穿越多處地震帶、溫泉群,世界第七長大隧道——大瑞鐵路高黎貢山隧道正攻堅

中國最長鐵路隧道這樣建

高黎貢山隧道進入全面施工階段。(饒斌 攝 制圖:郭 祥)

“隆隆隆”,幽暗的高黎貢山隧道里,機身抖動、噪音震耳,“彩云號”硬巖掘進機猶如一頭吞砂噬巖的巨獸,埋頭向前,無堅不摧。

這是中國最長鐵路隧道的施工現(xiàn)場。從今年2月1日“彩云號”啟動以來,一路挺進,從未卡刀,不僅成功穿越第一個地層交接涌水帶,而且即使算上磨合期,其掘進效率也比同工區(qū)的進口裝備高出不少。

“34公里的長大隧道,穿越地震帶、地熱群,如果采用傳統(tǒng)鉆爆法施工,每一寸都是煎熬,而進口硬巖掘進機貴得讓人望而生畏。”中鐵隧道局集團大瑞鐵路項目部項目經(jīng)理張建設說,有了中國自主研發(fā)的“彩云號”硬巖掘進機,施工效率成倍提高,“從大直徑硬巖掘進機的核心技術(shù)被我們掌握的這一刻起,中國鐵路長大隧道項目的機械化施工不再受制于人!”

“三高”猶如攔路虎

需穿越地熱溫泉上百處、斷層破碎帶16個、巖爆區(qū)段約2公里

怒江西岸,橫斷山脈最西部,高黎貢山猶如滇西翡翠,寧靜而耀眼。驅(qū)車盤山而上,千巖競秀,云蒸霞蔚,世界第七長大隧道、亞洲最長鐵路山嶺隧道、中國最長鐵路隧道——云南大瑞鐵路高黎貢山隧道工地就在山中。

大瑞鐵路,起于大理,止于瑞麗,設計時速僅140公里,全長不過330公里。如果僅從長度、速度來衡量,它似乎只是中國鐵路版圖中微不足道的一處“短橫”。

然而,大瑞鐵路的價值卻不容忽視。大瑞鐵路沿線有白、彝、回、傈僳、苗、納西等10多個少數(shù)民族聚集區(qū),建成后,大理與瑞麗的通行時間將從現(xiàn)在的六七小時縮短至約3小時,保山、德宏等滇西南地區(qū)也將結(jié)束不通火車的歷史。大瑞鐵路也是聯(lián)通中緬國際鐵路中國境內(nèi)的“最后一段”,昆明至瑞麗實現(xiàn)朝發(fā)夕至,也有利于推動我國與東南亞國家交流合作。

作為脫貧致富線、民族團結(jié)線、國際合作線,大瑞鐵路的建設刻不容緩,而34.5公里的高黎貢山隧道就是這條鐵路繞不過去的攔路虎。作為我國第一條穿越橫斷山脈的干線鐵路隧道,高黎貢山隧道僅進口段就穿越18種巖性、12條斷層,出口段則穿越8種巖性、7條斷層,即便24次選線、3次完善設計,目前仍需面對世界級的“三高”挑戰(zhàn)。

高地熱。隧道地處活躍的地熱水環(huán)境,有4條導熱斷層,堪稱高溫熱害嚴重。“周邊有溫泉上百處,深孔鉆探實測地下水溫最高達102攝氏度,足以使施工現(xiàn)場像桑拿房一樣難熬。”中鐵隧道局大瑞鐵路項目部總工程師司景釗介紹,此前中國還沒有成熟的高溫環(huán)境下隧道施工技術(shù)綜合方案,“如何減少熱水對隧道施工和結(jié)構(gòu)的影響,如何開展高溫水環(huán)境下的注漿堵水技術(shù),如何保證高溫環(huán)境下混凝土施工質(zhì)量,以及如何降低高溫環(huán)境對人員、設備的不利影響,這些都是前所未有的難題。”

高地應力。高黎貢山隧道最大埋深1155米,應力集中,容易發(fā)生輕微或中等巖爆。“高黎貢山位于印度板塊與歐亞板塊的碰撞縫合帶,山里每一塊巖石都算得上‘壓力山大’,而且越是深埋的區(qū)域,壓力就越大。一旦打破了原本的受力平衡,巖石就可能爆炸,對施工裝備和人員的損害難以估量。”司景釗預測,全隧有可能發(fā)生巖爆的區(qū)段累計總長度約2公里。

高地震烈度。隧道位于滇西南地震帶,地震活動強度非常大,頻度高,僅斷層破碎帶就要穿越16個。“高黎貢山隧道所處區(qū)域是地質(zhì)監(jiān)測的重中之重,稱得上‘地質(zhì)博物館’,施工難度極大,風險極高,具有很強的挑戰(zhàn)性,因此修成高黎貢山隧道將極大地完善和提高我國隧道修建技術(shù)。”中國工程院院士盧耀如說。

“大國重器”是支撐

過去想做沒做成、一些外國企業(yè)還不給我們做的,中國人自主研制成了

工欲善其事,必先利其器。世界級工程,必有“大國重器”支撐。

“受高黎貢山地質(zhì)條件制約,采用傳統(tǒng)鉆爆法施工,8公里就是極限。要想高質(zhì)量、高效率地完工,必須有大型的硬巖掘進機挑大梁。”中鐵隧道股份有限公司黨委副書記李華坤說。

硬巖掘進機,英文縮寫TBM,是集機、電、液、氣、激光、傳導、測量、預報于一體的高技術(shù)含量工程裝備,被譽為“地下工程施工的航母”,能夠解決長距離、復雜地層條件下人工鉆爆法無法完成的山嶺隧道施工難題。

