萬(wàn)里長(zhǎng)江浩蕩東流，至上海崇明島分流入海。相對(duì)寬闊筆直的南支水道上，往來(lái)船舶穿梭不息，異常繁忙。
江面之下，一個(gè)重大工程正在加速推進(jìn)，這就是崇太長(zhǎng)江隧道——即連接上海市崇明區(qū)與江蘇省太倉(cāng)市的隧道，全長(zhǎng)14.25千米，采用單洞雙線(xiàn)設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)一條隧道可容納兩列高鐵列車(chē)同時(shí)通行。
歷經(jīng)23個(gè)月的艱難掘進(jìn)，3月29日，由我國(guó)自主研制的世界最大直徑高鐵盾構(gòu)機(jī)“領(lǐng)航號(hào)”順利完成這條隧道長(zhǎng)江水下段11.18千米的施工任務(wù)，抵達(dá)江蘇太倉(cāng)，成功“上岸”。
在江底建隧道并不是什么新鮮事，崇太長(zhǎng)江隧道也不是首個(gè)高鐵過(guò)江隧道，但多個(gè)“最”則標(biāo)識(shí)了其非凡的地位。中鐵隧道局相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，作為世界級(jí)越江隧道工程，崇太長(zhǎng)江隧道創(chuàng)造了四項(xiàng)世界第一，每一項(xiàng)都刷新著全球基建的紀(jì)錄：
最深江底高鐵隧道——最大埋深達(dá)到89米，相當(dāng)于30層樓的高度。這意味著盾構(gòu)機(jī)需要承受每平方米近90噸的超高水壓。在這樣的極端環(huán)境下施工，對(duì)設(shè)備的密封性和穩(wěn)定性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。
最長(zhǎng)獨(dú)頭掘進(jìn)距離——11.325千米的獨(dú)頭掘進(jìn)，相當(dāng)于在江底完成一場(chǎng)“半程馬拉松”。全程水下無(wú)中間豎井，這意味著盾構(gòu)機(jī)必須在沒(méi)有補(bǔ)給和維修點(diǎn)的情況下，連續(xù)穿越復(fù)雜的地質(zhì)層，對(duì)設(shè)備可靠性、密封技術(shù)、物料運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)都是極限考驗(yàn)。
最大直徑高鐵盾構(gòu)機(jī)——“領(lǐng)航號(hào)”刀盤(pán)直徑達(dá)15.4米，約5層樓高，總長(zhǎng)148米，總重4000噸，是目前全球直徑最大的高鐵專(zhuān)用盾構(gòu)機(jī)，工程技術(shù)的集大成者。
最高時(shí)速穿江隧道——設(shè)計(jì)時(shí)速350公里，建成后將成為全球首條高鐵穿江不減速的隧道。以往跨江高鐵必須降速、繞行，而崇太長(zhǎng)江隧道將徹底改寫(xiě)這一歷史。
承擔(dān)隧道掘進(jìn)任務(wù)的，是“隧道及地下工程領(lǐng)域國(guó)家隊(duì)”中鐵隧道局和由我國(guó)自主研發(fā)的世界最大直徑高鐵盾構(gòu)機(jī)“領(lǐng)航號(hào)”。
那么，為何要在長(zhǎng)江之下建高鐵隧道？這一工程面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？作為隧洞掘進(jìn)的核心裝備，“領(lǐng)航號(hào)”又有哪些絕技？
高鐵為何要走“水底”
崇太長(zhǎng)江隧道的打通，將改寫(xiě)崇明島不通高鐵的歷史，崇明經(jīng)太倉(cāng)到上海寶山的時(shí)間也將被壓縮至17分鐘。
往小了說(shuō)，崇太長(zhǎng)江隧道通車(chē)后，崇明島的交通將更加便捷。往大了說(shuō)，該隧道作為沿江通道（滬渝蓉高鐵）的咽喉，將助力連接起滬、蘇、皖、鄂、渝、川等六省市，串聯(lián)三大城市群，沿線(xiàn)20多座小城將首次邁入時(shí)速350公里的高鐵時(shí)代，帶動(dòng)上下游行業(yè)增加值增長(zhǎng)近1.5萬(wàn)億元。
很多人會(huì)疑問(wèn)，這條高速鐵路為何要走隧道，架橋鋪路不行嗎？
