神农架
莽莽群山
一条高速铁路隧道
正在穿越地质风险区
岩爆、涌水……
威胁着隧道施工安全
中国中铁一局建设者
将如何运用创新装备
解决这些极高风险隧道的
施工难题
接下来
就让我们一起
跟随CCTV—10
《创新进行时》
四集纪录片的镜头
一起去探秘
郑万高铁建设的极限掘进
极限掘进
第一集
湖北神农架林区
平均海拔1700米
超过2500米的高山达20多座
是平均海拔最高的区域
有着“华中屋脊”之称
在大巴山深处
一条通道从半山腰直通山体腹心
右岸的通道尽头
中国中铁一局建设者
正在紧张掘进
他们所面对的
是中国工程史上
修建难度最大的工程项目之一
全长818公里的
郑州至重庆万州高速铁路
进入湖北省境内
需要穿越神农架林区的茫茫群山
连绵的高山和深深的河谷
让神农架林区成为现代交通的难题
要想修筑高速铁路
就需要在群山中挖掘隧道
在河谷中架设桥梁
根据郑万高铁的线路规划
途经湖北的线路全长287.2千米
然而需要修筑的隧道和桥梁长度
超过了湖北段全线的90%
修建隧道和桥梁工程
地质环境是最重要的考量
而神农架已经亿万年的地质变迁
形成了山地、流水、喀斯特和冰川等
多种地质地貌并存的形态
是中国的地质博物馆
对隧道工程而言
复杂的地质地貌就意味着
各种突发地质风险的隐患
威胁施工人员的安全
新华隧道长达18.79千米
是郑万高速铁路湖北段中
最长的隧道，也是风险最高的隧道之一
它需要穿越位于神农架的
地质断层破碎带
历来就是隧道工程的天敌
建设者们将用什么方法
才能在神农架
复杂的地质环境中开掘隧道呢？
别着急，我们一起往下看
极限掘进
第二集
地下超级装备的秘密
传统隧道施工中
工人需要操作风枪开凿爆破孔
然后通过爆破来形成隧道空间
而如今
在幽暗的隧道中
两辆外形奇特的“变形金刚”
发出巨大的轰鸣声
在灯光的照耀下
散发着金属的光泽
强悍而又神秘
它就是
三臂凿岩台车
有着三条可以伸缩转向的
巨型机械臂
机械臂的前端可以伸出
长达20米的合金钻头
替代人工操作的风枪
完成凿岩作业
操作手只需要坐在
距离岩壁超过10米远的驾驶室中
操作机械臂在岩壁指定的
位置钻凿爆破孔
完成工程作业
新华隧道每一段隧道断面
需要开凿200多个爆破孔
如采用传统人工作业的方式
需要将近50名工人在裸露的
岩石环境下连续工作4个多小时
而现在
开凿一段隧道断面
只需要两辆三臂凿岩台车
用时三个小时左右
就能完成工程作业
每辆凿岩台车
也仅需2~3名操作员
在装有空调的驾驶室内工作
工作环境和施工安全
都有了极大的改善
极限掘进
第三集
精准贯通的秘密
18.79千米的新华隧道
要通过7000多次爆破和掘进
才能实现贯通
分段施工可以
提高工程效率，降低地质风险
但同时也面临着一个新的难题
当新华隧道实现全线贯通时
连通两端桥梁和铁路的误差
必须控制在15厘米以内
因此
隧道分段施工越多
产生误差的概率也会越大
山体腹心地带光线昏暗
施工人员在密闭的山体内
根本无法判断隧道施工的
方向和位置是否精确
建设者怎么样才能确保
隧道在掘进时不会打偏呢？
要想保证项目施工的精准
就需要给工程团队配备一双
神奇的千里眼
它可以翻山越岭
指引建设者朝着正确的线路进行施工
测量员
就是新华隧道工程的千里眼
每建造一段新的隧道之前
隧道施工都会等待
测量提供准确的掘进方向
测量基准点是在工程施工前
由测量员借助卫星导航系统
综合地理坐标设立的点位
就像隧道掘进方向的一座灯塔
指引隧道线路行进
测量好了基准点的坐标之后
测量员再根据设计线路的坐标
用高精度测量仪器
一站一站的往隧道内部进行测量
直到工程即将进行开挖掘进的岩面
除了隧道线路掘进方向之外
高速铁路隧道的尺寸和外形
也有着严格的标准
根据空气动力学原理
时速350千米的高速列车
穿行的隧道横截面
面积近150平方米
是一个宽14.7米，高12.2米的
规则圆弧形轮廓的截面
对于隧道掘进
轮廓线至关重要的
过大就会造成混凝土超耗，成本过高
