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兰渝铁路木寨岭隧道:攻克隧道建设世界难题

2017-9-26 15:04:00  来源:每日甘肃网  我要评论

 

  “一二起!抬起来!抬起来!”在木寨岭隧道灯火橘黄、机器轰鸣的二级台地上,5个工人喊着口号,用肩膀扛着了一条刚被眼前机车钻落的重达500斤的拱形钢梁,安全帽上方是凝固着混凝土密麻交错的钢筋,脚下是松软的砂砾,每个人要在巴掌大的空间里扛着分担的重量,一步步从中间台地向脚下的第一台地转运肩上的钢梁。

  就在挪步的瞬间,右端一位工人脚下的土方突然滑落,沉重的钢梁瞬间在他们的肩膀上打了个“踉跄”!只见那突发的一刻,打滑工人的靴子在顷刻间划了一个弧线,插入了前方砂土中,又重新立定起来!就在这位工人反应同时,其他几个工友异口同声地喊出“坚持!坚持!”

  沉重的拱形钢梁在工人们谨慎的挪步间卸载了下来……

  而他们这短暂的一瞬只是这段隧道前后上下各工种交错施工画面里的一个小镜头。珍贵的是,这一时刻被工程施工记录了下来。

  一幅木寨岭隧道建设中的“踏石留印、抓铁有痕”震撼画面也生动地呈现在记者眼前。

  2017年9月4日下午,兰渝铁路木寨岭隧道已经建成,秋雨绵绵中的木寨岭隧道正在进行着通车前的静态验收。在项目工地会议室的电脑前,看着这一画面,31岁的陈强向记者说:“这是进入木寨岭隧道岭脊段开掘初期的一个画面,工人们正在扩拆被隧道挤压变形的H型钢拱架,木寨岭隧道建设中像这样的工作,不知道被重复了多少次!”

  “由于木寨岭隧道的极高地应力和极低围岩应力,让我们遇上了国内罕见的、被全球行业认为世界难题的软岩大变形!1300米的岭脊段,变形最为严重的时候,开挖的隧道每天被挤压收窄达到20公分,10天内收敛变形超过2米,开挖宽7米的隧道,最后被挤压成了3米多,不但变形大,而且变形快,极易坍塌。这样不得不重新更换拱形支架,重新开挖……”

  “打个比方说,我们从玻璃杯内打个洞,杯体还可能是不碎的,但是你要在纸杯里、豆腐块里或松沙堆里打个洞那是非常困难的,而木寨岭隧道比在豆腐块或松沙堆里打洞还难。因为木寨岭隧道深处的地应力高达38MP以上,这相当于蛟龙号在水下3800米承载的水压力,而与此同时,木寨岭700多米深的断层处又是极低围岩应力,极大地应力大于给予其上的抵抗力,形成了罕见的软岩大变形,人类迄今所积累的隧道开挖技术和施工技术已经在这里失效了!”

  陈强,这个来自陕西西安的80后小伙,是中国中铁隧道局集团兰渝铁路LYS?3标一工区项目经理,他于2009年2月被中国中铁隧道局集团调到兰渝铁路3标一工区任副总工程师,次年任总工程师,后来成为木寨岭隧道的项目经理,为了攻克木寨岭隧道遇到的“国内罕见、世界难题”,他把最美好的青春和人生的婚礼以及两个孩子的出生都放在了甘肃省岷县与漳县交接的木寨岭上。

  而陈强只是中国中铁隧道局集团攻克兰渝铁路木寨岭隧道世界难题的一个代表,在中国中铁集团的带领下,参建木寨岭隧道的6000多名员工和数万劳务工一起,通过8年奋战,打通了兰渝铁路的控制性工程??木寨岭隧道,攻克了被世界隧道行业认为“世界难题”的极高地应力、软岩大变形科技难关,并一举拿下四项科技专利,挺起了人类隧道建设史上最尖端的科技巅峰。

  比在豆腐块和松沙堆里打孔还难

  正如陈强所言,因极高地应力和极低围岩硬力罕见迭加造成木寨岭隧道出现软岩大变形的世界难题,工人们对施工中的扩拆施工已经由开始的震惊、恐惧、沮丧完成了走向淡定、从容和决战的嬗变。但是,当进入木寨岭隧道岭脊段的700多米深时,工人和技术团队们隐约地感受到,超乎想象的难度正在慢慢袭来,原来隧道攻克的一系列技术难关,即将面临再一次的否定,但是这次否定后是否又有否定之否的肯定升级、奇迹出现呢?

