萬里長江浩蕩東流，至上海崇明島分流入海。相對寬闊筆直的南支水道上，往來船舶穿梭不息，異常繁忙。
江面之下，一個重大工程正在加速推進，這就是崇太長江隧道——即連接上海市崇明區(qū)與江蘇省太倉市的隧道，全長14.25千米，采用單洞雙線設(shè)計，也就是說一條隧道可容納兩列高鐵列車同時通行。
歷經(jīng)23個月的艱難掘進，3月29日，由我國自主研制的世界最大直徑高鐵盾構(gòu)機“領(lǐng)航號”順利完成這條隧道長江水下段11.18千米的施工任務(wù)，抵達江蘇太倉，成功“上岸”。
在江底建隧道并不是什么新鮮事，崇太長江隧道也不是首個高鐵過江隧道，但多個“最”則標(biāo)識了其非凡的地位。中鐵隧道局相關(guān)負責(zé)人告訴記者，作為世界級越江隧道工程，崇太長江隧道創(chuàng)造了四項世界第一，每一項都刷新著全球基建的紀(jì)錄：
最深江底高鐵隧道——最大埋深達到89米，相當(dāng)于30層樓的高度。這意味著盾構(gòu)機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)。
最長獨頭掘進距離——11.325千米的獨頭掘進，相當(dāng)于在江底完成一場“半程馬拉松”。全程水下無中間豎井，這意味著盾構(gòu)機必須在沒有補給和維修點的情況下，連續(xù)穿越復(fù)雜的地質(zhì)層，對設(shè)備可靠性、密封技術(shù)、物料運輸?shù)拳h(huán)節(jié)都是極限考驗。
最大直徑高鐵盾構(gòu)機——“領(lǐng)航號”刀盤直徑達15.4米，約5層樓高，總長148米，總重4000噸，是目前全球直徑最大的高鐵專用盾構(gòu)機，工程技術(shù)的集大成者。
最高時速穿江隧道——設(shè)計時速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，而崇太長江隧道將徹底改寫這一歷史。
承擔(dān)隧道掘進任務(wù)的，是“隧道及地下工程領(lǐng)域國家隊”中鐵隧道局和由我國自主研發(fā)的世界最大直徑高鐵盾構(gòu)機“領(lǐng)航號”。
那么，為何要在長江之下建高鐵隧道？這一工程面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？作為隧洞掘進的核心裝備，“領(lǐng)航號”又有哪些絕技？
高鐵為何要走“水底”
崇太長江隧道的打通，將改寫崇明島不通高鐵的歷史，崇明經(jīng)太倉到上海寶山的時間也將被壓縮至17分鐘。
往小了說，崇太長江隧道通車后，崇明島的交通將更加便捷。往大了說，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20多座小城將首次邁入時速350公里的高鐵時代，帶動上下游行業(yè)增加值增長近1.5萬億元。
很多人會疑問，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)負責(zé)人告訴記者，作為黃金水道，長江南支水道承載著眾多大型船舶運輸及錨地需求。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。”高鐵若以350公里時速通過，對橋梁線路平整度要求極高，這對大跨度、超高度的橋梁是一大挑戰(zhàn)。此外，長江入海口側(cè)風(fēng)強，影響列車高速行駛的穩(wěn)定性，更遑論臺風(fēng)等極端天氣。
高鐵是否可以降速通過橋梁呢？連接上海寶山、崇明和江蘇太倉段的高鐵不減速運行，有助于提升整個沿江通道的運行效率。作為“八縱八橫”高鐵網(wǎng)中“八橫”通道之一，沿江通道對整個高鐵網(wǎng)運行效率影響重大。這也從側(cè)面解釋了，為什么崇太長江隧道被稱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，還有大片長江刀鱭水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)，修建水下隧道，能最大程度減少對水生態(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。“概括起來說，隧道不擋船、不受氣影響、不擾民，還能讓高鐵不降速。這是一個技術(shù)、經(jīng)濟、運營上綜合起來的最優(yōu)方案。”上述負責(zé)人總結(jié)道。