硬巖掘進機的另一大優(yōu)勢,則是施工污染低、地層擾動小,能夠最大程度保護生態(tài)環(huán)境。高黎貢山是三江并流世界自然遺產(chǎn)的重要組成,被譽為“物種基因庫”“東亞植物區(qū)系的搖籃”。早在2000年,聯(lián)合國教科文組織就把高黎貢山國家級自然保護區(qū)接納為世界生物圈保護區(qū)網(wǎng)絡成員。“在這種生態(tài)要求極高的區(qū)域作業(yè),如果通過鉆孔、裝藥、爆破的傳統(tǒng)鉆爆法開挖,不僅施工風險大,還會對保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的負面影響。”李華坤說。

可是,這個能應對如此復雜地質(zhì)條件的大直徑硬巖掘進機從哪來呢?

彼時,國內(nèi)尚未有直徑超9米的硬巖掘進機,而施工方想根據(jù)地質(zhì)特點對裝備進行功能完善時,外國企業(yè)都拒絕了。

工產(chǎn)學研“握拳”!2015年10月,中鐵高新工業(yè)股份有限公司旗下的中鐵裝備集團聯(lián)合中國中鐵隧道局集團、中國電建水電十四局及石家莊鐵道大學,開始為大瑞鐵路高黎貢山隧道量身打造世界最先進的大直徑敞開式隧道硬巖掘進機“彩云號”。

2017年8月1日,“彩云號”成功下線。這臺長230米、開挖直徑達9.03米、重1900噸的“巨無霸”,一舉填補了我國9米以上大直徑硬巖掘進機的空白。

更讓人欣喜的是“彩云號”的工作效率。2017年11月24日進入導洞施工的國外老牌掘進機“羅賓斯”,盾構(gòu)機直徑6.39米,施工難度更低,截至今年4月22日累計掘進了943米,中間“卡殼”兩次,每次都要停工20天以上。而今年2月1日才在主洞始發(fā)的“彩云號”,截至4月22日已挺進583米,從未停機。

“一般來說,硬巖掘進機進場的前兩個月是調(diào)試磨合期,此后進入正常工作階段。這么算來,‘彩云號’比‘羅賓斯’的效率提高得太多了。”司景釗說,“過去想做沒做成、一些外國企業(yè)還不給我們做的,我們中國人自己研制成功了,而且作業(yè)效率更高、效果更好。”

“中國創(chuàng)造”解難題

鉆機裝有攝像頭,實現(xiàn)了地下工程從“盲挖”到“心中有數(shù)”的轉(zhuǎn)變

“彩云號”憑什么能戰(zhàn)勝國外老牌盾構(gòu)機?就憑“中國創(chuàng)造”賦予的“十八般武藝”。

——“千里眼”讓“彩云號”看得遠,提前掌握地質(zhì)特點。

隧道施工在黑暗中前行,即便有前期地質(zhì)勘探,在實際掘進中前方會遇到哪些具體的地質(zhì)難題、遭遇哪些不可控的地質(zhì)災害,也難以知道。為了破解這個地下工程的最大挑戰(zhàn),“彩云號”裝上了全周嵌藏式超前探測鉆機。

“我們實現(xiàn)了地下工程從‘盲挖’到‘心中有數(shù)’的轉(zhuǎn)變。”中鐵裝備集團設研總院副院長賀飛指著“彩云號”的鉆機說,這個裝有攝像頭的鉆機,平時藏在主機平臺下方,不影響正常作業(yè),需要時自動升降,可探測刀盤前方30米的地質(zhì)。

——“順風耳”讓“彩云號”聽得清,準確識別不良地質(zhì)。

“彩云號”上的另一個寶貝是中鐵工業(yè)與山東大學等機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的超前地質(zhì)預報系統(tǒng)。通過反射波,“彩云號”能“聽波辨位”,對刀盤前方一定距離內(nèi)的斷層、溶洞、含水構(gòu)造等不良地質(zhì)進行準確定位識別并三維成像。

“不良地質(zhì)的三維成像結(jié)果會顯示在主控室操作屏幕上,為施工決策及時提供重要的地質(zhì)資料。這項技術(shù)是國內(nèi)首創(chuàng),國外也沒有。”賀飛說。

——“三頭六臂”讓“彩云號”出手快,應對突泥涌水無障礙。

“彩云號”增設前區(qū)應急噴灌混凝土機械手系統(tǒng)、超前注漿系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。一旦遭遇圍巖變形、斷層破碎帶和突水突泥等風險,這些“助手”該出手時就出手,可提前進行注漿加固。

“過去遇到涌水、突泥,只能靠人工去堵,又臟又累還風險極高,現(xiàn)在有了這些新型的機械手,大大降低了勞動強度,也更好保證了施工人員的人身安全。”司景釗說,“無論是超前探測鉆進,還是應急噴灌混凝土機械手,這些都是我們急需的,而外國供應商不愿意為我們提供。這些能更好適應中國地質(zhì)條件的工程裝備,還得靠咱們自主創(chuàng)新。”

在掘進突破1000米后,“彩云號”運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好,各項技術(shù)指標正常,已經(jīng)開始向新目標發(fā)起沖擊。“不過前面的挑戰(zhàn)還有不少,一是高地應力有可能造成掘進斷面變形,甚至還有可能遭遇威力可擊穿鋼板的巖爆;二是掘進將穿過7個透水層,比現(xiàn)在1小時120多立方米的涌水量更大,水壓也更大。這些需要我們繼續(xù)迎難而上。”(記者 陸婭楠)