  工人们发现,在进入1300米的岭脊段时,隧道开挖后的变形比之前更为严重,开挖的隧道每天被挤压收窄达到20公分,即便将常规隧道的一层支护增为三层支护,且每层支护的材料超出常规用量,可是10天内收敛变形的幅度还是超过2米,开挖宽7米的隧道,最后被挤压成了3米多,不但变形大,而且变形快,极易坍塌。

  许多人充满了疑问:木寨岭隧道的难,难的任性、难的神秘。

  探测后发现木寨岭隧道岭脊段的最大地应力超过38兆帕,这相当于每平方米承受2800多吨的压力,相当于蛟龙号在水下3800米承载的水压力。隧道变形大,变形快,极易坍塌的程度可想而知。这一切在兰渝铁路木寨岭的选址之初就有了极不寻常的端倪。

  陈强介绍,在木寨岭隧道建设的初设方案里,常规隧道开挖的盾构施工法就被否定了,因为盾构在高风险地质条件下就没招了,这意味着木寨岭隧道的开掘至少是高风险,谁知竟然是后来的国内罕见、世界难题。

  2009年2月开工不久,建设者便遭到“当头棒喝”!隧道进口开挖到300米时,遭遇到浅埋段,但是超强地应力爆发,隧道每天“收缩”变形10至20公分,即使超常规支护,仍然不起作用,倒“U”字型的钢拱架变形扭曲成“Z”字型,工字钢成了麻花钢,施工之艰难远超出预期。

  遇风即化、遇水即融,木寨岭隧道的脆弱地质完全颠覆了传统隧道施工打眼、放炮、出渣施工概念,打隧道被“抠隧道”所代替,常规机械威力“顷刻失灵”。隧道掘进中放弃炸药爆破,破碎机就像扎进橡皮泥、钻杆打进豆腐一样,工人们只能采用最原始的镐和锹,一锹一镐地往里抠,若大的掌子面变成一个“考古场”。为了稳定掌子面,锚杆作业时只能靠人工,8名壮汉齐上阵,在“嘿哟、嘿哟”的声中进行。由于围岩破碎,一半的锚杆塌孔,造成效率低下。

  有人戏言:我们不经意间打开了“地质博物馆”的“潘多拉魔盒”。磨难自此开始!

  兰渝铁路处于黄土高原与青藏高原板块碰撞交界处,是国内施工难度大、风险极高的铁路。全线建设面临四大高风险隧道群,其中仅高地应力软弱围岩大变形隧道就有25座,尤其是木寨岭隧道,被称为“国内独有、世界罕见”,被专家判定为“特极高地应力”,刷新了我国地应力等级极限。

  已经参建木寨岭隧道7年的32岁技术工人唐兵说:“我做了10多年的隧道线路测量,木寨岭的地应力之大、变形之大不仅超出了我的经验,也超出了教科书的范畴,没有经验可寻,都是摸着石头过河,每前进一段,就会换好几个版本的方案。”

  木寨岭隧道成为兰渝铁路全线唯一动态设计、动态施工的隧道项目,警醒人们将面临一场惊心动魄的硬仗。

  从李四光始测地应力到隧道史上的世界难题

  极高地应力,这是参加兰渝铁路木寨岭隧道的人提出的频率最高的一个词汇,也是木寨岭隧道遇见“国内罕见、世界难题”的一个关键性因素。

  那么,什么是地应力呢?

  地应力是指在漫长的地质年代里,由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应,这种应力称为地应力,它是地壳应力的统称。地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力。

  李四光教授是中国地应力测量的创始人。早在20世纪20年代就提出地壳中水平运动为主,水平应力起主导作用。他提出,地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力,不断运动发展的原因;地壳各部分所发生的一切变形,包括破裂,都是地应力作用的反映;剧烈的地应力活动会引起地震。

  许多人曾有疑问,既然木寨岭的地应力那么大,为什么不绕开呢?

