穿越“天之山”的勘察設計路

文／柳燕

穿越“天之山”的勘察設計路

文／柳燕

祁連山山脈是我國九大著名山脈之一，“祁連”在古代匈奴語，意為“天之山?！逼駷橹?，游牧在這里的匈奴人的直系后裔——堯熬爾人（裕谷族）仍然叫祁連山為“騰格里大坂”，同意“天之山。”

有一群人，他們用自己的步伐丈量“天之山”，走在祁連山隧道這個驚世工程之前。他們就是中鐵第一勘察設計院集團的勘察設計者們。

近日，筆者在“天之山”祁連山隧道項目部見到了中鐵第一勘察設計院集團設計師和駐祁連山隧道現場設計指揮長田鵬。這個外表憨厚實際上卻細致精干的陜西人，說起祁連山隧道時很自豪，數據了然于胸，信手拈來。

第一次跨越“天之山”

新建的蘭新鐵路第二雙線（客運專線）自蘭州樞紐蘭州西站引出，溯湟水河至西寧，穿越達坂山、祁連山后進入甘肅河西走廊，經張掖、酒泉、嘉峪關后，進入新疆哈密、吐魯番市，引入烏魯木齊站。線路正線全長1776公里，總動態投資1435億元，祁連山隧道屬于甘青段：甘肅至青海段。

蘭新線定位于客運專線為主，兼顧輕快貨物運輸，為帶動西寧周邊發展并基于這樣的定位，鐵一院的設計者們選擇跨祁連山而行?！胺叛廴珖?，無論是高速公路還是鐵路，這都是第一次涉及祁連山做跨越和嘗試。”田鵬說。

據田鵬介紹，“該項目前期設計是按照200公里時速，土建工程是按照預留將來提速空間來做的，所以工程隧道斷面內軌以上隧道的內徑孔的面積是按照100平米做的設計，也就是說將來全線隧道工程，按照目前國家的規定，可以達到350公里的時速——可以達到高鐵的要求，屬于超前設計、環保節能的設計。”

甘肅至青海段總長1076公里，從蘭州到紅柳河，蘭新線全線重點工程都位于此段?！霸摱尉€路隧道工程較復雜、艱巨，總共有42座隧道，總計145公里，其中超過10公里的超長隧道就有3座。

“其中，最長隧道為達阪山隧道，全長為15.891公里，海拔最高的點是祁連山1號隧道，軌面的海拔已超過3600米?！碧稆i介紹，祁連山隧道是兩個越嶺段，隧道總長超過60公里，最高海拔點是3792米，屬于高海拔、高原、高寒地區，工程相當艱巨，投資也比較巨大。

勘察是設計的基礎

祁連山和達坂山是橫亙于甘肅、青海兩省的兩座天然屏障，蘭新第二雙線必須以橋隧相連的方案通過這一路段。

這里平均海拔4000米以上，高寒缺氧、交通困難、工期緊迫是當前最主要的困難，為了摸清越嶺段地質狀況，找到最優穿越方案，必須采用綜合勘探手段加以解決。

說到地質構造，田鵬旁邊靦腆的小王也不禁打開了話匣子，這位地質專業人員是田鵬的同事。這時，他斯文地扶了扶眼鏡，略顯緊張地告訴筆者：“這一地區屬于青藏高原，地殼上升地段，地質構造非常復雜、區域性斷裂分布較多，斷層和褶皺非常發育，向斜和背斜都非常多，山高溝深、鉆探困難。兩隧道群相距60余公里，加之勘測時間正值冰雪消融期，所有溝壑冰河橫流、碎石密布，給探測工作帶來極大的困難?！?/p>

其實，全線最艱苦的“越嶺攻堅戰”耗時最長、困難最多，地質勘探工作是最艱苦的、最重要的前期工作。祁連山越嶺段平均海拔近4000米，高寒缺氧，交通極為不便，為探明越嶺段翔實的地質狀況，鐵一院成立勘探突擊隊，每天組成7個地質調查組、4個測繪組、2個物探組展開外業突擊，艱苦作戰。

由于先期開工段位于全線海拔最高、地質最為復雜、條件最為惡劣的達坂山、祁連山越嶺地段，甘青段指揮部迅速將三個勘察隊的地質、橋隧、測繪、物探、鉆探力量集中于門源、民樂兩地展開攻堅，全力確保節點工期。

沒有現成的資料，沒有水準、平面坐標等最基本的控制系統，同時還受到現有的勘測手段和惡劣環境限制，“祁連山山上終年積雪，許多勘探孔都是在雪線以上打的，很多設備無法運送上去，依靠人工運輸，也沒有路，得用自己的腳步去開路?！毙⊥酰瓦@樣用自己的腳，背著設備和干糧，像長征一樣，一步一步丈量了800多公里蘭新線的每一個點，更是踏遍了祁連山。在終年積雪里搭帳篷，連喝口水都得先燒爐子化冰。

