在湍急的长江下50米深处,一个宏伟的工程正在进行: 这就是代表中国当今水下隧道建设的最高水准,被列为国家"863计划"科技示范工程——

南京长江隧道工程逐步破解六大世界技术难题

矫阳 陈云 刘渝

2008年11月17日08:03  来源:人民网-中国央企新闻网

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正在建设中的南京长江隧道。人民网记者陈云摄
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    11月14日,记者乘工地上的电瓶车钻进长江水下的隧道。隧道周围已经被平整的弧形管片砌好,在施工工作面,映入眼帘的是巨型盾构机气势磅礴的作业场面。这样的巨型盾构机分别在左右两个隧道中同时掘进,犹如两条过江的蛟龙。 

  南京长江隧道有限责任公司总经理尚清喜告诉记者,这个隧道盾构直径为14.93米,超过了目前世界上已建成的最大隧道———荷兰格林哈特隧道。 

  南京长江隧道工程创造了特殊不良地质条件下,单线日掘进20米、单月掘进450米的世界水下隧道施工的新纪录。目前隧道工程成洞已近半,全部工程所需的3万多块管片和箱涵的生产任务也已提前完成,具有世界级技术难度的盾构机刀具更换已开始攻关,隧道建设全面进入攻坚阶段。 

  一条巨大的水底长廊

  长江上已建成和正在修建的大桥有60多座,而过江隧道仅有长江入海口的上海和中游的武汉。为改变跨江交通的单一性,构造立体交通运输网,经科学论证,南京市政府决定建设南京过江隧道,此举无疑对保护六朝古都独特的人文景观、生态环保、节约土地资源及长江通航等,都非常有利。 

  2005年3月29日,一条建筑长度3790米、单洞直径近15米的巨大的水底长廊开工建设,这就是南京长江隧道。 

  南京长江隧道工程是迄今为止中国长江流域上工程技术难度最高、挑战性最多的世界级越江隧道工程。隧道整体将在水下60多米深处穿越长江。 

  这座过江通道采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案,工程总长约5853米,按双向6车道城市快速路标准建设,设计行车速度为80公里/小时。工程总投资33.18亿元,设计使用年限为100年。 

  南京长江隧道施工使用的盾构机规模居世界第二,是专门向世界著名盾构机生产厂家之一的德国海瑞克公司“量体裁衣”进行定制的,其开挖直径达14.93米,相当于5层楼高,机组总重约4000吨,总长130多米,最快每小时江底可前进1米。 

  在高水压下进行刀具更换

  南京长江隧道工程建设面临六大世界技术难题。 

  一是直径超大:隧道掘进使用的两台泥水平衡式盾构机直径达14.93米,是当今世界上直径最大的盾构机之一。 

  二是水压最高:隧道最低点位于长江水面以下60多米深处,水土压力高达6.5公斤/平方厘米,居同类隧道之最。有专家形象比喻说:“这也就是指甲盖大的面积承受6.5公斤的压力,可想而知隧道承受的水压和砂砾层压力非常巨大。” 

  三是地质复杂:隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等,且复合地层占隧道全长的40%%多,地质情况极为复杂。 

  四是透水性强:隧道穿越的砾砂、卵石地层透水系数是黏土层的数千倍,且强透水层占总掘进长度的85%%以上,国内外罕见。 

  五是覆土超薄:盾构始发超浅埋段覆土厚度仅5.5米、江中主航道局部段覆土厚度不足12米,低于一般盾构隧道埋深,构成高风险超浅埋段。 

  六是掘进距离长:15米级的超大直径盾构掘进距离长达3公里多,在石英含量高的砂层中盾构机刀具磨损系数是软土地层中的10倍以上,刀具磨损严重后在高达6.5公斤/平方厘米的高压下更换刀具是一项极具挑战性的世界级难题。 

  为建设这一世界级工程,南京长江隧道公司和担负施工任务的中国铁建十四局集团公司先后投入了3000多万元科研经费,通过科研开发和组织科技攻关,化解设计和施工风险,目前已攻克了隧道的四大尖端技术难题,化解了近30项重大技术风险点。工程被列为国家“863”计划科技示范工程,“超大直径盾构越江隧道建造关键技术研发”被立项列入江苏省2007年科技支撑计划。 

