首次穿越地上悬河 开启人类新的历史 济南黄河隧道工程运用多项施工新技术,破解诸多难题
“万里黄河第一隧”是我国在建最大直径公轨合建盾构隧道,“第一”的名头背后是外人无法了解的种种困难。工程建设者们是如何克服困难,实现人类开发利用黄河的这一壮举的?
首穿地上“悬河” 济南黄河隧道工程位于济南城市中轴线上,南接主城区济泺路,北连新旧动能转换先行区。工程线路全长4760米,隧道长3890米,其中盾构段长2519米,设计为双管双层,市政道路与轨道交通合建,上层为双向六车道公路,下层为轨道交通。隧道管片外径15.2米,是目前黄河流域最大直径的隧道,也是目前国内在建最大直径的公轨合建盾构隧道。该工程为EPC(设计、采购、施工总承包)模式,建设单位为济南城市建设集团,监理单位为上海市市政工程管理公司,由中铁十四局牵头,联合铁四院、黄河设计公司组成EPC总包联合体。
万里黄河自流入河南开始形成地上“悬河”。到达济南泺口段,河床高出南岸城区地面5米,最大洪水位高出河床11.62米,是一条罕见的、水量巨大的地上“悬河”。
2019年9月开始,由济南城市建设集团和中铁十四局集团联合打造的“黄河号”和“泰山号”两台超大直径泥水平衡盾构机先后始发掘进,首次开启人类历史上对地上“悬河”的伟大穿越。
每一台盾构机长166米,总重4000吨,装机总功率8688千瓦,最大推力199504千牛。刀盘开挖直径15.76米,相当于5层楼高,刀盘主驱动的核心有14个变频电机,总功率4900千瓦。隧道最低点位于河床下54米,最大水土压力6.5巴,相当于一个人手掌大小的面积上承受两个成年男子的重量。
长距离、大断面穿越地上悬河,施工难度大,风险高,这必将成为人类开发利用黄河的又一壮举。如何建设一条从繁华都市穿越悬河的隧道?
以全国勘察设计大师、中国铁建首席专家、铁四院副总工程师肖明清为核心的铁四院设计团队,提出了双道防淹门解决方案,以实现全方位有效封堵,保护城市安全。
为拓展城市空间,济南黄河隧道设计为城市市政道路和轨道交通合建方案,实现隧道空间最大利用率。怎么解决工程面临的公轨合建、断面布置紧凑难题?
铁四院隧道专业高级工程师何应道介绍,“万里黄河第一隧”设计为双管双层公轨合建盾构隧道,上层为公路双向6车道,下层为轨道交通以及排烟通道、管廊和逃生通道,实现一次穿越黄河的利用率最大化,极大降低了对环境的影响。为保证道路及地铁的通行限界需要,铁四院研发了高度可调节预制箱涵,较常规方案,可减小隧道内径20厘米,不仅直接节约工程造价,而且最大限度利用了空间,节约使用土地资源。
水下这么深,公路和轨道合建,遇到突发事件,救援如何保障?
“济南黄河隧道工程内设置了消火栓、水喷雾、灭火器、广播、紧急电话、视频监控、设备监控等完备的防灾救援设施,通过中央计算机形成有机系统,如遇突发状况,可实现上层道路6分钟完成疏散,下层地铁区间30分钟完成疏散。”何应道说。
经过设计、施工、监理单位和数千名员工的艰苦努力,东线隧道于2020年10月30日率先贯通,西线隧道随后贯通。
连克多重“夹击”
在济南黄河隧道掘进中,大断面、长距离、浅覆土、深基坑、高水压,这五项技术难题先后被中铁十四局大盾构建设者一一攻克。
但是地下领域的探索永远充满了未知,济南黄河隧道地质情况的复杂多变一度令他们伤透了脑筋。
“最大的难题是钙质结核和粉质黏土不规则分布,甚至是交叉出现,造成了盾构机在掘进中刀齿崩断、卡泵、滞排、废浆量大等。”中铁十四局项目总工程师杜昌言说,掘进中遇到的岩石强度普遍达到45兆帕,最大为90兆帕,相当于高铁桥墩钢筋混凝土强度的两倍还多。最困难的一次26个小时只掘进了2米,取出58块坚硬的岩石。
他还介绍,大块钙质结核堵塞格栅,造成了泥水循环系统排浆困难,严重时导致停机、管道被磨穿等问题。
在盾构机上设计加装了采石箱,改用新型成型管道,将进、出桨管道倒换使用,提前在易磨管道位置焊接钢板加厚“补丁”,来应对坚硬岩石的碰撞。
科学绿色施工
在济南黄河隧道工程施工现场,除了最智能最先进的盾构机,还处处可以感受到大数据、BIM、物联网技术、信息技术等对这一超级工程的强大支撑。
项目负责人历朋林介绍,工程技术人员改造优化了世界最先进超大直径盾构机,成功克服了施工中遇到的大粒径钙质结核、高黏性地层等问题,实现了盾构管片和箱涵的高精度预制和拼装,开展了“超大直径泥水盾构废弃泥浆环保处理及资源化关键技术”“高粘粒地层超大直径泥水盾构防结泥饼技术”等12项科研课题攻关,形成了一整套针对黄河隧道地层特点的施工关键技术。
建设了国内第一条15米以上管片智能化自动化生产线,所有管片和箱涵实现了预制生产全过程监控、二维码“身份”信息验证、质量终身可追溯,保证了产品质量。研发了管片抹面机器人、管片3D智能检测系统,通过设备维保“领值系统”加强盾构机定期维保养护,设备优良率保持在96%以上,确保了施工安全。
工程临近一级水源地鹊山水库,项目部按照“标准高、形象好、工厂化”的总体思路坚持生态优先,科学绿色施工,泥浆重复循环使用,做到了零排放。
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