穿越“天之山”的勘察设计路

文／柳燕

穿越“天之山”的勘察设计路

文／柳燕

祁连山山脉是我国九大著名山脉之一，“祁连”在古代匈奴语，意为“天之山。”迄今为止，游牧在这里的匈奴人的直系后裔——尧熬尔人（裕谷族）仍然叫祁连山为“腾格里大坂”，同意“天之山。”

有一群人，他们用自己的步伐丈量“天之山”，走在祁连山隧道这个惊世工程之前。他们就是中铁第一勘察设计院集团的勘察设计者们。

近日，笔者在“天之山”祁连山隧道项目部见到了中铁第一勘察设计院集团设计师和驻祁连山隧道现场设计指挥长田鹏。这个外表憨厚实际上却细致精干的陕西人，说起祁连山隧道时很自豪，数据了然于胸，信手拈来。

第一次跨越“天之山”

新建的兰新铁路第二双线（客运专线）自兰州枢纽兰州西站引出，溯湟水河至西宁，穿越达坂山、祁连山后进入甘肃河西走廊，经张掖、酒泉、嘉峪关后，进入新疆哈密、吐鲁番市，引入乌鲁木齐站。线路正线全长1776公里，总动态投资1435亿元，祁连山隧道属于甘青段：甘肃至青海段。

兰新线定位于客运专线为主，兼顾轻快货物运输，为带动西宁周边发展并基于这样的定位，铁一院的设计者们选择跨祁连山而行。“放眼全国，无论是高速公路还是铁路，这都是第一次涉及祁连山做跨越和尝试。”田鹏说。

据田鹏介绍，“该项目前期设计是按照200公里时速，土建工程是按照预留将来提速空间来做的，所以工程隧道断面内轨以上隧道的内径孔的面积是按照100平米做的设计，也就是说将来全线隧道工程，按照目前国家的规定，可以达到350公里的时速——可以达到高铁的要求，属于超前设计、环保节能的设计。”

甘肃至青海段总长1076公里，从兰州到红柳河，兰新线全线重点工程都位于此段。“该段线路隧道工程较复杂、艰巨，总共有42座隧道，总计145公里，其中超过10公里的超长隧道就有3座。

“其中，最长隧道为达阪山隧道，全长为15.891公里，海拔最高的点是祁连山1号隧道，轨面的海拔已超过3600米。”田鹏介绍，祁连山隧道是两个越岭段，隧道总长超过60公里，最高海拔点是3792米，属于高海拔、高原、高寒地区，工程相当艰巨，投资也比较巨大。

勘察是设计的基础

祁连山和达坂山是横亘于甘肃、青海两省的两座天然屏障，兰新第二双线必须以桥隧相连的方案通过这一路段。

这里平均海拔4000米以上，高寒缺氧、交通困难、工期紧迫是当前最主要的困难，为了摸清越岭段地质状况，找到最优穿越方案，必须采用综合勘探手段加以解决。

说到地质构造，田鹏旁边腼腆的小王也不禁打开了话匣子，这位地质专业人员是田鹏的同事。这时，他斯文地扶了扶眼镜，略显紧张地告诉笔者：“这一地区属于青藏高原，地壳上升地段，地质构造非常复杂、区域性断裂分布较多，断层和褶皱非常发育，向斜和背斜都非常多，山高沟深、钻探困难。两隧道群相距60余公里，加之勘测时间正值冰雪消融期，所有沟壑冰河横流、碎石密布，给探测工作带来极大的困难。”

其实，全线最艰苦的“越岭攻坚战”耗时最长、困难最多，地质勘探工作是最艰苦的、最重要的前期工作。祁连山越岭段平均海拔近4000米，高寒缺氧，交通极为不便，为探明越岭段翔实的地质状况，铁一院成立勘探突击队，每天组成7个地质调查组、4个测绘组、2个物探组展开外业突击，艰苦作战。

由于先期开工段位于全线海拔最高、地质最为复杂、条件最为恶劣的达坂山、祁连山越岭地段，甘青段指挥部迅速将三个勘察队的地质、桥隧、测绘、物探、钻探力量集中于门源、民乐两地展开攻坚，全力确保节点工期。

没有现成的资料，没有水准、平面坐标等最基本的控制系统，同时还受到现有的勘测手段和恶劣环境限制，“祁连山山上终年积雪，许多勘探孔都是在雪线以上打的，很多设备无法运送上去，依靠人工运输，也没有路，得用自己的脚步去开路。”小王，就这样用自己的脚，背着设备和干粮，像长征一样，一步一步丈量了800多公里兰新线的每一个点，更是踏遍了祁连山。在终年积雪里搭帐篷，连喝口水都得先烧炉子化冰。

