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九年淬炼“钢”终成
——写在兰渝铁路全线通车之际
发布日期:2017-10-12
     □符世祥  段宏杰  余纪伟
    9月29日,连接我国西南和西北的铁路大通道——甘肃兰州到重庆的兰渝铁路全线通车。
    兰渝铁路途经甘、陕、川、渝三省一市22个市县(区),是客货共线双线电气化国家I级铁路,设计时速160公里,有条件路段预留200公里/小时。全线通车后,兰州到重庆运输距离由1453公里缩短至886公里,客车运行时间由21小时缩短为目前的12小时;途径重庆到新疆、欧洲的中欧班列将不再绕行陇海、西康、襄渝铁路,将通过兰渝线直通兰州。 
    我集团建设者鏖战近9年建成的全长19公里的木寨岭隧道,如今列车仅用6分钟就能穿越。而为了尽早打通这座隧道,建设者付出了巨大代价。他们依靠科技力量,破解了一个又一个难题、创造了一个又一个奇迹,在中国铁路隧道史上树起了一座新丰碑。
  工程意义特别重大,各界人士特别关注
    关于兰渝铁路,孙中山先生在《建国方略》中提到,“经过物产极多、矿产极富之地区”,是“中国铁路系统中最重要者”。
    新中国成立后,国家有关部门多次对这条铁路进行论证、勘测和设计等前期工作,但由于地质复杂、施工技术受限制而中断。
    20世纪末,随着我国隧道修建技术的日益成熟,兰渝铁路再次提上各级政府的议事日程。甘、陕、川、渝政府两次请示。
    兰渝铁路途经红军长征部分地区,105名老红军曾联名签字致信党中央国务院,请求修建兰渝铁路。甘肃省岷县被称为长征的“加油站”,《七律·长征》中用“更喜岷山千里雪,三军过后尽开颜”形容红军迎来胜利曙光时的喜悦心情。
    2008年,兰渝铁路开工建设,拉开了西部跨省区大规模、高标准铁路建设的序幕,中国中铁隧道局集团承建的木寨岭隧道工地响起隆隆的开山炮声,这一干就是近9年。
    兰渝铁路建设受到党中央国务院的高度重视。2013年8月,木寨岭隧道施工最艰难阶段,各级领导前往工地视察慰问,反复强调,铁路对西部发展有重要意义,虽然在西部山区修铁路非常艰苦,但大家是用艰辛和努力为西部贫困人口打开致富大门。建设者深受鼓舞,干劲十足。
  自然灾害特别多,冬季施工特别苦
    2016年6月29日,甘肃岷县遭遇罕见特大冰雹袭击。很快,农田铺上了一层厚厚的“雪”,不仅庄稼被毁坏、汽车玻璃被砸碎,就连天空中飞翔的麻雀也没能幸免于难。
    处于岷县与漳县之间的兰渝铁路木寨岭隧道,受特大冰雹影响,一工区大坪拌和站、站料仓及操作室电脑损坏,无法生产湿喷料及混凝土,不得不停止生产。
    然而,这并不是特例。2013年9月16日,一场突如其来的冰雹加特大暴雨突然降临,隧道南水沟斜井工地5分钟内便被洪水冲垮,机械设备悉数被毁,施工物资全都被淤泥覆盖,给施工带来几近毁灭性的打击。
    木寨岭隧道处于地震带上。2013年7月22日,甘肃岷县、漳县交界区域发生6.6级地震,地质极度脆弱的木寨岭隧道遭受重创,多个斜井洞身结构遭到严重破坏,多处脱落掉块、开裂鼓包,高地应力发生重新分布。地震造成混凝土拌和站、职工食堂等大面积开裂倒塌。
    近9年来,建设者多次遭遇严重的自然灾害,还要克服高寒缺氧、冰冻极寒等恶劣天气,而这仅仅是外部环境。
