新建大准至朔黄铁路联络线工程朔州隧道, 位于山西省朔州市境内, 隧道全长11 299m, 为单洞双线隧道, 穿越管涔山东南部龙霸山主脉, 最大埋深540m, 起讫里程DK128+656—DK139+955。隧道进口地质主要为浅埋砂、黏质黄土, 出口位于左偏曲线上。全隧围岩以石灰岩为主, 其中Ⅱ级围岩占26.17%, Ⅲ级围岩占42.99%, Ⅳ级围岩占20.32%, Ⅴ级围岩占10.52%。隧道区地下水主要有岩溶裂隙水、松散岩类裂隙水。不良地质有岩爆、岩溶、湿陷性黄土及7条断层, 工期2年, 居全线五大控制性工程之首。

朔州隧道面临着断层多、埋深大、地质复杂等难题。大量使用新技术, 不仅提高了勘测效率, 也大幅提高了控制精度的等级。如遥测遥感、多点高频物探和高速地质钻机的综合使用, 使得地质及水文资料的信息量和准确度大为增强;地球卫星定位系统 (GPS) 的应用, 不仅使野外勘测工作效率翻倍、费用减少, 而且使控制精度等级提高;地质预报方面:地质素描、物探与钻探相结合, 长短距离预报相结合, 预报资料与地质分析相结合, 使得预报的准确度大为提高。主要物探技术有TSP、HSP、陆地声呐、直流电法、地质雷达等;钻探技术有中长距离钻探、超长炮孔等。岩层中应力应变的量测技术、电子计算机技术等的广泛应用, 使隧道勘测设计技术水平得到提升。

结合神华路网未来的重载特点和大运量整体需求, 准池线按25t轴重, 满足2万t运行标准设计, 朔州隧道采取的主要设计措施如下。

1) 隧道衬砌结构设计按重载铁路设计规范, 隧道按喷锚构筑法技术要求设计, 暗洞采用复合式衬砌, 初期支护采用喷锚支护。明洞采用整体式衬砌。

2) 轨道结构设计鉴于准池线路基地段存在的工后沉降等因素, 朔州隧道同准池线全线一致暂采用有砟轨道, 待运营稳定后适时改建成无砟轨道。同时考虑轴重的要求, 正线重车线轨道按75kg/m钢轨配置, 轻车线轨道按60kg/m钢轨配置。采用I级碎石道砟道床, Ⅲ_a型轨枕。

3) 辅助坑道设计根据工期要求及隧道地形、地质条件, 结合施工通风、排水及弃砟的需要, 经多方案比选, 设计采用设置5座斜井方案。

4) 其他技术措施取消二级围岩平底板设计, 全部改设仰拱。岩溶隧道段进行动态支护设计, 通过围岩级别及支护措施调整、优化, 确保了重载隧道的长期运营安全。

朔州隧道为富水隧道, 地处寒冷地区, 冻胀病害较大。隧道防排水设计遵循“防、排、堵、截结合, 因地制宜, 综合治理”的原则, 达到排水畅通、防水可靠、经济合理、不留后患的目的。

1) 全隧道设置双侧水沟, 隧道两端各500m设双侧保温水沟。

2) 衬砌拱墙背后设EVA防水板 (厚1.5mm) , 背衬无纺布 (400g/m²) , 拱墙环向、拱脚纵向设盲沟并设三通连接边墙进水孔, 与洞内两侧水沟相连。

3) 二次衬砌施工缝环向间距10m设置1道, 环向施工缝设中埋式橡胶止水带+外贴式塑料止水带。

4) 变形缝采用外贴式塑料止水带, 并塞填沥青木丝板, 采用聚硫密封胶嵌缝。

在进出洞口端设中心深埋水沟, 将隧道内两侧保温水沟内的水引入中心深埋水沟。出水口选择在背风、向阳、排水通畅的位置, 排水暗管均采用外径100cm钢筋混凝土预制管, 壁厚15cm。

