穿越“天之山”的勘察設(shè)計路

文／柳燕

穿越“天之山”的勘察設(shè)計路

文／柳燕

祁連山山脈是我國九大著名山脈之一，“祁連”在古代匈奴語，意為“天之山?！逼駷橹梗文猎谶@里的匈奴人的直系后裔——堯熬爾人（裕谷族）仍然叫祁連山為“騰格里大坂”，同意“天之山?！?/p>

有一群人，他們用自己的步伐丈量“天之山”，走在祁連山隧道這個驚世工程之前。他們就是中鐵第一勘察設(shè)計院集團的勘察設(shè)計者們。

近日，筆者在“天之山”祁連山隧道項目部見到了中鐵第一勘察設(shè)計院集團設(shè)計師和駐祁連山隧道現(xiàn)場設(shè)計指揮長田鵬。這個外表憨厚實際上卻細致精干的陜西人，說起祁連山隧道時很自豪，數(shù)據(jù)了然于胸，信手拈來。

第一次跨越“天之山”

新建的蘭新鐵路第二雙線（客運專線）自蘭州樞紐蘭州西站引出，溯湟水河至西寧，穿越達坂山、祁連山后進入甘肅河西走廊，經(jīng)張掖、酒泉、嘉峪關(guān)后，進入新疆哈密、吐魯番市，引入烏魯木齊站。線路正線全長1776公里，總動態(tài)投資1435億元，祁連山隧道屬于甘青段：甘肅至青海段。

蘭新線定位于客運專線為主，兼顧輕快貨物運輸，為帶動西寧周邊發(fā)展并基于這樣的定位，鐵一院的設(shè)計者們選擇跨祁連山而行。“放眼全國，無論是高速公路還是鐵路，這都是第一次涉及祁連山做跨越和嘗試。”田鵬說。

據(jù)田鵬介紹，“該項目前期設(shè)計是按照200公里時速，土建工程是按照預(yù)留將來提速空間來做的，所以工程隧道斷面內(nèi)軌以上隧道的內(nèi)徑孔的面積是按照100平米做的設(shè)計，也就是說將來全線隧道工程，按照目前國家的規(guī)定，可以達到350公里的時速——可以達到高鐵的要求，屬于超前設(shè)計、環(huán)保節(jié)能的設(shè)計。”

甘肅至青海段總長1076公里，從蘭州到紅柳河，蘭新線全線重點工程都位于此段?！霸摱尉€路隧道工程較復(fù)雜、艱巨，總共有42座隧道，總計145公里，其中超過10公里的超長隧道就有3座。

“其中，最長隧道為達阪山隧道，全長為15.891公里，海拔最高的點是祁連山1號隧道，軌面的海拔已超過3600米?！碧稆i介紹，祁連山隧道是兩個越嶺段，隧道總長超過60公里，最高海拔點是3792米，屬于高海拔、高原、高寒地區(qū)，工程相當(dāng)艱巨，投資也比較巨大。

勘察是設(shè)計的基礎(chǔ)

祁連山和達坂山是橫亙于甘肅、青海兩省的兩座天然屏障，蘭新第二雙線必須以橋隧相連的方案通過這一路段。

這里平均海拔4000米以上，高寒缺氧、交通困難、工期緊迫是當(dāng)前最主要的困難，為了摸清越嶺段地質(zhì)狀況，找到最優(yōu)穿越方案，必須采用綜合勘探手段加以解決。

說到地質(zhì)構(gòu)造，田鵬旁邊靦腆的小王也不禁打開了話匣子，這位地質(zhì)專業(yè)人員是田鵬的同事。這時，他斯文地扶了扶眼鏡，略顯緊張地告訴筆者：“這一地區(qū)屬于青藏高原，地殼上升地段，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜、區(qū)域性斷裂分布較多，斷層和褶皺非常發(fā)育，向斜和背斜都非常多，山高溝深、鉆探困難。兩隧道群相距60余公里，加之勘測時間正值冰雪消融期，所有溝壑冰河橫流、碎石密布，給探測工作帶來極大的困難?！?/p>

其實，全線最艱苦的“越嶺攻堅戰(zhàn)”耗時最長、困難最多，地質(zhì)勘探工作是最艱苦的、最重要的前期工作。祁連山越嶺段平均海拔近4000米，高寒缺氧，交通極為不便，為探明越嶺段翔實的地質(zhì)狀況，鐵一院成立勘探突擊隊，每天組成7個地質(zhì)調(diào)查組、4個測繪組、2個物探組展開外業(yè)突擊，艱苦作戰(zhàn)。

由于先期開工段位于全線海拔最高、地質(zhì)最為復(fù)雜、條件最為惡劣的達坂山、祁連山越嶺地段，甘青段指揮部迅速將三個勘察隊的地質(zhì)、橋隧、測繪、物探、鉆探力量集中于門源、民樂兩地展開攻堅，全力確保節(jié)點工期。

沒有現(xiàn)成的資料，沒有水準(zhǔn)、平面坐標(biāo)等最基本的控制系統(tǒng)，同時還受到現(xiàn)有的勘測手段和惡劣環(huán)境限制，“祁連山山上終年積雪，許多勘探孔都是在雪線以上打的，很多設(shè)備無法運送上去，依靠人工運輸，也沒有路，得用自己的腳步去開路?！毙⊥?，就這樣用自己的腳，背著設(shè)備和干糧，像長征一樣，一步一步丈量了800多公里蘭新線的每一個點，更是踏遍了祁連山。在終年積雪里搭帳篷，連喝口水都得先燒爐子化冰。

