历经12年，“世界级超级工程”汕头海湾隧道今日迎来历史性突破

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◎ 科技日报记者 陈瑜
8 月 7 日上午 8 时 26 分，当盾构接收井中宁静的水面泛起阵阵涟漪，施工现场响起一片片欢呼声，在国家 863 计划的有力支撑下，由中信集团投资，中铁隧道局设计施工总承包的" 世界级挑战性工程 " ——汕头海湾隧道西线宣告正式贯通，也昭示着汕头海湾隧道关键技术获得了全面突破！


" 历经技术与心智煎熬，终于啃下了这块硬骨头，我国的跨江越海隧道建设将迎来新的篇章！" 中铁隧道局总工程师洪开荣自信且豪迈的言语背后，是现场 1560 名建设者 816 个日夜的呕心沥血，更饱含了钱七虎、孙钧、周丰峻、周福霖、王复明、陈湘生等多名院士，以及众多专家、技术人员的无悔付出。


院士工作室揭牌。王冰炎 摄
波涛之下，中铁隧道局、中铁装备、中信重工联合研制的 15.03 米超大直径盾构机，在孤石、基岩、8 度地震烈度区等施工禁区，绘出一道长达 3047.5 米的海底长虹，成功穿越汕头苏埃海湾。
这是一次史无前例的穿越，是一场中国制造的浴火重生，更掀开了世界穿江越海隧道建设的崭新篇章！
一座隧道串起来的百年梦想
汕头地处广东省东部，韩江、练江和榕江三江汇流入海口，风景秀丽，地理位置优越，是古代海上丝绸之路的重要节点，我国东南部的重要对外贸易港口。但限于四面环山，汕头市区成岛状分离，自古以来无法便捷实现各区互通互联。特别是国内唯一一座内陆海湾——苏埃海湾将汕头分割为南北两岸，人们隔湾相望，交通极为不便。


位置示意图
虽然上世纪 90 年代，汕头建成了海湾大桥和礐石大桥，但时至今日仅靠两座桥已远远不能满足通行需求，台风、暴雨季节的封桥禁行，潮人全天候通行南北两岸的梦想始终未曾照进现实。
进入 21 世纪，随着国家经济实力的不断增强和隧道技术的快速进步，潮人自由出行的百年梦想终于迎来了梦圆时刻——汕头海湾隧道工程被提上建设日程。
从 2008 年 5 月广东省交通厅组织 50 名专家进行第一次可行性研究到今年 8 月汕头海湾隧道西线隧道贯通，汕头海湾隧道经历了 12 年之久。
这漫长的 12 年，是中国隧道建设者皓首穷经、苦心孤诣的 12 年。
著名的隧道科学家、我国海底隧道技术的重要奠基者、已故中国工程院院士王梦恕，生前多次参与了汕头海湾隧道的相关研究，直接推动了工程的进展。
" 甚至在恩师生命的最后停留时刻，仍然念念不忘地让我一定要建设好汕头海湾隧道，为我国未来的海峡隧道建设做好技术储备。" 每当想起汕头海湾隧道的点点滴滴，洪开荣脑海中萦绕的始终是恩师王梦恕的谆谆教导。
中国技术挺起中国制造的脊梁
汕头海湾隧道位于海湾大桥和礐石大桥间，隧道全长 6680 米，其中海底隧道段长 3047 米，双向六车道，设计时速 60 公里，海底段采用 2 台直径分别为 15.01 米和 15.03 米的超大直径盾构机施工。


