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        蘭渝鐵路西秦嶺隧道

        2019-01-11 01:53:08楊木高
        隧道建設(shè)(中英文) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:皮帶機(jī)斜井皮帶

        楊木高

        (中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710043)

        1 工程意義

        蘭渝鐵路是“一帶一路”渝新歐國際鐵路的重要組成部分,與渝黔鐵路、貴廣鐵路相連接,構(gòu)成蘭州至廣州的南北快速鐵路大干線,是西部地區(qū)連接珠三角、長三角地區(qū)的重要通道,是我國鐵路網(wǎng)的重要組成部分。蘭渝鐵路的修建大大縮短了區(qū)域間客、貨運(yùn)輸?shù)木嚯x和時間,大幅度提高了輸送能力和運(yùn)輸質(zhì)量。同時,蘭州至重慶的鐵路運(yùn)輸距離將由現(xiàn)狀的1 466 km縮短至855 km,客車運(yùn)行時間由現(xiàn)狀的22.5 h縮短至6.5 h,是連接中國西南、西北之間最便捷、最快速的通道。

        西秦嶺隧道為全線的控制性工程,采用TBM施工。多年來,我國在隧道建設(shè)實(shí)踐中針對地質(zhì)復(fù)雜的特長隧道摸索出了一套完整的技術(shù)體系,成功建成了烏鞘嶺、新關(guān)角等特長隧道。自20世紀(jì)90年代開始,我國引進(jìn)了TBM技術(shù),先后成功修建了秦嶺、磨溝嶺、桃花鋪2號、中天山等隧道,促進(jìn)了隧道修建技術(shù)水平的提高。如何在復(fù)雜地質(zhì)特長隧道中采用TBM施工目前還沒有成功的先例,尤其是如何實(shí)現(xiàn)TBM的長距離、快速掘進(jìn)仍是一個未經(jīng)探索的領(lǐng)域。到目前為止,雖然引進(jìn)TBM施工技術(shù)已20年,但我國在大直徑(10 m以上)TBM關(guān)鍵裝備的研發(fā)、制造領(lǐng)域與國際水平仍存在較大的差距。

        西秦嶺隧道采用TBM技術(shù)修建具有2點(diǎn)重要的工程意義: 一是作為項目控制性工程,其順利建成可實(shí)現(xiàn)全線早日通車運(yùn)營;二是為我國采用TBM修建復(fù)雜地質(zhì)特長隧道實(shí)現(xiàn)了又一次的技術(shù)躍升,推動了TBM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和隧道施工機(jī)械化水平的提升,進(jìn)一步提高了我國特長隧道修建的總體技術(shù)水平。

        2 工程概況

        2.1 設(shè)計概況

        西秦嶺隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi),進(jìn)口位于透防鄉(xiāng)潘家溝,出口位于洛塘鎮(zhèn)老盤底,隧道走行于秦嶺高中山區(qū),地勢總體趨勢西高東低,山體陡峻,溝谷深切多呈“V”字形。隧道高程為1 000~2 400 m,最大埋深約1 400 m,全長28.236 km,是全線最長、國內(nèi)已建成通車第2長的隧道。建設(shè)工期為68個月,為全線的控制性工程,采用TBM施工。

        設(shè)計為2座單線隧道,線間距為40 m。洞身均位于直線地段,進(jìn)口段11.6 km為13‰上坡,出口段16.6 km為3‰下坡,進(jìn)口軌面高程為968.35 m,出口軌面高程為1 064.631 m。旅客列車設(shè)計行車速度為200 km/h,采用雙層集裝箱運(yùn)輸,雙塊式無碴軌道。

        2.2 工程地質(zhì)

        隧道洞身通過主要地層進(jìn)口段約8 km為石炭系下統(tǒng)泥盆系灰?guī)r、砂質(zhì)千枚巖,出口段約20 km為下元古界灰?guī)r、變砂巖夾砂質(zhì)千枚巖、變砂巖、砂質(zhì)千枚巖,以及斷層角礫巖和斷層泥礫。工點(diǎn)范圍內(nèi)斷層較為發(fā)育,其中F6為區(qū)域斷層,f54、f55、f59為次級斷層。隧道的正常涌水量為42 566 m3/d,可能出現(xiàn)最大涌水量為129 209 m3/d。地質(zhì)縱斷面示意圖如圖1所示。

        圖1 地質(zhì)縱斷面示意圖Fig. 1 Sketch of geological profile

        2.3 施工組織方案

        結(jié)合地質(zhì)狀況及TBM適應(yīng)性研究,進(jìn)口約8 km(F6活動斷層前)地層巖性多變,軟硬不均,斷裂構(gòu)造發(fā)育,確定采用鉆爆法施工,并設(shè)店子坪1號和2號斜井輔助施工。出口約20 km以下元古界變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)千枚巖為主,巖性較均一,軟硬適中(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30~60 MPa),非常適合TBM施工,故采用2臺開敞式TBM并行施工,并在距出口10 km處設(shè)羅家理斜井,鉆爆法處理f59次級斷層及約1 km多石炭系地層。羅家理斜井同時兼具TBM設(shè)備中間檢修維護(hù)、TBM長距離施工接力通風(fēng)、出碴以及作為運(yùn)營防災(zāi)緊急救援站點(diǎn)等功能。施工組織方案示意圖如圖2所示。

