科技日報(bào)記者 何亮

汕頭灣，跨越難。

廣東汕頭內(nèi)海灣，是我國重要的海上交通樞紐，這里商船如織、航線繁忙。用高鐵連通南北兩岸，架橋會(huì)阻礙通航，建設(shè)隧道便成為首選方案。

汕汕高鐵汕頭灣海底隧道是世界首條時(shí)速350公里高鐵海底隧道，全長9781米。隧道采用鉆爆法和盾構(gòu)法從南北兩端雙向掘進(jìn)，設(shè)計(jì)與建造難度堪稱世界級“工程教科書”。

近日，經(jīng)過4年多艱難掘進(jìn)，工程團(tuán)隊(duì)突破高烈度地震區(qū)、復(fù)雜地質(zhì)條件、超高水壓等多重難關(guān)，汕頭灣海底隧道成功貫通。它宛如“海底蛟龍”斜跨汕頭灣，連接起珠三角和粵港澳大灣區(qū)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)能。

內(nèi)外加固方式：穿越海底地層最薄處

“地處高烈度地震區(qū)，穿越17條斷層破碎帶，承受海底近1兆帕超高水壓。”2018年，經(jīng)現(xiàn)場踏勘確認(rèn)，中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國鐵設(shè)”）汕頭灣海底隧道主管總工程師孟慶余判斷，他們可能闖進(jìn)了鐵路隧道設(shè)計(jì)“禁區(qū)”。

以從南向北開挖的鉆爆段為例，由于要下穿汕頭灣主航道風(fēng)化凹槽，爆破作業(yè)的洞頂上方，弱風(fēng)化完整巖層最薄處僅2.36米！一旦爆破失敗，整條隧道將被海水“吞噬”。

繞避絕無可能，加固圍巖成為最有效的解決辦法。

一種建議是，以地下超前注漿方式對隧道周圍及開挖地層進(jìn)行加固，形成隧道周圈保護(hù)層，應(yīng)對高水壓、多斷層難題；另一種建議是，著眼于施工安全與長遠(yuǎn)運(yùn)營，應(yīng)該做隧道區(qū)域保護(hù)層。

第一種方案，需破解漿液滲入難題；第二種方案，國內(nèi)尚無成熟先例。為確保安全，中國鐵設(shè)團(tuán)隊(duì)頂著壓力對兩種方案進(jìn)行綜合，圍繞一條全新技術(shù)路線的攻關(guān)由此開啟。

工程團(tuán)隊(duì)在主航道上搭建海上注漿平臺，保障通航的同時(shí)，見縫插針“打游擊戰(zhàn)”。但是，當(dāng)鉆桿下探至海底百米深處，漿液不僅難以滲入巖層裂隙，還被高壓海水悉數(shù)沖釋。

如何解決？巖體不可改變，只能在工藝上想辦法。工程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新施工方法，在海底巖體周邊先加注一圈快凝膠材料，將其“箍住”后，再將超細(xì)水泥壓進(jìn)巖體，封堵裂隙，變“豆腐渣”般的巖體為堅(jiān)固混凝土。

經(jīng)過數(shù)月作業(yè)，一個(gè)橫向36米寬、縱向45米長的門字型保護(hù)層抵在海底地層最薄處。它猶如一個(gè)可靠的棚子，將破碎巖石與高壓海水擋在外側(cè)。

但是，海水的侵蝕力遠(yuǎn)超孟慶余的設(shè)想。當(dāng)隧道鉆爆至風(fēng)化凹槽處，地下水氯鹽的侵蝕性已達(dá)到最高等級，隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面臨潛在威脅。大家思來想去，決心勇闖“無人區(qū)”，在高鐵海底隧道中首次嘗試使用抗壓強(qiáng)度為C50的混凝土結(jié)構(gòu)。

中國鐵設(shè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合高校開展科研攻關(guān)，從基礎(chǔ)材料入手，調(diào)整混凝土配合比、首創(chuàng)冰水低溫拌合工藝……經(jīng)過數(shù)十次試驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)最終掌握了混凝土不裂的方法與工藝。

2022年8月，汕頭灣海底隧道內(nèi)，第一板C50模筑襯砌澆筑成功。此后，孟慶余帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用內(nèi)外加固方式，讓汕頭灣海底隧道順利穿過海底地層最薄處。

