大关注商机网

“黑科技”解决“向下”难题

发布:大关注会员 2020-01-14 11:55:44 分类:科技 浏览:
导读:大关注商机网资讯在线提供,科技「“黑科技”解决“向下”难题」,供科技爱好者免费阅读。本文地址:https://news.daguanzhu.com/cyzd/1373.html

“早晨8点钟醒来,只见一道阳光被上面熔岩壁上的成千个小平面反射下来,发出一片亮光。这亮光足以我看出周围的东西……他一手拿起挂在脖子上的路姆考夫电线,另一手把它接在灯丝上,一道很亮的光照穿了坑道的黑暗……这个巧妙的玩意儿使我们能长久地在人造的光亮中行走……”

1864年,凡尔纳在他的科幻小说《地心游记》里,用各种巧妙的办法解决了人类在探索地下世界时遇到的光线、通风、清除障碍物等一系列困难。

100多年后,人类对地下世界的探索和利用已经到了凡尔纳所无法想象的深度和可能,而伴随而来的,也是远非他所能预料的困难。所幸的是,为了使地下世界成为人类生活的一部分,每往下走一米,都有“黑科技”应运而生。

“亚洲最复杂地下综合体”施工有多难

地处武汉市中心的光谷广场转盘,一度曾是武汉市闻名的堵点之一,平时日均通行车辆约15万辆,“转不动”已成家常便饭,常常陷入“堵死”模式。

为彻底根治拥堵顽疾,2014年12月,光谷广场综合体开工建设,这个综合体集轨道交通、市政隧道、地下公共空间于一体,汇集了3条地铁线和2条市政公路,地下分三层,最大埋深34米,总建筑面积约16万平方米。

作为这个综合体的地上部分,“星河”雕塑是目前国内最大体量钢结构大型公共艺术品。“星河”“脚下”是正在紧张施工的光谷综合体地下工程。武汉地铁集团总工办侯云亮指着综合体的模型图告诉《环球》杂志记者,光谷综合体工程设计为地下三层和一个夹层:地下一层为地铁站厅及公共空间;鲁磨路公路隧道位于地下一层上方的夹层;地下二层为地铁2号线南延线区间、珞喻路公路隧道;地下三层则是地铁11号线的站台。

光谷广场综合体被称为“亚洲最复杂地下综合体”,在这个地下空间,地铁站、地铁隧道、公路隧道分为三层并存,互不干扰。建成后将有16个出入口可以与地面连通。

“综合体工程结构和支撑体系复杂。巧妙地在三层空间内解决‘三线’和‘二隧’五线平衡交会问题。”武汉地铁建设事业总部项目经理胡凯旋向《环球》杂志记者介绍说,“难”和“大”是综合体的两大特点。

他解释说,综合体直径200米,总建筑面积约14.6万平方米,相当于21个标准足球场的面积,是集轨道交通、市政隧道、地下公共空间于一体的超大型综合体工程;基坑平面面积近10万平方米,最大开挖深度34米,相当于在地下空间建起了11层的高楼,整个工程土方开挖量达180万立方米,相当于20个标准地铁站的土方量。

光谷综合体总体设计负责人周兵告诉记者,建设单位武汉地铁集团和中铁十一局集团、铁四院等参建各方在施工中大胆进行工艺工法的创新,并且在施工技术方面填补了国内空白。

周兵举例说,一栋普通住宅的桩基大约是50根,而光谷广场综合体中心圆盘区有近2000根钻孔桩,是普通住宅的40倍,有效地克服了地下破碎带的地质难题。所开挖土方等同于20个普通地铁站,相当于往地下挖了一栋11层高楼,其蝴蝶形的异形深基坑带来极大的安全风险,受力控制难度也成倍增加。

在爆破工艺方面,考虑到光谷综合体混凝土临时结构支撑梁布局形式复杂,净空高,拆除方量大和难度大,传统的拆除方式不能满足现场工期等要求,项目部经过反复比较论证,首次探索创新采用孔内高段位、孔外低段位的微差延期起爆技术,采用毫秒级双雷管传爆,不仅节约工期6个月,而且确保了圆盘区周边建筑和往来行人车辆“安然无恙”。

中国工程院土木、水利与建筑工程学部主任周福霖院士评价此工艺“填补国内相关领域的空白”。

光谷广场综合体投入使用后,3条地铁与2条市政隧道将同时在地下交会,远期客流量将达到40万人次。

江下行走的盾构机神器

同样是在武汉,还有另一项地下的“超级工程”。62年前,横跨长江两岸的武汉长江大桥,实现了上层走汽车、下层跑火车。一个甲子之后,在下游的长江江底深处,武汉长江公铁隧道又成为世人关注的焦点。

武汉长江公铁隧道是公铁两用隧道,通过在隧道内建设内衬结构,实现地铁与汽车的分离运行。

“三阳号”和“开泰号”这两台盾构机负责承担隧道内的掘进重任。这两台“巨无霸”仅刀盘就重约595吨,刀具共有361把,分为滚刀、齿刀、刮刀、先行刀、中心刀等类型,功用类似人的磨牙、切牙、尖牙等,在掘进时对地层进行“磨、切、削”。

