在这之前,还没有一列火车穿越过董志塬。
这片“天下黄土第一塬”,绵延约910平方公里。这里是国内黄土层连续分部厚度最大的塬面,厚度可达200至300米,
沟壑交错、滑坡错落,复杂不良的地质结构,难以预料的施工难度,让现代交通的试探,往往选择“绕过董志塬”。
这片土地长久的沉寂,被一次开创性的构想打破。按照银西高铁线路设计,在庆阳地区相邻的两个站点,分别位于塬上塬下,高度最大落差达434米——穿越董志塬,是必然的选择。
6782米,Ⅰ级风险控制工程,位于甘肃省庆阳市宁县境内的上阁村隧道,虽然只有6公里,但其中4.5公里须通过一层软塑状黄土含水层,围岩软弱富水,含水率最高可达33%,国内外罕见,堪称世界性工程难题。
上阁村隧道的艰难贯通,让银西高铁线路成功穿越了这片位于毛乌素沙漠边缘、世界上规模最大黄土高原台塬区。
董志塬,第一次被隧道洞穿内心。随之而来的,是现代高速铁路从这片古老的土地上“破土而出”,飞驰穿行。
6月27日,上阁村隧道顺利贯通。(图片由银西铁路有限公司提供)
地下“水帘洞”:必须将“烂泥扶上墙”
远方格外遥遥,路途尤为漫漫。深居塬上的甘肃庆阳地区,缺乏客运火车站,人们出行须翻山越岭,高速公路均小心翼翼绕塬盘旋而行。
这是罕见的地质结构:在塬上,黄土如同巨大的地毯,随沟壑起伏延展;在塬区地下水位线附近,却饱含丰富水量,长段落连续分布着软塑黄土层。
十年磨一剑。
2009年,上阁村隧道启动方案设计。银西高铁设计总工程师马文辉回忆,在庆阳调查隧道的地质条件时,专家团队和当地地质人员,从塬上下到200米深的沟里,“我们必须掌握第一手资料,避免和大自然硬碰硬。”
这一世界性工程难题如何破解?
2016年12月15日,隧道正式动工。施工单位具有丰富的黄土作业经验,类似的地质结构,在宝兰客专建设中曾遇到过一小段。但这一次的难度,还是超出了所有人的预料。
“大家没有想到,黄土里有这么多水,相当于隧道头上随时顶着一个大水囊。” 12月18日,中铁第一勘察设计院银西高铁隧道专业设计负责人于介向记者介绍。
在董志塬,塬面一下地下水位线达60-70米。“以往我们挖隧道,通常是在石头里‘出’水,这一次,我们是在土里‘排水’。” 于介解释。
“雨里开挖,泥里支护,在淤泥里打隧道”。业内专家这样总结施工难度。
“雨”,来自地下水和土体自身的含水。施工一旦开始,建设现场便沦为“水帘洞”: 开挖后隧道拱部不间断渗出水,而后从初期支护表面像雨一样渗出、滴落。
“泥”,则是土遇水后它的样子改变,由于其本身黏性很高,“土”变”泥”后易发生塑性变形,就像小时候玩的黏胶泥一样。于介说。
“淤泥”,受地下水的下渗影响,开挖后隧道周边土体形态发生改变,加之施工扰动,整个施工环境就像在淤泥里一样。
“出水量最高达230立方米/天,围岩含水率高达33%,正常情况下围岩含水率是20%。” 于介说,施工的围岩就像“烂泥一样扶不上墙“。
然而,隧道洞身建设,必须是一个将“烂泥扶上墙”的过程。
“边开挖,边变形。但高铁对沉降变性控制要求更高。”回忆起施工过程,中铁二十二局工区总工白明禄介绍,在上阁村隧道通过软塑黄土夹层及地下水位影响过程中,围岩渗水量特别大,这是在其它黄土隧道中基本没有遇到过的,施工极易发生变形、坍塌及涌水突泥等风险事件。
多种隐患并存,唯有分秒必争。团队先从小面积实验,再逐步推进。同时,打前站的工人一边开挖,还必须抢抓时机,另一组工人及时立架。拱部围岩自稳能力极差,搭建的施工台稳定性差……随时可能发生的风险,给现场每个人都带来强大的心理压力。
土与水的矛盾,在地下如何调和?
施工方在隧道内讨论方案。(图片由银西铁路有限公司提供)
隧道内决战:60厘米为单位的艰难推进
上阁村隧道,是银西高铁最后贯通的一个隧道。
“这次隧道的建设,可以说是一米一米地推进吗?”
“不,我们是以60厘米为单位,一榀钢架一榀钢架的推进。”
上阁村隧道,原计划2019年9月贯通。然而,在距离工期只剩一年时,还剩2.5公里。
“只有加快进度,才能保证银西高铁如期开通。”白明禄说,6公里隧道一般只设置1个辅助坑道,但是上阁村隧道,则设置了4个辅助坑道,拉开工作面,加快施工进度。施工人员住在现场,遇到问题当场解决。仅业内专家会就开了8次,及时动态优化设计方案。
在银西铁路有限公司的组织下,各参建单位的配合下,经反复研究和数百次实验,逐步掌握了复杂黄土地层隧道修建技术。
破解之道,最关键的在于对围岩的“固”和对地下水的“排”。
“固”,地表、洞内注浆加固隧道周边围岩,封堵了地下水下渗的通道,并提高了围岩的整体稳定性,随即进行开挖掘进,支护加固。
“排”,地表深井降水对隧道周边地下水进行疏排,有效地降低了施工中地下水的下渗量,避免了围岩的进一步恶化,保证了施工安全。
“防结晶可维护排水系统、地表垂直深孔袖阀管精准靶向注浆、地表深孔降水、多功能桥式车、微台阶法……”在中国国家铁路集团有限公司的统筹下,银西铁路有限公司多次组织设计、咨询和施工单位,并联合多所科研院校,首次在黄土塬区采取新技术、新材料、新装备、新工法的研究,取得主要创新点9项,发明专利3项,实用新型专利4项。由此,“固排结合”,扫除了工程建设的“拦路虎”,也为开通运营后隧道安全提供了可靠保证。
上阁村隧道多项施工技术成果,填补了国内外隧道修建技术空白,极大提升了我国高速铁路隧道整体建设水平,也将为今后类似条件下的建设提供参考价值。
于介回忆:“接到银西高铁的勘察和设计任务时,我刚刚配合完成兰新高铁的任务。当时孩子刚满月,今年已经7岁了。经历了勘察、设计和配合施工,看到设计图纸一步步变为现实,非常欣慰。”
这条路,是很多人心愿的凝结。
黄土塬上,两塬之间看似近在咫尺,但人与人碰面,可能要跨越几十里山路。“记得勘察时,我们下到深沟里,上下沟就要一天。记得一位当地的老大爷对我们说,活了大半辈子,还没有见过火车,最大的心愿就是能坐着火车去外面看一看。”于介说。
2020年6月27日,上阁村隧道贯通,为银西高铁如期开通奠定了坚实的基础,也成为国内首条修建在黄土层最长段落的有砟高速铁路。
这一天,距离这条6782米的隧道开工,已经过去了1370天。(宁夏日报报业集团全媒体记者 毛雪皎 李徽)