八达岭长城地下102米 中国正在建世界最深高铁站

2017-10-13 10:08 千龙网

打印 放大 缩小

千龙网北京10月13日讯 八达岭长城下正在修京张高铁长城站,其最大难点是隧道的修建。首先,在这里修隧道需要开凿78个互相交错的隧洞“洞群”;其次,隧道必须最大限度减少对长城的扰动;另外,隧道壁要防止塌方,必须对付破碎而坚固的山体。这比一百年前詹天佑修建京张铁路要难得多。

上小学时,我们都学过中国人修建的第一条铁路——京张铁路的故事。从北京到张家口要穿过险峻的燕山山脉,铁路需要爬坡、过桥、穿过隧道,在当时来看修建难度很高。詹天佑创造性地采用“人”字形展线、轻便机车、竖井法开凿隧道等方式,成功地建成了京张铁路,让西方殖民者的“中国人废物论”不攻自破。

(詹天佑)

一百多年过去了,中国的铁路技术已发生翻天覆地的变化。2015年,新的京张铁路开始修建,而且还是一条高铁线。这条新的京张铁路在各项新技术上体现了中国高铁修建技术的高度,领先世界,建成后,它将成为世界上第一条设计时速350公里的有砟轨道高速铁路,同时也是世界上第一条设计时速350公里的高寒、大风沙高速铁路,届时,从张家口到北京的时间将缩短到1小时。

(一)京张铁路的轴心:八达岭隧道

一百年前,为了尽量少修隧道地穿过险峻且漫长的八达岭,老京张铁路在途经青龙桥时,在陡峭的山坡上做了一个巧妙的“人”字形迂回,让铁路翻越一部分山坡,将待挖的隧道长度从12公里缩减到了1100米。

当时,由于技术落后,缺乏专业的工程设备,修建八达岭隧道从两端开凿每天只能掘进两尺深。因此,詹天佑设计在隧道中部,从山顶垂直向下凿了两个井,这样,加上外面的两头就是六处一起施工,大大加快了工程进度。而凿出的竖井同时也可以作为天然的通风口。

(老八达岭隧道修建示意图)

尽管这一设计极其巧妙,是当时技术条件下能够拿出的最优方案。但“人”字形铁路线是在牺牲了火车运力、线路长度以及车速的基础上的不得已之举:

由于坡度陡,老京张铁路不得不采用轻型机车,运力不足;盘山铁路层层叠叠,多走了不少冤枉路;转弯半径小,火车的车速开不快。换言之,詹天佑的老铁路是被“逼上了八达岭”。

(在京张铁路上爬“之”字形弯道的火车)

我们新时代的高铁车速极快,当然不能采用这种老方案。所以,我们京张铁路的对策是:

大力出奇迹。没错,我们神圣的先进生产力,至高至大!

(二)凿穿整座山,不必被“逼上八达岭”

京张高铁动车组时速高达350公里,对线路的平整度、笔直度要求极高,是一种很“娇气”的铁路。

为了保护它的平稳运行,工程师们绝不会让它跋山涉水,而是遇山开山,遇水搭桥。12公里宽的八达岭怎么办?没错,直接贯穿!

如今,我们已经掌握了全世界最先进的隧道挖掘技术,有能力进行12公里隧道的全程开挖。在“人”字形铁路线下方约100米深的山体内,京张高铁新八达岭隧道及八达岭长城站正在日夜不停地向前推进,日前已经掘进至5000米。

(京张高铁新八达岭隧道工程出入口)

这条建设中的京张高铁新八达岭隧道要穿过断层破碎带,面临着崩塌、落石和泥石流等重重问题。隧道围岩条件差,存在涌水、突泥风险,被评为极高风险隧道,是京张高铁的三个重难点隧道之一。

1、八达岭隧道凿的不是一个洞,而是一个“洞群”

在新八达岭隧道的施工中,共设置有78个大小洞室,简直就是一个“洞群”, 专业叫法是“地下多层多洞分离式群洞穹顶车站”。

所谓“多层”,意思是车站的地下结构主要分为两层。上面是站厅层,站厅层中部设大跨穹顶中央大厅,大厅的跨度约为45m,其两端则变为单洞隧道,跨度为10m和15m,就像烧烤串(两侧小隧道)上穿了个馒头(穹顶大厅)。下面是站台层,站台层由三个单洞隧道组成:中间是宽12.8m的正线隧道,两侧是宽11.8m的发线隧道。除此之外,还有联通站台和站厅的进出站通道的隧洞。隧洞复杂交错,在大山里形成一个复杂的集群。

其实单个隧道的开挖在工程界都是小case,公路铁路隧道常见的“双洞”模式中两个隧道相互平行,互相之间只用很小的洞相连,对彼此安全性的干扰也比较小。而新八达岭隧道这种“洞群”则意味着:我作为一个洞穴,本来自己能保持稳定的,你们在我头顶上开了洞,进一步削弱了我头顶的岩层稳定性;在我两侧又各开一个洞,让我的侧面的墙壁没那么坚实;我身上还打了几个和我垂直的通道,形成多个交叉点。在设计中,每一个交叉点都是危险源;在施工中,每一个相互影响,都要谨慎处理,如履薄冰。

在高科技的加持下,新八达岭隧道的修建复杂程度比老八达岭隧道高出了几个数量级,依靠BIM(建筑信息管理,Building Information Management)和综合交通指挥等智能信息技术来进行地下物流与交通的协调组织,所有施工人员与机械设备均安装GPS,监测360度无死角,施工指挥更精准。