    木寨岭年平均气温6摄氏度至7摄氏度,冬季冰雪天气长达七八个月,最低温度零下35摄氏度,长时间的冬季施工和极低的温度对施工造成了诸多不利影响,尤其是1000多米的斜井几乎全部结冰,最厚达到60厘米,车辆根本上不来,只能靠装载机牵引。
    由于洞内外温差悬殊,车辆从隧道内出来时,经常遇到油管被冻裂等情况,汽车玻璃上会瞬间结一层薄冰,严重影响正常行驶。拌和站配备了发热系统,但管路还是经常被冻坏;搅拌罐需要穿厚厚的“棉衣”过冬,混凝土要用热水搅拌、及时使用,否则很快就成废料。
    进入埋深600多米的隧道内,各种机器轰鸣,高峰时一个作业面共有30多台机器同时作业,散发出的热量不断累积,温度最高达38摄氏度。工人们只能光着膀子干活,汗水像雨珠一样滚落。
    岷县地区常年干旱缺雨,但木寨岭隧道施工过程中仍不断遭遇大规模涌水。2010年10月,隧道掌子面每天涌水量高达1600立方米,整个掌子面像水帘洞一样。当时,隧道正处于碳质板岩破碎带,遇水即融,地质极为脆弱。为了确保安全,中铁隧道局集团建设者采用人工作业,开挖使用风镐一点一点剥下,出渣采用锄头和撮箕一点一点外运,整个作业在“雨”中淋泡,苦战一个多月,终于安全度过涌水段。
    施工人员进洞、出洞,上班、下班,每天经历寒冬和“酷暑”两个迥异的季节,温差甚至高达六七十摄氏度,真是名副其实的“冰火两重天”。尤其是出洞时,寒风凛冽,湿透的工作服瞬间变得硬邦邦的,身体瞬间冻透,员工们这样调侃:“我们是活的冰雕!”
  过程特别曲折,困难远超想象
   有人认为,木寨岭隧道的难,难得任性、难得神秘。事实的确如此!
   2009年2月,木寨岭隧道开工后不久,中铁隧道局集团建设者便遭到“当头棒喝”。隧道进口开挖到300米时,遭遇浅埋段,但是超强地应力爆发,隧道每天“收缩”变形10厘米至20厘米,即使超常规支护也不起作用,倒U字形的钢拱架变形扭曲成Z字形,工字钢成了麻花钢,施工困难远超出预期。
  遇风即化、遇水即融,木寨岭隧道的脆弱地质完全颠覆了传统隧道施工打眼、放炮、出渣施工概念,打隧道被“抠隧道”代替,常规机械威力“顷刻丧失”。
  隧道掘进中放弃炸药爆破,破碎机就像扎进橡皮泥、钻杆就像打进豆腐一样,工人们只能采用最原始的镐和锹,一锹一镐地往里抠,偌大的掌子面变成一个“考古场”。有人戏言,我们不经意间打开了“地质博物馆”的“潘多拉魔盒”。
  兰渝铁路穿过黄土高原与青藏高原板块碰撞交界处,是国内施工难度大、风险极高的铁路,被专家称为“国内罕见、世界难题”。
  为了破解世界级难题,中国铁路总公司在开工时牵头成立设计、施工等单位在内的现场实验室,依托7号斜井开展为期一年半的科学实验,为正确认识和探明高地应力、支护参数等提供了翔实的科学依据。
  2014年10月,木寨岭隧道衬砌出现开裂。施工人员采用双层初支结构,变形明显减小,安全压力减轻,该项措施得到普遍推广。
  但他们很快认识到,即使采用双层初支和单层衬砌,隧道结构仍然不能稳定,也就是说应力仍然很大,支护强度仍然不够。
  面对重重困难,中铁隧道局集团建设者矢志不渝,攻坚克难。
2015年初,施工单位中铁隧道局集团及时组建经验丰富的管理和科技人员工作组,常驻现场帮扶,发挥整个集团的施工优势,推动木寨岭隧道的施工进展。
  2015年9月,专家论证研究后决定提前释放围岩应力,先采用大导洞施工,后改为小导洞施工,以便全隧贯通后,再进行扩挖,形成稳定的围岩结构。由于围岩破碎、变形大,极端情况下,小导洞会收缩直至坍塌消失。经过三四个月的不懈努力,2015年12月木寨岭全隧左、右线实现小导洞贯通。
