风雨十二载 默默写华章
——中铁一院胡麻岭隧道设计科研攻坚纪实
  设计技术人员陪同国际知名专家进行现场踏勘。
  中国工程院院士梁文灏(左一)在胡麻岭隧道现场指导。

  ■本报通讯员 高 俊

  6月19日10时30分前后,手机、电视、网络几乎同时被一条新闻刷屏:兰渝铁路胡麻岭隧道贯通。

  胡麻岭,一个因盛产胡麻而得名的默默无闻的小山岭就此一鸣惊人。

  让它在一夜之间家喻户晓的不是胡麻,而是全长13.6公里的胡麻岭隧道。

  胡麻岭隧道地质条件最为复杂的1号、2号斜井之间173米长的正洞,前后打了整整6年。

  这对于已经习惯于不断创造中国隧道掘进新纪录的铁路建设者来说,简直是无法承受之重。但这一次,面对胡麻岭第三系富水粉细砂岩这一罕见的世界性难题,除了一点一点地啃下这块“硬骨头”,他们别无选择。

  拦路猛虎:特殊地质的考验

  胡麻岭隧道是兰渝铁路重点控制性工程,位于甘肃省定西市境内,全长13.6公里,其中有3250米穿越第三系富水粉细砂岩地层,也因此被列为全路“头号重难点工程”。

  中铁第一勘察设计院集团有限公司承担着兰渝铁路甘肃段共493公里的勘察设计工作,胡麻岭隧道正是勘察设计工作的重点之一。

  早在方案设计阶段,中铁一院就已经预见到了这种地层的复杂与困难。在线路所经的定西盆地,这种地质构成广泛分布,根本无法回避。为将这种不良地质的影响降低到最低程度,他们超前做了大量有针对性的工作:一方面,线路尽量以垂直状态经过这种地层,以使通过距离最小;另一方面,在隧道所经地区将勘探钻孔尤其是深达百米的深孔数量增加了一倍,以取得准确的地质资料。

  事实上,中铁一院全面、细致的超前性工作取得了相当准确的成果。从2009年胡麻岭隧道正式开始掘进直到2011年遇到凶猛的“拦路虎”之前,两年时间里无论是隧道所经地段的地质分布状况还是涌砂、涌水量,都在中铁一院的预测范围之内。唯一出乎意料的是,他们预见到了水,也预见到了砂,却低估了水和砂叠加之后的状况。

  的确,第三系富水粉细砂岩这种地层极易受到扰动的影响。随着施工的进展,围岩失稳现象越发严重,已开挖隧道掌子面的水稳性极差,一旦失稳极易发生突涌。发生突涌,一般是在开挖2小时后表面开始渗水,4小时后表面开始软化,6小时后开始流动,10个小时后表面已经成为泥糊。

  2011年8月,当1号、2号斜井间仅剩173米时,作业面涌出的泥沙像泥石流一样淹没了已经修好的隧道,工程进度第一次出现了倒退。

  前国际工程地质与环境协会(IAEG)主席、西班牙马德里理工大学卡洛斯·德尔加多教授在考察兰渝铁路时曾说:“在这套地层中修隧道,世界上还没有先例,你们很了不起。”

  知己知彼:全面勘察打基础

  面对胡麻岭隧道的巨大挑战,中铁一院的工程技术人员发挥特有的“尖兵精神”,顽强攻坚,大胆创新,经受住了体力、智力、耐力的重重考验。

  早在兰渝铁路规划之前,为确立最佳的线路方案,中铁一院先后进行了多次大范围的方案比选。鉴于全线地形、地质条件复杂,区域地质研究程度比较低,可供利用的既有地质资料又很少,2006年1月至2月底,中铁一院组织精锐力量,对线路所经地区进行了大范围的航测遥感判释和专题加深地质调绘工作。这年上半年,他们顺利完成全线初测地质勘察。

  为了快速查明胡麻岭隧道掌子面附近的塌方情况以及潜在塌方风险的范围,中铁一院甘肃勘察设计院采用先进的瞬变电磁法等物探手段,以地表发生塌陷、冒顶的重点区域为中心,在线路纵向300米、左右各100米的范围内逐步由外向内进行高精度测试,准确查明了胡麻岭隧道塌陷区的地层岩性、岩层分界线、空腔范围以及地下水埋深地层和空腔的赋水情况,为下一步评估治理及制订应急施工方案提供了准确、翔实的第一手资料。