        圖2 施工組織方案示意圖(單位: km)Fig. 2 Sketch of construction scheme (unit: km)

        3 工程特點(diǎn)及建設(shè)難點(diǎn)

        3.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,施工難度大

        隧道最大埋深達(dá)1 400 m,工點(diǎn)區(qū)域變質(zhì)巖、沉積巖均有分布,洞身穿過F6區(qū)域性大斷裂和3條次級斷裂,構(gòu)造裂隙水發(fā)育,施工中存在高地應(yīng)力、高地溫、突涌水、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害,施工難度大,TBM施工風(fēng)險高。

        3.2 大直徑長距離TBM快速掘進(jìn)適應(yīng)性

        西秦嶺隧道TBM直徑達(dá)10.23 m,在國內(nèi)僅次于錦屏隧道(12.4 m)。錦屏隧道TBM掘進(jìn)約5 km,而西秦嶺隧道TBM需連續(xù)掘進(jìn)長度達(dá)15.6 km,對大直徑TBM是個極大的挑戰(zhàn)。

        3.3 全線重點(diǎn)控制性工程,工期緊

        西秦嶺隧道為蘭渝鐵路控制性工程,計劃貫通工期(含二次襯砌)為68個月。如果按照以往的TBM施工方法,即掘進(jìn)貫通—TBM拆機(jī)退出—襯砌的單工序作業(yè)工法,難以體現(xiàn)TBM快速、安全、高效的特點(diǎn)。

        3.4 隧道埋深大,輔助坑道條件差,超長距離施工通風(fēng)難度大

        西秦嶺隧道通過埋深大于800 m段落16余km,最大埋深達(dá)1 400 m,設(shè)置輔助坑道條件差。TBM掘進(jìn)距離約20 km,施工通風(fēng)難度很大。

        3.5 隧道運(yùn)營安全保障要求高

        西秦嶺隧道為全線控制性工程,地位極其重要,社會影響力極大,這些條件決定了西秦嶺隧道的運(yùn)營安全要求非常高。西秦嶺隧道建設(shè)控制要素示意圖如圖3所示。

        圖3 西秦嶺隧道建設(shè)控制要素示意圖Fig. 3 Sketch of control elements for construction of West Qinling Tunnel

        4 工程關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 采用綜合勘察技術(shù),選擇地質(zhì)條件最優(yōu)、適應(yīng)TBM掘進(jìn)的越嶺隧道方案

        通過遙感技術(shù)、大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪、可控源音頻大地電磁(CSAMT)的V8物探測線、深鉆孔等多種先進(jìn)技術(shù)開展綜合地質(zhì)勘察,查明了隧道通過范圍的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、圍巖特征、地溫、地應(yīng)力、巖爆分布特征等。線路繞避不良地質(zhì)體,大角度通過斷裂構(gòu)造,減少對隧道的影響,最終選擇了地質(zhì)條件最優(yōu)的28 km隧道方案,且經(jīng)施工驗證,TBM適應(yīng)性良好。

        4.2 連續(xù)皮帶機(jī)出碴工況下開敞式TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)

        重點(diǎn)解決了如下問題: 1)二次襯砌施工時連續(xù)皮帶機(jī)出碴不間斷; 2)二次襯砌施工時大直徑軟管通風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行; 3)同步襯砌臺車行走不影響四軌雙線有軌運(yùn)輸列車運(yùn)行。襯砌臺車效果圖如圖4所示。

        4.3 TBM長距離連續(xù)皮帶機(jī)快速出碴技術(shù)

        1)多級皮帶機(jī)串聯(lián)冗余技術(shù)。在2級皮帶間設(shè)置分流裝置,在轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)停機(jī)、維護(hù)和檢修期間,不會出現(xiàn)停工,保證掘進(jìn)速度。

        2)洞外分碴器自動切換裝碴技術(shù)。連續(xù)分碴器主要由操作控制系統(tǒng)、主分碴機(jī)構(gòu)、子分碴機(jī)構(gòu)及框架組成,實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷分碴。

        3)連續(xù)皮帶快速無損收放及延伸技術(shù)。該裝置實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)連續(xù)皮帶的自動收、放與皮帶運(yùn)輸雙重功能,使皮帶輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——連續(xù)皮帶機(jī)在隧道洞內(nèi)使用時的皮帶延伸接長方便快捷,不再需要布置起重設(shè)備和開挖相應(yīng)的洞室,使通過斜井出碴成為可能。多級串聯(lián)皮帶分碴口如圖5所示。洞外連續(xù)分碴器基本構(gòu)造如圖6所示。皮帶收放裝置現(xiàn)場作業(yè)如圖7所示。

        圖4 襯砌臺車效果圖Fig. 4 Design sketch of lining trolley

        圖5 多級串聯(lián)皮帶分碴口Fig. 5 Muck separating ports of multi-stage series belt conveyors