前期勘探是设计的基础，是设计过程中最艰苦最困难的工作。小王记得，有一次爬到半山上，因为全是小碎石，爬一步就滑下去两步，艰难地爬上去勘探，却下不来。

这样的事情很多，多到连他们自己都记不清。但祁连山会记得的，它有亘古不变的眼睛，记录着勘察设计者的辛勤汗水和艰辛劳动。

完美的设计源于周密的思考

祁连山属于国家自然保护区，在设计的前期对于环境的保护都做了详细的、最大限度保护的思考。

祁连山隧道虽不是最长的隧道，但却是最艰难的两个隧道。全国首次在海拔最高的地方建设断面最大、海拔最高、自然环境最恶劣、工程施工难度最大、困难最多的高铁隧道。

祁连山隧道的特点总结起来就是高原、高寒、高铁：高原是说海拔高，高寒是温度低，最冷月平均气温是零下20多度，最冷的极端气温是零下42度，高铁是项目设计以高铁为目标设计。面对这样的高寒地区，在设计的时候考虑最多的就是隧道面临的防寒这个最大的课题。众所周知，山岭隧道打洞的时候都会有含水层，如何防止水进入隧道后结冰，对隧道的结构和道床进行破坏？这方面要做大量的工作，要做科学实验、数据模拟分析、实际模拟演示，根据模拟结果，预测通车运行后的隧道腹内温度变化情况，预防冻害对隧道结构产生的不良影响等等，都是在设计前期需要考虑的因素。

从开工到现在的三年多时间里，田鹏带领的铁一院的工程师一直借鉴全国和全世界的防寒工程经验做现场测试。“尤其是祁连山一号隧道，在全世界范围内来说是个新技术，也是铁一院的新设计。”田鹏告诉记者，铁一院虽然从前设计过青藏铁路的隧道，积累了丰富的经验，但是祁连山隧道有自身的特点、难点，还是给他们提出了全新的挑战。

田鹏介绍，祁连山隧道采用防寒泄水洞措施，就是在隧道冻结层下面打一个小洞子，把不冻结的水引出去，同时在洞口采用了防寒的工程措施。对开挖和工程等都有详细的具体要求，力求将防冻害做到完美。“这个措施是针对对祁连山隧道特别使用的。既不增加造价，又保证了效果。”

断层对隧道的影响非常大，尤其是断层和中间的破碎带，地震时对隧道结构的破坏是非常巨大的。在设计时候充分考虑到这个因素，采用注浆措施和加固打桩支撑等措施，对围岩进行加强处理，使围岩牢固稳定这样开挖的时候就不会出现坍塌等事故。

设计的施工方法采用了非常多的特殊工法，如CRD、双塞壁等等。祁连山区地质复杂，海拔高，终年积雪，向斜构造地是含水地，构造也很复杂，带来大量难题。例如祁连山隧道出口处的斜井，发生了涌水，将开挖出来的洞口都堵住了，像堰塞湖一样，涌水水量巨大，这些是预先无法探明的。

祁连山隧道处在高地应力，埋深比较大，主要是板岩地形，岩体太软，自身承载能力太差，自重及构造的应力场，软岩非常容易被挤压而造成大变形。

针对这种特点，田鹏在设计上也做了很多构思。“砂岩和灰岩就比较好点，但是如果夹杂着板岩的话，也是比较容易有问题。”6.5公里的隧道，大概有三分之一的段都会是这种软岩地质。

尤其是主洞开挖断面面积大，设计者考虑针对软岩大变形的特点做特殊设计，并研究出一套控制变形，使软岩不能影响结构和隧道的使用。控制体系具体的方式有：1、预留充分的变形量——给软岩足够的变形空间来释放变形；2、强制护体系——使软岩虽然变形，但是控制软岩变形，避免软岩变形过大影响结构；3、抓住工序，快速封闭，紧跟二衬——通过二衬的作用快速封闭和通过。用这些方式来解决软岩大变形带来的不良影响。

田鹏表示，针对祁连山隧道自身特点的很多设计是在世界上属于独一的，兰新线采用的是无砟轨道，后期运营阶段的养护基本为零养护，设计寿命为100年。

祁连山隧道虽不是最长的隧道，但却是最艰难的隧道