  陈强说,木寨岭隧道是兰渝铁路的控制性工程之一,铁路隧道的选址与公路的选址乃至于与普铁时代的隧道选址都不一样。公路和低速铁路可以爬坡,但现代电气化铁路和高速铁路对拐弯半径、坡度等有非常严格的要求。比如同为木寨岭隧道,公路的木寨岭隧道只有200米左右深,而兰渝铁路的木寨岭隧道达到700多米深。

  与国际同类隧道??奥地利阿尔贝格隧道(全长14公里)相比,兰渝铁路木寨岭隧道最大地应力是它的2倍,最大累计变形量是它的4倍。与同在甘肃地区的乌鞘岭隧道(全长20公里)相比,兰渝铁路木寨岭隧道岩石极为软弱,最大累计变形量是后者的近3倍。尤其是2015年进入岭脊地段以来,埋深在500米以上,5公里范围内断层长达2160米,占比43%,围岩应力比极低,仅为0.01至0.2。

  陈强介绍,围岩应力比是围岩硬力除以地应力的比值,常规的隧道围岩硬力比比值为4,小于4就是极高风险隧道,而木寨岭隧道的围岩硬力比比值是0.5%?0.02%之间,远低于设计值2%?0.02%。

  木寨岭隧道高地应力、大变形世界级难题,主要集中的1300米隧道岭脊段,隧道扩挖时,预留空间从最初的65公分,增加到1.2米、1.5米、1.8米,最后是2.1米。而立拱时必须考虑变形,提前预留变形空间。对于各种超常规措施,以前没见过,没听过,更没想过。

  中国工程院院士王梦恕说道:“木寨岭隧道如此快、如此猛的极高地应力特大变形在中国铁路建设史上还是首例,全世界没有现成的技术方案可供参考。”

  据统计,木寨岭隧道自2013年8月进入岭脊段施工以来,27个月里左、右线累计进尺不足700米。月均不到13米的进度对于专业队伍中铁隧道集团来说无异于“受辱”。

  木寨岭隧道建设为什么这么难?

  兰渝铁路共有隧道266座,隧道总长占比高达60%,其中高风险、极高风险隧道17座,全线存在高地应力软岩大变形,第三系富水粉细砂涌水涌砂,岩溶突水及瓦斯突出等隧道施工难题。

  作为极高风险隧道的木寨岭隧道是全线控制性工程之一,施工建设过程中遭遇世界级高地应力软岩大变形的施工难题。该隧道位于甘肃省定西市漳县及岷县境内,海拔处于2390至3214米之间,隧道全长19.1公里,是全线第二长隧道,设计为两座单线分离式隧道,洞身线间距40米,隧道所处的特殊地理位置,导致了高寒缺氧以及暴雨、暴雪、地震等自然灾害的频繁发生,特别是极高地应力软岩导致的隧道大变形给施工造成的困难超乎想象。

  这是因为木寨岭隧址区域处于华北板块、扬子版块、塔里木版块及青藏版块的交界挤压地带,板块之间的相互运动形成了形态各异极其复杂的褶曲与断层束构造,隧址所处地带历经多期构造,断层密集,挤压严重,加之隧道埋深大,构造应力与埋深应力迭加,形成了隧址区域极高的地应力,特别是处于F14断层束地带的岭脊核心段,地应力高、围岩强度低。

  陈强说,在19.1公里的木寨岭隧道中有10多处断层,F14断层是位于木寨岭隧道岭脊段的断层标号,深度达到700多米,也是极高地应力和极低围岩应力比的迭加表现得最强烈的段落,是软岩大变形超乎设计方案的地段,也是超乎迄今世界隧道开掘历史上既有行业想象边界的地方。当中国、德国、瑞典、日本等国家的专家团队亲临现场仔细观察后发现,又在F14断层段发现了断层中的断层,当即又标注和增加了一个F14?1断层。

