科技日報記者 孫瑜

近日，在中鐵十四局承建的甬舟鐵路金塘海底隧道寧波側地下64米深處，“甬舟號”盾構機成功穿越海堤，由陸域段進入海域段掘進施工，標志著世界最長海底高鐵隧道全面進入穿海之旅。

金塘海底隧道位于寧波與舟山之間，全長16.18公里，首次采用兩臺盾構機相向掘進、在海底完成對接、在洞內完成盾構機拆解的施工方式。記者在現場采訪了解到，項目建設人員創新研制多項技術成果，助力“甬舟號”盾構機向深海掘進。

定制“戰袍”武裝盾構機全身

盾構機掘進靠一口鑲嵌著“銅牙利齒”的刀盤，而軟硬復合的地層極易磨損刀盤。“甬舟號”盾構機就面臨著如此復雜的地質環境。在穿越過程中，“甬舟號”需要挑戰24次軟硬地層變換，隧道區域軟硬不均及硬巖地層占比近七成，硬巖最高強度近200兆帕。

“針對復雜地層，項目團隊為‘甬舟號’盾構機配備了滾刀磨損智能監測系統、超前地質預報系統和超前注漿加固等專用設備。”中鐵十四局甬舟鐵路項目總機械師董冰告訴記者，多項先進設備使“甬舟號”總裝水平達到世界一流。

以刀盤為例。常規盾構機刀盤上的滾刀數量為200多把，而“甬舟號”滾刀數量則多達300把。除了增加滾刀數量，項目團隊還研發了滾刀試驗平臺，使刀盤耐磨性、破巖能力更強。

“滾刀試驗平臺可以直觀看到滾刀破巖機理和狀態，從而研究刀具選型、提高其破巖能力和使用壽命。”董冰拿著大小、磨損程度各異的滾刀一邊對比一邊說，項目團隊和滾刀供應商一起調整設計，為“甬舟號”配上最鋒利的牙齒。

“甬舟號”盾構機還加裝了“火眼金睛”和“順風耳”。滾刀磨損智能監測系統像一雙銳利的眼睛，實時監測刀盤工作狀態和刀具磨損情況，并根據監測數據預測刀具磨損程度。超前地質預報系統則如同靈敏的耳朵，利用盾構機破巖產生的震動信號作為震源，精準探測前方50至100米范圍內的地質情況。

數字盾構保障掘進安全

中鐵十四局“甬舟號”盾構機機長張嘎坐在金塘海底隧道地面智慧中心操控臺前。他眼前是一塊覆蓋整面墻的電子屏幕，上面清晰地展示著盾構機的三維模型，各項參數一目了然。當他按下控制臺上的啟動鍵，位于地下64米處的“甬舟號”盾構機刀盤開始轉動起來。

“以前在狹小、封閉的盾構機空間里工作，現在有了遠程駕駛系統，工作環境變得安全又舒適。”張嘎說。

這得益于項目團隊構建的數字盾構系統。它使技術人員在地面就可以操控盾構機，并對注漿、刀具磨損情況等信息進行實時監控和自動預警。

張嘎介紹，數字盾構系統每秒鐘都會接收來自“甬舟號”盾構機掘進關鍵參數，系統會根據設定的預警值自動分析，實現智能預警判別。操作人員還可以通過現場布設的視頻監控，配合洞內人員定位系統，利用遠程警告功能和應急指揮調度功能，實現對施工過程的無死角安全管控。

值得一提的是，遠程駕駛技術為惡劣環境及應急模式下盾構掘進施工提供了技術支撐。“當遇到緊急情況時，工作人員在地面上就可以操控盾構機，保障人員和設備安全。”張嘎說。

飽和潛水實現高壓換刀

隨著“甬舟號”開啟“穿海之旅”，超大直徑盾構海底地中對接全過程成套工藝工法研究也正緊鑼密鼓進行。其中一項關鍵技術即飽和潛水。

金塘海底隧道海域盾構段長11.21公里，最大埋深78米。“盾構機將在海底施工3年，需要人工在70米深海底極其頻繁地進行高壓換刀作業。當盾構機掌子面水土壓力超過600千帕，換刀時需采用飽和潛水技術。”中鐵十四局甬舟鐵路項目工程師胡浩說。

在常規潛水中，潛水員在50米水深下只能連續工作半個小時，作業時間遠不能滿足盾構機維修和換刀需求。而飽和潛水通過創造特定環境和條件，使潛水員體內各組織體液中溶解的惰性氣體達到完全飽和，潛水員可以在高壓下停留28天。待作業完成后，潛水員進行一次減壓，即可返回地面正常生活。

“這需要建造一個生活艙，向艙內加壓形成高壓環境，潛水員在艙里呼吸的氣體為氦氣和氧氣的混合氣體。”胡浩說，啟動飽和潛水工作時，他們將潛水員所在生活艙運輸到盾構機掌子面處進行對接，過程如航天器“太空對接”一般。

圍繞金塘海底隧道建設，項目設立了“復雜地層海域環境下同步注漿性能提升設計研究”等十大科研課題，圍繞專項技術首創智能化工裝10余套，優化工法20余項，目前已完成質量控制成果14項、論文5篇、專利3項。

來源：科技日報