吾名
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2020-06-28
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——中交一公局集团五公司渭武八标岷县隧道建设纪实
本报记者 李玲 通讯员 陈雯
在川剧表演中,演员可在一分钟内完成多达10次的变脸,赢得观众热烈欢呼;但在隧道施工中,复杂地质上演的“变脸”大戏,却让建设者苦不堪言。
2016年,当中交一公局集团五公司甘肃渭源至武都高速公路第八合同段(简称渭武八标)岷县隧道建设者进场时,谁也想不到,这座前期勘探显示“平静”的隧道,却在掘进施工中频频上演“变脸”特技——变形、涌水、坍塌……其中,该隧道的变形量级更是突破了地下工程界以往所遵从的理论和实践认知水平。在没有可借鉴的成熟经验下,地质的复杂多变和建设中的不确定因素,使得工程建设一度举步维艰。2018年,岷县隧道进口段左洞开挖进度甚至不足百米。
千难万难难不倒工程建设者。在甘肃省交通运输厅的关心下,在项目建设单位甘肃省公航旅集团下属甘肃长达路业有限责任公司(简称长达公司)的帮助和支持下,隧道参建者不分昼夜、各方合力攻坚奋战,通过引入院士专家团队、加大科技研发、创新工艺工法等手段,竭力突破预测围岩变形量及初支失稳、二衬开裂等一系列世界级难题,为隧道推进“保驾护航”。
“自强奋进、永争第一。”如今,岷县隧道左、右洞开挖进尺合计已突破3304.2米,占开挖施工总量的82%,这块制约渭武高速公路定西段今年年底通车的最大“硬骨头”很快将被啃下。
打通瓶颈 共圆小康梦
岷县,隶属甘肃省定西市,因境内有岷山而得名,又因其地处青藏高原边缘,是甘南草原向黄土高原、陇南山地的过渡地带,素有“陇原旱码头”之称。由于当地气候低温干燥,这里盛产当归、红芪、黄芪、党参等238种中药材,其中以“岷归”最为著名,也被誉为“中国当归之乡”。
这片土地孕育了珍贵的资源,然而在贫瘠的道路面前,产品输出成为制约发展的重大难题。因为境内地形复杂多样,一重重山脉阻碍了交通发展的步伐,落后的交通条件、脆弱的生态环境、严酷的生产生活条件,让岷县成为国家级扶贫开发工作重点县,也成为甘肃省脱贫攻坚要攻克的最后“堡垒”之一。
脱贫攻坚,交通先行。近年来,岷县把加快高速公路建设作为交通运输工作的重中之重,积极争取渭武高速公路过境岷县段项目。2016年5月,在40多万岷县群众的期盼和关注下,渭源至武都高速公路建设项目正式启动。
渭武高速公路全长238公里。作为兰州至海口国家高速公路甘肃境内的重要组成路段,它是国家高速公路网在甘肃南部地区的唯一纵向线,也是甘肃中南部公路运输的一条大动脉。该项目由长达公司负责建设管理,分为定西段和陇南段同期建设。其中,全长104.81公里的定西段,北接临洮至渭源高速公路、兰州至临洮高速公路,南接武都至罐子沟高速公路。中交一公局集团五公司承建的渭武八标是定西段的一部分,全长10.3公里,主要包含隧道、桥梁、路基等施工内容。
据悉,岷县隧道全长2.8公里,中交一公局集团五公司承建隧道左线1.99公里、右线2.03公里的施工任务。因该隧道具有大变形、大涌水、易坍塌、换拱频繁及安全风险极高等诸多不利因素,其成为渭武高速公路定西段关键控制性工程之一。该隧道也是甘肃省境内当前施工难度最大的隧道工程之一。同时,也是目前中交一公局集团甚至中交集团在建隧道工程中综合施工难度最大的隧道工程之一。
“岷县隧道通,则全线通,则小康成。”在长达公司董事长、党委书记乔小兵看来,岷县隧道能否按时贯通,不仅事关渭武高速公路定西段2020年通车目标的实现,也是甘肃实现2020年全面小康目标的关键。
承载使命,奋力而行。2016年5月,秉承着“固基修道、履方致远”的企业使命,中交一公局集团五公司调集精兵强将,集结岷山,正式拉开隧穿南北的建设大幕。
