在海底也能跑高铁?隧道修建难度不亚于港珠澳大桥

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  舟山群岛地处浙东沿海,具有丰富的海产、深水岸线以及海岛旅游资源,经济潜力巨大。但是,舟山群岛四面环海,并且距离大陆有相当的距离,一直以来与大陆交通极为不便,人、货交通只能依靠航空和船舶,严重制约了舟山经济的发展。

  为了开发舟山丰富的经济潜力,将舟山的天然深水良港利用起来,一条连接宁波市与舟山市的铁路被提上了日程,这就是甬舟铁路。


  (甬舟铁路规划图)

  (一)建成后,这里有世界上最长的海底高铁隧道

  甬舟铁路的规划全长约为77公里,设计时速250km,从舟山本岛出发,途经册子岛、金塘岛后,在宁波的北仑登陆,接入宁波穿山铁路支线,沿着沿海铁路并入甬金铁路,到达宁波。

  在远期规划中,这条铁路还会在舟山岛上转而向北,直达上海。

  另外,即将投入建设的甬舟铁路还将建设公铁两用桥,即跨海铁路和跨海高速大桥同在一座桥上。

  甬舟铁路东至舟山定海白泉,宁波境内将新建铁路北仑西站,未来从宁波到舟山不仅可以坐动车,走高速也将有镇海和北仑两条不同的路线。

  甬舟铁路中最引人关注的工程段是穿越金塘水道段,全长16.2公里的金塘海底隧道,建成后将成为世界最长的海底高铁隧道。

  (二)同样是“桥+隧”组合,甬舟铁路与港珠澳大桥施工上有何不同?

  现如今,最举世瞩目的超级跨海工程莫过于港珠澳大桥,其桥梁+隧道的设计模式是最大的亮点,港珠澳大桥的隧道全长6.7公里,属于沉管公路隧道,是将预先制好的沉管放置在海床上,然后依次相互连接形成隧道。


  (沉管隧道示意图)

  与港珠澳大桥隧道相比,甬舟铁路面临的自然环境更加恶劣,岛屿与大陆之间的海峡会对海浪形成加强,过长的跨海桥梁方案并不可行,只能将跨海部分全程建设成海底隧道。

  甬舟铁路中从宁波到金塘岛的这一段金塘隧道,全长16.2公里,位于海底的盾构段长10.87公里,相当于全线的1/7都沉在东海海底。

  与港珠澳大桥的沉管模式不同,金塘铁路隧道是盾构法修建的。简单来说,沉管法是将隧道管放置在海床上,隧道的主体承重结构是事先预制的管道;而盾构法则是在海床之下的岩层中打洞,钻出一条隧道,主体承压结构是海底的岩层。


  (盾构法施工)

  这两种施工方法没有优劣之分,它们各有其适用范围。

  沉管隧道比较适合修建在港珠澳隧道所处的珠江三角洲海底,这种海底以淤泥为主,十分软弱,无法开挖,但相对平整,很适合沉管的放置,采用沉管方法,可以将主要施工流程都挪到工厂中完成,现场的施工工期短,可以将其对航运的干扰降到最小,而且工厂化的生产也能够保障施工质量。

  然而,甬舟铁路却不适合于铺设沉管隧道。浙江沿海的地质条件与珠江入海口完全不同,这里的海底地形极为崎岖,根本没有铺设沉管的空间,加之海峡风高浪急,沉管的施工也几乎不可能。因此,甬舟铁路的建设只能绕开海洋环境,从海底直接打洞。

  (三)在海底使用盾构法修隧道,会面临哪些难题?

