“黑科技”解決“向下”難題

廖君

1864年，凡爾納在他的科幻小說《地心游記》里，用各種巧妙的辦法解決了人類在探索地下世界時遇到的光線、通風、清除障礙物等一系列困難。

100多年后，人類對地下世界的探索和利用已經到了凡爾納所無法想象的深度和可能，而伴隨而來的，也是遠非他所能預料的困難。所幸的是，為了使地下世界成為人類生活的一部分，每往下走一米，都有“黑科技”應運而生。

“亞洲最復雜地下綜合體”施工有多難

地處武漢市中心的光谷廣場轉盤，一度曾是武漢市聞名的堵點之一，平時日均通行車輛約15萬輛，“轉不動”已成家常便飯，常常陷入“堵死”模式。

為徹底根治擁堵頑疾，2014年12月，光谷廣場綜合體開工建設，這個綜合體集軌道交通、市政隧道、地下公共空間于一體，匯集了3條地鐵線和2條市政公路，地下分三層，最大埋深34米，總建筑面積約16萬平方米。

武漢地鐵集團總工辦侯云亮說，光谷綜合體工程設計為地下三層和一個夾層：地下一層為地鐵站廳及公共空間；魯磨路公路隧道位于地下一層上方的夾層；地下二層為地鐵2號線南延線區(qū)間、珞喻路公路隧道；地下三層則是地鐵11號線的站臺。

光谷廣場綜合體被稱為“亞洲最復雜地下綜合體”，在這個地下空間，地鐵站、地鐵隧道、公路隧道分為三層并存，互不干擾。建成后將有16個出入口可以與地面連通。

光谷綜合體總體設計負責人周兵說，建設單位武漢地鐵集團和中鐵十一局集團、鐵四院等參建各方在施工中大膽進行工藝工法的創(chuàng)新，并且在施工技術方面填補了國內空白。

在爆破工藝方面，考慮到光谷綜合體混凝土臨時結構支撐梁布局形式復雜，凈空高，拆除方量大和難度大，傳統(tǒng)的拆除方式不能滿足現(xiàn)場工期等要求，項目部經過反復比較論證，首次探索創(chuàng)新采用微差延期起爆技術，采用毫秒級雙雷管傳爆，不僅節(jié)約工期6個月，而且確保了圓盤區(qū)周邊建筑和往來行人車輛的“安然無恙”。

中國工程院土木、水利與建筑工程學部主任周福霖院士評價此工藝“填補國內相關領域的空白”。

江下行走的盾構機神器

同樣是在武漢，還有另一項地下的“超級工程”。62年前，橫跨長江兩岸的武漢長江大橋，實現(xiàn)了上層走汽車、下層跑火車。一個甲子之后，在下游的長江江底深處，武漢長江公鐵隧道又成為世人關注的焦點。

武漢長江公鐵隧道是公鐵兩用隧道，通過在隧道內建設內襯結構，實現(xiàn)地鐵與汽車的分離運行。

“三陽號”和“開泰號”這兩臺盾構機負責承擔隧道內的掘進重任。這兩臺“巨無霸”僅刀盤就重約595噸，刀具共有361把，分為滾刀、齒刀、刮刀、先行刀、中心刀等類型，功用類似人的磨牙、切牙、尖牙等，在掘進時對地層進行“磨、切、削”。

“做完這條隧道再回頭看以前的越江工程，就相當于小學測驗和高考的區(qū)別?！蔽錆h地鐵集團二級項目經理倪正茂說。

他說，盾構機始發(fā)不久，就遇到復雜地質狀況：在長約1360米的江底，同時分布著強度極高的礫巖和黏性極大的泥巖，兩者如同“鉆石層”和“年糕團”，一方面快速磨損盾構機的刀具，另一方面又結成泥餅貼在刀盤上，大大增加了盾構機地下切割的難度。

項目部負責人說，從2016年4月盾構機始發(fā)到現(xiàn)在，兩年時間里，共有4000多把各式刀具被更換下來，換刀總次數(shù)接近300次?！斑@也是無法想象的事情！一般的越江盾構工程只需要換3次刀就足夠了，我們這次卻接近別人的100倍?！蹦哒f。

