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零下42度,穿越多个生态景区……他们如何建成最北高寒高铁长隧?
2020/07/31 17:02  科技日报  

  ◎ 科技日报记者 李丽云 通讯员 张学鹏 刘立娜 牛荣健

  7月30日,经过近四年的高寒地区施工,国家“十三五”重点工程建设项目、牡丹江至佳木斯高铁七星峰隧道顺利贯通,为年末完成全线铺轨任务奠定了基础。此举刷新了在我国最东部、最北部高纬度高寒地区开展高铁建设的新纪录。

  隧道贯通现场。李丽云拍摄

  牡佳高铁七星峰隧道位于黑龙江省佳木斯市桦南县和双鸭山市集贤县境内,穿越黑龙江省七星峰国家级森林公园和七星峰省级地质公园以及东北虎自然保护区;全长10291米,最大埋深423.5米,地质构造复杂,岩层风化程度高;涌水量极大,最高日涌水量达8万立方米,四年大概涌出近四个西湖的水;地处高寒,最低气温零下42°,属于一级风险隧道,是牡佳高铁全线难点工程和控制性工程,也是我国在建最北高铁及黑龙江省在建的最长隧道。隧道由中国铁路设计集团有限企业勘察设计,由中铁一局集团企业承建。

  高寒低温、岩层古老善变、涌水量巨大、穿越多个生态景区,这些犹如一个个虎视眈眈的拦路虎,挡在隧道施工面前。重重障碍之下,施工方和设计方如何攻克技术瓶颈,建成最北高寒长隧?

  零下42度,数控钢结构加工中心解难题

  牡佳高铁地处高寒地区,全年无霜期仅140天,冬季平均气温零下19摄氏度,最低气温曾达零下42摄氏度,在高寒地区作业,给施工带来极大的作业困难。

  在高寒地区修建高铁,日常隧道挖掘工作都变得极为艰难,冻土层上,工具敲上去就是一个白点,东北冬季漫长,白天时间短,有效施工周期短,一年几乎有近一半时间无法作业,加上地表普遍分布季节性冻土带,路基经受周期性冻融循环作用,极易引起冻胀,这些都成了施工项目部亟待解决的难题。

  中国最北高寒高铁--牡佳客专8标七星峰隧道,中铁一局员工正在最后一组开挖。牛荣健拍摄

  为解决该隧道设计面临的严寒气候防寒防冻断层破碎带等技术难题。负责隧道设计的中国铁设隧道专业技术人员通过总结哈牡高铁、哈佳铁路在建设和运营过程中的经验,细化了深埋排水设施为主体的隧道防寒防排水系统设计,保证隧道防寒抗冻要求。

  “中国铁设在牡佳客专工程设计中,全线采用了基于铁路三维信息模型的BIM设计,这也是高纬度严寒地区高速铁路设计中首例。BIM应用突破了二维图纸的视觉局限,实现了工程的三维虚拟化设计、可视化决策、协同化建造,提高了多专业系统性设计质量;BIM技术的应用对提升铁路勘察设计水平、提高工程建设质量、以及开通运营后维护管理等铁路工程全生命周期过程中各个方面,都具有很大的促进作用。”中国铁路设计集团有限企业牡佳客专项目总工程师牛永平向科技日报记者先容说。

  自2016年11月隧道开工建设以来,施工建设者突破了8条地质断层、穿越18处物探高风险异常区,在沼泽地上修筑施工便道,在极寒环境下确保混凝土浇筑质量。

  一年仅掘进300米! 变更性岩层成为“拦路虎”

  对于中铁一局牡佳客专项目部副经理贾贵宝来说,七星峰隧道注定是他一生最难忘的施工经历。

  七星峰隧道地处完达山系,地质年代久远,土质复杂,施工作业中一般按土质优劣分为一至五个等级,根据土质等级进行施工。七星峰隧道土质复杂,夹有片岩、石墨夹层、大理岩、变粒岩等,属于最差的五级围岩。土质等级几乎一天一个变化。

  “刚开始作业时,发现土层属于三级土质,可是再往下挖一会儿就变成四级了,土质忽软忽硬,这样的变数很多。”贾贵宝说,这样的事情他以前也遇到过,但一般50米-60米的长度,干一段时间就过去了,可是七星峰隧道几乎从头到尾都是这样的情况。

