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施工技术

破解“世界性隧道难题”

来源:河南日报 作者: 点击率:2183 发布时间:2007年07月30日 字号:T|T

被称为西部大开发十大工程之一的渝(重庆)怀(湖南怀化)铁路经过半年多的运营,正日益发挥出巨大的经济效益和社会效益。渝怀铁路建设有“三最”:新技术最多,技术难题最多,地质条件最复杂,这里堪称世界地质博物馆。

2005年1月11日,对于渝怀铁路建设而言是一个值得纪念的日子——被誉为“渝怀锁钥”的圆梁山隧道,经过中国中铁隧道集团有限公司(以下简称中国中铁隧道)4年艰苦奋战终于建成铺通!

中国工程院院士王梦恕亲自主持了科技攻关活动,他认为圆梁山隧道关键技术难题的破解,标志着我国在复杂地质条件下修建长大隧道实现了新的飞跃,带动隧道施工在超前地质预报、超前注浆、信息化施工等方面达到国内领先水平,并在我国长大隧道动态设计方面创造了成功先例。

圆梁山隧道堪称隧道地质博物馆,成为我国隧道建设首次采用动态设计施工的试点

渝怀铁路是西南人民的百年梦想。当年孙中山先生在《实业计划》中就提出了建设渝怀铁路的宏伟规划。新中国成立后,从20世纪50年代起就着手筹建这条铁路,但由于沿途地质复杂尤其是圆梁山被水文、地质专家判定为隧道施工禁区而搁浅。

进入新世纪,党中央、国务院做出了西部大开发的战略决策,于是,渝怀铁路被列为西部大开发的十大重点基础设施项目之一。
圆梁山特长隧道长11公里,地处重庆市酉阳县境内,集中了岩溶高压水、大涌水、煤层瓦斯、石油天然气、岩爆、大变形、高地温以及偏压等几乎所有隧道不良地质。这是国内隧道首次在深埋、向斜部位、高压富水、形态类型多变、充满水和粉质泥砂的深部地区中穿过,一些世界性技术难题在隧道施工中随时出现,例如仅1万立方米的突泥突水就发生过50余次。

因此,圆梁山隧道被专家誉为“渝怀锁钥”,被列为渝怀铁路十大控制工程之首。施工重任再次落在了代表我国隧道施工水平的中国中铁隧道的肩上。

我国长大隧道建设仅有几十年历史,一些世界性难题至今没有彻底解决。为了应对复杂多变的地质,铁道部工程管理中心从实际出发,果断决定对该隧道实行动态设计,专门成立由铁道部渝怀总指挥部以及设计施工单位等组成动态设计领导小组,负责协调设计、施工、监理等各方面的关系,处理动态设计中的重大问题。

据介绍,动态设计就是根据施工中探明的地质情况进行设计,相当于把设计室搬到了隧道掌子面。动态设计尊重科学,体现了设计与施工的良性互动和完美结合,是现代隧道设计思想的重大突破,在我国隧道建设中尚属首次。

圆梁山隧道进口遭遇数次大规模涌水涌泥,“世界性隧道难题”如何破解

圆梁山隧道于2001年3月1日正式开工。虽然地势陡峭、场地狭窄,但中国中铁隧道还是做到了快速进场、快速施工、快速掀起施工生产高潮,一年半时间仅进口端就独头掘进3000米。当建设者向大山深处挺进时,特殊的毛坝向斜毫不示弱,以自然界独有的方式阻挡着他们前进的步伐。

2002年9月10日10时,进口正洞超前下导坑施工至3号溶洞处进行出碴时,现场工程师张富宏等施工人员警觉地发现掌子面右侧底部碴堆有轻微移动,随即停止出碴并撤离了有关人员。

12时许,突然一声巨大爆响,一股强大的狂风从掌子面向外席卷而来。3号溶洞中填充的硬塑、软塑状黏性土瞬间喷出,瞬时涌泥量达4200立方米左右。接下来又发生两次涌水涌泥,2号溶洞的下导坑也被毁坏。建设者辛辛苦苦开挖的329米隧道全部被涌水涌泥淹没。毛坝向斜显示出大自然特有的巨大威力!