  目前,他们正在攻克高水压下实现盾构机刀具更换的技术难题。 

  刀具为何要更换?据介绍,长江江底地质条件复杂,除了软土层、沙土层以外,还有砂砾卵石层。盾构机掘进至砂砾卵石复合地层后,盾构机刀具发生较大磨损。 

  为确保在今后的复合地层掘进施工中保持盾构机的良好性能,需对当前磨损的刀具优化改进,并需进入盾构前端高压仓内进行更换修复。 

  技术员告诉记者,“修复作业中进舱和出舱原理与神舟7号进出舱作业原理基本相同,顺序正好相反”。 

  目前国内技术人员最高也仅在4.3公斤/平方厘米的压力环境下实行过刀具更换和修复,而南京长江隧道需在水压达6公斤/平方厘米下作业,国内还没有先例,国外也鲜见。因此,施工单位先后召开多次专家会,制定修复方案,并从德国聘请了世界知名潜水公司德国北海26名潜水员实施水下高压作业,目前换刀及修复工作已经全面展开。 

  隧道设计更加安全可靠

  在这么深的水下穿越,其安全性怎么保障?担负设计任务的中国铁建第四勘察设计院集团南京长江隧道设计总体告诉记者,南京长江隧道与其他隧道相比,更加安全可靠。 

  本工程隧道施工全过程以及运营阶段隧道结构必将承受较大的外部荷载,除施工条件困难外,隧道主体结构体系复杂、未知因素多,在国内尚无同类水下隧道的结构设计先例。为了确保在施工期间的安全性,联合西南交大开展了超大断面衬砌结构力学特征原型试验研究,不仅将保证本工程的施工和运营安全,而且对今后越江跨海盾构隧道工程提供重要参考,对提高我国盾构隧道建设总体应用技术水平也有着重大的意义。本课题被列入国家“863”计划。 

  为保证运营安全,隧道设计了完善的安全设施。如果发生意外,市民可通过逃生滑梯来到隧道路面下的通道。隧道每隔80米在一侧路面上都有一个大盖子,发生火灾时,这个盖子就会弹开,然后市民可顺着逃生滑梯来到路面下的通道。这个设计主要是考虑到隧道内发生火灾并产生大量烟雾时逃生所用。另外,隧道内还将安装水喷雾头、加强照明灯、车道信号灯、扬声器、监控摄像机、防冲击侧石、路边沟、电缆通道、安全通道等共23种设置,可充分保证行车安全。 

  为提高车道亮度,隧道两侧墙面色彩将采用乳白色的瓷砖贴面,而3.5米高以上墙面及天花板则喷涂黑色耐火涂料,与白色墙面形成强烈的对比。为防止醒目的竖线条会扰乱司机视觉,隧道内线条设计简洁、流畅。 

  管片误差精确到毫米以下

  在水下已经成洞的施工现场,可以看到隧道周围已经被平整的弧形管片砌好。洞内美观整洁、滴水不漏,曾被国内外行业专家一致认可并感到震撼。 

  别小看这一片片弧型的混凝土预制管片,管片生产是盾构隧道质量保证的前提,管片生产精度国际上一般为1毫米,而南京长江隧道管片精度却高达0.5毫米,实际成品测量精度在0.3毫米,是目前为止精度最高的混凝土制件。专家说:“这个精度几乎等于是从车床上精加工出来的一样”。 

  为了把误差控制在毫米以下,项目部在生产过程和施工环节中,严格选料并按比例精确配料,严格工序自验、复验和审验程序,严格工艺程序和工作流程,严格拆、清模时间和养护,保证了管片质量抗渗、防裂,面层光洁,块块是精品,环环为优良,全过程创优。 

  “混凝土预制件的钢筋笼一般都是用铁丝帮扎,而我们为了确保钢筋笼在起吊过程中不变形,对每个钢筋笼1900个连接点实行焊接。这样保证了钢筋笼‘结结实实’,为管片质量打下了基础。”中国铁建中铁十四局管片厂项目部负责人告诉记者。“混凝土浇筑前,每个模板都要用千分尺进行12个点位的测量,有时候要经过测量、调整、再测量七八遍程序;模板内都要用软布擦得干干净净,连个沙粒都不能留下。” 

  11月13日,南京长江隧道所需的30430片管片提前48天全部生产完成,合格率100%%,且创造了在生产过程中没有一片废品的世界纪录,被德国专家誉为“我见过的世界上最完美的管片”。 

  从已经完成的工程看,南京长江隧道这一世界级工程进展顺利,各项难题正逐一破解。国际岩石力学学会前副主席、中国工程院首届院士、南京长江隧道工程专家委员会主任钱七虎告诉记者,南京长江隧道的建设将要克服一系列的世界级技术难题,也会为今后中国穿越大江大河的高水压、复杂地质条件下的隧道建设提供成功范例。

  (人民网南京11月16日电)
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(责编:陈云)
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