  在这种极高地应力软岩隧道的施工过程中,变形大、速率高、持续时间长,长期不收敛是最大的施工难点,监测统计数据显示,在砂岩灰岩段平均收敛在200毫米左右,炭质板岩一般段平均收敛在500毫米左右,岭脊段收敛在600至700毫米,而在岭脊核心段收敛则高达1500至2000毫米,最大收敛高达4306毫米,是一般隧道的20至50倍,是现有国内外大变形隧道的2至3倍。

  从变形速率来讲,岭脊核心段初期变形速率一般在50至100毫米每天,最高达932毫米每天。变形持续时间长,一般需要60至90天才能将变形速率控制在每天1至3mm,与国内判定变形稳定在每天0.2mm的标准相差极大。这种累计变形量大、速率高、纵向变化快、左右不均衡的特点,导致参建单位在施工中超挖严重,初期支护喷射混凝土开裂掉块,工字钢扭曲挫断,预留变形量控制难,混凝土用量大以及二次衬砌结构受力大,拱墙开裂、仰拱隆起等一系列问题,因结构侵限导致的初支拆换,致使苦干一个月进度是负数,已成为木寨岭隧道施工建设的悲壮和无奈。

  即便如此,这还不是木寨岭隧道施工建设困难的全部。

  在深入隧道的斜井施工中,装载土方的机车无法进入,工人们只能用小胶轮车用手一车一车将上万方的土方推到洞口开阔除的传送车带上,然后由传送带传送到装载机车上拉出来,工人门出来后脸上都是黑黑的,跟挖煤窑几乎没有两样。

  木寨岭冬季冰雪天气长达七八个月,最低气温零下35℃,长时间的冬季施工和极低的温度,对施工造成了诸多不利影响。冬季木寨岭隧道外的气温低至零下30℃,可在隧道内,由于各种大型机械设备同时作业释放的热量,却是高达40℃的高温,工人们要光着膀子施工,但是当工人从隧道走出来后,瞬间要经受从“酷暑”到严冬的转换考验。

  隧道平均海拔2540米,最高海拔2800多米,造成装载机降低功率15%左右,空压机降低功率高达30%,而耗电量增加15%左右,空气滤芯清洗频率是常规情况的8倍。尤其是1000多米的斜井几乎全部结冰,最厚达到60公分,车辆根本上不来,只能靠装载机牵引。而800米的有轨斜井坡度高达44度,达到了45度坡度极限。由于结冰,工人们下井时根本站不住脚,必须先栓一条绳子,像攀岩一样往下爬。而运输矿车经常被冻住,不小心手碰到铁质扶手上就粘住了。

  冬季各种机械设备的油箱尽管用电热毯保暖,但还是经常结冰,必须生火烘烤,而这是危险的,但没有其他更好的办法,各种车辆必须停在指定的保温棚内。由于洞内外温差悬殊,车辆从隧道内出来时,经常遇到油管被冻裂等情况,汽车玻璃上瞬间结上一层薄冰,严重影响正常行驶。拌合站配备了发热系统,但管路还是经常冻坏;搅拌罐需要穿厚厚的“棉衣”过冬,混凝土要用热水搅拌,及时使用,否则很快就成废料。

  义无反顾,拿下木寨岭隧道

  面对这种极端艰苦的条件,“隧道施工国家队”??中铁隧道局集团有限公司义无反顾地挑起这个重担。敢挑重担是第一步,怎样克服施工中的困难,把工程干好,干出“隧道施工国家队”的水平,考验着每一位参建员工的毅力和智慧。

  2008年5月12日汶川大地震后,隧址区地应力状况更加复杂,为进一步摸清地应力情况,在设计及施工阶段,参建单位进行了多次地应力测试,测得大坪有轨斜井井口对应正洞DK179+000测点,最大水平主应力为24.95至27.16兆帕,大战沟斜井内对应正洞DK188+270测点,最大水平主应力为6.34至10.47兆帕,隧道洞内DK175+500测点,最大水平主应力为26.22至38.38兆帕,洞内DK183+800测点,最大水平主应力为30.16至35.68兆帕,这些宝贵的测试数据,为岭脊核心段的施工建设提供了科学的数据支撑。

