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“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)開啟穿海之旅
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近日,在中鐵十四局承建的甬舟鐵路金塘海底隧道寧波側(cè)地下64米深處,“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)成功穿越海堤,由陸域段進(jìn)入海域段掘進(jìn)施工,標(biāo)志著世界最長海底高鐵隧道全面進(jìn)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(gòu)機(jī)相向掘進(jìn)、在海底完成對接、在洞內(nèi)完成盾構(gòu)機(jī)拆解的施工方式。記者在現(xiàn)場采訪了解到,項目建設(shè)人員創(chuàng)新研制多項技術(shù)成果,助力“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)向深海掘進(jìn)。
定制“戰(zhàn)袍”武裝盾構(gòu)機(jī)全身
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)靠一口鑲嵌著“銅牙利齒”的刀盤,而軟硬復(fù)合的地層極易磨損刀盤。“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)就面臨著如此復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。在穿越過程中,“甬舟號”需要挑戰(zhàn)24次軟硬地層變換,隧道區(qū)域軟硬不均及硬巖地層占比近七成,硬巖最高強(qiáng)度近200兆帕。
“針對復(fù)雜地層,項目團(tuán)隊為‘甬舟號’盾構(gòu)機(jī)配備了滾刀磨損智能監(jiān)測系統(tǒng)、超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)和超前注漿加固等專用設(shè)備?!敝需F十四局甬舟鐵路項目總機(jī)械師董冰告訴記者,多項先進(jìn)設(shè)備使“甬舟號”總裝水平達(dá)到世界一流。
以刀盤為例。常規(guī)盾構(gòu)機(jī)刀盤上的滾刀數(shù)量為200多把,而“甬舟號”滾刀數(shù)量則多達(dá)300把。除了增加滾刀數(shù)量,項目團(tuán)隊還研發(fā)了滾刀試驗(yàn)平臺,使刀盤耐磨性、破巖能力更強(qiáng)。
“滾刀試驗(yàn)平臺可以直觀看到滾刀破巖機(jī)理和狀態(tài),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(tuán)隊和滾刀供應(yīng)商一起調(diào)整設(shè)計,為“甬舟號”配上最鋒利的牙齒。
“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)還加裝了“火眼金睛”和“順風(fēng)耳”。滾刀磨損智能監(jiān)測系統(tǒng)像一雙銳利的眼睛,實(shí)時監(jiān)測刀盤工作狀態(tài)和刀具磨損情況,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測刀具磨損程度。超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)則如同靈敏的耳朵,利用盾構(gòu)機(jī)破巖產(chǎn)生的震動信號作為震源,精準(zhǔn)探測前方50至100米范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。
數(shù)字盾構(gòu)保障掘進(jìn)安全
中鐵十四局“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)機(jī)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(gòu)機(jī)的三維模型,各項參數(shù)一目了然。當(dāng)他按下控制臺上的啟動鍵,位于地下64米處的“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)刀盤開始轉(zhuǎn)動起來。
“以前在狹小、封閉的盾構(gòu)機(jī)空間里工作,現(xiàn)在有了遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng),工作環(huán)境變得安全又舒適?!睆埜抡f。
這得益于項目團(tuán)隊構(gòu)建的數(shù)字盾構(gòu)系統(tǒng)。它使技術(shù)人員在地面就可以操控盾構(gòu)機(jī),并對注漿、刀具磨損情況等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和自動預(yù)警。
張嘎介紹,數(shù)字盾構(gòu)系統(tǒng)每秒鐘都會接收來自“甬舟號”盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù),系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的預(yù)警值自動分析,實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警判別。操作人員還可以通過現(xiàn)場布設(shè)的視頻監(jiān)控,配合洞內(nèi)人員定位系統(tǒng),利用遠(yuǎn)程警告功能和應(yīng)急指揮調(diào)度功能,實(shí)現(xiàn)對施工過程的無死角安全管控。
值得一提的是,遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)為惡劣環(huán)境及應(yīng)急模式下盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供了技術(shù)支撐?!爱?dāng)遇到緊急情況時,工作人員在地面上就可以操控盾構(gòu)機(jī),保障人員和設(shè)備安全?!睆埜抡f。
飽和潛水實(shí)現(xiàn)高壓換刀
隨著“甬舟號”開啟“穿海之旅”,超大直徑盾構(gòu)海底地中對接全過程成套工藝工法研究也正緊鑼密鼓進(jìn)行。其中一項關(guān)鍵技術(shù)即飽和潛水。
金塘海底隧道海域盾構(gòu)段長11.21公里,最大埋深78米?!岸軜?gòu)機(jī)將在海底施工3年,需要人工在70米深海底極其頻繁地進(jìn)行高壓換刀作業(yè)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面水土壓力超過600千帕,換刀時需采用飽和潛水技術(shù)。”中鐵十四局甬舟鐵路項目工程師胡浩說。
在常規(guī)潛水中,潛水員在50米水深下只能連續(xù)工作半個小時,作業(yè)時間遠(yuǎn)不能滿足盾構(gòu)機(jī)維修和換刀需求。而飽和潛水通過創(chuàng)造特定環(huán)境和條件,使?jié)撍畣T體內(nèi)各組織體液中溶解的惰性氣體達(dá)到完全飽和,潛水員可以在高壓下停留28天。待作業(yè)完成后,潛水員進(jìn)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(nèi)加壓形成高壓環(huán)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(yùn)輸?shù)蕉軜?gòu)機(jī)掌子面處進(jìn)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(shè),項目設(shè)立了“復(fù)雜地層海域環(huán)境下同步注漿性能提升設(shè)計研究”等十大科研課題,圍繞專項技術(shù)首創(chuàng)智能化工裝10余套,優(yōu)化工法20余項,目前已完成質(zhì)量控制成果14項、論文5篇、專利3項。
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