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      在“地質(zhì)博物館”里智能掘進(jìn)(工匠絕活 · 我在重大工程一線)

      在陜西商洛,西嶺隧道項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道建造極限——

      在 " 地質(zhì)博物館 " 里智能掘進(jìn)(工匠絕活 · 我在重大工程一線)

      二襯臺(tái)車在開展定位工作。劉 瑜攝

      操作員在指揮隧道內(nèi)作業(yè)。劉 瑜攝

      工人在進(jìn)行爆破鉆孔作業(yè)。胡苗苗攝

      秦嶺腹地,云海蒼茫。在層巒疊嶂之間,一座巨型隧道洞門如鋼鐵巨龍般昂首挺立——這便是今年 4 月 11 日貫通的新建陜西西安至湖北十堰高鐵(以下簡(jiǎn)稱 " 西十高鐵 ")控制性工程西嶺隧道。

      作為西十高鐵穿越秦嶺山區(qū)最長(zhǎng)的Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道,西嶺隧道以 ± 1.7 毫米的橫向精度、± 3.1 毫米的縱向精度、± 5.6 毫米的高程精度貫通,標(biāo)志著西十高鐵建設(shè)取得了關(guān)鍵性進(jìn)展,為后續(xù)無(wú)砟軌道施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

      打通雙線 36.115 公里的Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道

      創(chuàng)新應(yīng)用,把巖層當(dāng) " 豆腐 " 切

      西嶺隧道,位于陜西省商洛市商州區(qū)境內(nèi),地處秦嶺低中山區(qū),是西十高鐵全線最長(zhǎng)的Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道,創(chuàng)造了我國(guó)高鐵Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道的最長(zhǎng)施工紀(jì)錄。

      " 西嶺隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道,雙線總長(zhǎng) 36.115 公里,猶如‘地下長(zhǎng)城’,需要采用 4 座斜井、20 個(gè)工作面同時(shí)施工。這里的地質(zhì)條件之復(fù)雜,堪稱一座‘地質(zhì)博物館’。" 中鐵七局西十高鐵 3 標(biāo)二分部總工程師何心德介紹," 隧道穿越 6 類圍巖、2 處大型斷層、8 處褶皺、5 公里的軟巖大變形、10 處洞身淺埋段,施工過(guò)程中,我們時(shí)刻面臨著微瓦斯溢出、巖溶、突涌水、順層坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。"

      地質(zhì)條件如此復(fù)雜,如何保證施工安全和質(zhì)量?項(xiàng)目建設(shè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新施工路徑,采用了數(shù)字化施工體系,通過(guò) BIM 建模和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),構(gòu)建了厘米級(jí)精度的數(shù)字隧道模型;投入智能襯砌臺(tái)車、焊接機(jī)器人等智能裝備,形成了全方位的機(jī)械化施工網(wǎng)絡(luò)。

      尤其在淺埋段施工中,由于覆土薄、巖層變化頻繁且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,團(tuán)隊(duì)采用配備智能壓力傳感系統(tǒng)的懸臂掘進(jìn)機(jī)。" 機(jī)械臂能實(shí)時(shí)感知巖層變化,自動(dòng)調(diào)節(jié)掘進(jìn)參數(shù),不僅能將噴射混凝土超耗率降低 40%,還能降低隧道坍塌風(fēng)險(xiǎn)。" 何心德說(shuō)," 這相當(dāng)于把巖層當(dāng)‘豆腐’切,在‘薄如蛋殼’的淺埋層實(shí)現(xiàn)‘零擾動(dòng)施工’。"

      復(fù)雜的地質(zhì)條件也為隧道通風(fēng)制造了更多難題。" 西嶺隧道作為長(zhǎng)大隧道,實(shí)現(xiàn)通風(fēng)本就不易。" 何心德指著 3 號(hào)斜井洞口的風(fēng)機(jī)說(shuō)," 經(jīng)過(guò)走訪調(diào)研和考察學(xué)習(xí),我們決定根據(jù)不同施工階段調(diào)整通風(fēng)設(shè)計(jì)。"

      考慮到斜井長(zhǎng) 1.6 公里,斷面小,團(tuán)隊(duì)選擇高效率的智能風(fēng)機(jī),配置低風(fēng)阻的風(fēng)袋,在通風(fēng)距離大于 1 公里時(shí),運(yùn)行功率是普通風(fēng)機(jī)的 1/4,且噪聲較小,不會(huì)影響正常施工過(guò)程中大家的交流。