  海底盾构首先面临的问题,就是极高的水压。

  浙江海岸线曲折,水下多为天然深港,海底很深,而为了保证强度,隧道的修建位置还要在海底之下一段距离。因此,金塘隧道的最大埋深达78米,比港珠澳隧道还要深30米。相应地,其承受的海水压力也达到了惊人的0.78MPa,比之前因水压高而创下纪录的南京长江隧道还要高20%。

  高水压会给盾构机械造成更高的故障率,而一旦出现故障,就必须有维修人员进入机械进行修理,长时间身处如此高的水压之中会对人员的身体造成严重的威胁,因此,高压下的盾构机施工和维修都必须进行精密的控制,尽可能地降低人员的维修频率和时间。


  甬舟铁路金塘隧道需要面临的另一个问题,就是浙东复杂的地质条件。

  目前中国修建的经典的海底盾构隧道,比如厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道等,均位于典型的岩层中。岩层虽然坚硬,但硬度均一,而且承载能力强,非常适合用于盾构施工,建成的隧道自身强度高,隔水性好。

  而甬舟铁路隧道海中段位于岩土复合层,岩体硬度不均,砂土和岩石交错,盾构机需要同时处置不同硬度的多种岩体结构,这对盾构机的伤害是巨大的,目前国内尚无超大直径泥水平衡盾构施工的经验来处理这类复杂工况。因此,工程师们需要足够的技术储备来处理这样的隧道。

  金塘隧道是一条高铁隧道,其与港珠澳大桥这样的公路隧道最大的区别,就在于铁路隧道对隧道形状的要求非常高。

  相比起高铁,汽车的运行十分灵活,因此公路隧道可以根据地形的限制进行一定的转弯,或者将坡度调高,而高铁隧道的选线则相对而言更加严苛,它必须保证相当的平直程度,才能让高铁正常运行。

  高铁隧道的选线和修建灵活性更差,相应地,也对地质条件和施工工艺的要求更高。

  此外,金塘隧道还面临着许许多多的其它难题,由于隧道采用单洞设计,海中段约为9公里,无法设置直通地面的出口,这就对隧道内的防灾设计提出了严苛的要求;为提高施工速度,隧道从两端同时向中间施工,最终要在深达78米的海底进行对接……这些难题都是世界级的。

  (四)土木工程中,隧道修建的真正难题究竟在哪里?

  土木工程领域有句俗语,叫做“金桥银路草建筑”,而隧道的造价往往比桥还要高上一倍以上。

  每次讲到一个新的隧道,往往会用到“世界最难”、“全新挑战”这样的词语,这难道是每个工程的施工者在吹牛吗?

  其实不是的。

  “土木工程”,基本上可以分为两类,一种是“土工程”,也就是涉及到与自然环境交互的,隧道、公路铁路、地下空间等。另一种是“木工程”,也就是主体为人造的、受周围环境影响较小的工程,比如各种高楼大厦。

  总体而言,无论“木工程”看起来如何光鲜亮丽,其在施工难度和烧钱程度上都与“土工程”无法相提并论。原因在于,大楼的结构大同小异,难度再高的建筑,一旦建了几次之后,总有大量的施工经验可以应用,建造会越来越熟练,造价也会越来越低。

  然而,隧道这样的“土工程”则不同,自然材料的性质变化多端,没有任何两个隧道的工况是完全一致的,随时都可能给你的定理和公式造成新的“例外”。因此,无论你在隧道修建上积累了多少经验,新的隧道总会让你遇到从未遇到过的问题。



  (土工程与木工程)

  也正因如此,像金塘隧道这样的全新隧道,在修建中必然会遇到一些人们从未遇到过的难题。然而,这些难题都并非是不可解决的,工程师们也会从这些难题中积累新的经验。在未来,还会有更多、更难的隧道等着人们去修建。

  结语


  2019年3月4日,甬舟铁路已经全面启动勘察设计工作,预计在2025年前后建成。建成后,从舟山乘坐高铁到达宁波仅需半小时,到达省会杭州也会在2小时以内,舟山全岛都会被纳入以杭州为中心,覆盖全省的“2小时交通圈”。

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  编辑| 史文慧

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