既穿溶洞又穿伴生瓦斯的煤层,修通这条隧道太难(图)

作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　在2019年结束前刚刚通车的、连接成都与贵阳这两座西南地区中心城市的高铁——成贵铁路，是世界上第一条山区高速铁路。

　　这条高铁全长632.6公里，设计时速250公里，2013年12月25日开工建设后几乎汇聚了人类工程史上的全部问题，而其中的玉京山隧道就是这些问题的典型代表。

　　玉京山隧道全长6306米，是一条集瓦斯突出、大溶洞、软弱围岩、特大涌水等复杂地质条件于一体的隧道，也是成贵高铁全线建设的一级高风险隧道。

　　


　　（成贵铁路路线图）

　　（一）溶洞一个接一个，这里修铁路好比在挖充满孔洞的奶酪

　　中国的贵州省素来被工程界称为“世界地质博物馆”，中国基建所面临的种种难题，有一大半发生在贵州。

　　这里属于典型的喀斯特地貌，具有溶蚀力的水对可溶性的岩石进行溶蚀作用，经年累月就会破坏岩体的结构，形成各种各样的塌陷、溶洞。要想在这样的山体里修建隧道，就如同在挖掘一个充满孔洞的奶酪，挖掘路线随时都会与溶洞相遇。

　　


　　（喀斯特地貌中的溶洞。工程中遇到的溶洞并没有这么好看）

　　玉京山隧道在开挖约2公里时，就遭遇了一个纵向长100米、横向宽230米、高120米的巨型溶洞，溶洞顶部呈穹窿状。溶洞底部还有一条长约20公里、宽约15米的暗河。

　　这可并不是说，有了个溶洞就省得人挖了，施工方还占了便宜。

　　由于溶洞是流水侵蚀所得，结构强度很低，而且形状极不规则，想要直接利用溶洞通行是不可能的，必须对其进行结构加强处理和回填。

　　


　　（挖隧道挖出的溶洞）

　　此外，溶洞中还时常伴随有暗河。

　　对于这座巨型溶洞，施工项目部专门耗时7个月，重新开挖了一条全长450米、宽7.2米、高6米、纵坡1.4%的泄洪隧道，使暗河改道绕过与列车通行直接相关的溶洞处理区后，再次回到原有的河道中。

　　这样既可以保证列车的通行安全，又可以尽可能地减少施工对原本暗河水系的影响，开挖隧道产生的砂土同时还可以用于隧洞内的回填，可谓一举多得。

　　

　　（玉京山隧道及附近堪察区岩溶水文地质平面图）

　　为了防止暗河下游的深潭不能及时排水致使水流倒灌，影响铁路运营安全，项目部在泄水洞正上方100米处还增加了一条排水洞，由225米的通道和245米的明渠组成，在丰水期可以协助暗河排水，保障铁路通行系统的安全。

　　同时，隧道中还配套建设了一整套的地下暗河水监控方案，在水位发生变化时进行及时的预警和解决。

　　

　　（工人们对溶洞顶部进行加固施工）

　　玉京山隧道原本是个隧道，但由于这个巨型溶洞相对于隧道的尺寸实在太大，为了跨越这个溶洞，还需要修建一座“隧内桥”，让列车在溶洞的正中央穿行而过。

　　然而，溶洞的底部有许多溶蚀产生的软弱填充物，厚达30-90米不等，根本无法支撑桥梁的荷载。为了让这座隧内桥在脆弱的溶洞内保持稳定，施工单位在桥梁底部用砂石进行了回填，还专门埋设了55个沉降观测点，以便运营后对隧道的底板进行观测，防止沉降。

　　


　　（回填后的溶洞底）

　　除了高铁线路本身的稳定外，溶洞也必须足够坚固稳定，以防塌方或掉落砂石影响列车运行安全，因此，施工队伍还对溶洞的四壁进行了加强。通过对整座溶洞的模拟计算，工程师们找到了那些格外容易发生岩石脱落的薄弱环节，进行了有针对性的加强。

　　（二）隧道穿过煤层，瓦斯浓度控制不好犹如点燃炸药包

　　玉京山隧道不仅要穿过一个接一个的溶洞，更要命的，是还要穿过煤炭产区，甚至直接从煤层中间穿过。

　　煤炭通常伴生有瓦斯气体，与空气混合后极易发生爆燃。在玉京山隧道的施工中，在超前钻孔工序中就出现了瓦斯喷孔现象，煤层中的瓦斯含量高达10.81m3/t，瓦斯压力达2.42兆帕，有极高的瓦斯突出风险。

　　


　　瞬时的瓦斯突出不仅会释放大量有害可燃气体，还会击穿软弱的煤层，如同点燃炸药包一般发生难以估量的可怕后果。

　　因此，施工的过程必须严格控制瓦斯浓度，加强安全措施，同时找到可行的办法来抽放洞中的瓦斯。

　　与正常的煤矿隧道不同，铁路隧道的断面大，服役期长，因此其揭煤方式、通风方法等都与传统煤矿不同。

　　


　　根据工期和现场条件，施工部门确定了平应导坑与正洞煤层瓦斯整体一次抽放，采用穿层网格法瓦斯抽放的技术，在煤层中划分网格，向其中布设460个钻孔并放置瓦斯排放管路，在施工距离煤层30米之前预先将煤层中的瓦斯气体排放掉，保障施工安全。

　　为了保证揭煤施工的安全进行，施工团队还采取了超前地质预报、加深炮孔、无动火作业、煤矿安全生产实时监控系统等技术措施。施工中的所有电气设备和内燃机设备，也全部进行了防爆改装。

　　（三）在复杂地质施工，综合超前地质预报为隧道建设保驾护航

　　在复杂的地质情况下，施工技术人员很难单纯依靠前期的设计勘察资料和施工经验判断分析具体的地质情况，像玉京山这样充满煤层与溶洞的山体，寄希望于修到哪儿算哪儿是不行的，这意味着要把整个施工团队都暴露在随时可能出现的未知风险当中。

　　因此，玉京山隧道的修建中，采用的是综合超前地质预报的手段探测隧道开挖前方的岩溶情况，准确地指导隧道的安全施工。

　　


　　（掌子面中揭露的溶洞）

　　超前地质预报会提前预知接下来几十米内会发生的情况，借助地质素描、地震波探测法以及超前钻孔的方法来获得隧道开挖前方的地质环境，便于施工技术人员在下一步施工到来之前进行妥善的准备。

　　其中，超前钻孔的方法最为简单实用，它可以直观地探测出施工位置前方的真实地质情况，是一种可靠的探测方法。

　　


　　结语

　　2019年8月22日，玉京山隧道的铺轨工作正式完成，这一制约着整条成贵铁路的咽喉性工程的贯通意味着整个成贵铁路的建设进入到了收尾阶段，2019年12月中旬，整个成贵铁路全线投入运营，从成都到贵阳的通勤时间缩短到3小时以内。

　　而且，高铁途中穿过黄果树瀑布、乐山大佛、都江堰等26个5A级景区和386个4A级景区，是中国的第一条“旅游高铁”。 阅读原文