      然而,斜井進(jìn)入正洞施工后,轉(zhuǎn)變?yōu)?4 個(gè)掌子面,也就是開挖坑道過(guò)程中不斷向前推進(jìn)的工作面。施工人員發(fā)現(xiàn),若仍按原設(shè)計(jì)采用 4 臺(tái)風(fēng)機(jī)、布設(shè) 4 條風(fēng)袋分別通風(fēng),通風(fēng)管道會(huì)在這個(gè)斜井小斷面輔助坑道占據(jù)過(guò)大的空間,導(dǎo)致施工機(jī)械設(shè)備難以通行。" 那個(gè)時(shí)候,我先在隧道里仔細(xì)觀察,然后回到辦公室組織技術(shù)人員一起反復(fù)論證措施可行性,最后采用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)承擔(dān) 4 個(gè)掌子面的施工通風(fēng),在斜井范圍采用兩條風(fēng)袋,進(jìn)入正洞再一分為二,借助流體力學(xué)理論建立模型對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓進(jìn)行檢算,確保掌子面風(fēng)量充足。" 何心德至今記憶猶新。

      這樣布設(shè)管道,通風(fēng)、通行問(wèn)題都解決了。為了確保通風(fēng)效果,技術(shù)人員還專門組成課題小組,研究如何保證 4 個(gè)掌子面的回風(fēng),減小相互干擾,根據(jù)掌子面空氣質(zhì)量自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量風(fēng)壓。目前,團(tuán)隊(duì)關(guān)于通風(fēng)方面的研究已經(jīng)形成 2 篇技術(shù)論文,并在行業(yè)核心期刊上發(fā)表,獲得 2 項(xiàng)國(guó)家專利和 1 項(xiàng)陜西省省級(jí)工法。

      創(chuàng)造 1/256800 的相對(duì)閉合差

      精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),摸清巖層的 " 脾氣 "

      在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中解決掘進(jìn)難題,為項(xiàng)目建設(shè)奠定了重要基礎(chǔ),而確保這條隧道在秦嶺山脈深處實(shí)現(xiàn)高精度貫通,則對(duì)測(cè)量和控制技術(shù)提出了嚴(yán)苛的要求。

      團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的斷面掃描儀—— 3D 激光掃描儀。以前的斷面儀一次只能掃一個(gè)斷面,用時(shí) 10 分鐘;而 3D 激光掃描儀可以采集 60 米范圍的斷面數(shù)據(jù),可按 30 厘米切取一個(gè)斷面,取點(diǎn)間距 20 厘米,也只需要 10 分鐘。這極大地提高了斷面掃描效率,幫助施工人員掌握現(xiàn)場(chǎng)開挖情況,并能及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),持續(xù)控制開挖掘進(jìn)水平。

      " 為了摸清巖層的‘脾氣’,我們還構(gòu)建了‘三位一體’智能探測(cè)體系。" 項(xiàng)目工程部部長(zhǎng)鄭向南介紹,地質(zhì)雷達(dá)與超前鉆探組成 " 地質(zhì)偵察兵 ",像做 " 微創(chuàng)手術(shù) " 一樣取芯分析;運(yùn)用 TSP 地震波法進(jìn)行巖體 "CT 掃描 ",預(yù)測(cè)斷層參數(shù)指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì);動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為 " 智慧大腦 ",在巖體完整性指數(shù)低于 0.3 或地下水流量突破 10 立方米 / 小時(shí)閾值時(shí),會(huì)立即發(fā)出警報(bào)。

      2023 年 7 月的一場(chǎng)暴雨,檢驗(yàn)了這套系統(tǒng)的可靠性。隧道出口邊坡突然發(fā)出 2.3 毫米 / 小時(shí)的位移警報(bào),團(tuán)隊(duì)立即啟動(dòng)了由 50 臺(tái)光柵水準(zhǔn)儀組成的智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)。" 過(guò)去遇到雨天,人工監(jiān)測(cè)經(jīng)常受限,儀器損壞也是常事?,F(xiàn)在,即使 0.1 毫米的細(xì)微變形,也逃不過(guò)‘電子眼’的捕捉。" 項(xiàng)目測(cè)量員李曉林輕點(diǎn)平板電腦,邊坡的三維模型清晰呈現(xiàn),每一處細(xì)微位移都被精準(zhǔn)定位和記錄。

      不僅如此,針對(duì)不同地質(zhì)特性,團(tuán)隊(duì)研發(fā)實(shí)現(xiàn)了全站儀毫米級(jí)精度追蹤變形動(dòng)態(tài)、創(chuàng)新三臺(tái)階微震爆破工藝等差異化 " 診療方案 "。在攻克 3 號(hào)、4 號(hào)斜井小半徑轉(zhuǎn)彎測(cè)量難題時(shí),團(tuán)隊(duì)更是創(chuàng)新采用 " 全導(dǎo)線網(wǎng) " 方案——在隧道兩側(cè)交叉布設(shè) 4 組棱鏡,讓每個(gè)測(cè)點(diǎn)參與多個(gè)閉合環(huán)平差計(jì)算,用冗余觀測(cè) " 馴服 " 誤差。