  “土质易变给施工带来极大困难,破碎的土质极易造成塌方,因此,每一米的施工都小心翼翼,最慢时,一年只推进了300多米。” 贾贵宝苦涩地回忆说。

  中铁一局二企业员工在牡佳客专七星峰隧道开挖最后一茬炮。牛荣健拍摄

  “针对古老善变的岩层,大家采取的隧道施工理念就是‘岩变我变’,利用超前地质预报手段,在开挖之前现探明前方的围岩状况,根据实际状况及时调整开挖和支护参数,围岩变化了,大家就变化相应的施工方案。”中铁一局牡佳高铁项目部总工程师周欢欢向科技日报记者揭秘他们战胜这个古老善变岩层的策略和科技手段。

  在“岩变我变”理念引导下,中铁一局项目部加强超前预判,加深钻前取样,在一个作业面钻进40米深度取土样,然后再加深40米,通过超前取样,判断围岩等级。此外,广泛应用了雷达超声波探测、混凝土湿喷机械手、防水板电磁焊接、隧道衬砌防脱空装置等新设备、新工艺,先后攻克围岩破碎变形、裂隙发育、突泥涌水等突发地质灾害,同时应用BIM隧道全断面三维立体影像扫描技术,对施工现场进行“实景复制”,确保按期优质完成隧道贯通任务。

  日涌水8万立方米、四年涌出四个西湖的水,在河下挖出的隧道

  在隧道修建中有一个名词叫“埋深”,意为从最高点到隧道顶的距离。七星峰隧道的埋深只有423米,最小的埋深只有14米,在隧道山顶还有一条河流经过,这样的隧道注定涌水量大,加上土质多变、围岩破碎,挖掘过程几乎是按厘米推进。

  中铁一局施工的牡佳客专8标小安邦河2号特大桥(全长2190.63延米)。王利拍摄

  头顶有河流,四周是碎岩,隧道日最高涌水量达8万立方米。据统计,四年隧道大概流出四个西湖的水,身处其中的施工人员几乎是在冒雨作业。施工方为此制定了“短进尺、快封闭、强支护”的作业方案,从以前挖两米现在一次挖60厘米,随时挖掘随时封闭,并且超前注浆,保证施工安全。

  施工方还特别使用了一种水泥水剥离双液浆,通过两种液浆的化学反应,可以在3到5秒即可凝固,解决了普通注浆容易被水冲散的问题。

  生态区里挖隧道,最大程度保证当地生态环境

  牡佳高铁七星峰隧道地处七星峰国家级森林公园和七星峰省级地质公园和东北虎自然保护区境内,施工过程中,中铁一局牡佳客专项目部除施工质量外,对园区内环境保护也非常严格。

  牡佳客专七星峰隧道出口。王利拍摄

  七星峰隧道在建设之初就确定了建设景观工程的目标,为了避免隧道洞口和拌和站施工用水造成环境污染,项目部主动提出变更,在隧道口和拌和站共设置六个高规格三级沉淀池,进行油水分离,采取气浮、投药等除油降解措施,确保工程建设污水排放达到国家一级标准。同时,施工过程中,严格对噪音、粉尘管控,确保“绿水青山就是金山银山”理念深入落实到施工中的每一个环节。

  双鸭山东部三煤城将融入哈尔滨两小时经济圈

  牡佳高铁建成通车后,黑龙江省三大煤城——双鸭山、鸡西、七台河将步入与省会城市哈尔滨的“2至3小时经济圈”。

  牡佳高铁位于黑龙江省东部地区,自牡丹江经林口、鸡西、七台河、桦南、双鸭山至佳木斯,沿途经过5个地级市和2个县级行政区,全长371.6公里,全线共141座桥梁、34座隧道,设计时速为250公里。通车后牡丹江至佳木斯的火车车程将由现在的8小时缩短至2小时。

  作为全国高速铁路网的重要组成部分,牡佳高铁建成通车后,将有效拓展东北高铁网的辐射范围,与哈牡高铁和哈佳铁路共同构成黑龙江省东部快速铁路环线,加大了黑龙江省东部城市之间的联系,特别是将对双鸭山等几个煤炭城市市融入“东部城市群”以及“哈尔滨、长春城市群”起着至关重要的作用,拉近了黑龙江省东、中、西部时空距离,将极大促进东北区域经济良性互动发展。

  来源:科技日报

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责编:刘雨菲

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