前期勘探是設計的基礎，是設計過程中最艱苦最困難的工作。小王記得，有一次爬到半山上，因為全是小碎石，爬一步就滑下去兩步，艱難地爬上去勘探，卻下不來。

這樣的事情很多，多到連他們自己都記不清。但祁連山會記得的，它有亙古不變的眼睛，記錄著勘察設計者的辛勤汗水和艱辛勞動。

完美的設計源于周密的思考

祁連山屬于國家自然保護區，在設計的前期對于環境的保護都做了詳細的、最大限度保護的思考。

祁連山隧道雖不是最長的隧道，但卻是最艱難的兩個隧道。全國首次在海拔最高的地方建設斷面最大、海拔最高、自然環境最惡劣、工程施工難度最大、困難最多的高鐵隧道。

祁連山隧道的特點總結起來就是高原、高寒、高鐵：高原是說海拔高，高寒是溫度低，最冷月平均氣溫是零下20多度，最冷的極端氣溫是零下42度，高鐵是項目設計以高鐵為目標設計。面對這樣的高寒地區，在設計的時候考慮最多的就是隧道面臨的防寒這個最大的課題。眾所周知，山嶺隧道打洞的時候都會有含水層，如何防止水進入隧道后結冰，對隧道的結構和道床進行破壞？這方面要做大量的工作，要做科學實驗、數據模擬分析、實際模擬演示，根據模擬結果，預測通車運行后的隧道腹內溫度變化情況，預防凍害對隧道結構產生的不良影響等等，都是在設計前期需要考慮的因素。

從開工到現在的三年多時間里，田鵬帶領的鐵一院的工程師一直借鑒全國和全世界的防寒工程經驗做現場測試?！坝绕涫瞧钸B山一號隧道，在全世界范圍內來說是個新技術，也是鐵一院的新設計?！碧稆i告訴記者，鐵一院雖然從前設計過青藏鐵路的隧道，積累了豐富的經驗，但是祁連山隧道有自身的特點、難點，還是給他們提出了全新的挑戰。

田鵬介紹，祁連山隧道采用防寒泄水洞措施，就是在隧道凍結層下面打一個小洞子，把不凍結的水引出去，同時在洞口采用了防寒的工程措施。對開挖和工程等都有詳細的具體要求，力求將防凍害做到完美?！斑@個措施是針對對祁連山隧道特別使用的。既不增加造價，又保證了效果?！?/p>

斷層對隧道的影響非常大，尤其是斷層和中間的破碎帶，地震時對隧道結構的破壞是非常巨大的。在設計時候充分考慮到這個因素，采用注漿措施和加固打樁支撐等措施，對圍巖進行加強處理，使圍巖牢固穩定這樣開挖的時候就不會出現坍塌等事故。

設計的施工方法采用了非常多的特殊工法，如CRD、雙塞壁等等。祁連山區地質復雜，海拔高，終年積雪，向斜構造地是含水地，構造也很復雜，帶來大量難題。例如祁連山隧道出口處的斜井，發生了涌水，將開挖出來的洞口都堵住了，像堰塞湖一樣，涌水水量巨大，這些是預先無法探明的。

祁連山隧道處在高地應力，埋深比較大，主要是板巖地形，巖體太軟，自身承載能力太差，自重及構造的應力場，軟巖非常容易被擠壓而造成大變形。

針對這種特點，田鵬在設計上也做了很多構思?！吧皫r和灰巖就比較好點，但是如果夾雜著板巖的話，也是比較容易有問題?！?.5公里的隧道，大概有三分之一的段都會是這種軟巖地質。

尤其是主洞開挖斷面面積大，設計者考慮針對軟巖大變形的特點做特殊設計，并研究出一套控制變形，使軟巖不能影響結構和隧道的使用。控制體系具體的方式有：1、預留充分的變形量——給軟巖足夠的變形空間來釋放變形；2、強制護體系——使軟巖雖然變形，但是控制軟巖變形，避免軟巖變形過大影響結構；3、抓住工序，快速封閉，緊跟二襯——通過二襯的作用快速封閉和通過。用這些方式來解決軟巖大變形帶來的不良影響。

田鵬表示，針對祁連山隧道自身特點的很多設計是在世界上屬于獨一的，蘭新線采用的是無砟軌道，后期運營階段的養護基本為零養護，設計壽命為100年。

祁連山隧道雖不是最長的隧道，但卻是最艱難的隧道