      2023 年 4 月,團(tuán)隊(duì)首次在 8 號(hào)控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果從屏幕上跳出的那一刻,現(xiàn)場(chǎng)爆發(fā)出歡呼——相對(duì)閉合差達(dá)到驚人的 1/256800!這項(xiàng)技術(shù)成果此后取得國(guó)家專利并獲評(píng)省級(jí)工法,專家評(píng)審認(rèn)為,該成果 " 開創(chuàng)了復(fù)雜線型隧道精準(zhǔn)測(cè)量的新范式 "。

      實(shí)現(xiàn) 12 分鐘的緊急撤離

      緊密銜接,構(gòu)成一張無(wú)形的 " 安全網(wǎng) "

      " 突涌水!全員撤離!"2022 年寒冬的一個(gè)深夜,3 號(hào)斜井突然響起的警報(bào)聲劃破夜空。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)副經(jīng)理孫建軍回憶:" 聽見警報(bào),我立即摁下了‘紅色停止鍵’,應(yīng)急照明瞬間把隧道點(diǎn)亮了,20 名工人沿著墻上的熒光標(biāo)識(shí)成功撤離,整個(gè)過(guò)程只花了 12 分鐘。" 人員撤離后,總排水能力達(dá) 600 立方米 / 小時(shí)的系統(tǒng)如同地下排水 " 大動(dòng)脈 ",將突發(fā)的涌水轉(zhuǎn)化為可控水流,確保了隧道施工進(jìn)度不受影響。

      驚心動(dòng)魄的搶險(xiǎn)背后,是團(tuán)隊(duì) " 預(yù)防—預(yù)警—處置—恢復(fù) " 全鏈條應(yīng)急機(jī)制的成功實(shí)施。從發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情到控制局面,每個(gè)環(huán)節(jié)都緊密銜接:每隔 50 米設(shè)置的應(yīng)急照明設(shè)備指示了生命通道,200 千瓦的發(fā)電機(jī)保障了排水動(dòng)力,針對(duì)員工的定期演練提升了應(yīng)急能力,而與地方醫(yī)療、消防部門建立的聯(lián)動(dòng)協(xié)議 " 雙保險(xiǎn) ",則為救援上了最后一道鎖。

      " 安全不是靠運(yùn)氣,而是靠體系。一個(gè)成熟的全鏈條應(yīng)急機(jī)制,能構(gòu)成一張無(wú)形的‘安全網(wǎng)’。" 項(xiàng)目安全總監(jiān)殷雨說(shuō)。他身后的電子屏上,實(shí)時(shí)顯示著隧道各段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),記錄著這座 " 地質(zhì)博物館 " 每一寸空間的細(xì)微變化。

      夕陽(yáng)下,商洛市楊峪河鎮(zhèn)的村民們望著隧道口,聊了起來(lái):" 通車后,孫子去西安上學(xué)就方便多了 "" 村里的山貨興許能賣個(gè)好價(jià)錢 "" 真是不敢想啊,很多年前,我們?nèi)ノ靼仓荒茏蟀蛙嚕皆綆X,十幾個(gè)小時(shí)才能到 " ……

      機(jī)械的轟鳴聲在隧道中回蕩,這條穿越秦嶺的鋼鐵長(zhǎng)龍,將載著山區(qū)群眾的希望,通往更加美好的未來(lái)。

      (胡苗苗參與采寫)

      ■延伸閱讀

      西嶺隧道建設(shè)難點(diǎn)何在?

      西嶺隧道是西安至十堰高速鐵路的全線控制性工程,具有以下特點(diǎn):隧道結(jié)構(gòu)采用雙洞單線設(shè)計(jì),雙線總長(zhǎng)度達(dá) 36.115 公里,是目前全國(guó)高鐵已貫通項(xiàng)目中總施工長(zhǎng)度最長(zhǎng)的Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道;洞身穿越泥巖、砂巖、石英片巖等 6 類巖層,途經(jīng) 2 處大型斷層、8 處褶皺構(gòu)造帶及 10 處淺埋段,集中了巖溶發(fā)育、突涌水、軟巖大變形、微瓦斯溢出等 12 項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)不良地質(zhì)問(wèn)題;施工組織難度大,通過(guò) 4 座斜井開辟 20 個(gè)工作面同步立體作業(yè),需協(xié)調(diào) 2000 余名建設(shè)者 24 小時(shí)不間斷施工,管理復(fù)雜度極高。

      項(xiàng)目 2022 年 3 月開工,創(chuàng)新運(yùn)用智能建造技術(shù),應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)、三維激光掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)變化,結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)、自鋪式智能襯砌臺(tái)車等裝備動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù),克服各類難題,歷時(shí) 1100 余天,于 2025 年 4 月實(shí)現(xiàn)貫通。預(yù)計(jì)到 2026 年 6 月,西十高鐵通車后,西安至十堰通行時(shí)間將縮短至 1 小時(shí),武漢至西安通行時(shí)間壓縮至 2.5 小時(shí),助力沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

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