地质发难 变形频繁
站在岷县隧道进口施工工区向前方远眺,越过葱绿的沃野,一条黑色“巨龙”横卧在山脉间,那便是连接我国西南和西北最便捷的铁路大通道——兰渝铁路。
这条铁路横亘甘肃与四川之间,穿越黄土高原区、秦岭高中山区的区域性大断裂带10条、较大断层87条、大的褶皱43个,被业内称为穿越“地质博物馆”的铁路。从2009年开工建设到2017年全线开通运营,兰渝铁路建设者们用了整整8年的时间,用226个隧道、396座桥梁,跨越了空间距离,使兰渝铁路成为一座名副其实的“超级工程”。
如今,距离兰渝铁路700米开外,岷山深处,另一座隧道建设正酣。“昔日,就听说过兰渝铁路上赫赫有名的胡麻岭隧道、木寨岭隧道建设者的故事,那时我敬佩他们十年磨一剑的精神,为他们的执著和坚守而感动,但没想到我也赶上了这样一个‘磨剑’工程。”中交一公局集团五公司渭武八标岷县隧道进口工区主任万海洋告诉记者。
“岷县隧道留给我的最初印象,只是一个全隧围岩等级为V级、没有其他特殊性的常规隧道。”回忆起刚进场时的感受,中交一公局集团五公司渭武八标项目经理强思翰这样向记者说道。
然而,这场备好剧本、挑好演员,只需要正常发挥便能成功的表演,却接二连三地上演了“意外”。
自岷县隧道正式施工以来,开挖过程中频发初期支护大变形等现象,尤其是在进行压碎岩、强风化炭质板岩层穿越时,易发生显著的挤压大变形。“倒‘U’字形的钢拱架变形扭曲成“Z”字形,工字钢成了麻花钢……”作业的工人和技术员及时向上反映现场情况。
一开始,针对变形问题,项目部从管理、技术、施工组织上进行优化和调整,然而这些常规有效的处置举措,这一次却没有起到明显的效果,直至2016年年底,隧道每个月的进尺仍不理想。
“随着隧道不断掘进,出现变形和塌方现象的频率越来越高,尤其是变形,局部段落的变形量可达1米以上,导致初期支护局部或全环侵限。”万海洋介绍,隧道前期施工平均日进度甚至不足1米。
这时,作为项目施工的总指挥,强思翰也在思考,影响工程的主要因素除了管理外,最大的难题就是客观条件——即隧道本身的地质条件。难道是它在作怪?
后期的地质勘察验证了强思翰的答案。岷县隧道地处岷山,这里围岩地质复杂多变,隧道沿线穿越两处断层破碎带以及软质炭质板岩地层。这种炭质板岩成薄层状构造,岩体破裂、岩性极软,遇风遇水易软化,属于膨胀性软岩。“它的这种力学特点及微膨胀性,导致隧道开挖形成临空面后,岩体易发生塑性变形而挤入隧道,加大支护结构的荷载,从而发生大变形。”强思翰解释道。
据悉,这种软岩在我国西部地区分布广泛,在隧道工程建设中也经常遇到,其易导致隧道大变形等问题不可避免,但对于岷县隧道而言,由于软岩分布的极不规律性,使得其“变形”具有几大特征:
变形频率高且变形量大、速度快。一般炭质板岩层变形量为200毫米至400毫米,而个别地段由于节理裂隙发育、褶皱,导致地下水丰富,极易失稳。例如隧道出口左洞ZK236+500-ZK236+480段为穿越粉砂岩层地段,这里的岩层几乎是挖机齿斗轻轻一碰,就会唰唰地掉下来,加之易出现涌水,使得该段极易发生变形,最大变形量达1.9米。
变形持续时间长。一旦开挖形成临空面后,围岩变形往往达数月不止。个别地段还易受围岩蠕变影响,在二次衬砌施工后,依然存在变形和开裂现象。据介绍,岷县隧道曾发生过的一次二衬开裂,使得项目不得不耗时5个月对初支和二衬进行拆换。
变形不均匀、不对称。因为炭质板岩层产状复杂多变,所以沿隧道开挖方向的变形量也会分布不均,且同一开挖断面因隧道的不同部位,其变形量也存在较大的差异,导致隧道产生不均匀的水平收敛与沉降。
记者在采访中得知,截至2020年4月,岷县隧道累计发生较大变形侵限17次,累计变形换拱段落342.4米,占隧道长度的12%。特别是2018年,共计完成隧道进尺340米,发生拆换拱110米,拆换比高达32.3%。
