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          秦嶺深處的“超級隧道” ——記蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道(圖)
          時間:2022-01-18 瀏覽次數:

          論隧道長度,它全長28.236公里,在國內雄居第二;論TBM直徑和連續掘進距離,它一度獨占鰲頭;而同時擁有著超大TBM斷面、超長連續掘進、超長通風距離的特長隧道,國內更是僅此一座——這就是蘭渝鐵路西秦嶺隧道。

          不但如此,它所在的蘭渝鐵路穿越全國集中連片特困地區,串起了13個國家級和4個省級扶貧重點縣,寄托著貧困山區數百萬人民的希冀與未來,是一條不折不扣的扶貧之路。

          而作為蘭渝鐵路頭號控制工程和全線最長的隧道,無論從工程本身,還是從它所承載的意義上來講,西秦嶺隧道無疑都是一條體量巨大、意義深遠的“超級隧道”。

          六穿秦嶺

          歷史不是簡單的重復

          秦嶺,中國南北分水嶺?!笆竦离y,難于上青天!”一語道盡其高大險峻和行走其間的艱辛。

          上世紀50年代,寶成鐵路以盤山展線的方式,實現了人類第一次從大山內部穿越秦嶺;40年后,西康鐵路秦嶺隧道一舉創下數十項紀錄,在秦嶺腹地樹起中國隧道建設的里程碑;隨即西南鐵路東秦嶺隧道、包茂高速公路終南山隧道和西漢高速公路秦嶺隧道群等一批隧道在短短十余年間如雨后春筍般相繼建成。其中西康鐵路秦嶺隧道和終南山公路隧道雙雙榮獲國家科技進步一等獎,而以它們為主體的秦嶺隧道群當選FIDIC百年工程。是什么讓它們成為中國隧道和中國公路的一面旗幟,成為人類共同的建筑和文化遺產?追本溯源,一切其實始于最早的線路方案選擇之時。

          為找到最佳的越嶺方案,我院曾在秦嶺腹地的460平方公里內尋找了十年,用遍了當時最先進的技術手段和設備,無論是寶成鐵路、西康鐵路、西南鐵路隧道,還是終南山公路隧道,在秦嶺奉獻出一座又一座堪稱經典的隧道,并毫無例外經受住了時間的檢驗。

          進入新世紀,這一次的穿越又有不同。蘭渝鐵路所經區域堪稱中國山區的“地質博物館”,不但穿越青藏高原、秦嶺山地、四川盆地,還要經過在汶川大地震中造成巨大破壞的龍門山斷裂帶,可以說國內山地鐵路建設中遇到的所有難題,在蘭渝鐵路都有集中體現。這也是我院勘察設計的地質地形條件最為復雜的山地鐵路。但當蘭渝鐵路需要第六次穿越秦嶺時,帶著更先進的設計理念和儀器設備,工程技術人員再次義無反顧地走進了巍巍群山。

          優中選優

          找出最佳越嶺方案

          蘭渝鐵路通過的秦嶺高中山區,地勢總體趨勢由東向西抬升,山體陡峻,頂峰高程海拔2600米,主山體寬達30公里。在這樣巨大的區域里,我院進行了大面積的方案研究和地質調查工作,初步選定了幾條可能的線路方案。在此基礎上,布設了大量鉆孔尤其是深入地下數百米的深孔地質鉆探,并廣泛采用了衛星遙感技術、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和全隧道范圍高密度電法、工程地震法等幾乎所有能用到的最先進的綜合物理勘探手段。多管齊下,各展其能,不同勘察手段得出的結果再相互補充,互相印證,基本探明了線路范圍內的地層巖性、構造、水文地質、地應力等地質特征,為選擇最優越嶺方案提供了依據。

          經詳細勘察,隧道通過區域的主要地層分布有灰巖、千枚巖、變砂巖夾砂質千枚巖、變砂巖、砂質千枚巖,斷層角礫巖和斷層泥礫;工點范圍內斷層較為發育,包括F6區域斷層和f54、f55、 f59、f60 等次級斷層;隧道內正常涌水量為4.26萬立方米/天,可能出現的最大涌水量為12.9萬立方米/天。

          一切盡在掌握,勘察結果沒有超出之前的預計。最初選線時曾進行過多個越嶺埡口隧道方案的對比,綜合勘察結果和其他因素,最終的比選落在了老盤底出洞和下壩里出洞兩個方案上。

          老盤底出洞方案以橋梁跨越高速公路,雖出口離棄砟場地距離較遠,但線路順直,線路長度最短,長隧道長度較短,靜態投資較??;而下壩里出洞方案線路長度和長隧道長度相對較長,工程投資較大,但TBM施工場地條件較好,出口離棄砟場地距離最近,對高速公路的影響也少。兩個方案各有利弊,經綜合比選,最后推薦采用了線路順直,隧道長度較短、投資較省的老盤底出洞方案。

