穿越多處地震帶、溫泉群,世界第七長(zhǎng)大隧道——大瑞鐵路高黎貢山隧道正攻堅(jiān)

中國(guó)最長(zhǎng)鐵路隧道這樣建

高黎貢山隧道進(jìn)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(jī)身抖動(dòng)、噪音震耳,“彩云號(hào)”硬巖掘進(jìn)機(jī)猶如一頭吞砂噬巖的巨獸,埋頭向前,無(wú)堅(jiān)不摧。

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

“34公里的長(zhǎng)大隧道,穿越地震帶、地?zé)崛?如果采用傳統(tǒng)鉆爆法施工,每一寸都是煎熬,而進(jìn)口硬巖掘進(jìn)機(jī)貴得讓人望而生畏。”中鐵隧道局集團(tuán)大瑞鐵路項(xiàng)目部項(xiàng)目經(jīng)理張建設(shè)說(shuō),有了中國(guó)自主研發(fā)的“彩云號(hào)”硬巖掘進(jìn)機(jī),施工效率成倍提高,“從大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)的核心技術(shù)被我們掌握的這一刻起,中國(guó)鐵路長(zhǎng)大隧道項(xiàng)目的機(jī)械化施工不再受制于人!”

“三高”猶如攔路虎

需穿越地?zé)釡厝习偬帯鄬悠扑閹?6個(gè)、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?kù)o而耀眼。驅(qū)車盤(pán)山而上,千巖競(jìng)秀,云蒸霞蔚,世界第七長(zhǎng)大隧道、亞洲最長(zhǎng)鐵路山嶺隧道、中國(guó)最長(zhǎng)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(shè)計(jì)時(shí)速僅140公里,全長(zhǎng)不過(guò)330公里。如果僅從長(zhǎng)度、速度來(lái)衡量,它似乎只是中國(guó)鐵路版圖中微不足道的一處“短橫”。

然而,大瑞鐵路的價(jià)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(gè)少數(shù)民族聚集區(qū),建成后,大理與瑞麗的通行時(shí)間將從現(xiàn)在的六七小時(shí)縮短至約3小時(shí),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(guó)際鐵路中國(guó)境內(nèi)的“最后一段”,昆明至瑞麗實(shí)現(xiàn)朝發(fā)夕至,也有利于推動(dòng)我國(guó)與東南亞國(guó)家交流合作。

作為脫貧致富線、民族團(tuán)結(jié)線、國(guó)際合作線,大瑞鐵路的建設(shè)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(guò)去的攔路虎。作為我國(guó)第一條穿越橫斷山脈的干線鐵路隧道,高黎貢山隧道僅進(jìn)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(shè)計(jì),目前仍需面對(duì)世界級(jí)的“三高”挑戰(zhàn)。

高地?zé)帷Ｋ淼赖靥幓钴S的地?zé)崴h(huán)境,有4條導(dǎo)熱斷層,堪稱高溫?zé)岷?yán)重。“周邊有溫泉上百處,深孔鉆探實(shí)測(cè)地下水溫最高達(dá)102攝氏度,足以使施工現(xiàn)場(chǎng)像桑拿房一樣難熬。”中鐵隧道局大瑞鐵路項(xiàng)目部總工程師司景釗介紹,此前中國(guó)還沒(méi)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(duì)隧道施工和結(jié)構(gòu)的影響,如何開(kāi)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(duì)人員、設(shè)備的不利影響,這些都是前所未有的難題。”

高地應(yīng)力。高黎貢山隧道最大埋深1155米,應(yīng)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(duì)施工裝備和人員的損害難以估量。”司景釗預(yù)測(cè),全隧有可能發(fā)生巖爆的區(qū)段累計(jì)總長(zhǎng)度約2公里。

高地震烈度。隧道位于滇西南地震帶,地震活動(dòng)強(qiáng)度非常大,頻度高,僅斷層破碎帶就要穿越16個(gè)。“高黎貢山隧道所處區(qū)域是地質(zhì)監(jiān)測(cè)的重中之重,稱得上‘地質(zhì)博物館’,施工難度極大,風(fēng)險(xiǎn)極高,具有很強(qiáng)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(guó)隧道修建技術(shù)。”中國(guó)工程院院士盧耀如說(shuō)。

“大國(guó)重器”是支撐

過(guò)去想做沒(méi)做成、一些外國(guó)企業(yè)還不給我們做的,中國(guó)人自主研制成了

工欲善其事,必先利其器。世界級(jí)工程,必有“大國(guó)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(jìn)機(jī)挑大梁。”中鐵隧道股份有限公司黨委副書(shū)記李華坤說(shuō)。

硬巖掘進(jìn)機(jī),英文縮寫(xiě)TBM,是集機(jī)、電、液、氣、激光、傳導(dǎo)、測(cè)量、預(yù)報(bào)于一體的高技術(shù)含量工程裝備,被譽(yù)為“地下工程施工的航母”,能夠解決長(zhǎng)距離、復(fù)雜地層條件下人工鉆爆法無(wú)法完成的山嶺隧道施工難題。

硬巖掘進(jìn)機(jī)的另一大優(yōu)勢(shì),則是施工污染低、地層擾動(dòng)小,能夠最大程度保護(hù)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(yù)為“物種基因庫(kù)”“東亞植物區(qū)系的搖籃”。早在2000年,聯(lián)合國(guó)教科文組織就把高黎貢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)接納為世界生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)成員。“在這種生態(tài)要求極高的區(qū)域作業(yè),如果通過(guò)鉆孔、裝藥、爆破的傳統(tǒng)鉆爆法開(kāi)挖,不僅施工風(fēng)險(xiǎn)大,還會(huì)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響。”李華坤說(shuō)。

可是,這個(gè)能應(yīng)對(duì)如此復(fù)雜地質(zhì)條件的大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)從哪來(lái)呢?

