神農架
莽莽群山
一條高速鐵路隧道
正在穿越地質風險區
巖爆、涌水……
威脅著隧道施工安全
中國中鐵一局建設者
將如何運用創新裝備
解決這些極高風險隧道的
施工難題
接下來
就讓我們一起
跟隨CCTV—10
《創新進行時》
四集紀錄片的鏡頭
一起去探秘
鄭萬高鐵建設的極限掘進
極限掘進
第一集
湖北神農架林區
平均海拔1700米
超過2500米的高山達20多座
是平均海拔最高的區域
有著“華中屋脊”之稱
在大巴山深處
一條通道從半山腰直通山體腹心
右岸的通道盡頭
中國中鐵一局建設者
正在緊張掘進
他們所面對的
是中國工程史上
修建難度最大的工程項目之一
全長818公里的
鄭州至重慶萬州高速鐵路
進入湖北省境內
需要穿越神農架林區的茫茫群山
連綿的高山和深深的河谷
讓神農架林區成為現代交通的難題
要想修筑高速鐵路
就需要在群山中挖掘隧道
在河谷中架設橋梁
根據鄭萬高鐵的線路規劃
途經湖北的線路全長287.2千米
然而需要修筑的隧道和橋梁長度
超過了湖北段全線的90%
修建隧道和橋梁工程
地質環境是最重要的考量
而神農架已經億萬年的地質變遷
形成了山地、流水、喀斯特和冰川等
多種地質地貌并存的形態
是中國的地質博物館
對隧道工程而言
復雜的地質地貌就意味著
各種突發地質風險的隱患
威脅施工人員的安全
新華隧道長達18.79千米
是鄭萬高速鐵路湖北段中
最長的隧道，也是風險最高的隧道之一
它需要穿越位于神農架的
地質斷層破碎帶
歷來就是隧道工程的天敵
建設者們將用什么方法
才能在神農架
復雜的地質環境中開掘隧道呢？
別著急，我們一起往下看
極限掘進
第二集
地下超級裝備的秘密
傳統隧道施工中
工人需要操作風槍開鑿爆破孔
然后通過爆破來形成隧道空間
而如今
在幽暗的隧道中
兩輛外形奇特的“變形金剛”
發出巨大的轟鳴聲
在燈光的照耀下
散發著金屬的光澤
強悍而又神秘
它就是
三臂鑿巖臺車
有著三條可以伸縮轉向的
巨型機械臂
機械臂的前端可以伸出
長達20米的合金鉆頭
替代人工操作的風槍
完成鑿巖作業
操作手只需要坐在
距離巖壁超過10米遠的駕駛室中
操作機械臂在巖壁指定的
位置鉆鑿爆破孔
完成工程作業
新華隧道每一段隧道斷面
需要開鑿200多個爆破孔
如采用傳統人工作業的方式
需要將近50名工人在裸露的
巖石環境下連續工作4個多小時
而現在
開鑿一段隧道斷面
只需要兩輛三臂鑿巖臺車
用時三個小時左右
就能完成工程作業
每輛鑿巖臺車
也僅需2~3名操作員
在裝有空調的駕駛室內工作
工作環境和施工安全
都有了極大的改善
極限掘進
第三集
精準貫通的秘密
18.79千米的新華隧道
要通過7000多次爆破和掘進
才能實現貫通
分段施工可以
提高工程效率，降低地質風險
但同時也面臨著一個新的難題
當新華隧道實現全線貫通時
連通兩端橋梁和鐵路的誤差
必須控制在15厘米以內
因此
隧道分段施工越多
產生誤差的概率也會越大
山體腹心地帶光線昏暗
施工人員在密閉的山體內
根本無法判斷隧道施工的
方向和位置是否精確
建設者怎么樣才能確保
隧道在掘進時不會打偏呢？
要想保證項目施工的精準
就需要給工程團隊配備一雙
神奇的千里眼
它可以翻山越嶺
指引建設者朝著正確的線路進行施工
測量員
就是新華隧道工程的千里眼
每建造一段新的隧道之前
隧道施工都會等待
測量提供準確的掘進方向
測量基準點是在工程施工前
由測量員借助衛星導航系統
綜合地理坐標設立的點位
就像隧道掘進方向的一座燈塔
指引隧道線路行進
測量好了基準點的坐標之后
測量員再根據設計線路的坐標
用高精度測量儀器
一站一站的往隧道內部進行測量
直到工程即將進行開挖掘進的巖面
除了隧道線路掘進方向之外
高速鐵路隧道的尺寸和外形
也有著嚴格的標準
根據空氣動力學原理
時速350千米的高速列車
穿行的隧道橫截面
面積近150平方米
是一個寬14.7米，高12.2米的
規則圓弧形輪廓的截面
對于隧道掘進
輪廓線至關重要的
過大就會造成混凝土超耗，成本過高