  兰渝铁路项目部一工区总工陈强是个30多岁的小伙子,在工地结的婚,孩子也在工地出生,见证了整个施工过程。他说,由于施工方案变化太快太多,现在已记不起这是第二十几个版本了。
    “钢铁是这样炼成的”
  探测表明,木寨岭隧道高地应力软岩地段占全隧长度的84.5%,穿越总长达4.5公里的断层破碎带,最大地应力38.88兆帕,这相当于每平方米承受3888吨的压力,相当于水下大概3800米处压强。木寨岭隧道不但变形大,而且变形快,极易坍塌。尤其是2015年进入难度最大、施工最艰难的岭脊地段以后,埋深在500米以上,5公里范围内断层长达2160米,占比43%,围岩应力比极低。有专家认为,木寨岭隧道施工难度是极限中的极限,施工措施无所不用其极。
  与国际同类隧道——全长14公里的奥地利阿尔贝格隧道相比,木寨岭隧道最大地应力是它的2倍,最大累计变形量是它的4倍。与同在甘肃地区的全长20公里的乌鞘岭隧道相比,木寨岭隧道岩石极软,最大累计变形量是乌鞘岭隧道的近3倍。
  在高地应力、大变形世界级难题主要集中的1300米隧道岭脊段,紧邻隧道掌子面处变形最为严重的时候,每天的变形值达到20厘米,10天内的收敛变形超过2米。
  项目部总工程师吴永东说,此时施工更是艰难。隧道扩挖时,预留空间从最初的65厘米增加到1.2米、1.5米、1.8米,最后是2.1米。立拱时,必须考虑变形,提前预留变形空间。对于各种超常规措施,他说以前没见过、没听过,更没想过。
  中国工程院院士王梦恕表示:“木寨岭隧道如此快、如此猛的极高地应力特大变形在中国铁路建设史上还是首例,全世界没有现成的技术方案可供参考。”
  为了破解上述世界性难题,铁路总公司牵头成立由工程管理中心、建设、设计、施工、监理单位组成的“五位一体”重难点工程现场工作组共同会诊、联合攻关。
  甘肃省五一劳动奖章获得者、项目部负责人胡景军介绍,建设者坚持动态设计、动态施工的理念,不断根据新情况和新问题,动态调整施工方案:改良围岩结构经历了从锚杆到锚索的过程;初期支护钢拱架强度一次次成倍增大,经历了从单层到两层,再到三层甚至四层的过程;二次衬砌厚度和强度不断增加。
  最终,建设者探索出了三层初支加单层衬砌的“木寨岭模式”,隧道平均厚度1.6米,是普通隧道厚度的2倍;贯通段达到5层,厚度达到2.1米,是普通隧道衬砌厚度的3倍。经过近9年艰苦鏖战,中铁隧道局集团终于成功破解了“潘多拉魔盒”难题。
  据粗略统计,木寨岭隧道开挖断面是普通隧道的3倍;用钢量是普通隧道的5倍,每米高达10吨,钢材强度达到极限。而隧道的形状也从最初的马蹄形变更为圆形,以便更好地受力,确保隧道结构安全。
  2016年7月18日,兰渝铁路“咽喉工程”——木寨岭隧道胜利贯通。这标志着我国在破解极高地应力软弱围岩大变形世界级隧道施工难题方面取得重大突破。
在3000多个日子里,中铁隧道局集团6000名员工没有退缩,大多数一直坚守到贯通。
  “环境艰苦,精神不苦;围岩软弱,意志不弱;地层流变,决心不变;钢架压弯,腰杆不弯!”这就是中铁隧道局集团建设者创造的“兰渝精神”,这也是破解“潘多拉魔盒”难题的“金钥匙”。
  木寨岭隧道是怎么建成的?二工区一线生产负责人李成明的回答很有代表性:“钢铁是怎样炼成的,隧道就是怎么贯通的!”2016年12月,甘肃省人民政府给予中铁隧道局集团兰渝铁路项目部贡献突出嘉奖。
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