隧道穿黄红砂岩难题成功实施破解
2016-04-05
两大世界性难题
难题一：“从目前掌握的技术资料看，兰州的地质条件是中国乃至世界最复杂、最不利的卵石地层，卵石含量极高、石英含量极高，水压大，采砂区、地勘孔不确定性高，特别是下穿黄河段风险极大，要面临盾构机在黄河河床高压条件下更换刀具等诸多难题。”中国工程院院士钱七虎说。
难题二：“不遇水坚硬无比，小型挖机根本挖不动，遇水后迅速液化变成稀泥，基坑内渗水严重。这就是红砂岩的特性。”负责兰州轨道交通1号线一期工程盘旋路至五里铺区间盾构施工的中铁一局项目总经理鲁佩林说。
多方携手破解红砂岩地质难题
采访中记者了解到，1号线一期工程多个车站及区间需在红砂岩底层下施工，其中，五里铺站、五里铺至兰州大学区间、兰州大学站、兰州大学至东方红广场区间、东方红广场站为受红砂岩底层影响最为严重的车站和区间。
2015年7月，在五里铺车站深基坑施工现场，未受地下水浸泡的红砂岩地层首次露出了它坚硬的外表，中铁港航局项目部的工程师们第一次面露难色。经过项目部化验室取样后发现，该地层红砂岩硬度与花岗岩相当。“这么高的硬度，以普通深基坑的施工方法肯定不行。”负责现场施工的工作人员回忆起当时的场景说。
经过商讨，项目部立即改变施工方法，采取先碎后挖的施工工艺，并加大在机械设备和专业人员方面的投入。一寸寸硬如岩石的红砂岩被清理出基坑，工程师们的眉头逐渐舒展。
随着基坑深度的加深，新的问题又来了。
“红砂岩层下遇水，所有现场人员及设备后退至安全区域，砼喷队参照应急方案，向基坑侧墙注浆，应急人员进场，对底层下富水区域进行抽水作业。”凌晨零点，刚刚结束夜间巡查的五里铺车站总工程师盛其林焦急地对着手中的对讲机大喊着，基坑西段南侧出现了涌水涌砂情况。
“侧墙外地层稳定。”“围挡外底层稳定。”“红砂岩地层下富水区域水位正在下降。”一条条回馈信息让现场应急指挥员压力稍减，20分钟后，险情被工程师们逐一排除。
“兰州的红砂岩层遇水易融化、易膨胀、流塑性强，大型机械垂直作业风险高，作业流程应该是先放坡作业，再进行注浆作业对涌水点进行封堵，最后土方开挖。”险情排除后，工程师们开始了对施工方案的调整，经过一夜商讨，新的施工方案终于确定。一个月后，“金城12号”土压平衡盾构机缓缓启动，由中铁一局项目负责施工的盘旋路至五里铺区间开始盾构掘进。
2015年9月初，市委组织部邀请中国工程院院士钱七虎，西安理工大学副校长李言来兰，针对红砂岩地层下的深基坑和盾构施工问题进行指导。在两个施工现场走访调研后，两位专家与参建单位各专业负责人从一摞摞的材料数据中寻找着破解地质难题的蛛丝马迹。80岁高龄的钱院士边记录所反映的困难和问题，边与大家研讨。“纵观现有的地质资料，兰州的地质结构、地质条件在世界范围内都是最复杂、最不利的，在没有其他经验借鉴的前提下，兰州轨道交通的参建单位能把问题控制在现有的程度已经很不容易了。”
两位专家针对红砂岩地质下的轨道交通车站、隧道施工开出了“良方”。两家施工单位的工程师们根据专家的建议和前期模拟施工的技术数据，采取超前支护、超前注浆、稳步掘进、多点监测的工序流程，逐步破解了红砂岩地质给施工带来的困扰。目前盘旋路至五里铺区间右线已完成双线贯通，五里铺车站已经完成主体结构40%以上的施工任务，争取年内实现车站主体封顶。
值得铭记国内首条穿黄地铁隧道完成
2015年12月31日，是兰州轨道交通建设史上一个值得铭记的日子，迎门滩至马滩区间右线隧道成功穿越黄河。伴随着盾构机的掘进，国内首条下穿黄河地铁隧道工程成功完成。一个月后，左线隧道掘进至黄河南岸河堤，标志着该区间成功实现双线隧道穿黄作业。
从迎门滩站盾构始发井进入迎马区间左线隧道，记者沿着搭建在隧道壁上的狭窄施工栈道前行。在经过一段大转弯后，隧道向黄河南岸马滩站方向延伸。
随着不断深入，隧道内的温度越来越高。记者前行560环（每环1.2米）之后，隧道已深入黄河底部。再往里走400多米，施工声响愈加嘈杂，正在继续掘进的“金城6号”泥水平衡盾构机已在眼前。中铁十六局项目部相关负责人说：“左线隧道至此已穿越黄河，盾构机上方即是南滨河路。”
采访中，记者了解到，地铁隧道并非完全水平伸展，而是有一个适度的弯曲，以方便列车启动提速。“金城6号”盾构机目前所处的位置，恰好就是弯曲的隧道的最低点。
据了解，迎门滩至马滩区间右线隧道长约1906米，左线隧道长约1908米，其中左、右线下穿黄河段长度均为404米。2014年11月1日，迎马区间正式开始施工，由我国自主研发生产的泥水平衡盾构机“金城5号”从黄河北岸迎门滩站始发；2015年4月18日，“金城6号”泥水平衡盾构机同样从迎门滩站始发，向马滩站方向掘进。
说起隧道的建设，中铁十六局项目总工程师戴兵说：“迎马区间盾构施工需长距离穿越黄河上游高富水、大粒径、高硬度砂卵石地层，有大量的漂石存在，盾构工法受底层条件与水文条件，以及隧道涌水、涌沙等风险影响，穿黄段盾构施工也曾被国内知名专家定义为‘世界性技术难题’。”
在迎门滩施工场地大门的左手边设有一个展架，展架上摆放着盾构机掘进时挖出来的卵石以及被卵石击碎的盾构机刀片、刀头。“一方土里的卵石含量在85%至90%之间，挖出来的大的卵石粒径一般在60公分左右。”戴兵说。
盾构机掘进到湿地公园水域时碰到了采砂坑，采砂后留下的巨大沙坑和围绕在沙坑周围的卵石将盾构机刀头卡死。“人工带压清仓，为了不影响施工进度，只能采取这一措施，也是唯一的措施，我们的工作人员承受着高于大气压力两倍以上的压强进入机舱，徒手清理卡在刀盘内的卵石。”戴兵说，“盾构机在井下掘进最快的时候一天能掘进12米，遇到卵石聚集的时候一天下来最多掘进4.8米。”
经过参建各方的共同努力，“金城5号”、“金城6号”泥水平衡盾构机先后下穿银安路、黄河北岸中间风井、北滨河路、湿地公园，继2015年12月31日“金城5号”盾构机成功穿越黄河河道后，“金城6号”盾构机也于今年1月30日顺利完成迎马区间下穿黄河作业任务。至此，迎马穿黄区间双线隧道成功实现双线穿越黄河。兰州晚报记者杜志超