  陈强介绍,这里的“DK”是隧道施工中专业代码,意思是“左线”。

  岭脊核心段是木寨岭隧道施工难度最大地段,参建单位多次聘请中国工程院院士、国内外专家、学者到场进行指导,现场成立了由铁总工管中心牵头,建设、设计、施工、监理等单位参与的五位一体工作组进行攻关,经多次设计参数的调整加强,施工工法的试验优化,结合变形监控量测、结构应力测试等数据研究分析,最终形成了以“抗放结合、先放后抗”为核心理念的一系列行之有效的攻克极高地应力软岩大变形隧道施工的设计参数、施工工法及工艺。

  在隧道结构断面优化方面,参建单位根据施工过程中出现的实际情况,对隧道结构断面进行了多次优化,从常规的马蹄形断面调整为曲率更大、受力较好的高地应力曲墙断面,最后调整为受力结构最优的圆形断面。

  此外,参建单位还对隧道支护参数进行了加强,采用4层支护结构:第一层为33cm厚H175型钢喷射混凝土;第二层为25cm厚H175型钢喷射混凝土;第三层为40cm厚钢筋喷射混凝土;第四层为70cm厚钢筋模注混凝土。结构总厚度达1.7米以上。同时配以Ф42小导管注浆、8米长RN38注浆锚杆、12至15米长4乘15.2毫米锚索、仰拱桁架等支护措施。支护结构加强后,其工程量是普通隧道的2.5至5倍。

  陈强说,以往的常规性隧道建设是一层支护即可,而兰渝铁路木寨岭隧道的初次支护就是三层,后来达到了四层。这四层支护是:三层H175型钢+40公斤喷射钢筋混混凝土+初砌混凝土。这里的H型钢就是钢梁的形状是H型,每米总量40.3公斤,它承重的力量辐射到四面八方。

  在施工过程中,参建单位先行在隧道中部施做超前导洞,进行应力释放;在每层支护间分别预留10至60厘米、累计125厘米的预留变形空间,分层、分台阶进行应力释放。在二次衬砌背后设6厘米的高分子聚酯材料作为缓冲层,用以解决衬砌前变形速率过大、衬砌过早承受较大外力的问题。

  “在实践中探索、在探索中创新”,是全体参建者9年来坚定不移的追求。由于罕见的施工难度,木寨岭隧道施工没有任何可资借鉴的先例,在施工过程中,参建单位边施工、边探索、边创新,最终总结形成了一套成熟的圆形断面、四层支护结构三台阶施工工法:参建单位开挖时台阶高度分别为上台阶3.9米、中台阶4米、下台阶4.1米,仰拱深度3米;步距分别为上台阶5米,中台阶7米,仰拱至下台阶15至20米,三层支护至仰拱10至15米,二衬至三支距离10至20米。施工时,上中下台阶同步开挖,进尺0.7米,开挖后立即进行第一层支护;上中台阶第二层支护在中台阶进行,与中台阶掌子面距离2至3米,一次施做2.8米,下台阶第二层支护距离下台阶掌子面1至2米;系统注浆、锚杆、锚索在第二层支护完成后、仰拱施工前进行;仰拱一次开挖长度2.8米,开挖后分次进行一二层支护、仰拱桁架、三层支护、仰拱二次衬砌、仰拱回填;第三层支护在仰拱完成后进行;当第三层支护变形速率控制在2毫米每天以下时进行拱墙二次衬砌,衬砌背后铺设防水板及缓冲层。

  针对支护参数强、工序多的现况,为加快施工进度参建单位投入了锚杆钻机、湿喷机、圆形模板台车等大量设备,并增加作业人员开展平行作业。通过加大现场的资源投入、加强组织管理,施工进度从最初的每月10米左右提高到每月20米以上。

  经过9年的努力,木寨岭隧道即将建成,全线通车在即。

  百年兰渝圆梦今朝!将木寨岭由道阻且长成为世界风景

  100多年前,孙中山先生在《建国方略实业大纲》中描绘了中国西部铁路建设的蓝图,但困于技术和国力的局限,孙中山的“铁路梦”一直未能实现。

  兰渝铁路作为西部铁路交通系统的重要组成部分,它的修建对于完善西部铁路交通网具有重要意义。新中国成立后,国家有关部门做了大量的论证、勘测和设计工作。但因存在诸多困难,工程项目一直未能启动。