工程人員查閱文獻資料，發(fā)現(xiàn)全球范圍內沒有可參考的經驗。武漢地鐵集團請來中國科學院院士孫鈞，中國工程院院士錢七虎、陳湘生等國內外盾構領域的名家組成團隊進行攻關。

2017年8月6日午夜，經過兩個月改造的盾構機開始復推，當天掘進距離即達到4環(huán)8米。大家擊掌相慶，吃下了幾個月以來最香的一頓飯。

如今，中鐵裝備在全球擁有全尺寸和全系列盾構機，可根據(jù)客戶需求量身定制，應對各種復雜的應用環(huán)境。

生命之風

在先進科技和現(xiàn)代建筑工程技術等的加持下，不少美國高校注重向地下拓展空間。美國明尼蘇達大學地下空間中心是地下公共建筑設計的杰出案例，也是解決地下照明和幽閉心理情況的良好示范。

當陽光、通風、溫度都不是問題后，另一個人類需要面對的問題是，地下世界如何防水防火，一旦發(fā)生危險，又如何從地下逃生？中國港珠澳大橋的建設經驗也許能有助于解決這些難題。

天上有飛機，海上有輪船，夾在中間的港珠澳大橋如何才不會影響鄰近香港國際機場航線的飛行安全，又能滿足伶仃洋航道30萬噸輪船通航的需要呢？

港珠澳大橋設計團隊提出一個極富創(chuàng)造力的方案：建造東西兩個人工島，修建一段海底隧道，將隧道與大橋連接起來。這條世界最長的海底沉管隧道由33個巨型沉管組成，每節(jié)管道長180米，單節(jié)重約8萬噸，沉入海底40多米。

在港珠澳大橋之前，全世界已經建成了100多條沉管隧道，但全都是貼著海床的淺埋沉管。伶仃洋上，萬噸海船天天駛過，留給港珠澳大橋島隧工程項目總經理、總工程師林鳴的選擇只有一個：深埋。深埋意味著沉管在海底要承受超過淺埋沉管5倍的荷載———無論按照傳統(tǒng)的剛性還是柔性沉管結構設計，沉管的218個接頭有1個承受不了這么大力就是一場巨大的災難。

在反復驗證沉管是剛性還是柔性后，林鳴終于決定采用半剛性。半剛性綜合了剛性和柔性結構的優(yōu)點，強化小管節(jié)之間的連接，進一步控制180米長、由8個小關節(jié)連接而成的大管節(jié)的變形。這一全球首創(chuàng)的結構設計讓港珠澳大橋擁有了世界首條“滴水不漏”的海底隧道。

有研究表明，在隧道內無風的情況下若有大貨車發(fā)生火災事故并燃燒，1分鐘左右煙氣就會蔓延到人的高度，而大貨車隨時會有爆炸的可能，不能迅速逃離的話就會有生命危險。那么處于地下，甚至是海底隧道，該怎么逃？

早在設計之時，這個問題就已經被工程師們考慮在內。港珠澳大橋隧道內鋪設的防火板采用特殊耐火材料制成，外層還涂有黑色耐高溫漆層，能保證在1200℃的燃燒高溫下，隧道結構2小時內不受破壞。

而要防止火災的危險，通風至為關鍵。行車孔通風系統(tǒng)通過風機和隧道內活塞風的作用實現(xiàn)隧道內的通風換氣功能，保證隧道內的行車安全性和舒適性。另外，獨立排煙系統(tǒng)通過排煙道兩側電動排煙口將煙霧集中抽取，進行側向集中排煙，煙霧通過隧道出口側設置的風塔進行排放，是保障人員逃生的“生命通道”。

其中，中國首臺大型軸流風機號稱隧道“生命之風”。它既能對整個隧道進行換氣，又能在火災時進行排煙。

《地心游記》里，主人公們因火山噴發(fā)的力量九死一生地回到地面，結束了他們在地心兩個多月的旅程，“終于體會到光亮”，卻仍然不斷有人質疑他們的行程。今天，隨著科技的發(fā)展，人類往來地上地下已經不需要付出生命的代價，當陽光照耀地下的時候，也不用再擔心，我們的旅程只能停留在想象之中。

（綜合摘編自《環(huán)球》、新華網）