号称“工程师灾难”的北非第一长隧,中国用7年时间攻克

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甘塔斯隧道是北非阿尔及利亚北方战略铁路改造中的控制性工程,它“底子薄”、“体质差”, 隧道支护还易“拖后腿”,被称为“工程师的灾难”,许多国家都望而却步, 中国历时7年最终将其打通。

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

与贫穷落后的大部分非洲国家不同,位于北非的阿尔及利亚是一个发达程度较高的国家,它的人均GDP有3800美元,相当于中国2008年的水平。

在阿尔及利亚北部,有一条曾经难倒了许多国家的专家、被法国工程界称之为“工程师灾难”的隧道,这就是甘塔斯隧道。然而,这项被认为是史上最难开凿的隧道工程,最终却被中国的工程师们攻克了。

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(甘塔斯隧道出口)

(一)甘塔斯隧道修不好,整个北方铁路干线改造等于白搭

阿尔及利亚的人口主要分布在北部沿地中海地区,这里经济发达,过去的宗主国法国曾为这里修建了铁路网。其中,阿尔及利亚北方铁路干线是阿尔及利亚铁路网七条干线中的第一条,其它的六条干线都是由它延伸或辐射而来。

北方铁路干线最早开工建设于1857年法国殖民年代,沿线跨越了北部最发达、人口最稠密的22个省,阿尔及利亚国家前十大城市就有七个位于北方铁路干线上,是名副其实的铁路大动脉。

这条铁路大动脉时至今日仍在繁忙地运行,而且保养良好。既然这样,为什么还要重修呢?

原来,旧铁路在修建时,由于桥隧技术不到位,在许多地方线路被迫弯曲,列车运行速度被迫下降,80公里的时速在几十年前算是一流,可到了现在,就无法满足运输需求了。

因此,旧铁路必须进行线路改造,搭桥梁,挖隧道,截弯取直。这样一来,可以将80公里的时速提高到160公里,极大地提高北方干线的输送能力。

在北方战略铁路的改造工程中,位于首都阿尔及尔以西100公里处的甘塔斯隧道是最为重要的控制性工程。换句话说,如果它修不好,整条线路修好了也白搭。

这是一个分离式双洞单线隧道,左线长7346米,右线长7335米,共计14.68公里,是北非地区的最长隧道。

(二)什么样的工程会被称为“工程师的灾难”?

既然甘塔斯隧道的修建能带来这么大的好处,那为什么长久以来,无论是阿尔及利亚本国,还是原来的法国殖民者都没有修呢?因为甘塔斯隧道实在太难修了。

甘塔斯隧道被称为“三极隧道”:这里地质围岩状况极差,地应力极高,膨胀性极强,地质条件被法国工程界称之为“工程师的灾难”。

什么是良好的地质条件?简单来说,就是隧道挖开时,里面的岩石质地均匀,硬度适中,没有内部应力,挖开后既不会发生体积变形,也不会破碎,拥有很好的直立性。

有许多隧道就是这样,挖开后甚至不需要钢筋混凝土护壁,光靠岩石本身的强度就可以屹立几百年。

然而,甘塔斯隧道的一切几乎都是与这个标准反着来的:这里的围岩以具膨胀性泥灰岩、页岩等软岩为主,强度很低而且不均匀,基本上不能指望它们靠自己保持稳定。

项目地处阿尔卑斯褶皱带,隧道地质构造复杂,地应力主方向与隧道走向近乎垂直,极易造成围岩的塑性变形,这导致隧道所处位置的地应力极高,一旦挖开,破坏了内部原来的应力稳定,就很容易发生破坏甚至塌方。

此外,岩石的膨胀性还极强,基本上别想让它们保持不变形。

所有这些条件作用在一起,导致施工难度极大。

(隧道入口进洞施工,宛如在沙漠中挖掘)

隧道的岩层主要系第三纪中新世沉积泥灰岩,其显著特性是遇水膨胀、失水收缩。它极为善变,一旦周围环境发生变化,比如扰动、湿度增加、空气流通等,它的状态性质就会发生改变,变得破碎不稳定。

相应地,对支护结构的时效性、强度、抵抗变形能力要求也高了。它使得隧道开挖支护变得异常艰难。更痛苦的是,隧道中有900米的范围内还存在岩层系泥灰岩夹砂岩,在破碎的砂岩中含有大量潜水,更加容易引起隧道支护的质量通病。

(隧道内的防水施工)