朔州隧道为特长运煤专用隧道, 如采用常规混凝土盖板存在混凝土盖板易断裂、顶面不平、盖板空隙大、沟槽煤尘清理难的问题。

考虑后期运营管理及维护, 首次在国内新建铁路隧道内采用了具有抗老化、抗高低温、耐用、阻燃等性能的橡胶盖板替代常规钢筋混凝土盖板, 取得了美观实用的效果。

朔州隧道断面大、长度大, 不良地质和特殊地质发育, 沿线有风积砂质湿陷性黄土、7条断层破碎带、黄土塌陷体、土石分界面、岩溶等。

朔州隧道全长11 299m, 净空断面面积平均98.092m², 属大断面特长隧道, 隧道沿线地质条件复杂, 围岩物理力学性质差, 其中隧道进口段Ⅴ级围岩为风积砂质湿陷性黄土, Ⅳ级不良地质围岩段总长2.295km, 主要有石灰岩水平层互层破碎带、泥岩、溶洞、断层等。在工期压力下, 研究隧道的施工掘进方案成为首要技术问题。主要是在TBM方案和钻爆方案之间进行比选。

通过对工程地质适用性、TBM选型制造与组装条件、工期贡献、投资性等指标的分析, 综合考虑到朔州隧道双线单洞12m直径, 无法有效利用国内现有TBM设备, 若采取新设计购置TBM则投资增加较多, 而且组装场地受限, 加之TBM设备前期研制、运输、组装时间较长, 工期并没有明显优势。因此, 决定采用适用性较强的钻爆法施工, 最终仅用20个月实现全隧贯通, 工期较原计划提前1个月, 较TBM法施工方案节约投资2亿元。

朔州隧道为进口单压、倾斜坡体洞门浅埋偏压地形和风积砂质黄土地层, 常规方法为放坡刷坡+打设锚杆挂网喷锚的明挖法;缺点为土方量大、征拆范围大、植被破坏较大。实际采用的技术措施为:隧道进口浅埋偏压黄土地段采取一侧设计落底外挡墙、拱部局部明挖的半明半暗法进洞, 较常规的明挖法大大减少了征地赔偿及对地表植被的破坏, 且实现了快速进洞, 经济、环保效果明显。

解决黄土隧道大变形和坍塌问题, 主要是应用新奥法施工原理, 建立超前大管棚支护+型钢拱架+挂网锚喷的支护体系, 做到支护结构快速封闭, 及时受力。开挖方法主要采用三台阶七步开挖法。同时施工中严格遵循“勤测量、短循环、强支护、严治水、早封闭、二衬紧跟”的原则, 实践证明行之有效。

朔州隧道DK128+832—DK128+856黄土段施工有3道浅埋冲沟, 通过易塌陷冲沟的施工方案为纵向迈式锚管+横向钢拱架+锁脚锚管法。纵向迈式超前锚杆管棚 (R51L型迈式锚杆, (内径33mm, 外径51mm, 截面积776mm²) 可任意接长, 并同步注浆, 与钢拱架与锁脚锚管三者连接成整体, 形成的支护体系可快速承担围岩变形引起的压力, 保证隧道围岩初期的稳定性。

朔州隧道岩石地段多为水平岩层, 爆破后超欠挖, 拱部掉块、坍塌现象较为严重。为此, 在设计方面通过设置拱部格栅钢架优化系统锚杆布置, 拱部设置双层钢筋网, 适当加大喷射混凝土厚度等措施, 有效控制了拱部掉块、坍塌, 确保了施工安全。

在施工方面, 朔州隧道水平层状围岩以Ⅳ级为主, 控制爆破采用两台阶光面爆破法施工, 隧道循环进尺为3m。同时辅助采用先进的激光断面扫描仪对隧道开挖断面进行检测, 通过断面扫描, 自动生成轮廓超欠挖数据, 实现光面爆破。

朔州隧道在施工过程中将超前地质预报纳入正常工序中, 采用了以TSP203中长距离探测为主、地质雷达短距离探测为辅, 结合地质素描分析, 红外探水和炮孔加长验证为主要内容的“多阶段、多层次、多方法”的综合立体式超前地质预测预报技术。准确有效地解决推断隧道掌子面前方的不良地质及断层带的富水情况, 为隧道的快速掘进和安全施工提供可靠的地质资料与信息。

朔州隧道喷射混凝土6.9万m³, 模筑混凝土24.4万m³, 混凝土施工对隧道质量、工期、费用影响较大。因此, 在施工过程中, 先后采用了整体模筑台车、机械化湿喷混凝土设备、防水板安装台车、移动栈桥及水沟滑模等一系列装备。

1) 初支工序中 (设计为钢支撑锚喷网联合支护:工字钢 (格栅) 钢架、喷射混凝土、22mm中空注浆锚杆、22mm砂浆锚杆、钢筋网等) , 主要应用锚管打设机械和大型湿喷机械。特别是大型机械湿喷法, 在经济方面比普通小型机械潮喷混凝土法回弹量减少25%, 使经济效益得到提高;在环保方面, 因粉尘含量明显降低, 也使作业环境大为改善;在进度方面, 湿喷机械手只需1个人操作, 2个人配合, 1h就能完成20m³的混凝土喷射作业, 喷射混凝土效率显著提高;质量方面, 与传统的小型湿喷机相比, 湿喷机械手喷射速度快、回弹损耗小、喷射面广、受力均匀、混凝土后期强度更高;在劳动强度方面, 自动化程度高、设备操作灵活、喷射作业连续施工无间断, 减少了作业人员劳动强度;在安全方面, 湿喷机械手臂长约16m, 可远距离遥控, 也可及时封闭突发危险的作业面, 有效提高了隧道施工安全性。

2) 二衬工序中 (设计为C25混凝土, 曲墙断面, 仰拱衬砌) , 主要采用混凝土集中拌合站+全断面液压钢模衬砌台车+泵送混凝土入模+养护台车方案。即混凝土采用自动计量拌合站生产, 隧道主洞混凝土衬砌采用液压钢模整体衬砌台车, 衬砌混凝土一次施工长度12m, 采用混凝土输送车运输, 混凝土输送泵作业, 由下向上、对称分层、先墙后拱灌筑, 入模倾落自由高度不超过2.0m, 机械振捣, 养护台车全天候、全断面养护, 有效确保了混凝土质量。

3) 仰拱 (填充) 工序中, 采用“自行式无干扰架空钢栈桥”法施工, 既为混凝土浇筑工序提供足够的作业空间, 又能保证运输通畅。自行式仰拱栈桥长度17m, 该栈桥采用液压控制, 具备前、后、左、右移动功能, 行走采用电控专用小车, 整个栈桥就位无需人工铺轨, 不需要机械设备配合, 3人即可操控, 一次移桥时间仅为30min。自动化程度及安全性高于目前已知各类栈桥, 而普通栈桥移桥需要1台装载机、1台挖掘机配合, 移桥、调整需要1.5h才能完成。

4) 在混凝土侧沟工序中, 朔州隧道采用一种新型的水沟电缆槽整体模筑法施工。水沟电缆槽模板, 包括支架中梁、行走竖支架、支撑横臂、水沟电缆槽模板、液压系统, 3根支架中梁的两侧设置有行走横支架, 3根支架中梁之间还设置有加强梁, 行走横支架下方设置有行走竖支架, 行走竖支架底端设置有滑轮组, 支架中梁和行走竖支架还设置有斜支撑架进行固定, 每根行走竖支架的中上部外侧设置有支撑横臂, 支撑横臂通过2根竖液压支撑杆与移动方管相连接, 移动方管通过固定螺栓与水沟电缆槽模板进行连接。使用的一体式双线隧道水沟电缆槽模板台车的优点是可以根据施工的实际需要调节模板的高度和位置, 一次性浇筑成型, 保证了工程质量, 克服了传统的水沟电槽拼装模板法施工时模板拼装时间长、安装定位精度低、拆模困难、浪费人力物力, 进度缓慢的情况。

上述各混凝土作业工序中各种机械设备的综合应用, 相对于以前小型机械+拼装式模板+人工浇筑方案而言, 人员数量减少了50%, 施工进度加快了50%, 最大限度地减少了施工缝, 提高了复合式衬砌整体质量, 为隧道最终达到不裂、不漏、不渗奠定了基础。

长大隧道养护工作是高风险作业, 面临着检测项目多、通行运距长、养护作业繁重、通讯信号差、作业危险性大等困难, 在运营阶段若为实现隧道养护的高效和安全, 采取如下应对措施。

采用无损检测等先进的检测设备对隧道内设备状态进行监测诊断, 分析预测隧道内设备的变化规律, 构建隧道状态评定指标体系, 建立隧道内设备整体健康状态评定模型。施工中重点推行机械化清筛车、机械化配砟整形车、机械化捣固车、动力稳定车等的综合应用, 全面提升大型养护设备的机械化水平。

数字化隧道是“物理隧道” (实体隧道) 的虚拟对照体。数字隧道的基础就是虚拟现实技术 (VR) 和BIM技术。通过虚拟现实和BIM技术的结合, 可以让管理者更直观地感知隧道的运行情况。具体做法有:把原来隧道内的交通、通风、照明、电力、消防和通信等6个系统统一起来, 变成高清数字化视频监控系统、消防联动及应急处置系统、智能监控系统、数字紧急电话及广播系统、通风照明交通供配电综合系统。再用一条光缆把这几个系统统一在一起。隧道里一旦发生事故, 系统就会自动判断状况, 调度中心确认后马上启动相应预案, 进行救援。

智能化隧道是利用大数据、云计算、智能识别技术将隧道数字信息与图像信息有机连接, 形成全面互联的物联网, 在自动计算、智能分析处理后, 预测出潜在危险和问题所在位置, 推送维修作业指令, 可实现隧道维修从“周期修”转为“状态修”。

通过数字隧道和智能隧道的建设, 将能有效处理隧道工程施工中的数据, 防范施工风险, 为隧道工程施工提供支持。例如建立“隧道养护管理系统”。该系统以预防为主, 针对隧道基础设施的基础数据、检测信息、状态评估、结构退化预测、维护对策和计划等, 运用计算机对所提供的数据进行专业、科学的信息化处理, 最终形成可靠的生产管理信息。其建立的子系统如下。

1) 安全风险实时感知系统

构建隧道结构实时感知系统, 实现整个生命周期内自动连续采集数据, 实时分析与预警。例如:考虑到朔州隧道处于寒冷地区的特点, 可建立“寒区运营隧道冻害防治中长期维护监测、检测系统” (见图1) 。

2) 安全风险实时预警系统

朔州隧道内的通信状况比较差, 对讲机在隧道内基本上无法与驻站防护员取得联系, 隧道内作业是铁路运输安全的一个薄弱环节。采用射频识别系统实时跟踪移动目标, 并将联络通道作业过程中环境、结构和人的安全信息综合起来进行安全分析判断, 及时有效地发布预警信息。例如:采用的DK.SWB1型闭路式收发器, 将它装设在隧道口的接近区段, 用JSBXC1-850继电器来检查隧道接近区段是否有车占用, 当列车接近该区段可实现语言报警和灯光警示。目的是将隧道病害消灭在萌芽状态, 避免设施损害对行车的影响, 确保人员安全, 降低维修成本, 建立机械化、数字化、智能化的创新型隧道维修养护管理新模式。

1) 朔州隧道是一级双线电气化重载铁路隧道, 作为准池铁路控制性工程之最, 建立全生命管理机制, 在工程设计、施工、维护各环节, 从系统整体最优决策考虑, 选择恰当的技术方案, 能最大化地降低成本、提高质量、加快进度, 为最终获得2017年度国家优质工程奖、建设智能铁路创造了条件。

2) 要将未来的长大隧道工程推向一个更新的高度, 需要将大数据、云计算、人工智能等新技术与现有隧道各项技术相结合, 形成多专业综合大数据分析管理系统, 提高隧道设计、施工、运营整体智能化水平。