2018年7月14日,针对岷县隧道初期支护变形较大、侵限后频繁拆换的现状,中交一公局集团组织召开了岷县隧道专家咨询研讨会。会议邀请了王华牢等7名国内知名地质、隧道专家,以及长达公司等项目业主、设计、监理、施工单位参会。与会专家经过查勘现场、听取施工单位汇报,研究讨论后一致认为岷县隧道围岩地质条件复杂、稳定性差、施工风险高、技术难度大。
多方集智 合力攻坚
“受制于变形,现场施工基本进入了‘支护——变形——拆换——支护——再变形’的恶性循环,不仅严重影响工期、增加建设成本,而且工人的士气也受到了打击,不断有劳务队撤场……”强思翰告诉记者,在2017年年底时,岷县隧道建设面临着人力、财力、信心不足等各种问题,一度陷入举步维艰的境地。
那段时间,不仅是项目气氛低沉,作为建设管理方的长达公司也处于低气压状态——建设推动不了、工期严重滞后,必然会影响预期通车目标的实现。“岷县隧道必须通!”以乔小兵为代表的长达公司领导班子下定决心。同时,他们在认识到岷县隧道不是单纯地使用传统工艺就能解决的问题后,决定大胆创新,一边强化内功,一边借助外力。
2018年9月11日,为解决岷县隧道前期施工过程中出现的大变形难题,长达公司成立了“甘肃长达路业有限责任公司院士专家工作站”,提出依托“院士专家工作站”进行大胆试验、大胆创新的工作理念。这也是甘肃省交通运输行业首个“院士专家工作站”,由中国科学院院士孙钧、何满潮带领团队进驻。
“院士专家工作站”批复成立后,即刻开展攻关工作。何满潮院士团队经过实地踏勘、认真分析后提出了采用《高预应力NPR锚索为主体的锚—网—索—带支护对策及其控制方案》(简称NPR锚索支护方案)。
据悉,该方案运用的NPR恒阻锚索支护体系基于悬吊、组合梁及承载拱理论,即通过短锚索预应力挤压作用使软弱破碎岩体形成组合梁和承载拱,并利用长锚索将组合梁和承载拱悬吊在稳定的岩体上,以提升围岩整体稳定性。
为了验证方案的可行性,岷县隧道于2018年10月开展前期试验段工作。通过结合NPR锚索支护段落施工现场情况来看,当试验段封闭成环后,围岩变形基本小于300毫米,平均日沉降量降到8毫米。同时,从初支外观来看,钢拱扭曲变形、混凝土大面积剥落开裂等现象基本消失。
“从效果分析,可以证明在全国公路隧道里首次应用NPR锚索支护体系,是控制隧道支护变形的有效措施。”当专家团队将这一消息公布时,所有参建方一扫阴霾,重拾信心。
新举措迎来大突破。2019年7月21日,岷县隧道左洞开挖进尺达963.2米、右洞开挖进尺达1138.3米,左、右洞合计开挖进尺突破2000米大关,标志着隧道已完成开挖施工总量的53%。
然而,岷县隧道的参建方思考的,是更远的未来。“岷县隧道按原支护体系施工,综合月平均进度不足30米;而当采用NPR锚索支护体系施工后,月平均进度可达45米至50米。在这个进度的保障下,隧道实现预定通车目标的可能性将大大提高。”渭武高速公路定西项目办主任王治才告诉记者。为此,他们联合各参建方积极争取甘肃省交通运输厅等相关单位的支持,力争将此技术面向全隧推广采用。
今年4月13日至14日,由甘肃省交通运输厅牵头组织的专家组,对岷县隧道地质围岩及NPR锚索支护施工情况进行了实地踏勘,并组织召开了岷县隧道调整支护设计方案审查会。
与会专家通过听取汇报、查阅资料、充分讨论和咨询论证后,同意了岷县隧道前期施工采用的NPR锚索、预应力锚索支护变更方案,并明确了后续段落将继续采用该方案进行施工。
“这次会议的召开,为岷县隧道后续工程如何开展明确了方向,为我们克服技术难题稳步推进隧道施工和顺利实现建成通车奠定了基础。”强思翰说道,继日前隧道左、右洞开挖进尺合计突破3000米大关后,面对剩余20%左右的开挖总量,全体建设者充满信心,并将一如既往地攻坚克难、勇往直前,不穿岷山誓不还!