百變盾構(gòu)工藝：掘進(jìn)“三重極限”地質(zhì)段

汕頭灣北岸，灘涂淤泥深厚，入海處淺覆高壓，采用鉆爆法、明挖法作業(yè)，坍塌風(fēng)險(xiǎn)很高，種種工況讓盾構(gòu)掘進(jìn)方案脫穎而出。

施工前半段，盾構(gòu)機(jī)日行近10米，用時(shí)僅4個(gè)月，便完成掘進(jìn)任務(wù)。當(dāng)進(jìn)入海底深處，盾構(gòu)推進(jìn)的速度急轉(zhuǎn)直下，有些段落一天掘進(jìn)不足1米！

先遇孤石陣，再碰軟硬不均地層，最后挑戰(zhàn)“鋼鐵”般硬巖……汕頭灣海底隧道盾構(gòu)段的“三重極限”地質(zhì)段落，讓中國鐵設(shè)汕汕高鐵項(xiàng)目總工程師李為記憶猶新。

100米范圍內(nèi)，3塊巨型孤石擋在盾構(gòu)機(jī)前。硬頂，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；爆破，影響周邊環(huán)境。進(jìn)退維谷之際，同步進(jìn)行的海上注漿作業(yè)給李為帶來啟發(fā)：何不采用鉆爆方式破解孤石困局？

團(tuán)隊(duì)從前端打出多個(gè)鉆頭，“數(shù)箭齊發(fā)”破入巨石。隨著裝入的炸藥輕微發(fā)力，孤石裂成碎石，轟然坍塌，障礙被清除。

大家原以為，穿過孤石陣，盾構(gòu)掘進(jìn)將一帆風(fēng)順。但形態(tài)多樣、軟硬不均的地層讓盾構(gòu)機(jī)再次“受挫”。

問題出在哪？實(shí)際地質(zhì)情況極為復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)無法準(zhǔn)確調(diào)整參數(shù)，難以操控掘進(jìn)姿態(tài)。加密實(shí)地勘探、匯總地質(zhì)數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)畫像地層……慢工出細(xì)活，在團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，盾構(gòu)機(jī)順利貫通軟硬不均地層。

就在大家認(rèn)為黎明即將到來時(shí)，沒想到，最后幾百米的盾構(gòu)“路”卻是最難走的。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至全斷面硬巖段落，掌子面頻繁轉(zhuǎn)入風(fēng)化槽及節(jié)理密集帶地層，堅(jiān)不可摧的刀具被異常掰斷，潰口磨耗越來越大。屋漏偏逢連夜雨，在這強(qiáng)度高達(dá)200兆帕的硬巖中，又遭遇突發(fā)掉落大石塊，讓向前掘進(jìn)的道路雪上加霜。

必須穿過這500余米長的硬巖段！“那段時(shí)間，大家都很焦慮，失眠成了常態(tài)。”李為回憶。

工程團(tuán)隊(duì)聯(lián)合行業(yè)專家，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研、論證后，想出一個(gè)妙招——“變大口吞咽為小口啃食”。依據(jù)這一思路，團(tuán)隊(duì)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工改造——增設(shè)滾動(dòng)檢測系統(tǒng)、加密刀具數(shù)量，讓盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)扎穩(wěn)打，一步一步向前推進(jìn)。

硬巖層被逐步“啃食”，但盾構(gòu)機(jī)磨損消耗極大，“趴窩”風(fēng)險(xiǎn)增加。工程團(tuán)隊(duì)再次調(diào)整掘進(jìn)策略，通過精細(xì)化維修保養(yǎng)與監(jiān)測，確保盾構(gòu)機(jī)在海底有效掘進(jìn)。

3月26日，歷時(shí)900多天，盾構(gòu)施工法隧道與鉆爆施工法隧道最終勝利會(huì)師。14.57米的開挖直徑，也讓汕頭灣海底隧道成為當(dāng)前世界直徑最大的鐵路海底隧道。

練就科技“絕活”：抵抗活動(dòng)斷層強(qiáng)蠕動(dòng)

汕頭灣海底隧道時(shí)刻承受著來自斷層運(yùn)動(dòng)和周圍海水的擠壓，隧道運(yùn)營安全面臨挑戰(zhàn)。

當(dāng)?shù)弥５姿淼酪?度震區(qū)穿越多條斷層破碎帶時(shí)，中國鐵設(shè)汕頭灣海底隧道設(shè)計(jì)工程師霍飛“壓力巨大”。“如此復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造國內(nèi)外鮮有耳聞，一旦隧道發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞或大錯(cuò)臺，海水將瞬間涌入，直接威脅高鐵通行安全。”霍飛說。