突泥稳定后,大家在清理过程中发现用钢板焊接的出碴车已被解体,钢轨运输线严重扭曲变形,从溶洞内冲出数块巨石,最大体积达3立方米。

圆梁山隧道的特殊性引起了铁道部领导和国内隧道专家的广泛关注。铁道部领导几次来到现场,深入工地为解决特殊地质作出周密安排。2002年10 月25日至26日,铁道部渝怀铁路建设总指挥部组织了圆梁山隧道岩溶地段施工技术研讨会。2003年1月,王梦恕等5位中国工程院院士、15位教授级专家齐聚重庆,经过认真研究,确定圆梁山隧道溶洞处理为“具有挑战性的世界地质难题”。

施工方中国中铁隧道领导层高度重视,董事长、党委书记郭大焕要求把圆梁山隧道施工作为当前全集团头号工程,加强科技攻关力度,全力攻克施工难题。为此多次召开专家论证会讨论解决方案。

出口端战胜各种不良地质独头掘进7000米,创造了我国隧道施工长距离独头掘进新纪录

施工暂时受挫,时间却在一分一秒地奔走,建设者承受着巨大的压力。施工单位中国中铁隧道决定让出口实现长距离快速掘进,为将来总攻圆梁山打下基础。

然而这并非易事。正如一位隧道专家所说:“桐麻岭背斜的岩溶发育远远大于原来的设想,隧道出口有1000多米建在岩溶管道发育网状区,直接堵水就会造成岩溶管道内部相互串水,使没有设防的衬砌开裂、基底上浮,将造成难以估量的严重后果。”

果然如此,开工3个月后,平导首先遇到隧道高压富水带,从超前探孔喷射的高压水柱长达45米,可轻易击穿人的手掌。接下来,正洞首次发生大规模涌水,洞内涌水高达3米,滚滚的泥流咆哮着从掌子面冲刷下来,瞬间将洞内的物资设备全部淹没。桐麻岭背斜使这里和进口一样遭遇数十次较大的涌水涌泥。

修建这样一条隧道按照传统的施工工艺肯定是行不通的。中国中铁隧道投入巨资购置和采用TSP202预报系统、气体成分检测仪、红外探水仪、瓦斯自动报警仪、超前地质钻孔、地质综合判断分析等高科技设备和工艺,加强了超前地质预报方面的工作,减少了隧道施工塌方以及突泥突水带来的危险性,大大提高了地质灾害的应变能力。

圆梁山隧道出口端调整了施工工序,重新对资源进行配置,使优势资源集中到掌子面,并保证平导适度超前,以实现隧道独头长距离快速掘进。

在动态设计小组的积极配合下,中国中铁隧道施工人员采取超前预注浆、径向注浆等方法,攻克了一个个大小溶洞,通过了几百米的含油带和破碎带地质,成功实现了阶段性目标。

为解决长距离通风难题,施工人员创造性地采用巷道式通风和管道式通风相结合的混合式通风技术,以及水幕降沉技术快速降低粉尘,取得了理想的通风效果。该项技术获得国家优秀QC小组成果奖。

2003年8月,圆梁山隧道出口端已独头掘进7000多米,创造了我国隧道施工长距离独头掘进新纪录,大大缓解了工期压力。

采用迂回战术,先绕过溶洞,形成分割包围之势,然后各个击破

就在进口受挫、出口达到长距离掘进极限的情况下,中国中铁隧道果断提出了设立迂回导坑的设想。

2003年5月2日,中国中铁隧道在工地建立起统一的调度中心,总经理张继奎现场值班督导,进一步加大科技攻关和系统管理力度,协调进出口施工有序稳步推进,多作业面相互协调开展,逐步形成分割包围2号、3号溶洞的态势。对于存在较大潜在风险的工序,管理人员必须跟班作业,安全人员必须现场跟班监督。