位置示意图
汕头海湾隧道是国内最大直径越海盾构隧道，也是国内首条在 8 度地震烈度区建设的海底隧道，综合难度是同类工程的顶峰，可以用 " 大 "" 浅 "" 高 "" 硬 "" 险 " 五个字概括：
" 大 " 是指盾构机直径达 15.03 米，属于超大直径；" 高 " 是指地处高地震烈度区，达到 8 度；" 硬 " 是指岸上段孤石和海中基岩段，岩石强度高达 216MPa；" 浅 " 是指盾构机上方覆盖层厚度薄，在始发地段隧道上覆土体仅为 8.2 米；" 险 " 是指海湾隧道处于高度软硬不均地层，海底软土稳定性极差，施工难度大，安全风险高，特别是盾构机需要穿越的三段长达 182 米基岩凸出段。
" 汕头海湾隧道的难，不仅难在已探知的五项挑战，更体现在层出不穷的未知挑战，无类似工程借鉴。" 中信城市开发运营有限公司董事长聂学群对工程难度有着清醒的认识。
多次到现场调研的中国工程院院士钱七虎、孙钧、周福霖等了解到相关情况后，都称汕头海湾隧道为 " 世界级挑战性工程 "。
围绕汕头海湾隧道建设的种种争论贯穿了工程始终：建桥，还是建海底隧道？是盾构隧道，还是沉管隧道？是进口盾构还是国产盾构？面对海底孤石、基岩，是直接掘进，还是进行预处理……


隧道内场景。王冰炎 摄
特别是在盾构机选择上，无论是广东省交通厅、汕头市政府，还是建设单位中信集团，设计单位湖南省交通规划勘察设计院，施工单位中铁隧道局等，都承担了巨大的压力和风险。
盾构机诞生于国外，以德国海瑞克公司为代表的当今国际著名盾构机制造商，具有丰富的制造业绩。我国虽然在 21 世纪初开启了盾构国产化进程，承担国家 863 项目的中铁隧道局也于 2008 年成功自主研制出我国首台复合式盾构，但此时的国产盾构应用范围有限，而国内制造 15 米级的超大直径盾构尚无先例。
一边是技术成熟的进口盾构，一边是正在成长需要在实践中汲取营养的国产盾构，面对汕头海湾隧道这样的 " 世界级挑战性工程 "，选择进口盾构无疑能降低风险，这种方案在专家技术人员里面也占据了主流。
作为国家 863 重大科技项目—— " 超大直径泥水盾构关键技术研究和应用 " 的带头人洪开荣的心中始终有一个振兴民族工业的梦想：" 盾构机作为一种高端复杂设备，是‘大国重器’代表之一，是一个国家科研水平、工业制造水平和综合国力的重要体现，国产盾构经过几十年的追赶，取得了飞跃的发展。但国产盾构仍有许多空白需要填补，其中一个重要原因就是，许多人都倾向于选择成熟的进口盾构，而不愿承担国产盾构应用过程中所带来的风险，以至于国产盾构错失了很多成长机会。"
最终在洪开荣技术团队的坚持下，" 一中一外 " 两台盾构同场竞技的方案被确认，国产盾构第一次迈进 15 米级超大直径领域。
作为这台国产盾构制造商，中铁装备的副总经理王杜娟的心里别有一番感受：" 国产盾构用几十年走过了发达国家近两百年的历程，汕头海湾隧道是时代赐予我们的舞台，我们要做的就是无愧于这个舞台、无愧于这个时代。"
2018 年 4 月，进口盾构从汕头海湾隧道南岸始发，历时 736 天，穿越苏埃海湾，于 2020 年 5 月成功抵达北岸。
2018 年 10 月，国产盾构亦从汕头海湾隧道南岸启航，历时 660 天，穿越苏埃海湾，于 2020 年 8 月成功抵达北岸。


汕头海湾隧道南岸施工。
国产盾构和进口盾构先后始发、同向掘进、同台竞技，在苏埃海湾 20 余米的水下，共同演奏了惊艳世界的壮美音符。
创新成就海底隧道建设名片
盾构机是建设隧道的利器，前方刀盘上分布了几十、上百把刀具，相当于人的牙齿，通过刀盘的旋转，刀具切削磨碎前方的障碍物，实现不停地向前推进。而刀盘刀具结泥饼是制约盾构机在粘性地层高效掘进施工的难题。
遇到软土粘性地层，刀盘刀具容易结泥，在遭遇极硬的岩层时，又易出现刀具异常磨损破坏等情况。海底隧道通常都会遭遇软硬不均地层，两种情况同时存在、此起彼伏。


