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创新技术解决“豆腐花”里打洞难题

2018-05-04 11:59:48|来源:科技日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

视觉中国

悬臂掘进机前端图

悬臂掘进机

  一条长达17.6公里的铁路隧道,火车通行只要17分钟,却已修建10年。为何一条铁路隧道会修建这么久?在这条隧道的修建过程中到底遇到了哪些难题?近日,科技日报记者来到即将连入泛亚铁路网的大瑞铁路秀岭隧道,一探究竟。

  集各种不良地质问题于一身的隧道

  起于大理、止于瑞丽的大瑞铁路,全长330公里,是连通中缅国际铁路中国境内的“最后一段”,也是我国西南进出境通道之一的中缅铁路通道的重要干线,而这条铁路尚未通车就已经创造了一个世界纪录:世界上最难修的铁路。

  大瑞铁路要穿越我国主要地震带之一的横断山脉,而全长17623米的秀玲隧道,是全线最长的单头掘进隧道,要穿越7条断裂带,围岩等级极不稳定,交替变化多达160余次,层间挤压破碎带更是频繁出现,地质条件十分复杂,是大保(大理到保山)段最大的拦路虎。

  更难的是,秀岭隧道洞身大部分位于“滇西红层”之软质岩中。当地特有的滇西红层是唯一一个以区域命名的土层,由泥岩、粉砂岩、砂岩交替组成,围岩特点是“遇水成泥、遇风则化”。

  “秀岭隧道位于横断山滇西高山峡谷区,这里因有变化频繁的断层、突泥涌水、软岩变形、层间挤压破碎带等各类地质问题,而被称为‘地质博物馆’。”负责秀岭隧道进口施工的中铁八局一公司大瑞项目部经理吴丽君苦笑着说,从2008年开工以来,他们已经遭遇了掌子面小型溜坍143次、初支开裂变形60次、软岩大变形7次、大型坍方4次、突泥涌水3次,而且还要面临岩爆、岩溶、高地热、放射性等不良工程地质问题。

  “当时想到了岩层软,但是没想到居然这么软,就像豆花一样。”中铁八局一公司大瑞项目部总工秦鹏说,在这里施工地质变化非常频繁,经常是施工时还是稳定性较好的硬质岩,下一个循环硬质岩背后就是泥岩,甚至是像泥石流一样的混合物,稍不留神就会出现塌方、突泥等问题。

  红外线技术盯紧软弱围岩变化

  如果要说这些地质灾害中,哪个最让修建者担心,那毫无疑问就是软弱围岩大变形。它是“滇西红层”容易引发的一项严重地质灾害,表现为开挖支护后围岩自稳能力差,软岩变形严重。

  “它的改变是肉眼难以发觉的,能在悄无声息中造成危害。”吴丽君说,2016年,秀岭隧道进口正洞出现严重的软弱围岩大变形,初支拱腰最大收敛变形达到1.2米,在软岩失稳和地应力偏压作用下,用于横竖支撑的工字钢被扭成了“麻花”,整个作业面就像一块被剥离出来的蛋糕,摇摇欲坠。

  为切实有效防止软弱围岩大变形对施工造成的影响风险,大瑞项目部对隧道超前地质预探及施工连续监控工作进行了持续改进创新。在经过反复研讨后,由项目部自行研发的红外线观测连续报警装置成功运用到隧道监控量测中,该项技术利用激光发射接收原理及相对位移变化,施工全过程实时监控围岩变化,确保第一时间发出危险警报,保证施工安全。该项技术也在整个大瑞线的施工中得到了全面推广。

  针对沿线地质复杂的情况,承担秀岭隧道出口段的中铁八局二公司则对隧道超前地质预探工作持续改进,采用TRT远距离物探配合加深炮孔探测方法,以红外探水、掌子面地质素描准确预测掌子面前方围岩条件,形成全方位的超前预报系统,能预测前方130米左右的地质情况,确保施工安全,虽然施工困难重重,但从没有人员伤亡情况出现。

  悬臂掘进机确保安全增速度

  人工开挖进度慢、危险因素高,如何能安全地加快施工速度,吴丽君一直在探索机械化施工,不过因为地质原因,盾构机等开挖隧道高手并不适用,最后他想到煤矿适用的悬臂掘进机。

  悬臂掘进机集开挖、装碴和自动行走于一身,操作灵活,对复杂地质适应性强,便于支护,可以适应中、软岩隧道施工。2015年,悬臂掘进机被首次运用到秀岭隧道的施工中,不过因为施工段落围岩岩性变化频繁,出现了大量股状水,围岩遇水后迅速成泥,设备陷入泥浆中无法行走,首次试用失败了。

  然而吴丽君没有放弃,他查阅大量相关资料,并与厂家反复研究对悬臂掘进机进行了改进,使其更适合秀岭隧道进口实际施工情况。吴丽君表示,要让悬臂掘进机在这种环境下应用并不容易,不同的环境要使用不同的设备,全部操作要有一整套的施工保障进行支持。为了实用,他还要求把支撑系统改为液压调节,以实现上下左右自由调节。

  2017年,秀岭隧道进口平导重新采用悬臂掘进机工法组织施工,取得了平导单月掘进115米的良好成绩,证明了悬臂掘进机工法在软弱围岩地段相对传统钻爆法在安全、质量、进度上更有优势。通过悬臂掘进机的使用,项目施工进度比普通钻爆法增加了50%,大大降低了对围岩的搅动,有效地防止了隧道的塌方,掌子面施工也更加圆顺,避免了超挖导致脱空的质量隐患。

  “以前传统开挖要6个人,除碴要十几个人,而且要在危险区作业,现在只用2个人操作机器,危险区不用有人,不使用传统的爆破法开挖,不使用火工品,消除了传统的重大事故安全隐患。”吴丽君说。

  目前,这里是大瑞铁路全线唯一成功使用悬臂掘进机的隧道,进度保持全线领先。他们对悬臂掘进机在铁路隧道的应用已经申报省部级科研成果,并且正在申报《铁路隧道悬臂掘进机使用标准》,为以后铁路隧道建设运用提供了完善的经验。

  吴丽君介绍,通过悬臂掘进机的使用,他们的挖掘速度大大加快,预计将超过初期计划的平导施工里程8790米,最终独头掘进10公里,成为国内最长的独头掘进隧道。

  大瑞铁路建成,将打破云南西部没有铁路的历史, 将重塑历史上“南方丝绸古路”新的辉煌。从大理到瑞丽将从六七个小时的汽车车程缩短为2个多小时,从昆明到瑞丽也只需要6个小时。(雍 黎)

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