石头像炮弹一样飞,川藏这条隧道多难修你无法想象

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  在雅鲁藏布江大峡谷中,有一条可以称为藏南生命线的拉林铁路正在修建,这其中,巴玉隧道是绕不开的一条隧道,它岩爆发生频繁,被建设者们称为“石头像炮弹一样飞的隧道”。

  

  (一)美丽的雅鲁藏布大峡谷,对于修铁路却是难于登天

  拉林铁路连接拉萨与藏南的枢纽城市林芝,正线全长403.144公里,设计时速160公里,16次穿越雅鲁藏布江,跨越冈底斯山和念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地。

  雅鲁藏布江大峡谷是一座美不胜收的人间仙境,然而在这里修建铁路却难于登天。

  

  青藏高原是由亚欧板块与印度洋板块碰撞产生的隆起,这使得青藏高原的地质条件极为复杂恶劣,南麓的雅鲁藏布江大峡谷是世界上最深的峡谷,平静的外表下隐藏着巨大的地应力。

  雅鲁藏布江缝合带被地质学家们称为“大地构造的天然实验室”,印度洋板块向东北方向进行强烈的俯冲挤压,使得大量的断裂构造带在雅鲁藏布江缝合带区域内发育,这里的地应力毫无规律。

  

  (青藏高原的板块构造)

  直到你将其挖开,你才会知道人类在大自然的力量面前有多渺小。

  (二)94%长度位于岩爆区,修巴玉隧道的困难你无法想象

  巴玉隧道正洞全长13073米,最高海拔3500米,最大埋深2080米,全程的94%位于岩爆区内,是目前世界上岩爆最强、独头掘进距离最长、埋深最大的高原铁路隧道。

  

  (巴玉隧道的周边地形)

  巴玉隧道里的石头为什么会像炮弹一样四处乱飞,它的能量从何而来?这就要从地应力说起。

  所谓地应力,指的是地壳岩石中原本由于重力、岩石挤压等因素所产生的应力。

  在平时,地壳中的地应力会自发地形成平衡,但人为的隧道开凿会破坏岩层的整体性,随着地壳结构的改变,原有的应力平衡被打破,原来地壳中积攒的能量就会随着地应力的重新分布而释放出来。

  当这种能量比岩石的强度更强时,岩石就会被强大的地应力压碎,进而发生岩爆。

  

  由于山体陡峭,隧道埋深巨大,巴玉隧道的地应力比起雅鲁藏布江流域的其它隧道而言还要高得多,甚至达到几十兆帕。在这里进行开挖施工,在人工开挖数小时乃至一个月内,隧道岩石都会随机发生崩爆,极其危险。

  岩爆没有任何规律性,可能在任何时间、任何表面发生,威力大小也无法预测。少数情况下,在岩爆来临前,将碎未碎的岩石会发出“喀喀”的声音,警告人们赶快撤离,然而,这一警告的窗口往往只有数秒钟,这种岩石的嘶鸣声对施工人员而言就像是恶魔的嚎叫一般。

  

  (岩石结构变化所引发的应力重分布)

  为了最大限度保护施工人员的安全,一线作业人员都穿上了防爆服,并配有特制的防爆台车。

  然而,由于深度过大,巴玉隧道中不仅有巨大的地应力,还有很高的地温,最高可达46℃。

  随着掘进施工的进行,隧道越往里,地应力越大,岩爆越剧烈,地温越高,在厚厚的防爆服中工作,施工人员们所付出的艰辛是我们难以想象的。

  (三)将许多只“听诊器”塞进大山里,用科技的力量对抗岩爆

  面对既艰苦、又危险的施工环境,光靠工人们的意志力当然是远远不够的,必须借助科技的力量。

  2016年,中铁十二局项目组联合中科院带来了国内自主研发的岩爆克星:微震监测系统。它可以对岩爆进行预警预防,对岩爆将会发生的区域进行锁定,从而完成对这种“高烈度局部地震”的预测。

  工作人员先是在掘进面附近安装特制的传感器,用于搜集岩层内海量的震动波,然后再根据每次岩爆后搜集的影像资料和数据,分析优化软件的算法,最后,利用那些在充分数据支持下的先进算法,从无数震波中筛选出几百组有效信号,再反向计算出震源,并且根据强度推算出接下来发生岩爆的可能性、烈度和时间。

  这就像是用了许多只听诊器塞进大山内部,监测大山的风吹草动。

  

  (利用软件计算出的山体内应力)

  实时的应力监控不仅能够让施工人员及时发现前方的危险情况,便于人们立刻采取措施,而且在隧道施工正常推进的同时,这些岩爆数据也在进行汇总整理,为后续的施工提供经验指导。

  然而,世界上没有坐在办公室里就能轻易实现的自动化,微震监测系统之所以能够进行准确的数学建模,正是要归功于成百上千的岩爆视频资料,这些宝贵的视频资料都是许许多多的工程技术人员亲身冒着岩爆危险在工程一线收集的。

  

  隧道每推进十几米,就要重新安装新的传感器,正是这些大量繁复而危险的工作,最终实现了巴玉隧道的数字化,大大降低了整体的施工危险性。

  (四)为了将岩爆区施工风险降到最低,巴玉隧道还用了这些招儿

  除了对岩爆进行信息化监测外,中铁十二局项目部还加强了机械化的配套施工。通过引进三臂液压凿岩台车等先进的工装设备,施工队显著提高了掘进效率,减少了掌子面作业人员的数量,相当于变相降低了施工风险。

  在保护人员的同时,施工队还给施工机械加装了防护网、防护钢板,提高了整体的安全指数和施工效率。

  同时,通过不断地积累经验,施工队还改进了工法工艺:通过严格控制开挖进尺,引入水压爆破技术,利用爆破后的水雾化降低岩爆的发生几率;采用直眼掏槽水压爆破技术进行“弱爆破”,减轻对围岩的扰动。每道工序都增加了“应力释放”的环节,将岩爆发生的频率降至最低,确保隧道的安全有序掘进。

  隧道爆破施工除了给隧道本身的施工增加难度外,对附近的地面建筑物也会造成影响。在巴玉隧道附近有一座水电站,工程人员们结合爆破施工的生产实际,深入研究了爆破施工对建筑物的影响,最终达到了既保障水电站安全运营、又尽可能加快隧道施工的目的。

  

  (雅鲁藏布江上游的水电站)

  结语

  

  (藏南铁路示意图)

  2019年11月2日,巴玉隧道最终实现完全贯通,同时创下了高原铁路隧道独头掘进7015米的最高纪录。

  巴玉隧道的建成不仅将拉林铁路的修建进度向前推进了一大截,为川藏铁路拉林段2021年实现通车打下了坚实基础,而且填补了国内高原重度岩爆隧道的施工空白,为后续更加艰巨的川藏铁路建设积累了成熟的技术经验。

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  编辑| 史文慧

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