中鐵隧道局崇太長江隧道項目相關(guān)負責(zé)人介紹，2024年4月29日，“領(lǐng)航號”從崇明出發(fā)，以獨頭掘進的方式，每天以20米至24米的速度向江蘇太倉方向掘進。截至目前，“領(lǐng)航號”已掘進11.18千米，距離2號井越來越近。按照計劃，“領(lǐng)航號”將到達2號井后，做短暫“休整”，繼續(xù)前進至1號井。預(yù)計到今年底，崇太長江隧道將實現(xiàn)全線貫通。
“嫩豆腐里的孔”怎么打
如果說普通隧道滿足基本通行需求即可，那么崇太長江隧道則是一個兼具“高速”與“高安全”的超級工程。
“列車以350公里時速在隧道內(nèi)行駛，會產(chǎn)生強烈的活塞風(fēng)與壓力波，這就需要攻克軌道平順性等技術(shù)難關(guān)，以保障列車的運營安全與乘坐舒適度。”中鐵隧道局崇太長江隧道項目工程部部長馬晨梁說。
直接影響軌道平順性的，就是隧道軸線。崇太長江隧道的設(shè)計軸線并非一條規(guī)則的弧線，更非直線。從側(cè)面看，隧道走向是個和江底大致平行的“V”字。此外，隧道前進的方向也會出現(xiàn)“左右轉(zhuǎn)彎”的情形。
“高鐵高速運行對隧道線路平順性要求極高，要保證高鐵經(jīng)過隧道不降速，就要做好線型控制，把隧道的坡度、方向控制在一定范圍。”馬晨梁告訴記者，這需毫米級軸線管控，全程姿態(tài)偏差嚴(yán)控在±5毫米內(nèi)。
“V”字形的走向帶來的另一個問題是，隧洞挖得越深，承受的水壓就越大。如崇太長江隧道最深處距離江面89米，壓力達0.9兆帕，相當(dāng)于一個椅子上停了一輛重型自卸卡車。馬晨梁告訴記者，這種超高水壓對隧道防滲漏、防江水突涌、設(shè)備密封等要求極為嚴(yán)苛，需要構(gòu)建超級防水屏障，以應(yīng)對極高靜水壓力，真正做到“滴水不漏”。
馬晨梁和團隊做的一項主要工作，就是測量隧道的平面線型和縱斷面，計算出三維坐標(biāo)，摸清隧道“左右轉(zhuǎn)彎、上下起伏”情況，即隧道軸線。在實際作業(yè)中，盾構(gòu)機需按照軸線精準(zhǔn)掘進。
和常規(guī)隧道相比，崇太長江隧道面臨的地層更加復(fù)雜。中鐵隧道局崇太長江隧道項目設(shè)備副經(jīng)理王燚告訴記者，崇太長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)境中掘進隧洞比喻為“在豆腐里打孔”。這塊“豆腐”還是“嫩豆腐”，這個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。
掘進隧洞又不僅僅是“地下”的事。馬晨梁介紹，崇太長江隧道工程從崇明島萬安村始發(fā)，要穿越民房、企業(yè)、公園、長江及長江南北岸大堤等多個沿線建（構(gòu)）筑物，“下穿過程中是否會影響這些建（構(gòu)）筑物的安全，都需要精準(zhǔn)測量和風(fēng)險評估。”
面對復(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)機每掘進2米，就會同步進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，泥水通過白色進漿管路回流，再和渣土混合后通過排漿管路排出，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，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，就是我國自主研制的超大直徑盾構(gòu)機——“領(lǐng)航號”。其刀盤直徑15.4米，足有五層樓高。整機總長約148米，總重約4000噸。站在這個大家伙面前，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”。作為世界最長高鐵隧道，崇太長江隧道對盾構(gòu)機有哪些特定需求？