前期勘探是設(shè)計的基礎(chǔ)，是設(shè)計過程中最艱苦最困難的工作。小王記得，有一次爬到半山上，因為全是小碎石，爬一步就滑下去兩步，艱難地爬上去勘探，卻下不來。

這樣的事情很多，多到連他們自己都記不清。但祁連山會記得的，它有亙古不變的眼睛，記錄著勘察設(shè)計者的辛勤汗水和艱辛勞動。

完美的設(shè)計源于周密的思考

祁連山屬于國家自然保護區(qū)，在設(shè)計的前期對于環(huán)境的保護都做了詳細的、最大限度保護的思考。

祁連山隧道雖不是最長的隧道，但卻是最艱難的兩個隧道。全國首次在海拔最高的地方建設(shè)斷面最大、海拔最高、自然環(huán)境最惡劣、工程施工難度最大、困難最多的高鐵隧道。

祁連山隧道的特點總結(jié)起來就是高原、高寒、高鐵：高原是說海拔高，高寒是溫度低，最冷月平均氣溫是零下20多度，最冷的極端氣溫是零下42度，高鐵是項目設(shè)計以高鐵為目標(biāo)設(shè)計。面對這樣的高寒地區(qū)，在設(shè)計的時候考慮最多的就是隧道面臨的防寒這個最大的課題。眾所周知，山嶺隧道打洞的時候都會有含水層，如何防止水進入隧道后結(jié)冰，對隧道的結(jié)構(gòu)和道床進行破壞？這方面要做大量的工作，要做科學(xué)實驗、數(shù)據(jù)模擬分析、實際模擬演示，根據(jù)模擬結(jié)果，預(yù)測通車運行后的隧道腹內(nèi)溫度變化情況，預(yù)防凍害對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響等等，都是在設(shè)計前期需要考慮的因素。

從開工到現(xiàn)在的三年多時間里，田鵬帶領(lǐng)的鐵一院的工程師一直借鑒全國和全世界的防寒工程經(jīng)驗做現(xiàn)場測試?！坝绕涫瞧钸B山一號隧道，在全世界范圍內(nèi)來說是個新技術(shù)，也是鐵一院的新設(shè)計?！碧稆i告訴記者，鐵一院雖然從前設(shè)計過青藏鐵路的隧道，積累了豐富的經(jīng)驗，但是祁連山隧道有自身的特點、難點，還是給他們提出了全新的挑戰(zhàn)。

田鵬介紹，祁連山隧道采用防寒泄水洞措施，就是在隧道凍結(jié)層下面打一個小洞子，把不凍結(jié)的水引出去，同時在洞口采用了防寒的工程措施。對開挖和工程等都有詳細的具體要求，力求將防凍害做到完美?！斑@個措施是針對對祁連山隧道特別使用的。既不增加造價，又保證了效果?！?/p>

斷層對隧道的影響非常大，尤其是斷層和中間的破碎帶，地震時對隧道結(jié)構(gòu)的破壞是非常巨大的。在設(shè)計時候充分考慮到這個因素，采用注漿措施和加固打樁支撐等措施，對圍巖進行加強處理，使圍巖牢固穩(wěn)定這樣開挖的時候就不會出現(xiàn)坍塌等事故。

設(shè)計的施工方法采用了非常多的特殊工法，如CRD、雙塞壁等等。祁連山區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，海拔高，終年積雪，向斜構(gòu)造地是含水地，構(gòu)造也很復(fù)雜，帶來大量難題。例如祁連山隧道出口處的斜井，發(fā)生了涌水，將開挖出來的洞口都堵住了，像堰塞湖一樣，涌水水量巨大，這些是預(yù)先無法探明的。

祁連山隧道處在高地應(yīng)力，埋深比較大，主要是板巖地形，巖體太軟，自身承載能力太差，自重及構(gòu)造的應(yīng)力場，軟巖非常容易被擠壓而造成大變形。

針對這種特點，田鵬在設(shè)計上也做了很多構(gòu)思?！吧皫r和灰?guī)r就比較好點，但是如果夾雜著板巖的話，也是比較容易有問題?！?.5公里的隧道，大概有三分之一的段都會是這種軟巖地質(zhì)。

尤其是主洞開挖斷面面積大，設(shè)計者考慮針對軟巖大變形的特點做特殊設(shè)計，并研究出一套控制變形，使軟巖不能影響結(jié)構(gòu)和隧道的使用?？刂企w系具體的方式有：1、預(yù)留充分的變形量——給軟巖足夠的變形空間來釋放變形；2、強制護體系——使軟巖雖然變形，但是控制軟巖變形，避免軟巖變形過大影響結(jié)構(gòu)；3、抓住工序，快速封閉，緊跟二襯——通過二襯的作用快速封閉和通過。用這些方式來解決軟巖大變形帶來的不良影響。

田鵬表示，針對祁連山隧道自身特點的很多設(shè)計是在世界上屬于獨一的，蘭新線采用的是無砟軌道，后期運營階段的養(yǎng)護基本為零養(yǎng)護，設(shè)計壽命為100年。

祁連山隧道雖不是最長的隧道，但卻是最艱難的隧道