          最終選定的隧道方案,設計為兩座平行的單線隧道,其中左線長28236米,右線長28236.58米,洞身為直 線地段,線間距40米,高程在1000米至2400米之間,最大埋深約1400米。為全線最長的隧道,采用鉆爆法和TBM相結合施工,也是國內采用鉆爆法和TBM相結合施工最長的隧道。

          考慮到蘭渝鐵路是“一帶一路”渝新歐大通道的重要組成部分,對西部大開發和區域經濟發展具有深遠的影響,而作為蘭渝鐵路的咽喉要道和標志性工程,西秦嶺隧道無疑對運營和安全的要求極高,所以我院在設計中采用了 10.23米的大斷面隧道,以更好地布設輔助設施,滿足雙層集裝箱列車通過的要求。

          10.23米!超大斷面

          國內鐵路隧道采用敞開式全斷面掘進機(TBM)始于西康鐵路秦嶺隧道,當時引進的是德國的技術和設備,TBM直徑為8.8米;從西康鐵路全盤引進的8.8米到西秦嶺隧道自主研制的10.23米,看上去只是增加了16%背后隱含的挑戰和難度卻是成倍地增加。

          考慮到隧道橫斷面必須滿足雙層集裝箱的運輸,設計中首先確立的就是隧道內輪廓按圓形設計的基本原則。綜合隧道內整體道床的形式、中心水溝及各種管溝、設備的布置,以及接觸網采用簡鏈懸掛等要求,經科學嚴謹的計算和論證,最終確定隧道直線段基本內輪廓開挖直徑為10.2米的圓形斷面。接觸網則采用簡單的鏈性懸掛方式,滿足了200公里/小時運行條件下標準軌面以上的凈空要求。

          在此基礎上,確定了與隧道地質條件相適應的硬巖敞開式掘進機(TBM)整體方案,包括掘進機設備設計參數、可掘進性分級標準、結構設計及施工成套技術等整個體系,為特長隧道采用大直徑、長距離、安全、快速掘進奠定了基礎。

          首先是提出了與地質條件相適應的TBM設備設計參數。依據巖石單軸抗壓強度、巖石完整性系數等地質參數,提出了TBM主軸承、驅動系統、刀盤、刀具等主要設備的設計參數,為大直徑TBM設備的設計與制造提供了科學依據。

          其次是提出了與地質條件相適應的設計結構體系和施工組織方案。依據地質條件,設計采用“噴錨網鋼架聯合支護+模筑混凝土+鋼筋混凝土仰拱預制塊”的結構體系;相應的施工組織方案則確定為出口由兩臺TBM掘進,進口則采用鉆爆法施工。

          三是首次提出了 TBM可掘進性分級標準。根據巖石性能指標相關性分析,提出了將TBM可掘性分為三級標準,并建立了可掘進參數性能預測體系,有力地指導了隨后的TBM施工。

          2008年8月15日10時,隨著高度超過10米的巨型掘進機緩緩地向前推進,西秦嶺隧道正式開工,揭開了蘭渝鐵路建設的序幕,也吹響了連續、長距離掘進的號角。

          15.6公里!超長掘進

          一般來說,TBM連續掘進超過5公里后,設備利用率會急速降低,刀具磨損、損傷加劇,設備故障增多。在掘進機設備損壞后,洞內修復要求高、難度大,從而導致成本大幅提高、工期嚴重滯后。西秦嶺隧道長度超過28公里,按照整體工期要求,隧道的計劃貫通工期(含二次襯砌)只有68個月,如果按照以往的 TBM 施工方法,即“掘進貫通‐TBM拆機退出‐襯砌”的單工序作業工法,不但根本無法滿足工期要求,而且圍巖暴露時間長,難以體現TBM快速和安全施工的特點。綜上考慮,經過嚴格的計算和論證,西秦嶺隧道確定了連續掘進15.6公里的施工方案,一舉成為國內TBM獨頭掘進距離最長的鐵路隧道。

          一下子達到常規掘進距離的三倍,無疑又是一個巨大的挑戰!