  当工程技术人员深入山区探查地质状况时,正值隆冬,他们需要住在临时搭建的简易帐篷里。室内没有取暖设备,每天早晨起来,他们的被子甚至胡须都结上了霜。更为艰苦的是,山上没有水,而深孔钻探用水量很大,长驻野外的工程技术人员每天都要从几公里外的山下凿冰取水。部分孔位因条件所限没法修路,就只能完全依靠人力运送物资,连重达十几吨的钻机、钻具也只能拆解后再一点点地肩扛手抬运到钻探现场,一线的劳动强度和危险性都成倍增加。

  面对重重困难,一线工程技术人员历经千辛万苦,通过遥感解译、地质调绘,钻探、物探、原位测试及试验测试等综合方法,查明了沿线地区的地层岩性、地质构造、特殊岩土、不良地质、地应力、地震烈度分区及地下水等工程水文、地质条件,为后续设计提供了可靠依据,也为胡麻岭隧道的攻坚打下了坚实的基础。

  标本兼治:设计创新解难题

  针对胡麻岭隧道面临的世界性难题,中铁一院成立了以全国工程勘察设计大师、隧道专家李国良和地质专家、副总工程师李响为首的工作组,中铁一院副总工程师、中国工程院院士梁文灏参与全程技术指导。中铁一院还邀请国内外专家多次到现场调研指导,同时组织相关专业的技术骨干与中国科学院地壳应力研究所、中国中铁西南科学研究院、北京交通大学、同济大学等科研院所开展深度合作,重点针对第三系砂岩水文地质条件与围岩稳定性关系、工艺工法等多项关键性技术进行专题研究和科研攻关。

  鉴于兰渝铁路的特殊性和复杂性,原铁道部和兰渝铁路有限责任公司在项目初期就给予了高度关注,决定以兰渝铁路为依托,在特长隧道修建技术、复杂地质条件下的隧道施工安全技术措施等方面进行一系列科研攻关。中铁一院承担了13个相关课题。

  通过不断的试验和研究,中铁一院全面掌握了第三系富水粉细砂岩的基本工程特性、围岩含水率变化与围岩稳定性的变化规律,并在此基础上取得一系列重大技术突破,确定了“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”的设计原则和针对性施工方案,形成了一整套系统的设计施工关键技术,为工程建设提供了坚实的技术支撑。

  胡麻岭隧道第三系富水粉细砂岩安全施工技术研究和水文特性研究均属国内首创,部分课题处于国际技术前沿。在应对复杂水稳特性方面,中铁一院设计采用“洞内超前真空+地表深井”综合降水体系,确保将掌子面的含水率控制在10%以下,其地表降水井的深度达到280米,为国内外所罕见;同时,根据各掌子面含水率的不同,有针对性地选择采用CRD、双侧壁法、双导洞、超前水平旋喷预加固、全断面帷幕注浆加固等不同的施工工法,确保了隧道的安全、可靠施工。

  攻坚克难:配合施工见真章

  施工期间,中国铁路总公司组织建设、设计、施工、监理单位成立现场工作组入驻隧道内解决问题,中铁一院精心选派专业技术骨干轮流长驻现场,每天进隧道查看施工情况,针对现场存在的具体问题及时制订解决方案,确保第一时间提供技术支持。

  为了全面掌握第三系富水砂岩复杂的水稳特性,技术人员每天坚守在施工现场,每开挖一个循环都要取一次样;施工过程中每一个工序掌子面的变化情况都要详细记录;白天在现场采集完数据,晚上回宿舍还要进行分析研究。这种“5加2、白加黑”的工作方式,对他们来说已经成为一种常态。

  功夫不负有心人,通过对500余组试验数据和20多个模型的分析和总结,工程技术人员对第三系富水砂岩的基本工程特性和异常复杂的水稳特性有了更深刻的认识,这也为隧道设计施工提供了更可靠的技术支持。