中鐵隧道局相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，作為黃金水道，長(zhǎng)江南支水道承載著眾多大型船舶運(yùn)輸及錨地需求。如果在崇明至陸地十多公里跨度的江面修建橋梁，“橋必須修得足夠高、跨度足夠大，才能確保大型船舶通過(guò)。”高鐵若以350公里時(shí)速通過(guò)，對(duì)橋梁線(xiàn)路平整度要求極高，這對(duì)大跨度、超高度的橋梁是一大挑戰(zhàn)。此外，長(zhǎng)江入海口側(cè)風(fēng)強(qiáng)，影響列車(chē)高速行駛的穩(wěn)定性，更遑論臺(tái)風(fēng)等極端天氣。
高鐵是否可以降速通過(guò)橋梁呢？連接上海寶山、崇明和江蘇太倉(cāng)段的高鐵不減速運(yùn)行，有助于提升整個(gè)沿江通道的運(yùn)行效率。作為“八縱八橫”高鐵網(wǎng)中“八橫”通道之一，沿江通道對(duì)整個(gè)高鐵網(wǎng)運(yùn)行效率影響重大。這也從側(cè)面解釋了，為什么崇太長(zhǎng)江隧道被稱(chēng)為滬渝蓉高速鐵路的關(guān)鍵控制性工程。
此外，這條南支水道，還有大片長(zhǎng)江刀鱭水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，修建水下隧道，能最大程度減少對(duì)水生態(tài)環(huán)境的干擾。
因此，讓高鐵從江底走，是更穩(wěn)定、更可控的選項(xiàng)。“概括起來(lái)說(shuō)，隧道不擋船、不受氣影響、不擾民，還能讓高鐵不降速。這是一個(gè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)營(yíng)上綜合起來(lái)的最優(yōu)方案。”上述負(fù)責(zé)人總結(jié)道。
中鐵隧道局崇太長(zhǎng)江隧道項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，2024年4月29日，“領(lǐng)航號(hào)”從崇明出發(fā)，以獨(dú)頭掘進(jìn)的方式，每天以20米至24米的速度向江蘇太倉(cāng)方向掘進(jìn)。截至目前，“領(lǐng)航號(hào)”已掘進(jìn)11.18千米，距離2號(hào)井越來(lái)越近。按照計(jì)劃，“領(lǐng)航號(hào)”將到達(dá)2號(hào)井后，做短暫“休整”，繼續(xù)前進(jìn)至1號(hào)井。預(yù)計(jì)到今年底，崇太長(zhǎng)江隧道將實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)貫通。
“嫩豆腐里的孔”怎么打
如果說(shuō)普通隧道滿(mǎn)足基本通行需求即可，那么崇太長(zhǎng)江隧道則是一個(gè)兼具“高速”與“高安全”的超級(jí)工程。
“列車(chē)以350公里時(shí)速在隧道內(nèi)行駛，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的活塞風(fēng)與壓力波，這就需要攻克軌道平順性等技術(shù)難關(guān)，以保障列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全與乘坐舒適度。”中鐵隧道局崇太長(zhǎng)江隧道項(xiàng)目工程部部長(zhǎng)馬晨梁說(shuō)。
直接影響軌道平順性的，就是隧道軸線(xiàn)。崇太長(zhǎng)江隧道的設(shè)計(jì)軸線(xiàn)并非一條規(guī)則的弧線(xiàn)，更非直線(xiàn)。從側(cè)面看，隧道走向是個(gè)和江底大致平行的“V”字。此外，隧道前進(jìn)的方向也會(huì)出現(xiàn)“左右轉(zhuǎn)彎”的情形。
“高鐵高速運(yùn)行對(duì)隧道線(xiàn)路平順性要求極高，要保證高鐵經(jīng)過(guò)隧道不降速，就要做好線(xiàn)型控制，把隧道的坡度、方向控制在一定范圍。”馬晨梁告訴記者，這需毫米級(jí)軸線(xiàn)管控，全程姿態(tài)偏差嚴(yán)控在±5毫米內(nèi)。
“V”字形的走向帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是，隧洞挖得越深，承受的水壓就越大。如崇太長(zhǎng)江隧道最深處距離江面89米，壓力達(dá)0.9兆帕，相當(dāng)于一個(gè)椅子上停了一輛重型自卸卡車(chē)。馬晨梁告訴記者，這種超高水壓對(duì)隧道防滲漏、防江水突涌、設(shè)備密封等要求極為嚴(yán)苛，需要構(gòu)建超級(jí)防水屏障，以應(yīng)對(duì)極高靜水壓力，真正做到“滴水不漏”。