测量断面过小，就会导致返工
因此建设者每开掘一段隧道
需要在隧道掘进的岩壁上
凿出200多个爆破孔
然后将超过240千克的乳化炸药
塞入爆破孔中引爆
为了达到理想的爆破效果
200多个爆破口需要分组布设
每一组爆破孔在炸药爆炸时
都承担着不同的作用
除此之外
每一组爆破孔之间的间距、位置
甚至角度和深度都有严格的要求
为了减少地质灾害
对工人施工安全造成的威胁
郑万高铁的建设者
采用了三臂凿岩台车开凿爆破孔
每次在开凿岩壁之前
施工人员将爆破工程师
设计好的钻爆图提前输入大脑
在操作室的数字显示屏上
爆破孔就会呈现出一个小小的光圈
在工程施工时
三臂凿岩台车的操作员
只需将显示屏上代表机械臂的数字指针
对准这些小圈
机械臂就会自动到达位置
以提前设定的角度开始凿岩
直到凿到设置好的深度才会停止
极限掘进
第四集
预知地质的秘密
在隧道施工时
如果不小心凿穿蓄水的溶洞或暗河
积水会瞬间从孔洞中流出
工程中这种地质风险叫涌水或者突水
神农架林区可溶岩的比例非常大
岩层中有大量的溶腔溶洞
隧道施工常常发生涌水
特别在甘家山隧道施工中
连续6个月
几乎每天都能涌出
大约4个标准泳池的水量
涌水总量几乎可以填满一个西湖
有什么办法
能够提前检测到要进行掘进的隧道
岩壁后是否存在溶腔或者溶洞呢？
新华隧道施工现场工程师们
正在安装一台特殊的检测设备
在工程领域它有一个形象的名字
地质雷达
这种装备和雷达的工作原理类似
可以发射电磁波
穿过厚厚的岩壁
根据不同的传播介质反射信号
通过信号反馈
工程师们能够清楚的知道
在岩壁背后是否有
地质风险或者建筑病害
以便及时调整施工方案
如果是遇到大的溶洞或者暗河
建设者们会在隧道内搭建桥梁
如果是溶腔和空洞
就会用混凝土进行回填夯实
这种提前对地质进行探测的工作
叫做超前地质预报
除了地质雷达之外
用来开掘爆破孔的三臂凿岩台车
也可以帮助工人们实现
中短距离超前地质预报
秘密就藏在它钻臂里
当三臂凿岩台车将钻臂打入岩层中
就像是在岩层中放入了一个
“自动地质采集器”
它可以采集周边岩石的地质情况
再通过图像的形式反馈给工程师
让工程师对前方的地质样貌一览无余
刚刚爆破形成的
隧道空间岩壁坑洼不平
在山体应力的作用下
隧道随时可能发生岩爆，甚至垮塌
怎样才能免岩爆和垮塌的发生呢？
为此
在隧道进行爆破之后
需要给隧道岩壁
喷射一层混凝土防护壁
进行加固支护
传统的喷射混凝土工作
由人工来完成
但是受限于隧道的高度和角度
可能会造成喷洒不均匀的情况
久而久之会出现开裂、落石
或者地下水渗漏
为此
建设者们应用了湿喷台车
它装备了一台可以伸缩的机械臂
最高能够升到20米左右
在机械臂的前方有一个巨大的喷管
可以旋转360度自动完成混凝土的喷射作业
为了能够均匀无死角的
喷射混凝土
工程设计师们还为湿喷台车
装入了一台智能大脑
只要提前将混凝土
喷射角度和喷射量设定好
工人就可以通过遥控器操作湿喷台车
自动完成混凝土的喷射任务
即使喷射混凝土
也不能完全保证隧道的稳固
地质断层破碎带岩石结构脆弱
岩壁可能会在应力的作用下
发生变形甚至坍塌
为了对隧道进行加固
工程师会在地质条件恶劣的区域
往隧道内部岩体
插入许多根特制的锚杆
共同组成了一副钢铁骨架
将隧道周边的岩石牢牢地固定在一起
保持隧道岩面的稳固
在岩石软弱的隧道段
还会安装
与隧道轮廓一样形状的钢铁拱架
为了防止地下水的渗漏
还会给隧道岩壁铺上防水布和防水板
2021年1月25日
经历1400多天的艰苦奋战
新华隧道终于胜利贯通
随着中国高速网络不断延伸扩展
意味着高铁将在环境更恶劣
地质更复杂的区域开工建造
传统以人工为主的建造方法
在工程安全和效率上
都难以适应高铁工程
高标准、高精度的要求
创新装备和创新科技
成为现代高铁工程
可靠的施工保障
这些先进的机械装备的广泛应用
将逐渐实现中国工程建造技术
无人化、自动化的升级跨越
来源：央视、中铁一局五公司
编辑：杨智友 张根城