          當務之急,是要解決連續出碴工況下的TBM掘進與襯砌同步施工技術。

          為此,我院與施工單位密切合作,共同攻關,研發了一系列極具針對性和實用性的設備和技術。其中穿行式同步 襯砌臺車,可滿足連續皮帶機、大直徑通風軟管、電力通信電纜與四軌雙線運輸列車的穿行要求;分散式抗浮機構,能使臺車結構受力更加均衡;混凝土布料系統,可滿足兩臺輸送泵不倒管同時澆筑作業;連續皮帶機支架快速拆裝與臨時支撐裝置,實現了襯砌臺車的快速移動;拉門式伸縮臺架支撐技術,則保證了連續皮帶機穿行時的平穩運行。

          為保證從 TBM 掘進工作面到碴場的連續快速出碴,還同步研發了多級級聯、連續轉運皮帶快速出碴系統等一系列新技術與新設備。其中多級級聯、連續皮帶系統由正洞、斜井、洞外、碴場延伸段等7級皮帶級聯,連續轉運,實現了從TBM掘進工作面到碴場長達14公里的連續快速出碴;皮帶級聯冗余技術解決了單級皮帶出現故障導致整個系統癱瘓的問題,保障了TBM的連續掘進;洞外連續分碴器自動切換裝碴技術使皮帶運輸出碴系統與洞外汽車實現了無縫銜接,大大提高了出碴運輸能力;連續皮帶快速無損收放及延伸設備實現了長距離皮帶在洞內的自動收放與運輸雙重功能。

          正是得益于這種世界首創的“連續皮帶機出碴工況下的TBM掘進與襯砌同步施工技術”,西秦嶺隧道一舉節省工期20個月!

          20公里!超長通風

          眾所周知,在特長隧道的建設、運營以及配套的應急救援中,長距離通風都是一個無法回避的重大課題。

          隧道內常見的有害物質一般包括煙塵、有害氣體以及來自隧道鉆孔、爆破、裝碴、運輸、噴射混凝土及二次襯砌作業過程中產生的粉塵。這些有害物質會危害施工人員的健康,嚴重時會導致中毒、昏迷甚至窒息;同時會造成洞內能見度下降,導致安全風險大增。而西秦嶺隧道埋深大于800米的段落長達16公里,最大埋深達1400米,設置輔助坑道的條件較差,因而施工通風難度極大。在TBM掘進時,洞內的最高溫度可達38℃,濕度達到90﹪以上。高溫高濕的環境,不僅會加速TBM設備的老化,還會加劇有害物質的產生,嚴重降低勞動生產效率。

          怎樣解決西秦嶺特長隧道的通風問題?采取什么樣的模式和標準?成了擺在設計人員面前的一道難題。

          結合我院在以往長大隧道尤其是一系列秦嶺隧道的設計和建設中積累的寶貴經驗,針對西秦嶺隧道的不同地質情況和特點,提出了TBM施工的通風控制標準,將主要環境影響因素確定為溫度、一氧化碳濃度、粉塵濃度、氧氣含量4項;并對施工中的通風標準做出明確規定:作業面需風量大于等于41立方米/秒、TBM后配套尾部需風量大于等于25立方米/秒,洞內風速0.5米/秒。

          在此標準下,進一步建立了TBM超長距離獨頭施工的兩階段通風模式。即第一階段在隧道出口至羅家理斜井段,采用獨頭壓入式通風,通風距離10公里;第二階段在出口正洞與羅家理斜井貫通后,采用正洞巷道式和長管路壓入式聯合供風、斜井排風的混合式通風方案,通風長度高達20公里。

          同時,首次在TBM超長距離施工中采用大功率節能變頻風機、大直徑高壓軟風管、防漏型高強接頭等一系列節能降耗綜合措施,滿足了洞內嚴格的通風標準。

          通過這一系列的“組合拳”,西秦嶺隧道建立起TBM施工20公里超長距離通風技術體系,解決了特長隧道超長距離施工中的世界性通風難題。

          一鼓作氣,我院在設計中又利用兩管隧道互相救援、疏散的功能,創建了特長隧道緊急救援站模式;一旦發生火災,則自安全隧道向救援站供風;在緊急救援站范圍內設排煙豎井、橫向排煙道、縱向排煙道,與羅家理斜井連通,自斜井將煙氣排出洞外;同時設置了救援指揮中心,制定了火災工況下疏散、行車的基本準則和設備的運行程序,形成了特長隧道火災條件下的完善的疏散救援綜合指揮體系,確保了特長隧道在各種突發狀況下的“萬無一失”。

          在西秦嶺隧道建設的六年時間里,我院在施工現場設置了動態設計組,根據建設的實際情況,采用動態設計指導施工。配合施工人員基本上始終“泡”在工地,為TBM的順利推進和特長隧道的如期建成提供了強有力的技術支持。

          2014年7月19日,蘭渝鐵路西秦嶺隧道全線貫通,一舉填補了國內山地鐵路隧道建設領域的多項空白,成為當時國內斷面尺寸最大、TBM掘進長度最長的隧道,創造了亞洲山嶺隧道大斷面TBM硬巖掘進的新紀錄。

          西秦嶺隧道的同步襯砌技術為世界首創,為TBM技術的進步與發展做出了重大貢獻,先后榮獲FIDIC年度優秀工程獎和中國土木工程詹天佑獎,成為鐵一院奉獻給祖國大地的又一座豐碑。


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