馬晨梁和團(tuán)隊(duì)做的一項(xiàng)主要工作，就是測(cè)量隧道的平面線(xiàn)型和縱斷面，計(jì)算出三維坐標(biāo)，摸清隧道“左右轉(zhuǎn)彎、上下起伏”情況，即隧道軸線(xiàn)。在實(shí)際作業(yè)中，盾構(gòu)機(jī)需按照軸線(xiàn)精準(zhǔn)掘進(jìn)。
和常規(guī)隧道相比，崇太長(zhǎng)江隧道面臨的地層更加復(fù)雜。中鐵隧道局崇太長(zhǎng)江隧道項(xiàng)目設(shè)備副經(jīng)理王燚告訴記者，崇太長(zhǎng)江隧道穿越的地層有軟土、粉砂、硬巖、富水?dāng)鄬蛹鞍楹託鈱拥龋刭|(zhì)風(fēng)險(xiǎn)極高，“特別是軟土，就像淤泥一樣，極易發(fā)生沉降或塌方。”
業(yè)內(nèi)把在這種地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)隧洞比喻為“在豆腐里打孔”。這塊“豆腐”還是“嫩豆腐”，這個(gè)孔既要打得平順絲滑，還不能“掉渣”，更不能讓“豆腐”坍塌，施工難度可想而知。
掘進(jìn)隧洞又不僅僅是“地下”的事。馬晨梁介紹，崇太長(zhǎng)江隧道工程從崇明島萬(wàn)安村始發(fā)，要穿越民房、企業(yè)、公園、長(zhǎng)江及長(zhǎng)江南北岸大堤等多個(gè)沿線(xiàn)建（構(gòu)）筑物，“下穿過(guò)程中是否會(huì)影響這些建（構(gòu)）筑物的安全，都需要精準(zhǔn)測(cè)量和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。”
面對(duì)復(fù)雜地層，隧洞每挖一段，隧道就緊隨其后建設(shè)一段。王燚介紹，盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)2米，就會(huì)同步進(jìn)行隧道管片拼裝和注漿操作，即使用預(yù)制好的混凝土管片拼裝隧道，同時(shí)在管片與隧道壁之間注入水泥。完成管片拼裝和同步注漿后，再進(jìn)行內(nèi)部襯砌施工。這就像給隧道穿上了三層總厚度超1米的“鎧甲”，有效提升隧道防水、防沉降的性能。
根據(jù)江底地質(zhì)條件，崇太長(zhǎng)江隧道采用了泥水管道的出渣方式。在隧道中，一黃一白兩條平行管道吸引了記者注意。據(jù)介紹，渣土以泥漿狀態(tài)從黃色的排漿管路輸送到隧道外，在分離站分離渣土后，泥水通過(guò)白色進(jìn)漿管路回流，再和渣土混合后通過(guò)排漿管路排出，如此循環(huán)。這就像淘米水和米，水、米先順著管道出去，水、米分離之后，淘米水再回來(lái)，和新的米攪拌后再排出去。
“打孔”的大塊頭有大智慧
“嫩豆腐里打孔”的關(guān)鍵核心裝備，就是我國(guó)自主研制的超大直徑盾構(gòu)機(jī)——“領(lǐng)航號(hào)”。其刀盤(pán)直徑15.4米，足有五層樓高。整機(jī)總長(zhǎng)約148米，總重約4000噸。站在這個(gè)大家伙面前，記者就像仰望一條穿行水下的“鋼鐵巨龍”。
盾構(gòu)機(jī)是定制化裝備，即根據(jù)不同工程的地質(zhì)條件“按需定制”。作為世界最長(zhǎng)高鐵隧道，崇太長(zhǎng)江隧道對(duì)盾構(gòu)機(jī)有哪些特定需求？
作為專(zhuān)為崇太長(zhǎng)江隧道量身打造的“大國(guó)重器”，“領(lǐng)航號(hào)”足夠“強(qiáng)壯”。一張“大臉盤(pán)子”上長(zhǎng)滿(mǎn)了“鐵齒鋼牙”——具有超強(qiáng)耐磨性的刀盤(pán)和刀具，28組共56個(gè)油缸最大推力能達(dá)到27155噸，其承受最大水土壓力達(dá)1.2兆帕，可從容承受江底施工最大水土壓力。
“領(lǐng)航號(hào)”不僅“體格”強(qiáng)健，也足夠“命硬”。王燚說(shuō)，“領(lǐng)航號(hào)”的理論壽命是需求壽命的約3倍，可以一次完成超過(guò)15公里的掘進(jìn)任務(wù)。為適應(yīng)江底高鐵隧道掘進(jìn)場(chǎng)景，“領(lǐng)航號(hào)”主軸承的密封性、主軸承本身及盾尾密封都達(dá)到了極高標(biāo)準(zhǔn)。