(仅一条二号斜井的规模就超过了不少隧道)

2、隧道要穿过八达岭长城,盾构机和传统爆破技术都不能用

由于地理位置特殊,地质十分复杂,洞身需要穿越断层破碎带和风化槽,稍有不慎就会造成塌方。因此,隧道的施工不能使用常见的盾构机,而是使用钻爆技术。为了最大限度地减少对长城的扰动,项目部采用精准电子雷管减震技术,将震速控制在0.16厘米/秒。

传统爆破技术的震感强烈。在隧道施工位置爆破,对长城的扰动类似于汽车启动时的振动;而使用采用精准电子雷管减震技术,经过精密的计算与调节,每爆破一次只相当于在长城上跺一下脚。迄今为止,这样的爆破已经进行了接近五千次,长城及山体安然无恙。

3、隧道壁要防止塌方,必须对付破碎而坚固的山体

为了对付破碎的山体,隧道还使用了预应力拉杆与锚索来固定隧道壁。所谓预应力锚索,是在软弱的岩层上钻孔,将锚杆锚固进里面比较坚硬的岩层中。再进行张拉,从而对隧道壁及周围的岩层进行锚固,相当于将隧道壁紧紧地固定在了坚固的山体上,防止塌方。

(预应力锚索示意图)

采用预应力锚索,不仅增加了隧道的安全性,而且省去了昂贵且麻烦的外置钢拱架。可以说是隧道修筑中的“最优选择”。

(隧道中的预应力锚索)

(三)世界最深高铁站:长城站

新八达岭隧道可不是一条单纯的隧道,它同时还是一个高铁站。

整个车站的建筑面积为3.6万平方米,相当于7个足球场大小,车站最大跨度达32.7米,横断面积近500平方米,最大埋深102米,是目前全世界埋深最大的高铁地下车站。为了避免破坏长城,它无法采用传统的明挖之后再回填的施工方式。

专家们经过研究,提出了“品字形”施工工法。所谓“品字形”施工法,顾名思义,就是将一个大隧道拆分成上、左、右三个小隧道分别开挖,在中间预留核心提供支撑;最后挖开核心,将三个小隧道合并成一个大“隧道”,也就是庞大的车站。其中,顶洞的开挖超前于其它两洞,可以预先探明地质条件,为后两洞的开挖提供对策。使用这种开挖方法,工法十分简洁,也便于施工机械充分发挥作用。

施工完成后,长城站的空间体系非常规整,将车站自下而上分成站台层、进站层和出站层,保证了进出站的旅客人流不会发生任何交汇,让客流更加顺畅。

(八达岭长城站)

长城站是完全深埋于八达岭地下100多米开挖的真·地下车站。这座车站就位于长城的正下方,主要是为游客游览长城准备的。将来通车后,游客从北京坐高铁到八达岭长城只需要20分钟。可是,这么深的高铁站,让乘客们怎么上长城呢?

事实上,乘客一步楼梯都不用爬。从地下百米的长城高铁站下车,只需乘坐两次电梯,就可直达长城,其中还包含一部先进的斜行电梯。

(斜行电梯示意图)

车站采用的斜行电梯及一次提升长大扶梯,都是运载能力超强、安全性能优秀的载人电梯。既能够保障人的安全,又可以将大量的旅客迅速运出站,同时避免了步行换乘的麻烦,体现了对旅客的人性关怀。

此外,考虑到埋深太深、发生突发状况时的协调不便,车站还采用了环形救援廊道设计,将施工中使用的管状廊道改造成站内任何位置都可以在50米之内到达的求生通道。

(四)地下车站抗震性能:可抵抗烈度为8度的地震

还有一个问题大家很关心:北京的地震设防烈度较高,地下车站的抗震性能如何?这是该站的一个瓶颈性问题。车站体量大,形状不规则,在地震来临时一方面会受行波效应影响,车站不同部位的震动不一致;另一方面车站结构本身会改变地震波在地下的传播路径,进而产生更多经典方法无法估算的影响。

研究人员充分地调查了场地岩层的地质地理环境和区域的几何形状,建立了复杂的三维有限元模型,采用多种地震输入方法(如一致地震输入、非一致地震输入等),进行了多种多组的地震波入射计算和分析。利用高科技的计算手段,准确分析高铁站在地震中的反应,寻找地下结构的不利位置。在此基础上,通过大量计算进行减震设计和抗震加固的设计施工,新八达岭隧道按照高标准抗震设防要求设计,可以抵抗烈度为8度的地震。

所以,对于八达岭隧道的抗震性,我们可以拍着胸脯说:只要施工没问题,它的抗震一定没问题!

(新老京张铁路一上一下挨在一起,向人们诉说着中国的百年兴衰荣辱)

结语

作为首个大型地下高铁站、地下深埋群洞,八达岭高铁站设计施工时面临很多其他地下隧道工程无需考虑的问题。凭借先进的机械设备和强大科技能力,中国工程人员运用钻爆技术、精准电子雷管减震技术、预应力拉杆与锚索等解决了这些难题,确保车站建设安全、可靠、经济、环保。

预计到明年,京张高铁的控制工程就能完全贯通,2019年,京张高铁就可以建成通车。在八达岭地下,一个安全、舒适、节能、美观的高铁站值得期待。

责任编辑:宗晓丽(QF0010)

猜你喜欢