“做完这条隧道再回头看以前的越江工程,就相当于小学测验和高考的区别。”武汉地铁集团二级项目经理倪正茂说。

他说,盾构机始发不久,就遇到复杂地质状况:在长约1360米的江底,同时分布着强度极高的砾岩和黏性极大的泥岩,两者如同“钻石层”和“年糕团”,一方面快速磨损盾构机的刀具,另一方面又结成泥饼贴在刀盘上,大大增加了盾构机地下切割的难度。

“钻石层”和“年糕团”分布的断面最宽处超过13米,超过了盾构机八成面积,给施工带来极大的挑战。统计数据显示,从2016年11月开始,盾构机掘进速度由每天8环(16米)快速下降,到2017年6月,曾长时间出现1天仅能掘进1环(2米)的情况。而即便只能往前推进1米,也是每把刀具在刀盘上一天不间断旋转、累计切割了10公里距离后产生的。

项目部负责人说,从2016年4月盾构始发到现在,两年时间里,共有4000多把各式刀具被更换下来,换刀总次数接近300次。“这也是无法想象的事情!一般的越江盾构工程只需要换3次刀就足够了,我们这次却接近别人的100倍。”倪正茂说。

工程人员查阅文献资料,发现全球范围内没有可参考的经验。武汉地铁集团请来中国科学院院士孙钧,中国工程院院士钱七虎、陈湘生等国内外盾构领域的名家组成团队进行攻关。根据专家的建议,施工人员经过反复试验,进行了三项革新:一是调整刀具配置,将刀盘上的刀具由79把增加到131把,使盾构机的“牙齿”切、削、刮、磨更有效;二是向刀盘内加高压气,并添加调配好的化学药剂,减少泥饼生成;三是增加流量加快对刀盘的冲洗。

2017年8月6日午夜,经过两个月改造的盾构机开始复推,当天掘进距离即达到4环8米。大家击掌相庆,吃下了几个月以来最香的一顿饭。

盾构机是集机械、电气、液压、传感、信息、力学、导向研究等技术于一体的高端装备,是开掘隧道、穿山破石的利器。从2008年研制出中国第一台具有自主知识产权的盾构机开始,中铁装备不断创新科技工作体系,相继研发制造国内最大直径硬岩盾构机、世界超大断面矩形盾构机、世界首台马蹄形盾构机、国内最大直径土压平衡盾构机和国内最大直径15.8米泥水平衡盾构机。

如今,中铁装备在全球拥有全尺寸和全系列盾构机,可根据客户需求量身定制,应对各种复杂的应用环境。

2019年9月25日,在莫斯科地铁一处施工地点,随着一瓶香槟酒被打碎,一台中国制造的盾构机启动,开始向前掘进。

在当天举行的盾构机始发仪式上,这台被俄方命名为“叶甫盖宁”号的盾构机正式投入中国铁建股份有限公司(中国铁建)承建的莫斯科地铁第三换乘环线西南段项目最后一条隧道的挖掘施工。它也是中国铁建为莫斯科地铁建设工程制造的5台盾构机之一。

中国铁建莫斯科地铁项目总工程师赵鸿儒说,打通这条隧道大约需要3个月时间。

截至目前,中铁装备已向国际市场出口50余台(套)掘进机,产品销往马来西亚、新加坡、丹麦、法国等18个国家和地区,项目类型涵盖铁路、地铁、引水等多种基建民生工程,成为各国各地区“向下”发展的必备条件之一。

阳光照耀地下

在先进科技和现代建筑工程技术等的加持下,不少美国高校注重向地下拓展空间,如加州大学伯克利分校、哈佛大学、伊利诺伊大学等大学的地下或半地下图书馆。美国明尼苏达大学地下空间中心是地下公共建筑设计的杰出案例,也是解决地下照明和幽闭心理情况的良好示范。

明尼苏达大学的土木与矿物工程系新馆采用了全地下方案,总建筑面积1.41万平方米(95%在地下),其中有1万平方米建于土层中,4100平方米建在砂岩层中,深埋地下40多米,上下两部分之间由两个竖井内设楼梯和电梯联系。

为了在完全封闭的地下环境中能享受到太阳的光热,设计者们利用最简单的光学原理,安装了由一系列平镜片组成的光学系统。在层顶北侧设置天窗,窗内安装一组能转动的聚光镜,由电脑控制自动跟踪曝光,通过定向和导光装置,将光束传送到地下所需高度,再经分配装置,把光束扩散到需要的位置。这样,只要外部日光强烈,内部天然采光效果就会非常好。

另一方面,为了减轻人们深埋地下的压抑感和与外界隔绝的孤独感,设计者们又通过一系列反射镜和折射镜将室外的景象传输到地下。从地下七层的“地下空间中心”办公室走廊的玻璃窗,人们就能看到一定范围内的地面风光和天气情况。

在纽约,仍在不断筹建中的世界首座地下公园低线公园,改造自1948年结束运营后一直闲置的电车中转站,预计于2020年开放。它采用一项叫“远程天窗”的技术,通过在地面上立起凹面镜等设施收集阳光。之后,将阳光通过光纤电缆输送到地下,过滤掉有害的紫外线和过度的热量,只保留光合作用需要的波长,以满足地下植物的生长需要,同时将地下空间的温度维持在合适的范围内。

