科技日报记者 孙 瑜
近日，在中铁十四局承建的甬舟铁路金塘海底隧道宁波侧地下64米深处，“甬舟号”盾构机成功穿越海堤，由陆域段进入海域段掘进施工，标志着世界最长海底高铁隧道全面进入穿海之旅。
金塘海底隧道位于宁波与舟山之间，全长16.18公里，首次采用两台盾构机相向掘进、在海底完成对接、在洞内完成盾构机拆解的施工方式。记者在现场采访了解到，项目建设人员创新研制多项技术成果，助力“甬舟号”盾构机向深海掘进。
定制“战袍”武装盾构机全身
盾构机掘进靠一口镶嵌着“铜牙利齿”的刀盘，而软硬复合的地层极易磨损刀盘。“甬舟号”盾构机就面临着如此复杂的地质环境。在穿越过程中，“甬舟号”需要挑战24次软硬地层变换，隧道区域软硬不均及硬岩地层占比近七成，硬岩最高强度近200兆帕。
“针对复杂地层，项目团队为‘甬舟号’盾构机配备了滚刀磨损智能监测系统、超前地质预报系统和超前注浆加固等专用设备。”中铁十四局甬舟铁路项目总机械师董冰告诉记者，多项先进设备使“甬舟号”总装水平达到世界一流。
以刀盘为例。常规盾构机刀盘上的滚刀数量为200多把，而“甬舟号”滚刀数量则多达300把。除了增加滚刀数量，项目团队还研发了滚刀试验平台，使刀盘耐磨性、破岩能力更强。
“滚刀试验平台可以直观看到滚刀破岩机理和状态，从而研究刀具选型、提高其破岩能力和使用寿命。”董冰拿着大小、磨损程度各异的滚刀一边对比一边说，项目团队和滚刀供应商一起调整设计，为“甬舟号”配上最锋利的牙齿。
“甬舟号”盾构机还加装了“火眼金睛”和“顺风耳”。滚刀磨损智能监测系统像一双锐利的眼睛，实时监测刀盘工作状态和刀具磨损情况，并根据监测数据预测刀具磨损程度。超前地质预报系统则如同灵敏的耳朵，利用盾构机破岩产生的震动信号作为震源，精准探测前方50至100米范围内的地质情况。
数字盾构保障掘进安全
中铁十四局“甬舟号”盾构机机长张嘎坐在金塘海底隧道地面智慧中心操控台前。他眼前是一块覆盖整面墙的电子屏幕，上面清晰地展示着盾构机的三维模型，各项参数一目了然。当他按下控制台上的启动键，位于地下64米处的“甬舟号”盾构机刀盘开始转动起来。
“以前在狭小、封闭的盾构机空间里工作，现在有了远程驾驶系统，工作环境变得安全又舒适。”张嘎说。
这得益于项目团队构建的数字盾构系统。它使技术人员在地面就可以操控盾构机，并对注浆、刀具磨损情况等信息进行实时监控和自动预警。
张嘎介绍，数字盾构系统每秒钟都会接收来自“甬舟号”盾构机掘进关键参数，系统会根据设定的预警值自动分析，实现智能预警判别。操作人员还可以通过现场布设的视频监控，配合洞内人员定位系统，利用远程警告功能和应急指挥调度功能，实现对施工过程的无死角安全管控。
值得一提的是，远程驾驶技术为恶劣环境及应急模式下盾构掘进施工提供了技术支撑。“当遇到紧急情况时，工作人员在地面上就可以操控盾构机，保障人员和设备安全。”张嘎说。
饱和潜水实现高压换刀
随着“甬舟号”开启“穿海之旅”，超大直径盾构海底地中对接全过程成套工艺工法研究也正紧锣密鼓进行。其中一项关键技术即饱和潜水。
金塘海底隧道海域盾构段长11.21公里，最大埋深78米。“盾构机将在海底施工3年，需要人工在70米深海底极其频繁地进行高压换刀作业。当盾构机掌子面水土压力超过600千帕，换刀时需采用饱和潜水技术。”中铁十四局甬舟铁路项目工程师胡浩说。
在常规潜水中，潜水员在50米水深下只能连续工作半个小时，作业时间远不能满足盾构机维修和换刀需求。而饱和潜水通过创造特定环境和条件，使潜水员体内各组织体液中溶解的惰性气体达到完全饱和，潜水员可以在高压下停留28天。待作业完成后，潜水员进行一次减压，即可返回地面正常生活。
“这需要建造一个生活舱，向舱内加压形成高压环境，潜水员在舱里呼吸的气体为氦气和氧气的混合气体。”胡浩说，启动饱和潜水工作时，他们将潜水员所在生活舱运输到盾构机掌子面处进行对接，过程如航天器“太空对接”一般。
围绕金塘海底隧道建设，项目设立了“复杂地层海域环境下同步注浆性能提升设计研究”等十大科研课题，围绕专项技术首创智能化工装10余套，优化工法20余项，目前已完成质量控制成果14项、论文5篇、专利3项。