        1—連續(xù)給料裝置(出碴口);2—主分碴器受料接口;3—主分碴器切換液壓油缸;4—主分碴器切換板;5—切換軸端密封;6—結(jié)構(gòu)鋼架;7—主分碴器梭槽;8—子分碴器受料口;9—子分碴器切換液壓油缸;10—子分碴器切換板;11—限位板;12—子分碴器卸料口;13—外覆電加熱板;14—應(yīng)急卸料口;5—混凝土防撞護(hù)墩;16—轉(zhuǎn)運(yùn)工程車。主分碴器、左側(cè)子分碴器顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況;右側(cè)子分碴器顯示結(jié)構(gòu)外部情況。

        圖7 皮帶收放裝置現(xiàn)場作業(yè)Fig. 7 Field operation of belt extension and retraction device

        4.4 TBM施工20 km超長距離施工通風(fēng)技術(shù)

        4.4.1 利用施工斜井,采用分階段通風(fēng)模式

        TBM 施工第1階段長度為10 134 m,采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式,供風(fēng)和排風(fēng)長度均約為10 km;TBM 施工第2階段長度為9 808 m ,采用已貫通的第1階段取新鮮風(fēng)流、斜井排污風(fēng)的聯(lián)合巷道式通風(fēng)方式,斜井通風(fēng)長度為2 600 m,供風(fēng)長度最長約20 km,排風(fēng)長度最長約12.5 km。TBM施工第2階段通風(fēng)布置如圖8所示。

        圖8 TBM施工第2階段通風(fēng)布置Fig. 8 Ventilation layout for second stage of TBM construction

        4.4.2 采用大功率節(jié)能變頻風(fēng)機(jī)(功率連續(xù)可調(diào))、大直徑高壓軟風(fēng)管及防漏型高強(qiáng)接頭等節(jié)能降耗綜合措施

        1)大功率節(jié)能變頻軸流風(fēng)機(jī)。國內(nèi)首次在特長隧道施工中采用國際先進(jìn)的大功率節(jié)能變頻軸流風(fēng)機(jī),主風(fēng)機(jī)功率為3×160 kW,可實(shí)現(xiàn)功率在45~160 kW連續(xù)可調(diào)。

        2)大直徑高壓軟風(fēng)管。采用直徑為2.2 m的高壓新型軟風(fēng)管,風(fēng)管可以承受的最大工作壓力為1.78 MPa。主風(fēng)機(jī)及2.2 m 大直徑軟風(fēng)管布置如圖9所示。

        3)防漏型高強(qiáng)接頭。風(fēng)管的所有接縫、接頭均采用全密封式焊接。

        圖9 主風(fēng)機(jī)及2.2 m大直徑軟風(fēng)管布置Fig. 9 Layout of main fan and large-diameter air hose (2.2 m)

        4.5 防災(zāi)救援疏散技術(shù)

        采用加密疏散橫通道,利用2管隧道互相救援、疏散的救援站模式。救援站通風(fēng)排煙采用自安全隧道供風(fēng)、豎井均衡排煙的模式,當(dāng)一管隧道發(fā)生火災(zāi)后,從另一管隧道取風(fēng),以保障緊急疏散時,人員能夠迎著新鮮空氣進(jìn)行逃逸、疏散。在隧道緊急救援站范圍內(nèi)隧道拱頂每100 m設(shè)1座排煙豎井,通過橫向排煙道連通排煙豎井與縱向排煙道,并通過縱向排煙道與羅家理斜井順接,通過羅家理斜井將隧道內(nèi)的煙氣排出洞外。緊急救援站排煙方案剖面示意圖如圖10所示。

        圖10 緊急救援站排煙方案剖面示意圖(單位: cm)Fig. 10 Profile of air exhaust plan for emergency rescue station (unit: cm)

        5 主要技術(shù)創(chuàng)新

        1)首創(chuàng)了連續(xù)皮帶機(jī)出碴工況下TBM掘進(jìn)與襯砌的同步施工技術(shù),節(jié)省工期20個月。

        2)研發(fā)了多級級聯(lián)、連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶快速出碴系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了從TBM掘進(jìn)工作面到碴場的連續(xù)快速出碴。

        3)建立了TBM施工20 km超長距離通風(fēng)技術(shù)體系,解決了特長隧道超長距離施工通風(fēng)的世界性難題。

        6 工期及獲得榮譽(yù)

        6.1 工期

        工程自2008年9月開工,左線于2013年4月貫通,右線于2014年7月貫通,2016年12月開通運(yùn)營。

        6.2 獲得榮譽(yù)

        獲得國際咨詢工程師聯(lián)合會(FIDIC)2018年度優(yōu)秀工程獎、國際隧道及地下工程協(xié)會(ITA)2018年度重大工程提名獎。

        7 工程參建單位

        建設(shè)單位: 蘭渝鐵路有限責(zé)任公司。

        設(shè)計單位: 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司。

        施工單位: 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司承擔(dān)左線施工任務(wù); 中鐵十八局集團(tuán)有限公司承擔(dān)右線施工任務(wù)。

        監(jiān)理單位: 四川鐵科建設(shè)監(jiān)理有限公司。

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