2003年6月15日,1号迂回导坑绕过2号溶洞顺利到达隧道正洞。然而,天有不测风云。2003年7月,施工正处于关键时期,圆梁山普降暴雨,洞内出现大量涌水涌泥,正洞下导坑及迂回导坑处的淤泥砂平均厚度达到80厘米。

为了实现隧道贯通,进出口暂时放弃其他工作面,集中力量战洪水,清淤泥,许多人手磨出了血泡,但没有一人叫声痛。

经过2个月艰苦施工后,全长350米的2号迂回导坑绕过3号溶洞,实现与出口正洞处的连接,圆梁山隧道迂回导坑贯通。这样就实现了分割锁定2 号、3号溶洞,各个击破的局面。

迂回导坑贯通后,可以提前探明溶洞的发育情况,提高量测精度,为制订合理的设计方案提供了依据,并且改善了整个隧道的通风条件。

采用世界先进的帷幕注浆新工艺,综合采用预测预报、超前注浆等手段,成功破解“世界性隧道难题”

为了攻克圆梁山隧道复杂地质难题,铁道部确定了《圆梁山隧道地质预测预报技术研究》、《岩溶粉细砂中帷幕注浆技术》等6项科研项目,仅科研经费投入就达千万元之多。施工过程中举办了10余次专家技术论证会。

中国中铁隧道高度重视科技攻关活动,对一系列科研活动进行了周密的安排,有针对性地确定了几十项科研课题。由爆破、量测、注浆、通风、试险等专业技术人员组成现场科研部和科研课题小组,重点解决施工中遇到的实际问题。西南交大等科研院校也参与到科技攻关活动中。

技术人员介绍,世界性地质难题主要体现在2号、3号溶洞处理上。由于填充物粉细砂与水泥颗粒大小相当,所以注浆后两者难以凝结为一体。再加上罕见的高水压,使钻头难以进入,并且水泥密度随水体的流动而稀释,降低了注浆效果。进口施工长期受挫就是这一原因造成的。

2003年5月,圆梁山隧道岩溶施工方案论证会召开,要求采用世界先进的帷幕注浆新工艺,并综合运用多种施工手段战胜大规模岩溶地质难题。

为解决粉细砂难题,中国中铁隧道从国外引进了先进的夯管机进行管棚注浆,经过一系列探索,逐步在超前地质预报、超前钻孔、超前注浆等关键技术方面取得了突破。

为了不让已经开挖成型的隧道受到地质灾害的威胁,施工人员在隧道内进行了围岩受力和变形测试,共埋设隧道拱顶下沉、周边收敛等监测点47个,在隧道两端共埋设地表变形观测点100余个,将检测结果和分析数据及时反馈给设计施工单位,实现了信息化施工。

科研人员还专门在圆梁山山顶建立了气象观测站,广泛开展大气降雨、地表沉降、水位观测,追踪降雨季节变化,为隧道围岩注浆、防排水提供信息支持。

2003年10月28日,中国中铁隧道建设者经过不懈奋战,成功贯通3号溶洞平导。2003年12月11日,3号溶洞正洞成功贯通,随后2号溶洞平导成功贯通。至此圆梁山隧道平导实现贯通。

2004年2月24日,2号溶洞成功实现贯通,标志着隧道深埋高压富水填充性溶洞处理取得重大胜利。至此,圆梁山隧道平导、正洞全部实现贯通, “具有挑战性的世界地质难题”终于被成功破解。铁道部领导对此给予高度评价,工程管理中心也发来了贺电。圆梁山隧道建设成为当年铁路建设的重大事件之一载入史册。

圆梁山隧道质量建设总目标是建设国优工程。为了确保隧道结构质量,中国中铁隧道在2号、3号溶洞采用型钢钢筋混凝土衬砌。检测结果表明,圆梁山隧道单项工程全部符合设计要求,一次验收合格率100%,优良率95%。

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