国际隧道与地下空间协会主席严金秀告诉《环球》杂志记者,阳光照耀地下已经不算是个难题,通过设计引用自然光,没有自然光的时候用LED灯,都可以解决相关问题。

她特别介绍了墨西哥建筑公司BNKR的“摩地大厦”设计规划。这一设计是要在墨西哥首都墨西哥城的宪法广场兴建一个倒三角形的巨型地下建筑物,以解决该市人口增长、建筑用地稀缺、历史建筑物保护以及建筑物限高的问题。

宪法广场是墨西哥城最主重要的公共设施之一,常用作大型演唱会、政治集会、露天展览和各种庆典的场地,周围有包括墨西哥国家宫、大主教堂在内的众多文化古迹。“摩地大厦”的修建不会对宪法广场造成太大影响。

摩地大厦据说是向卢浮宫前广场那座玻璃金字塔致敬,从规划图上看,它拥有一个面积达77.5万平方米的玻璃“屋顶”,呈倒三角形的大楼中心是一个“天井”,能让自然光从地面直达地底,“天井”周围则是各种建筑空间。大厦共计55层,最上面10层是博物馆,接下来的10层是商业区和住宅区,再下面55层则是写字楼。

生命之风

当阳光、通风、温度都不是问题后,另一个人类需要面对的问题是,地下世界如何防水防火,一旦发生危险,又如何从地下逃生?中国港珠澳大桥的建设经验也许能有助于解决这些难题。

天上有飞机,海上有轮船,夹在中间的港珠澳大桥如何才不会影响邻近香港国际机场航线的飞行安全,又能满足伶仃洋航道30万吨轮船通航的需要呢?

港珠澳大桥设计团队提出一个极富创造力的方案:建造东西两个人工岛,修建一段海底隧道,将隧道与大桥连接起来。这条世界最长的海底沉管隧道由33个巨型沉管组成,每节管道长180米,单节重约8万吨,沉入海底40多米。

在港珠澳大桥之前,全世界已经建成了100多条沉管隧道,但全都是贴着海床的浅埋沉管。伶仃洋上,万吨海船天天驶过,留给港珠澳大桥岛隧工程项目总经理、总工程师林鸣的选择只有一个:深埋。深埋意味着沉管在海底要承受超过浅埋沉管5倍的荷载——无论按照传统的刚性还是柔性沉管结构设计,沉管的218个接头有1个承受不了这么大力就是一场巨大的灾难。

在反复验证沉管是刚性还是柔性后,林鸣终于决定采用半刚性。半刚性综合了刚性和柔性结构的优点,强化小管节之间的连接,进一步控制180米长、由8个小关节连接而成的大管节的变形。这一全球首创的结构设计让港珠澳大桥拥有了世界首条“滴水不漏”的海底隧道。

有研究表明,在隧道内无风的情况下若有大货车发生火灾事故并燃烧,1分钟左右烟气就会蔓延到人的高度,而大货车随时会有爆炸的可能,不能迅速逃离的话就会有生命危险。那么处于地下,甚至是海底隧道,该怎么逃?

早在设计之时,这个问题就已经被工程师们考虑在内。港珠港大桥隧道内铺设的防火板采用特殊耐火材料制成,外层还涂有黑色耐高温漆层,能保证在1200℃的燃烧高温下,隧道结构2小时内不受破坏。

为确保沉管隧道火灾情况下的人员安全,工程师经过一年多选址,在福建漳州专门修建了150米长的足尺沉管隧道实验平台,利用三年时间对大巴、中巴、小汽车,多次进行燃烧实验。2015年,他们更是在隧道里进行了真车燃烧火灾实验,在世界上首次获取了火灾中隧道内的温度、烟雾流速、厚度等第一手数据,形成了港珠澳大桥沉管隧道防灾减灾的成套关键技术。

而要防止火灾的危险,通风至为关键。行车孔通风系统通过风机和隧道内活塞风的作用实现隧道内的通风换气功能,保证隧道内的行车安全性和舒适性。另外,独立排烟系统通过排烟道两侧电动排烟口将烟雾集中抽取,进行侧向集中排烟,烟雾通过隧道出口侧设置的风塔进行排放,是保障人员逃生的“生命通道”。

其中,中国首台大型轴流风机号称隧道“生命之风”。它既能对整个隧道进行换气,又能在火灾时进行排烟。

《地心游记》里,主人公们因火山喷发的力量九死一生地回到地面,结束了他们在地心两个多月的旅程,“终于体会到光亮”,却仍然不断有人质疑他们的行程。今天,随着科技的发展,人类往来地上地下已经不需要付出生命的代价,当阳光照耀地下的时候,也不用再担心,我们的旅程只能停留在想象之中。

免责声明:本文系转载,版权归原作者所有;旨在传递信息,不代表大关注商机网资讯的观点和立场。如有疑问,请联系(QQ:17665366287(微信同号))。
本文来源:互联网

标签: