古城岭隧道:宝兰客专10364米“Ⅰ级风险”黄土隧道的“天路”攻坚

 2015年11月25日10时整,随着3号斜井与4号斜井之间最后一道屏障被成功打通,由中铁隧道集团承建的宝兰客专古城岭隧道顺利贯通。这条全长10364.6米的单洞双线隧道,最大埋深300米、最小埋深仅1.5米,是宝兰客专全线重点控制性工程之一。隧道施工难度极大、作业环境极其艰苦,不仅是兰州市境内在建的最长、条件最艰苦的黄土隧道,更因垂直高度160米、共计1400多个台阶的施工栈道而被誉为全国施工栈道最长、高差最大的“天路”。古城岭隧道的贯通,为徐兰高铁这条横贯中国东西的钢铁大动脉打通了“最后一公里”。

一、工程概况:横亘黄土高原的10364米“Ⅰ级风险”隧道

古城岭隧道位于甘肃省兰州市榆中县境内,是宝兰客专(宝鸡至兰州客运专线)全线重点控制性工程之一。隧道为单洞双线、大跨度、高风险特长黄土隧道,全长10364.6米(另有记录10350米),最大埋深300米,最小埋深仅1.5米。

隧道所在的宝兰客专东起陕西宝鸡,西至甘肃兰州,是国家铁路“四纵四横”快速客运网的重要组成部分,也是我国在西部湿陷性黄土山区修建的首条高等级铁路客运专线。线路全长约401公里,设计时速250公里,全线新建隧道74座,长272.4公里,占全线长度的68%。作为宝兰客专14标段的核心工程之一,古城岭隧道与同标段的兰山隧道(5452.8米)共同构成了全线最难施工的区段。

由于施工设计更改影响,宝兰客专14标比其他标段晚开标8个月。这一特殊背景使古城岭隧道的建设从一开始就面临着工期紧迫的巨大压力,也对施工组织和管理能力提出了极高的要求。

二、攻坚难点:湿陷性黄土与“天路”栈道的双重封锁

古城岭隧道地处黄土高原湿陷性黄土山区,其建设面临三大核心挑战的高度叠加,每一项都足以让普通隧道工程望而却步。

(一)湿陷性黄土与1.5米极限浅埋——“头顶悬土”的致命风险

隧道穿越湿陷性黄土山区。黄土遇水后结构迅速破坏,极易引发地表沉陷和洞顶坍塌。隧道最大埋深300米、最小埋深仅1.5米——1.5米的覆盖层厚度在隧道工程中属于极限浅埋,意味着隧道顶部几乎紧贴地表。在如此浅的埋深下进行大断面开挖,地表沉降控制要求达到毫米级精度,稍有不慎就可能引发地表塌陷。

洞内渗水量大、流沙段施工风险极高。黄土遇水软化与渗水、流沙的叠加,使每向前掘进一米都面临坍塌和涌砂的双重威胁。隧道地质条件复杂、施工难度大,被列为Ⅰ级风险隧道。

(二)160米“天路”栈道——全国最长、高差最大的施工便道

由于隧道位于山谷谷底,空间狭窄,遇到暴雨容易引发山洪。为确保施工人员安全,建设者只能将生活区安置在山顶,在生活区和施工现场之间修建了一条垂直高度160米、共计1400多个台阶的施工栈道,相当于60层楼的高度。这条栈道被誉为全国施工栈道最长、高差最大、具有“天路”之称的隧道。三年多来,栈道是施工人员每日必经之路。工人每天上班要先走下这条1400多级的“天梯”,到达作业面后还要步行2公里。

施工和生活用水稀缺、施工便道长陡修建不易、冬季施工安全运输困难。这些客观条件使施工人员的作业环境极为艰苦,被形容为兰州市境内在建的条件最艰苦的黄土隧道。

(三)大跨度与高风险——单洞双线的“变形控制”