  20世纪末,中国经济快速腾飞,区域发展不平衡的问题日渐凸显,为加快西部综合发展步伐,落实国家西部大开发战略,兰渝铁路修建势在必行。随着国力提升和铁路修建技术特别是隧道施工技术的飞速发展,兰渝铁路修建的物质和技术条件已趋成熟。经相关部门研究后,国家做出了建设兰渝铁路的战略决定,时代赋予了我们建设兰渝铁路的伟大使命。2008年,新时期建设者肩负着国家和西部人民的重托,以及几代中国志士仁人的“兰渝梦”,开进大西部,拉开了兰渝铁路建设的序幕!

  新建兰渝铁路北起兰州,南至重庆,途径甘、陕、川、渝22个县(区、市),其建筑长度1173公里,其中正线长度855公里,由中国铁路总公司、重庆市、甘肃省、四川省合资建设,是连接中国西南、西北之间最便捷、最快速的铁路运输通道。建成后,兰州与重庆的铁路运输距离大大缩短,客车运行时间由原来的22小时缩短为6小时,极大地方便了沿线的客货运输。除此之外,作为国家“一带一路”战略规划的重要线路,兰渝铁路的建成将有利于中国中西部与中亚、西亚、南亚以及欧洲的联系,对国家发展和战略安全具有极其重大意义。

  2013年8月,兰渝铁路木寨岭隧道施工最艰难阶段,李克强总理前往工地视察慰问。他对工人们说:“铁路对西部发展有重要意义。在西部山区修铁路非常艰苦,你们是用艰辛和努力为西部贫困人口打开致富大门。”

  虽然困难重重,但是中铁隧道局集团等建设者牢记李克强总理嘱托,矢志不渝,攻坚克难。工人唐朝荣回忆起和总理握手的那一时刻仍然很激动:“总理的慰问极大地鼓舞了我们,不管多么困难,我们都不能放弃!”

  兰渝铁路公司董事长、总经理熊春庚在施工困难时期来到现场,勉励参战员工迎难而上,顽强拼搏,战胜困难,决心早日建成这条脱贫致富之路。

  2016年底,甘肃省人民政府通报嘉奖中铁隧道集团兰渝铁路3标项目部,并颁发了“贡献突出、特予嘉奖”奖牌。

  2017年8月9日,兰渝铁路有限责任公司向中铁隧道集团有限公司发出贺电,祝贺兰渝铁路LYS-3标木寨岭隧道左、右线分别于2017年7月16日、8月7日顺利实现轨道铺通。

  中铁隧道股份党委书记靳玉东说,兰渝铁路木寨岭隧道经历了太多的磨难,产生了太多的感人故事。9年来,中隧人面对“国内罕见、世界难题”,特别是其核心岭脊地段开挖后围岩变形剧烈,具有累计变形量大、变形速率快、持续时间长等难题,公司高度重视,重合同、守信誉、站位高、顾大局。通过开展一系列工艺工法试验,形成了全国独有的“圆形断面+三层支护+单层衬砌”的木寨岭模式,保质量、保安全、保节点,确保了隧道建设任务的圆满完成。

  9月4日下午,站在兰渝铁路漳县站前方的木寨岭隧道前,中国中铁隧道局集团兰渝铁路LYS?3标指挥部党工委副书记曾宝成充满感慨地说,木寨岭隧道是兰渝铁路的控制性工程之一,它的贯通不仅结束了甘肃中南部没有火车的历史,还将使这一山区从此有了通江达海、走向世界的通道。与此同时,木寨岭隧道也是迄今世界隧道建设尖端技术的样板,刷新了人类铁路隧道建设历史的科技新记录,它承载和崭新了中国中铁隧道局集团作为“铁路隧道国家队”的责任与担当,我们将牢记嘱托,在兰渝铁路进入全线开通的最后冲刺收官阶段,做到力度不减、一鼓作气、决战决胜,为兰渝铁路全线如期开通运营和迎接党的十九大胜利召开作出新的更大的贡献!

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