  针对富水粉细砂地段易发生突涌等险情的特点,中铁一院技术人员经过认真研究,提出对胡麻岭隧道剩余部分采用九部双侧壁工法施工,即在增加临时支护结构、提高结构整体稳定性的同时,将隧道开挖面分成9个小断面进行,从而降低了出现大规模突涌的风险,保证了隧道开挖安全。

  针对施工中出现的局部涌水、涌沙情况,中铁一院的技术人员根据涌出物的特点(流塑状、稀糊状、流沙状、清水、浑水、水夹沙等),及时采取单液注浆、双液注浆、单液—双液混合注浆、埋管引排等措施,并在处理过程中不断总结、优化、调整,逐步形成了一套较成熟的局部突涌处理方案,确保了局部突涌处理的及时性和有效性。

  细致周到的技术支持与服务,为中铁一院赢得了建设、施工单位的一致好评,中铁一院兰渝铁路指挥部也多次获得业主的通报表扬及奖励。

  釜底抽薪:地表深井巧治水

  胡麻岭隧道第三系富水砂岩问题,最难的部分就是对水的处理。

  由于隧道所处位置的地下水位较高(位于隧道洞顶40米左右)、水量大,如果单纯采用洞内超前降水的措施,能减少掌子面附近的含水率,施工中的涌水涌砂现象却无法得到根治,安全风险极大;如果要把水位降到仰拱以下,就必须采用地表深井降水的方式。胡麻岭隧道砂岩地段的埋深大都在100米以上,最大埋深达280米,而目前国内外在这种特殊地层中超过100米以上的深井降水极为少见,没有现成经验可以借鉴。

  面对前所未有的挑战,中铁一院组织资深专家和技术骨干进行专题攻关,一方面深入调查研究、精心调整设计;另一方面和施工单位一起进行深井降水试验。井深从30米逐渐加深,在100米以下时还比较顺利,超过100米以后难度逐渐增加,在成井过程中不断出现漏浆、塌孔、卡钻等现象,但没有一个人气馁。他们通过反复试验和总结,不断调整施工工艺及设计方案,终于胜利凿通了深达280米的试验井。

  在成井那一刻,所有技术人员都感到无比激动与自豪。这一刻,所有的付出都值了,因为他们再次创造了历史。

  多管齐下:工程抢险显真功

  在1号斜井工区正洞重庆方向施工时,曾发生较大规模的突涌。中铁一院召集现场工程技术人员和有关专家进行多次“会诊”,分专题展开讨论,通过集思广益和深入研究,最终确定采用三种针锋相对的方式来破解这一难题。

  一是通过全断面帷幕注浆对涌出体及隧道周边围岩进行加固,同时对隧道周边可能存在的空腔也能起到一定的回填作用;二是采用高密度瞬变电磁等先进设备来探测空腔,最终确定了空腔的位置及形态;三是通过采用地表钻孔取芯等措施,进一步探明该段的地质情况,同时通过计算机软件模拟突涌段的结构受力情况,经反复计算与对比,最终确定了最安全的结构参数。

  但在施工过程中,又出现了新的问题:因为空腔较大,无法通过单一的隧道内注浆回填密实,需在地表增设深孔注浆。为防止注浆过程中由于浆液重力原因导致围岩压力增大而将隧道周边的软弱围岩挤出,中铁一院的技术人员对相关参数进行了再次优化;同时通过在地表增设降水井、在隧道两侧增设导洞的方式进行辅助降水,以降低地下水可能对围岩造成的不利影响。

  隧道的突涌现象得到控制,基本符合预期效果,并为后续施工提供了有力保障。胡麻岭隧道贯通的那一刻,永远地定格在欢呼的人群、招展的红旗和一张张热泪盈眶的脸庞上。为了这一瞬间,隧道建设者付出了8年多的艰辛。

  作为胡麻岭隧道的勘察设计者,中铁一院从2005年完成预可行性研究报告至今,已经走过了12个春秋。

  聚光灯下,人们看不到这些普普通通设计者的身影,他们没有出现在现场欢呼的人群中,却仍然在办公室高速运转的电脑前辛勤工作。不过,这座永远镌刻在中国隧道建设史上的胡麻岭隧道,无疑是他们在勘察设计领域默默书写的又一篇华章。

  本版照片均由中铁一院提供