作为单洞双线隧道,古城岭隧道开挖断面大,对围岩稳定性的要求极高。在湿陷性黄土软弱围岩中进行大跨度开挖,支护难度成倍增加,变形控制贯穿施工全过程。施工中还面临洞口浅埋施工防坍、大断面防控变形等特殊地质难题。从2013年8月开工建设到2015年11月贯通,建设者在两年多的时间里,与湿陷性黄土和极限浅埋展开了一场持续的地下鏖战。

三、技术创新:从“以仰拱为核心”到“中标最晚、施工最快”的系统突破

面对湿陷性黄土与“天路”栈道的双重封锁,中铁隧道集团的建设者与科研团队展开了一系列技术创新与管理突破。

(一)三项核心技术——湿陷性黄土隧道的“中国方案”

在设计及施工过程中,项目团队提出了大断面强湿陷性黄土隧道安全快速成套施工方法与关键技术、强湿陷性黄土隧道围岩失稳灾害实时控制技术、隧道穿越超浅埋段黄土隧道围岩稳定性控制技术。这三项核心技术有效解决了工程面临的各项技术难题,为隧道的安全顺利修建提供了技术保障。

(二)以仰拱为核心的三台阶七步开挖法——工艺创新的全国首创

项目团队首创并成功应用了大断面黄土隧道仰拱初支紧跟下台阶施工工艺,提出了以仰拱为核心的三台阶七步开挖法,从工艺上确保了仰拱快速封闭。这一工法将大断面开挖分为三个台阶七个步骤,各部位开挖与支护沿隧道纵向错开平行推进,有效控制了黄土软弱围岩的变形,确保了施工安全。依托古城岭隧道勘察设计资料、施工工艺和监测数据建立的数值模型,为仰拱步距和台阶长度的优化提供了科学依据。

(三)抬高隧道高程——避开强富水第三系粉细砂层的战略决策

根据隧道地质及周边环境特点,项目团队选择以10公里特长隧道穿越古城岭,既最大限度地减少了对城市和环境的影响,又通过抬高隧道高程避开了强富水第三系粉细砂层,从根本上确保了施工安全和进度。

(四)辅助坑道体系——5座斜井与2座横洞的宏大布局

为破解10.36公里超长隧道的施工困局,隧道设置了5座斜井、2座横洞,辅助坑道共长4850.2米。这一“长隧短打”的组织模式使建设者能够在多个作业面同步推进,有效破解了超长隧道的施工困局,为隧道按期贯通提供了组织保障。

(五)丰硕的科研成果——从发明专利到国家优质工程奖

古城岭隧道的科研成果先后获得发明专利3项、软件著作权3项、优秀QC成果奖4项、发表学术论文16篇。工程荣获 “2017年度河北省安济杯奖”和“2017年度甘肃高铁建设突出贡献奖” 。2020年,古城岭隧道荣获国家优质工程奖。项目部多次在业主信誉评价和综合评比中获得第一名和“年度先进集体”等称号。

四、战略价值:徐兰高铁“最后一公里”的咽喉工程

古城岭隧道是宝兰客专全线重点控制性工程。宝兰客专是国家铁路“四纵四横”客运专线网、“八纵八横”高铁网陆桥通道中 “连云港—乌鲁木齐”段的“最后一公里” 。

2017年7月9日,宝兰高铁正式开通运营。这条高铁与已通车运营的西宝客运专线、兰新客运专线连接,使陕西、甘肃、青海、新疆等四省区实现高铁贯通。通车后,从兰州到宝鸡由原来的6小时缩短到2小时左右,从兰州至北京8小时内可到达。开通运营3年来,宝兰高铁累计发送旅客3698万人次,日均发送3.4万人次。

古城岭隧道至今仍承载着徐兰高铁列车的密集通行,守护着这条横贯中国东西的钢铁大动脉的安全运行。从2013年8月的开工到2015年11月的贯通,从“中标最晚”到“施工最快”,这座黄土高原深处的地下长龙,见证了中国工程团队在湿陷性黄土极端地质条件下“攻坚克难、敢为人先”的勇气与智慧。