彼時(shí),國(guó)內(nèi)尚未有直徑超9米的硬巖掘進(jìn)機(jī),而施工方想根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)裝備進(jìn)行功能完善時(shí),外國(guó)企業(yè)都拒絕了。

工產(chǎn)學(xué)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(tuán)聯(lián)合中國(guó)中鐵隧道局集團(tuán)、中國(guó)電建水電十四局及石家莊鐵道大學(xué),開(kāi)始為大瑞鐵路高黎貢山隧道量身打造世界最先進(jìn)的大直徑敞開(kāi)式隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)“彩云號(hào)”。

2017年8月1日,“彩云號(hào)”成功下線。這臺(tái)長(zhǎng)230米、開(kāi)挖直徑達(dá)9.03米、重1900噸的“巨無(wú)霸”,一舉填補(bǔ)了我國(guó)9米以上大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)的空白。

更讓人欣喜的是“彩云號(hào)”的工作效率。2017年11月24日進(jìn)入導(dǎo)洞施工的國(guó)外老牌掘進(jìn)機(jī)“羅賓斯”,盾構(gòu)機(jī)直徑6.39米,施工難度更低,截至今年4月22日累計(jì)掘進(jìn)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(hào)”,截至4月22日已挺進(jìn)583米,從未停機(jī)。

“一般來(lái)說(shuō),硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)場(chǎng)的前兩個(gè)月是調(diào)試磨合期,此后進(jìn)入正常工作階段。這么算來(lái),‘彩云號(hào)’比‘羅賓斯’的效率提高得太多了。”司景釗說(shuō),“過(guò)去想做沒(méi)做成、一些外國(guó)企業(yè)還不給我們做的,我們中國(guó)人自己研制成功了,而且作業(yè)效率更高、效果更好。”

“中國(guó)創(chuàng)造”解難題

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

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

——“千里眼”讓“彩云號(hào)”看得遠(yuǎn),提前掌握地質(zhì)特點(diǎn)。

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

“我們實(shí)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(tuán)設(shè)研總院副院長(zhǎng)賀飛指著“彩云號(hào)”的鉆機(jī)說(shuō),這個(gè)裝有攝像頭的鉆機(jī),平時(shí)藏在主機(jī)平臺(tái)下方,不影響正常作業(yè),需要時(shí)自動(dòng)升降,可探測(cè)刀盤(pán)前方30米的地質(zhì)。

——“順風(fēng)耳”讓“彩云號(hào)”聽(tīng)得清,準(zhǔn)確識(shí)別不良地質(zhì)。

“彩云號(hào)”上的另一個(gè)寶貝是中鐵工業(yè)與山東大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過(guò)反射波,“彩云號(hào)”能“聽(tīng)波辨位”,對(duì)刀盤(pán)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(jìn)行準(zhǔn)確定位識(shí)別并三維成像。

“不良地質(zhì)的三維成像結(jié)果會(huì)顯示在主控室操作屏幕上,為施工決策及時(shí)提供重要的地質(zhì)資料。這項(xiàng)技術(shù)是國(guó)內(nèi)首創(chuàng),國(guó)外也沒(méi)有。”賀飛說(shuō)。

——“三頭六臂”讓“彩云號(hào)”出手快,應(yīng)對(duì)突泥涌水無(wú)障礙。

“彩云號(hào)”增設(shè)前區(qū)應(yīng)急噴灌混凝土機(jī)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(fēng)險(xiǎn),這些“助手”該出手時(shí)就出手,可提前進(jìn)行注漿加固。

“過(guò)去遇到涌水、突泥,只能靠人工去堵,又臟又累還風(fēng)險(xiǎn)極高,現(xiàn)在有了這些新型的機(jī)械手,大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,也更好保證了施工人員的人身安全。”司景釗說(shuō),“無(wú)論是超前探測(cè)鉆進(jìn),還是應(yīng)急噴灌混凝土機(jī)械手,這些都是我們急需的,而外國(guó)供應(yīng)商不愿意為我們提供。這些能更好適應(yīng)中國(guó)地質(zhì)條件的工程裝備,還得靠咱們自主創(chuàng)新。”

在掘進(jìn)突破1000米后,“彩云號(hào)”運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)正常,已經(jīng)開(kāi)始向新目標(biāo)發(fā)起沖擊。“不過(guò)前面的挑戰(zhàn)還有不少,一是高地應(yīng)力有可能造成掘進(jìn)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(jìn)將穿過(guò)7個(gè)透水層,比現(xiàn)在1小時(shí)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)