測量斷面過小，就會導致返工
因此建設者每開掘一段隧道
需要在隧道掘進的巖壁上
鑿出200多個爆破孔
然后將超過240千克的乳化炸藥
塞入爆破孔中引爆
為了達到理想的爆破效果
200多個爆破口需要分組布設
每一組爆破孔在炸藥爆炸時
都承擔著不同的作用
除此之外
每一組爆破孔之間的間距、位置
甚至角度和深度都有嚴格的要求
為了減少地質災害
對工人施工安全造成的威脅
鄭萬高鐵的建設者
采用了三臂鑿巖臺車開鑿爆破孔
每次在開鑿巖壁之前
施工人員將爆破工程師
設計好的鉆爆圖提前輸入大腦
在操作室的數字顯示屏上
爆破孔就會呈現出一個小小的光圈
在工程施工時
三臂鑿巖臺車的操作員
只需將顯示屏上代表機械臂的數字指針
對準這些小圈
機械臂就會自動到達位置
以提前設定的角度開始鑿巖
直到鑿到設置好的深度才會停止
極限掘進
第四集
預知地質的秘密
在隧道施工時
如果不小心鑿穿蓄水的溶洞或暗河
積水會瞬間從孔洞中流出
工程中這種地質風險叫涌水或者突水
神農架林區可溶巖的比例非常大
巖層中有大量的溶腔溶洞
隧道施工常常發生涌水
特別在甘家山隧道施工中
連續6個月
幾乎每天都能涌出
大約4個標準泳池的水量
涌水總量幾乎可以填滿一個西湖
有什么辦法
能夠提前檢測到要進行掘進的隧道
巖壁后是否存在溶腔或者溶洞呢？
新華隧道施工現場工程師們
正在安裝一臺特殊的檢測設備
在工程領域它有一個形象的名字
地質雷達
這種裝備和雷達的工作原理類似
可以發射電磁波
穿過厚厚的巖壁
根據不同的傳播介質反射信號
通過信號反饋
工程師們能夠清楚的知道
在巖壁背后是否有
地質風險或者建筑病害
以便及時調整施工方案
如果是遇到大的溶洞或者暗河
建設者們會在隧道內搭建橋梁
如果是溶腔和空洞
就會用混凝土進行回填夯實
這種提前對地質進行探測的工作
叫做超前地質預報
除了地質雷達之外
用來開掘爆破孔的三臂鑿巖臺車
也可以幫助工人們實現
中短距離超前地質預報
秘密就藏在它鉆臂里
當三臂鑿巖臺車將鉆臂打入巖層中
就像是在巖層中放入了一個
“自動地質采集器”
它可以采集周邊巖石的地質情況
再通過圖像的形式反饋給工程師
讓工程師對前方的地質樣貌一覽無余
剛剛爆破形成的
隧道空間巖壁坑洼不平
在山體應力的作用下
隧道隨時可能發生巖爆，甚至垮塌
怎樣才能免巖爆和垮塌的發生呢？
為此
在隧道進行爆破之后
需要給隧道巖壁
噴射一層混凝土防護壁
進行加固支護
傳統的噴射混凝土工作
由人工來完成
但是受限于隧道的高度和角度
可能會造成噴灑不均勻的情況
久而久之會出現開裂、落石
或者地下水滲漏
為此
建設者們應用了濕噴臺車
它裝備了一臺可以伸縮的機械臂
最高能夠升到20米左右
在機械臂的前方有一個巨大的噴管
可以旋轉360度自動完成混凝土的噴射作業
為了能夠均勻無死角的
噴射混凝土
工程設計師們還為濕噴臺車
裝入了一臺智能大腦
只要提前將混凝土
噴射角度和噴射量設定好
工人就可以通過遙控器操作濕噴臺車
自動完成混凝土的噴射任務
即使噴射混凝土
也不能完全保證隧道的穩固
地質斷層破碎帶巖石結構脆弱
巖壁可能會在應力的作用下
發生變形甚至坍塌
為了對隧道進行加固
工程師會在地質條件惡劣的區域
往隧道內部巖體
插入許多根特制的錨桿
共同組成了一副鋼鐵骨架
將隧道周邊的巖石牢牢地固定在一起
保持隧道巖面的穩固
在巖石軟弱的隧道段
還會安裝
與隧道輪廓一樣形狀的鋼鐵拱架
為了防止地下水的滲漏
還會給隧道巖壁鋪上防水布和防水板
2021年1月25日
經歷1400多天的艱苦奮戰
新華隧道終于勝利貫通
隨著中國高速網絡不斷延伸擴展
意味著高鐵將在環境更惡劣
地質更復雜的區域開工建造
傳統以人工為主的建造方法
在工程安全和效率上
都難以適應高鐵工程
高標準、高精度的要求
創新裝備和創新科技
成為現代高鐵工程
可靠的施工保障
這些先進的機械裝備的廣泛應用
將逐漸實現中國工程建造技術
無人化、自動化的升級跨越
來源：央視、中鐵一局五公司
編輯：楊智友 張根城