施工人员在操作盾构机。王冰炎 摄
为更有效应对超强硬岩，中铁隧道局进行了一系列创新，如采用重型滚刀并且加宽刀刃厚度、升级刀圈的梯度硬度设计、常压滚刀防后退监测装置、常压滚刀刀具安装优化创新、刀具螺栓强制防松等，并形成了刀具运行状态智能监测融合掘进参数评价的理论与关键技术，实现了刀具可感可知可换。据统计，汕头海湾隧道东线盾构海域 182 米基岩凸起段掘进共计换刀 225 次，平均每掘进 1 米需要更换刀具 2.5 次。
每一项技术革新，既离不开施工现场的技术攻关，也离不开后方科研团队的潜心研究。中铁隧道局汕头海湾隧道项目党工委书记陈广江回忆道：" 我们依托国内唯一的盾构及掘进技术国家重点实验室，随时将现场采集的地层标本送到郑州进行检测，每一块漂洋过海上千里的石头，最终都化成了盾构机向前掘进的针对性参数、刀具设计和防护措施。"
在汕头海湾隧道这个世界级挑战性工程的舞台上，多项前沿研究交叉汇聚：中铁隧道局与广州大学、西南交通大学共同进行高烈度地震区海底超大直径盾构隧道地震响应规律及抗震技术研究；与中铁装备共同开展盾构机设计制造专题研究；与中南大学共同研究海底单管特长隧道防火关键技术；与盾构及掘进技术国家重点实验室、同济大学进行土 - 岩 - 孤石混合地层超大直径盾构装备及施工关键技术研究……
汕头市苏埃通道建设投资有限公司总经理孔少波将工程的成功推进归结于创新与科技：" 汕头海湾隧道既是一项超级工程，也是一座学校、一所实验室，各行业的大咖群星荟萃，多领域的前沿成果不断碰撞融合，为我国未来的长距离深埋海峡隧道奠定了技术基础。"
开启跨江越海时代的新篇章
汕头海湾隧道跨海隧道段处于海中主航道下方，有三段基岩凸起，长度约 182 米，凸起的基岩强度达到 216Mpa，面对超高强度基岩，许多专家认为不能直接掘进，应进行预处理。
洪开荣带领的技术团队依托盾构及掘进技术国家重点实验室进行了一系列破岩试验，坚持盾构直接掘进。


王冰炎 摄
从 2019 年 7 月 8 日到 2020 年 2 月 5 日，在对刀具、刀筒等进行针对性的大胆革新后，历时 156 天，最终安全顺利通过基岩凸起段，开创了国内采用盾构机直接通过基岩的先例。
行业内不少人起初对盾构机直接通过的方案持怀疑观点，随着时间的推移，盾构机一米一米的向前，怀疑声逐渐被肯定和赞叹取代，并吸引了大量的调研观摩团队。看着成型的隧道摆在眼前，观摩团惊叹不已：" 你们抢先拿到了建设海峡隧道的门票！"
面对眼前已经贯通的汕头海湾隧道，对于以前的执着或者说固执，洪开荣才揭开了谜底：" 三大海峡通道是无数国人的期盼，也是中国隧道界的‘珠峰’，其工程地质、水文地质及环境条件更为复杂，我们必须超前探索、进行技术储备。"
中国工程院院士周福霖评价道：" 汕头海湾隧道海底段只有 3047 米，长度虽不算长，但这是一个里程碑式的工程，建设过程中形成的高烈度地区隧道建造体系，对未来中国隧道建设、世界隧道建设将起到一个示范作用，对我国未来开工建设的琼州海峡隧道、渤海海峡隧道、台湾海峡隧道等具有重要的指导意义。"
来源：科技日报