3 年研发首秀,中国“海底空间站”成功应用

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2 月 8 日消息,据中国铁建微信公众号消息,中国“海底空间站”成功应用。

2 月 6 日上午,世界最长海底高铁隧道迎来新进展,历经 22 天作业,国产首台盾构饱和带压进仓设备“深海空间站”,在中铁十四局承建的甬舟铁路金塘海底隧道宁波侧完成“首秀”,成功实施 75 米深高压环境盾构进仓作业,累计换刀 46 把,标志着我国自主研发盾构饱和带压进仓技术成功应用,突破了 60 米的安全作业深度限制,并持续下探至 75 米。

据了解,全长 16.18 公里的金塘海底隧道是甬舟铁路的控制性工程,其中海底盾构段长 11.21 公里,两台超大直径盾构机从宁波与舟山两侧相向掘进,历经 28 次软硬地层变化,最终在海底实现精准对接。

金塘海底隧道地质剖面图

宁波侧出发的“甬舟号”盾构机,面临的是名副其实的“极限工况”。隧道需 24 次穿越软硬交替的复杂地层,不良地层占比近七成。其中硬岩强度最高达 191 兆帕,相当于普通混凝土的 6 倍以上。同时,隧道最大埋深 78 米,面对的最高水土压力达 8.5 巴。

量身定制的超大直径盾构机“甬舟号”

为应对复杂地层,“甬舟号”盾构机采用的带压复合刀盘,装备了 308 把刀具,其中破岩主力滚刀较常规配置增加 30%。

然而,高强度破岩也带来了刀具的频繁磨损,需要人工进入盾构机前端开展带压“换牙手术”,截至目前已累计换刀 2900 余把。然而,随着盾构作业向海底深入,换刀也遇到了无法解决的难题。

在盾构施工领域,进入盾构机前端“带压进仓”作业,一直是风险最高、技术最复杂的环节之一,为了保证隧道掘进面的稳定,就要通过压缩空气来抵抗巨大的水土压力,换言之,如果在 20 米的海底换刀,就要面临头顶 20 米海水同等压力的大气压。

但,压力不能一直增大,传统方法常常采用普通空气潜水技术,根据国内现行的规范与标准,其安全作业深度被限制在 60 米以内。

“甬舟号”盾构机施工现场

此外,在高压下,作业人员每天有效工作时间最长仅约 40 分钟,而减压时间却需 4 小时以上,不仅有效作业时间短,还需要频繁的加压、减压,作业人员面临的氮麻醉、氧中毒等风险急剧升高,还可能会患上减压病。对于需要频繁带压换刀的金塘隧道深海段而言,常规方式已完全无法满足需求。

面对施工难题,中铁十四局、交通运输部上海打捞局历时 3 年,联合研发出盾构饱和带压进仓技术,打造出国产首台盾构饱和带压进仓设备“深海空间站”。

国产首台盾构饱和带压进仓设备 —— 深海空间站

该技术将海洋工程领域成熟的饱和潜水技术与盾构隧道施工相融合,让作业人员呼吸特定比例的混合气体,经过一次加压后,体内惰性气体溶解达到“饱和”状态。

此后,在同一深度无论停留一天还是数天,人体吸收的气体总量不再增加,减压所需的总时间也固定不变。

作业人员乘坐“探海舱”前往“甬舟号”

“深海空间站”由宁海(生活)舱、探海(穿梭)舱、镇海(控制)舱等多个模块组成。作业人员居住在与海底同等压力的生活舱内,犹如在海底“住下来”,每天像“太空出舱”一样,乘坐“太空电梯”探海舱到达盾构机前端,进行设备维护和刀具更换,结束后返回宁海舱生活休息,直到任务全部完成,再一次性减压出舱。

当天上午,“深海空间站”顺利完成 75 米深高压环境下的“首秀”,连续作业 22 天,累计完成 46 把刀具更换,为“甬舟号”的顺利掘进提供了坚实保障。

“探海舱”与“甬舟号”盾构机对接现场该技术的压力控制、气体管理、应急保障等核心子系统均实现国产化,最大饱和作业深度可达 100 米,标志着我国在极端复杂深埋隧道带压作业领域,填补了关键装备与技术空白,海底隧道建设能力上升到了新的高度。

9 名作业人员顺利出舱

目前,“甬舟号”盾构机已累计掘进 3000 余米,完成掘进任务超六成,预计今年年底实现海底精准对接。甬舟铁路建成后,将结束舟山不通铁路的历史,有力推动长三角一体化高质量发展。

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