这条隧道火车通过仅需7分钟,修通它却用了13年

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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

  十多年前,中国人打算从云南大理到中缅边境的城市瑞丽修建一条全长330公里、设计时速140公里的大瑞铁路,这条铁路是国铁一级单线电气化铁路,长度不算长,规格也不算高,又不是高铁线路,原本不会得到人们的太多关注。

  然而,令全球工程界万万没想到的是,就是在这条铁路上,诞生了一条地狱级难度的隧道,一度难倒了“基建狂魔”,也难倒了全世界超过500位隧道专家,这就是大柱山隧道。

  它全长14.484千米,原本预计五年的工期,从2008年开工修到2019年,修了十一年仍未贯通。

  大柱山隧道到底有什么样的魔力?这要从横断山脉开始讲起。

  

  

  (一)铁路穿越横断山为什么难?

  横断山脉位于青藏高原东南部,是印度洋板块和亚欧板块相互挤压形成的世界年轻山群之一。由于板块的挤压,这里断裂带密布,山岭褶皱紧密,断层成束,怒江、澜沧江、大渡河等许多大河都沿着深大断裂发育。

  

  

  (横断山脉)

  只要看一眼横断山的地图就会知道,横断山之所以名为“横断”,就是因为它由一系列平行的细长山脉组成,绕是不可能绕得过去的,要想把路修进这些地方,就必须攻克横断山。

  大柱山隧道就位于横断山脉的中南段,云南高原的西部边缘,这里峰峦重叠,坡陡谷深,到处是悬崖峭壁。

  

  

  (大柱山隧道所处的现场环境)

  这里还不仅仅只是地形复杂。

  由于降水充沛,水系发达,一些地表水会沿着基岩节理裂隙和岩溶空腔下渗成为地下水,由于横断山内的岩层十分破碎,因此很容易被下渗的地下水侵蚀,形成大大小小的溶洞和空腔,还有许多暗河沿着岩层中的破碎带暗暗流淌。

  大柱山的山体表面上看起来十分完整,内部则像是个大水箱,施工中遇到这些蓄水区会非常麻烦,伴随着透水和突泥,很容易发生塌方。

  

  

  由于板块运动的挤压,山体中尚未破碎的岩层中蕴藏着大量地应力,施工一旦破坏了这些岩层的应力稳定,也很容易造成塌方,甚至诱发地震。

  此外,大柱山的地层中还含有丰富的瓦斯、地热甚至放射性。

  这当中的任何一个单独拿出来,都是足以让隧道施工者万分头疼的问题。

  因此,这里的人们长期以来一直过着与世隔绝的生活,近年来随着中国一带一路倡议的提出,中国西南与东南亚国家的经济联系变得越来越紧密,横穿横断山脉的铁路变得非修不可了。

  大瑞铁路将中国西南地区的中心昆明市与缅甸西南的皎漂港相连,与中缅油气管道平行,将极大地带动中缅两国的经贸联系,大大降低货运和人员往来的成本,并辐射周边国家和地区。

  因此,尽管穿越横断山脉的铁路难度很高,投资巨大,但它的回报也极为可观,这样的基建投资,无论如何都是值得的。

  (二)短短156米,涌出了十五个西湖的水

  大柱山隧道不到15公里的全长中,要穿越6条断裂带、5段岩溶发育地段和3条褶皱构造。

  在这些难题中,有几百米是真正的难中之难,将工期迁延了十年。

  燕子窝断层与水寨断层是大柱山隧道中最为凶险的两处断层。在施工时,工人在断层上进行钻孔爆破,掌子面上突然出现一个直径20厘米的溃口,不断向外涌出泥石流。溃口经泥石流的冲击变得越来越大,仅用1个小时的时间就掩埋了4米高的工程车,几小时后就填满了400多米长的隧洞。

  

  

  (隧道中涌出的泥石流)

  起初,工人们试图按照传统方法来解决泥石流,暂时撤退,等泥石流喷涌减缓之后再向岩层中灌注可凝固浆液将裂隙填满以堵塞泥石流的喷涌。然而,这远远解决不了大柱山隧道中的涌水突泥问题。

