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“钢板之中”打隧洞

引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM施工段的苦与难(二)

掌子面留下的掘进痕迹

光滑坚硬的掘进面

花岗岩,优质的建筑装饰石材,它颜色美观、色泽优美、坚硬耐磨、不易风化的特性使之成为建筑装饰的主流石材,在我们生活中随处可见。但你可能从来没有想过在花岗岩中打隧洞是什么样的情景。在秦岭大山深处千余米下的坚硬花岗岩岩体中,中铁隧道局的百余名建设者就在做这样一件“非同寻常的事情”,而他们的目的就是从底部洞穿秦岭,建成超级引水工程——引汉济渭秦岭特长输水隧道,将汉水引入渭河,以解“关中之渴”。

“洞穿秦岭放在二十年前,中国的建设者想都不敢想。现在随着我国隧道及地下工程建设和隧道施工装备制造能力的突飞猛进,我们具备了建设秦岭输水隧洞的条件。但是在施工过程中,我们还是遭遇了前所未有的挑战,在高磨蚀性硬岩中掘进,就和在‘钢板之中打隧洞’一样。”中铁隧道局引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM掘进段项目经理赵毅介绍到。

 

千米之下掘最硬的岩石

中铁隧道局承建的引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM施工段,全长18275米,在这18公里多的施工段内Ⅰ类围岩3050米、Ⅱ类围岩更是长达13320米,两者加起来占总长度的89.6%,仅花岗岩一类就占全长的74%。

中国工程院院士现场调研

在隧道及地下工程施工中,一般情况下会根据岩体完整程度和岩石强度等指标将围岩划分为六个等级,围岩等级越靠前其岩石强度和完整度就越高,其中Ⅰ、Ⅱ类围岩属于极硬岩和硬质岩石,这类围岩岩石硬度、强度、完整度都很高,开挖起来非常困难。而在引汉济渭秦岭输水隧洞施工现场,中铁隧道局的建设者们就是在这种极硬岩、硬岩地质中艰难掘进,围岩强度最高情况下高达307兆帕,比235兆帕的钢板还要硬,用“在钢板之中打隧洞”来形容引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM掘进段施工一点也不夸张。

作为人类第一次从底部洞穿秦岭的超级工程,引汉济渭秦岭输水隧洞大埋深的施工环境也是国内外罕见的。在这里最大埋深可达2050米,平均埋深也达1300米,是目前世界在建埋深最大的输水隧洞。
高埋深、高地应力带来的强岩爆如影随形。给在高磨蚀性硬岩中掘进施工的中铁隧道局建设者们带来了巨大的施工风险。在这种“三高两强一长”即高围岩强度、高石英含量、高地应力、强岩爆、强涌水、长距离独头掘进施工环境下,项目TBM每掘进一米,建设者们都要付出百般辛苦。

 

“掘进机之王”TBM的施工困境

“在引汉济渭秦岭特长输水隧洞这种高磨蚀性硬岩、强岩爆的复杂施工环境下,如果采用传统的矿山法施工,不仅施工效率低下而且施工风险也很高,所以在比选过后我们决定采用TBM进行隧洞主体施工,而且中国的第一条TBM隧道就是我们施工的,在这个领域我们有20多年的技术积累。”项目总工程师游金虎介绍到。

TBM顾名思义就是英文隧道掘进机的简称。在中国习惯上将岩石地层施工的隧道掘进机称为TBM,用于区别软土地层施工的盾构。在适宜掘进的地质条件下,TBM具有很高的掘进效率,故又被称为“掘进机之王”。

引汉济渭敞开式TBM

用于引汉济渭秦岭输水隧洞施工的TBM,是专门针对秦岭岭南特殊地质量身设计、打造的“钢铁巨龙”。该台TBM为敞开式TBM,开挖直径8.02米,总重1400余吨,长达317米,并且在刀具、刀盘上针对项目硬岩情况作了针对性的调整,是当前世界最先进的硬岩掘进机。

尽管如此,进入引汉济渭秦岭输水隧洞岭南段TBM施工现场,不时会看到工人们将重达百余斤的TBM刀具运送出隧洞,这些刀具大都磨损严重,这种场景在普通山岭输水隧洞施工中很难见到。
“我们使用的设备世界先进,我们采用的硬岩掘进施工技术也是世界一流的,但是在引汉济渭秦岭输水隧洞这种高磨蚀性硬岩中施工还是面临很大困难。”游金虎说道。

引松供水TBM月掘进1318.7米纪录

作为“掘进机之王”敞开式TBM在岩石强度50至200兆帕之间掘进速度快、效率高,中铁隧道局的建设者2017年11月在引松供水工程项目适宜掘进的地层中就创造了1318.7米的敞开式TBM月掘进施工全国纪录。但是在引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM施工段这种高磨蚀性硬岩中,中铁隧道局的建设者却掘进的异常艰辛。

“退役”刀具

由于岩石强度高、耐磨值大,TBM掘进速度极低、刀具消耗量也极大。据项目统计,TBM掘进8521.5米时,共计换刀6307把,平均0.74把/延米,最多时一星期换刀量高达125把,相当于普通项目TBM掘进一年换刀的数量。此外高磨蚀性硬岩还经常导致TBM刀盘和主轴承的损坏,项目不得不经常停机进行检修。自2015年项目TBM试掘进以来共停机检修6次,累计109天。

刀盘维修

频繁的刀具更换、设备检修,再加上强烈的岩爆威胁,极大地制约了项目的施工进度。据统计,项目TBM掘进每循环用时1.5小时,进入强岩爆高危施工段一天仅能掘进0.5米。

 

高温高湿环境下的鏖战

“我们都是‘地下工作者’,很少见得到秦岭的巍峨,却最能感受到秦岭的温度。”工人们打笑道。

高温高湿的工作环境

项目所在的宁陕县年平均气温23度,冬季气温在零度以下,但是进入引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM施工段现场,却是另外一番景象。隧洞一千多米埋深产生的高地温,加上TBM在硬岩中掘进时刀盘与掌子面摩擦发出的热量及其他施工产生的热量,使整个隧洞宛如巨大的“桑拿房”,温度高达45度,刀盘内温度甚至超过50℃。一进入隧洞,身体就会大量出汗,这种“被蒸桑拿”的体验只有身处一线的中铁隧道局工人们感触最深。工人们冬季施工就是上班穿夏装,下班穿冬装。他们经常开玩笑说道,在引汉济渭秦岭输水隧洞现场,工会一年四季都要“送清凉”。

此外,秦岭水系发育,地下水发达,超过最大设计量近4倍,工人们在隧洞里施工常常要“水中跋涉”。受高温、涌水影响,洞内湿度超过90%,环境异常闷热潮湿。而且当前项目TBM独头掘进也超过10公里,超长距离通风的困难也加重了洞内的潮湿程度。所以对现场的工人而言,洞内一年四季都是高温酷暑。
干最难的工程,掘最硬的岩石,战高温,斗岩爆,克涌水,穿秦岭,这群中铁隧道局的建设者们为水而来。引汉水济渭水的梦想,也在TBM的一点点掘进中,一步步成真。

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