大塊頭的“領(lǐng)航號(hào)”有強(qiáng)健的體魄，更有聰明的“頭腦”。作為一個(gè)極為復(fù)雜精密的系統(tǒng)，“領(lǐng)航號(hào)”采用“1+5”節(jié)拖車(chē)設(shè)計(jì)，搭載先進(jìn)的智能掘進(jìn)、智能拼裝、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、泥水倉(cāng)可視化、盾尾密封安全預(yù)警、設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“有人值守、無(wú)人操作”智能掘進(jìn)。
如此一來(lái)，“領(lǐng)航號(hào)”不僅有了“超級(jí)大腦”，在“遁地”過(guò)程中也有了更加靈敏的“視覺(jué)”和“觸覺(jué)”。
如果說(shuō)以前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，面對(duì)前方的土層就像“開(kāi)盲盒”，“領(lǐng)航號(hào)”則有了“慧眼”。“經(jīng)過(guò)成千上萬(wàn)年的沖擊、沉積，長(zhǎng)江底下的泥土層一直處于變化之中，掘進(jìn)過(guò)程中面臨障礙物的不確定性。”王燚說(shuō)，“領(lǐng)航號(hào)”搭載的智能探測(cè)系統(tǒng)，可以探測(cè)前方30米范圍內(nèi)的情況，這就像給盾構(gòu)機(jī)裝上了“眼睛”，可實(shí)現(xiàn)不明障礙物探測(cè)。一旦遇到不明障礙物，會(huì)發(fā)出預(yù)警，并配合泥水倉(cāng)可視化系統(tǒng)，做好障礙物處置。
“領(lǐng)航號(hào)”還擁有敏感的“觸覺(jué)”。通過(guò)多元感知與實(shí)時(shí)解譯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程地質(zhì)即時(shí)探測(cè)、設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、有害氣體實(shí)時(shí)預(yù)警、隧道結(jié)構(gòu)健康感知。
這個(gè)“鋼鐵巨龍”搭載的智能掘進(jìn)系統(tǒng)，又讓其擁有了最頂級(jí)的“智商”，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的“無(wú)人駕駛”。“盾構(gòu)大數(shù)據(jù)中心匯集了700多個(gè)項(xiàng)目的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，AI模型通過(guò)這些數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)內(nèi)壓力自適應(yīng)、云端預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)自決策、掘進(jìn)姿態(tài)自巡航、環(huán)流出渣自調(diào)整等。”王燚說(shuō)，如艙內(nèi)壓力自適應(yīng)，可以讓刀盤(pán)根據(jù)土層壓力自動(dòng)調(diào)整速度，根據(jù)上下坡情況實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)姿態(tài)自巡航，根據(jù)泥漿比重和掘進(jìn)速度等，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整泵級(jí)轉(zhuǎn)速。
這也極大減輕了人員的工作壓力。主司機(jī)呂政鑫和副司機(jī)趙亞卓在值班期間，主要控制油缸推進(jìn)壓力，監(jiān)控和檢查設(shè)備。“和其他司機(jī)主要負(fù)責(zé)駕駛相比，我們更需要的是研究和檢測(cè)設(shè)備、線(xiàn)路等，準(zhǔn)確掌握各種指標(biāo)參數(shù)。”呂政鑫說(shuō)。
盾構(gòu)機(jī)被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”，“領(lǐng)航號(hào)”是中國(guó)在這一領(lǐng)域的杰出代表。從無(wú)到有，從有到優(yōu)，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)憑借創(chuàng)新技術(shù)、過(guò)硬質(zhì)量，在全球市場(chǎng)占比達(dá)70%，大到穿江越海，小到打通城市管廊，越來(lái)越全能，越來(lái)越硬核。