  人们每向前挖上几米,就会出现一次比以往更加严重的涌水,最大涌水量达到了每小时1.22万立方米,相当于一条河从隧道里涌出。

  事实上,大柱山的地下水位线位于隧道拱顶以上200-400米的范围,这使得隧道内地下水的压力高达3兆帕。如此之高的水压可以轻易冲开糜棱状的断层破碎带围岩,然后将重达20吨的挖掘机冲出40米远。

  

  

  (工人们冒着大水进行堵漏作业)

  更要命的是,高水压断层是躲避不开的。工程师们也尝试过从旁边迂回的方案,可是迂回100多米之后发现根本不可行,这个断层根本没有边界,只要从大柱山里走,就必须穿过这条断层。

  经过反复的摸索和失败,大柱山隧道的施工队终于找到了能够对抗这条断层的施工方案,人们采用高压动水分段引排、超高压聚合注浆配合管棚的注浆堵水加固方案,最终成功通过了高压富水断层段。

  工程师们发现,断层处理主要是解决断层内水的问题,只有将断层开挖断面的水封堵在开挖轮廓线6-8米以外并引排泄掉水压,辅助压注水泥浆液对断层进行固结,才能确保安全通过断层。

  采用超高压聚合注浆施工方案边排水边注浆,有效保证了浆液的有效扩散和固结紧密。这是一种特殊的胶凝材料,其抵抗压力最大可达20兆帕,并且具有不被水稀释的特性,能够有效地将水封堵在开挖轮廓以外。

  同时,为了预防隧道内险情发生,项目部还建立了五级泵站,24小时不间断地向外抽水。

  

  

  (隧道施工中的工人)

  其实,这种方法是个十足的“笨方法”。

  由于地层条件复杂,溶腔、溶槽分布毫无规律,往往一个溶腔就需要5~8个钻孔才能完成注浆加固。注浆时,还必须在每个孔内下管,这些管无法重复利用,严重增加了成本。

  但是,对于燕子窝断层这种硬核工程,只有用这种稳扎稳打的笨方法才能真正搞定,不留后患。从2009年到2011年,156米的燕子窝断层足足挖了26个月才最终挖通。

  

  (从大柱山隧道中涌出的瀑布)

  燕子窝断层只是大柱山隧道难题的一个缩影。

  大柱山隧道开始施工的十一年来,光是抽水泵就用坏了116个,有许多水的来源即使是工程人员自己也不清楚究竟是山体蓄水还是地下暗河。

  从隧道中喷涌出的水甚至形成了一座瀑布,在这里流淌了九年多,不知情的人甚至以为这是一处自古就有的自然景观。

  (三)隧道内温度高达40摄氏度,施工中如何克服?

  大柱山隧道内有许多地热源,当机械设备集中作业时,散发出的热量让洞内的环境温度高达40摄氏度以上,高温配合涌出的水形成了天然的桑拿浴,湿度常年高达80%。

  

  

  通常而言,隧道内的温度超过28摄氏度就已经是高温环境了,40摄氏度的环境显然对工人的健康影响很大。

  为了降低洞内温度,施工队每天都从保山市区购买大量冰块以降低洞内温度,保证施工人员的安全和健康。三个施工作业面,每天需要消耗3吨的冰块,但即使这样,制冷效果仍然不尽人意。

  

  施工队最终采用了专门针对隧道降温设计的DV400制冷机,有效地对掌子面施工环境进行了降温。

  

  

  (DV400制冷机原理)

  在工作状态下,压缩机内液体冷媒被压入直接蒸发器的螺旋盘管内,迅速膨胀转化成气态冷媒,冷媒气化同时大量吸收蒸发器盘管外气流的热量,将蒸发器内的气流温度急剧降低,再通过蒸发器的凝露作用将气流中的大量水分除去,从而达到降温除湿的作用。

  通过这种方法循环往复,可以对掌子面的空气持续降温,将41摄氏度的气温降低到32摄氏度。

  结语

  如今,大柱山隧道的施工已经进入了最后一个断层,还差最后一公里,这个曾经不可超越的神话工程就会贯通。

  待到2021年大瑞铁路通车之时,火车通过这条修了十三年的大柱山隧道只需要七分钟,大柱山的施工人员们用他们的十三年,换回了千万乘客的七分钟。

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  编辑| 史文慧

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