什么方法能讓汕頭灣海底隧道不受斷層蠕動(dòng)影響而屹立百年？

傳統(tǒng)隧道會(huì)在盾構(gòu)管片處預(yù)留縫隙，依靠接縫防水設(shè)計(jì)抵御高壓滲透。但是汕頭灣海底隧道承受的最高水壓達(dá)0.985兆帕，海水在此強(qiáng)壓力下，可形成高達(dá)98.5米的水柱。只做接縫防水無法確保萬無一失，其他抗震防斷層的舉措必須跟上。

2020年6月的一天，正在進(jìn)行抗震調(diào)研的霍飛，被一處嵌在建筑承重結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)間的隔震支座所吸引。這種既能在豎向承受建筑物重量又能在橫向自由變形的橡膠結(jié)構(gòu)，瞬間打開了他的思路。

何不效仿隔震支座，給汕頭灣海底隧道裹一層隔震抗震的“軟硬層”！

橡膠、泡沫、混凝土……各類韌性強(qiáng)、抗壓性好的材料輪番上陣測試。通過層層篩選，既能在日常抵抗海水壓力，又能在突發(fā)地震時(shí)吸收地震能量的柔性隔震材料被找到。

3個(gè)月后，當(dāng)隧道掘進(jìn)至F9斷層處，疲勞測試在實(shí)驗(yàn)室同步開展。安裝在隧道外層的柔性隔震材料，在模擬地震載荷與真實(shí)高水壓環(huán)境中，經(jīng)受住了一動(dòng)一靜的極限施壓，始終保持良好的隔震性能，順利通過測試。

與此同時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)入海前，安裝在管片接縫處的密封墊，也在伺服液壓裝置上接受了多次震動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)考驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“震中不漏、震后不滲”的既定目標(biāo)。

當(dāng)前，柔性隔震層、密封墊被廣泛應(yīng)用在汕頭灣海底隧道中，它們已成為隧道抵抗地震斷層蠕動(dòng)和超高水壓威脅，實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”必不可少的科技“絕活”。

“汕汕高鐵是我國‘八縱八橫’高鐵網(wǎng)主通道之‘沿海通道’的重要組成部分，正式開通運(yùn)營后，時(shí)速350公里的高鐵百秒即可跨越汕頭灣。”展望未來，李為信心滿滿，“我們將繼續(xù)攻堅(jiān)克難，錨定鐵路科技創(chuàng)新，努力在更多復(fù)雜地質(zhì)條件下書寫工程建設(shè)傳奇。”

【記者手記】

在粵東大地書寫關(guān)鍵“一撇”

南海東北部，汕頭灣海域，海天寥廓。

海面之上，碧波蕩漾，海風(fēng)輕拂。海面之下，是汕汕高鐵汕頭灣海底隧道完成的一場為期4年多的“穿越之旅”。

汕頭灣海底隧道是呈東北至西南走向的海底隧道，不單是中國高鐵技術(shù)向海洋延伸的里程碑，更是改寫粵東地區(qū)交通格局，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)注入強(qiáng)勁動(dòng)能的關(guān)鍵“一撇”。

這“一撇”，成功突破世界級技術(shù)難題，首創(chuàng)“單洞雙線”高鐵海底隧道模式，填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空白，為全球建設(shè)高鐵海底隧道提供“中國方案”。

這“一撇”，徹底打通粵東高鐵“卡脖子”路段，使汕汕鐵路運(yùn)能從日均24對提升至50對以上，推動(dòng)粵東地區(qū)全面融入粵港澳大灣區(qū)“1.5小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”。

這“一撇”，激活了汕頭“三新兩特一大”產(chǎn)業(yè)集群，加速臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)、六合產(chǎn)業(yè)園等平臺建設(shè)，推動(dòng)新能源、新材料產(chǎn)業(yè)與大灣區(qū)深度聯(lián)動(dòng)。

汕頭灣海底隧道不僅是中國基建從“規(guī)模擴(kuò)張”向“技術(shù)引領(lǐng)”轉(zhuǎn)型的縮影，更是以工程硬實(shí)力支撐區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、服務(wù)“雙循環(huán)”格局的典范。這條穿海“巨龍”，正以中國速度書寫“超級工程”的新時(shí)代傳奇。

采寫：科技日報(bào)記者 何亮

供圖：中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

海報(bào)：楊凱 劉義陽