頭灣海底隧道順利穿過(guò)海底地層最薄處。
百變盾構工藝：掘進(jìn)“三重極限”地質(zhì)段
汕頭灣北岸，灘涂淤泥深厚，入海處淺覆高壓，采用鉆爆法、明挖法作業(yè)，坍塌風(fēng)險很高，種種工況讓盾構掘進(jìn)方案脫穎而出。
施工前半段，盾構機日行近10米，用時(shí)僅4個(gè)月，便完成掘進(jìn)任務(wù)。當進(jìn)入海底深處，盾構推進(jìn)的速度急轉直下，有些段落一天掘進(jìn)不足1米！
先遇孤石陣，再碰軟硬不均地層，最后挑戰“鋼鐵”般硬巖……汕頭灣海底隧道盾構段的“三重極限”地質(zhì)段落，讓中國鐵設汕汕高鐵項目總工程師李為記憶猶新。
100米范圍內，3塊巨型孤石擋在盾構機前。硬頂，存在安全風(fēng)險；爆破，影響周邊環(huán)境。進(jìn)退維谷之際，同步進(jìn)行的海上注漿作業(yè)給李為帶來(lái)啟發(fā)：何不采用鉆爆方式破解孤石困局？
團隊從前端打出多個(gè)鉆頭，“數箭齊發(fā)”破入巨石。隨著(zhù)裝入的炸藥輕微發(fā)力，孤石裂成碎石，轟然坍塌，障礙被清除。
大家原以為，穿過(guò)孤石陣，盾構掘進(jìn)將一帆風(fēng)順。但形態(tài)多樣、軟硬不均的地層讓盾構機再次“受挫”。
問(wèn)題出在哪？實(shí)際地質(zhì)情況極為復雜，盾構機無(wú)法準確調整參數，難以操控掘進(jìn)姿態(tài)。加密實(shí)地勘探、匯總地質(zhì)數據、精準畫(huà)像地層……慢工出細活，在團隊的不懈努力下，盾構機順利貫通軟硬不均地層。
就在大家認為黎明即將到來(lái)時(shí)，沒(méi)想到，最后幾百米的盾構“路”卻是最難走的。
當盾構機掘進(jìn)至全斷面硬巖段落，掌子面頻繁轉入風(fēng)化槽及節理密集帶地層，堅不可摧的刀具被異常掰斷，潰口磨耗越來(lái)越大。屋漏偏逢連夜雨，在這強度高達200兆帕的硬巖中，又遭遇突發(fā)掉落大石塊，讓向前掘進(jìn)的道路雪上加霜。
必須穿過(guò)這500余米長(cháng)的硬巖段！“那段時(shí)間，大家都很焦慮，失眠成了常態(tài)?！崩顬榛貞?。
工程團隊聯(lián)合行業(yè)專(zhuān)家，經(jīng)現場(chǎng)調研、論證后，想出一個(gè)妙招——“變大口吞咽為小口啃食”。依據這一思路，團隊對盾構機進(jìn)行施工改造——增設滾動(dòng)檢測系統、加密刀具數量，讓盾構機穩扎穩打，一步一步向前推進(jìn)。
硬巖層被逐步“啃食”，但盾構機磨損消耗極大，“趴窩”風(fēng)險增加。工程團隊再次調整掘進(jìn)策略，通過(guò)精細化維修保養與監測，確保盾構機在海底有效掘進(jìn)。
3月26日，歷時(shí)900多天，盾構施工法隧道與鉆爆施工法隧道最終勝利會(huì )師。14.57米的開(kāi)挖直徑，也讓汕頭灣海底隧道成為當前世界直徑最大的鐵路海底隧道。
練就科技“絕活”：抵抗活動(dòng)斷層強蠕動(dòng)
汕頭灣海底隧道時(shí)刻承受著(zhù)來(lái)自斷層運動(dòng)和周?chē)Ｋ臄D壓，隧道運營(yíng)安全面臨挑戰。
當得知海底隧道要在8度震區穿越多條斷層破碎帶時(shí)，中國鐵設汕頭灣海底隧道設計工程師霍飛“壓力巨大”?！叭绱藦碗s的地質(zhì)構造國內外鮮有耳聞，一旦隧道發(fā)生結構性破壞或大錯臺，海水將瞬間涌入，直接威脅高鐵通行安全?！被麸w說(shuō)。
什么方法能讓汕頭灣海底隧道不受斷層蠕動(dòng)影響而屹立百年？
傳統隧道會(huì )在盾構管片處預留縫隙，依靠接縫防水設計抵御高壓滲透。但是汕頭灣海底隧道承受的最高水壓達0.985兆帕，海水在此強壓力下，可形成高達98.5米的水柱。只做接縫防水無(wú)法確保萬(wàn)無(wú)一失，其他抗震防斷層的舉措必須跟上。
2020年6月的一天，正在進(jìn)行抗震調研的霍飛，被一處嵌在建筑承重結構與上部結構間的隔震支座所吸引。這種既能在豎向承受建筑物重量又能在橫向自由變形的橡膠結構，瞬間打開(kāi)了他的思路。
何不效仿隔震支座，給汕頭灣海底隧道裹一層隔震抗震的“軟硬層”！
橡膠、泡沫、混凝土……各類(lèi)韌性強、抗壓性好的材料輪番上陣測試。通過(guò)層層篩選，既能在日常抵抗海水壓力，又能在突發(fā)地震時(shí)吸收地震能量的柔性隔震材料被找到。
3個(gè)月后，當隧道掘進(jìn)至F9斷層處，疲勞測試在實(shí)驗室同步開(kāi)展。安裝在隧道外層的柔性隔震材料，在模擬地震載荷與真實(shí)高水壓環(huán)境中，經(jīng)受住了一動(dòng)一靜的極限施壓，始終保持良好的隔震性能，順利通過(guò)測試。
與此同時(shí)，在盾構機入海前，安裝在管片接縫處的密封墊，也在伺服液壓裝置上接受了多次震動(dòng)和錯動(dòng)考驗，實(shí)現了“震中不漏、震后不滲”的既定目標。
當前，柔性隔震層、密封墊被廣泛應用在汕頭灣海底隧道中，它們已成為隧道抵抗地震斷層蠕動(dòng)和超高水壓威脅，實(shí)現“以柔克剛”必不可少的科技“絕活”。
“汕汕高鐵是我國‘八縱八橫’高鐵網(wǎng)主通道之‘沿海通道’的重要組成部分，正式開(kāi)通運營(yíng)后，時(shí)速350公里的高鐵百秒即可跨越汕頭灣?！闭雇磥?lái)，李為信心滿(mǎn)滿(mǎn)，“我們將繼續攻堅克難，錨定鐵路科技創(chuàng )新，努力在更多復雜地質(zhì)條件下書(shū)寫(xiě)工程建設傳奇?！?/span>
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