作為專為崇太長江隧道量身打造的“大國重器”，“領(lǐng)航號”足夠“強壯”。一張“大臉盤子”上長滿了“鐵齒鋼牙”——具有超強耐磨性的刀盤和刀具，28組共56個油缸最大推力能達到27155噸，其承受最大水土壓力達1.2兆帕，可從容承受江底施工最大水土壓力。
“領(lǐng)航號”不僅“體格”強健，也足夠“命硬”。王燚說，“領(lǐng)航號”的理論壽命是需求壽命的約3倍，可以一次完成超過15公里的掘進任務(wù)。為適應(yīng)江底高鐵隧道掘進場景，“領(lǐng)航號”主軸承的密封性、主軸承本身及盾尾密封都達到了極高標(biāo)準(zhǔn)。
大塊頭的“領(lǐng)航號”有強健的體魄，更有聰明的“頭腦”。作為一個極為復(fù)雜精密的系統(tǒng)，“領(lǐng)航號”采用“1+5”節(jié)拖車設(shè)計，搭載先進的智能掘進、智能拼裝、超前地質(zhì)預(yù)報、泥水倉可視化、盾尾密封安全預(yù)警、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測等智能系統(tǒng)，實現(xiàn)了“有人值守、無人操作”智能掘進。
如此一來，“領(lǐng)航號”不僅有了“超級大腦”，在“遁地”過程中也有了更加靈敏的“視覺”和“觸覺”。
如果說以前盾構(gòu)機掘進過程中，面對前方的土層就像“開盲盒”，“領(lǐng)航號”則有了“慧眼”。“經(jīng)過成千上萬年的沖擊、沉積，長江底下的泥土層一直處于變化之中，掘進過程中面臨障礙物的不確定性。”王燚說，“領(lǐng)航號”搭載的智能探測系統(tǒng)，可以探測前方30米范圍內(nèi)的情況，這就像給盾構(gòu)機裝上了“眼睛”，可實現(xiàn)不明障礙物探測。一旦遇到不明障礙物，會發(fā)出預(yù)警，并配合泥水倉可視化系統(tǒng)，做好障礙物處置。
“領(lǐng)航號”還擁有敏感的“觸覺”。通過多元感知與實時解譯技術(shù)，實現(xiàn)了工程地質(zhì)即時探測、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、有害氣體實時預(yù)警、隧道結(jié)構(gòu)健康感知。
這個“鋼鐵巨龍”搭載的智能掘進系統(tǒng)，又讓其擁有了最頂級的“智商”，相當(dāng)于實現(xiàn)了盾構(gòu)機的“無人駕駛”。“盾構(gòu)大數(shù)據(jù)中心匯集了700多個項目的掘進數(shù)據(jù)，AI模型通過這些數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了倉內(nèi)壓力自適應(yīng)、云端預(yù)測數(shù)據(jù)自決策、掘進姿態(tài)自巡航、環(huán)流出渣自調(diào)整等。”王燚說，如艙內(nèi)壓力自適應(yīng)，可以讓刀盤根據(jù)土層壓力自動調(diào)整速度，根據(jù)上下坡情況實現(xiàn)掘進姿態(tài)自巡航，根據(jù)泥漿比重和掘進速度等，還可以實現(xiàn)自動調(diào)整泵級轉(zhuǎn)速。
這也極大減輕了人員的工作壓力。主司機呂政鑫和副司機趙亞卓在值班期間，主要控制油缸推進壓力，監(jiān)控和檢查設(shè)備。“和其他司機主要負責(zé)駕駛相比，我們更需要的是研究和檢測設(shè)備、線路等，準(zhǔn)確掌握各種指標(biāo)參數(shù)。”呂政鑫說。
盾構(gòu)機被譽為“工程機械之王”，“領(lǐng)航號”是中國在這一領(lǐng)域的杰出代表。從無到有，從有到優(yōu)，中國盾構(gòu)機憑借創(chuàng)新技術(shù)、過硬質(zhì)量，在全球市場占比達70%，大到穿江越海，小到打通城市管廊，越來越全能，越來越硬核。