由于隧道处于这样的恶劣地质条件下,因此不得不采用大量的重型支护设施,即型钢拱架锚喷支护。整个隧道共用了约两万五千吨拱架,平均1.72吨/米,极大地延长了施工时间。

说到底,正因为甘塔斯隧道光是看上去就十分难修,所以才找了拥有丰富修隧道经验的中国团队来修。

(三)规范的碰撞中,中国标准和经验体系走向了世界

非洲国家的工程建设通常遵循前宗主国的技术标准,因此,尽管工程由中国公司进行设计和施工,所在国政府通常也喜欢从前宗主国聘请监理单位来进行监督。

阿尔及利亚也不例外,甘塔斯隧道的施工中,就有法国监理始终盯在现场。

(中国工程师与欧洲监理,在非洲工程中已经成了标配)

1、中西方设计理念和施工习惯不同,极大影响施工进度

中欧在技术标准上多有不同,这个问题相对容易解决,毕竟标准都是写在纸面上的,很容易学会;但设计理念和施工习惯上的冲突,很多时候难以调和。

1)中国模式施工效率高,但过度依赖经验

相比起欧洲的设计和施工理念,中国的模式有两大特点:一是多采用标准图集,在施工中尽量服从设计,最大限度地降低现场施工的复杂程度。二是根据现场情况随机应变,第一时间解决突发状况,根据围岩状况及时调整支护类型,做到经济合理,安全可靠。

中国模式的优点是施工复杂度低,处理问题果断有效,施工效率高,但很多时候比较依靠经验。

(钻孔取芯)

2)欧洲模式技术含量高,但工期漫长

而欧洲模式则更加侧重于亲临现场进行设计,尽其所能地优化施工方案。在施工前获取超前地质钻探资料,当出现突发状况时,首先要向监理工程师提交书面处理程序,程序中主要阐述原因、拟采取的措施以及工程数量的确认方法,批复后方可按照程序进行施工。

欧洲模式的优点是技术含量高,能够最大限度地优化方案,节约资源,但按照这种模式施工,工期会变得极为漫长。

在施工中,作为设计和施工方的中国公司与作为监理方的法国公司需要经常讨论,商定方案,由于施工理念的不合,施工进度时常遭到阻碍。最严重的隧道出口软弱围岩段就曾经停工了整整一年半。

3)“中西合璧”,加快施工进度

在与监理不断的沟通、磨合中,中方逐渐适应了欧洲的质量控制方法,在中方的处理程序中更多的加入了欧洲惯用的方法,监理方也认可了我方的质量问题处理方法,相互间建立了信任,后期在解决上述问题上就容易得多,节省了时间,加快了进度。

(隧道初期支护拱架施工)

2、学习欧洲先进经验,规避隧道运营中风险

作为老牌发达国家,欧洲有许多先进的经验可供我们学习。

例如,在阿尔及利亚,许多地段根本不存在地下水,但围岩却有很大的膨胀性,这在工程中是一件很难对付的事情。但对于膨胀性围岩的支护设计,欧洲就具有丰富的实践经验。

对于甘塔斯隧道的复杂情况,中法双方经过多次讨论,决定采用刚性支护而非较常采用的柔性支护,以较大的刚性抵抗地层的膨胀,以避免将来在运营期间出现二衬及仰拱破坏的情况。

从最终的实施结果来看,支护取得了非常理想的效果。

(隧道初期支护仰拱施工)

3、中国施工技术冲出“死路”

与此同时,中国高超的施工技术也解决了许多欧洲工程师认为是死路的问题。

当隧道掘进至距洞口900米时,质量监控信息反馈,支护变形异常,变形值超过允许值,出现了拱架断裂,喷射混凝土开裂、剥落等的现象,泥灰岩在遇到水后,泥浆化问题严重。

按照欧洲的标准,修隧道过程中挖出一个洞后,要充分暴露里面的岩层,等它稳定后再去加固。但现实是泥灰岩暴露时间越长,膨胀越厉害,现在加固一层根本没办法顶住膨胀力,欧洲的做法适得其反。

最终,还是靠中国专家丰富的工程经验,安排国内试验机构再次分析泥灰岩成分特性后提出新的方案。为了说服法国监理,中国按照自己的方案自费修了30米试验段,经过检验后发现变形问题得到了控制,这才让方案得到了实行。

在中欧标准发生了一次次碰撞后,施工和设计经验也发生了融合。在双方的优势共同叠加之后,中国标准与经验也借助这个体系走向了世界。

结语

2017年10月30日,甘塔斯隧道正式贯通。这条线路大大方便了沿线居民的出行和货运,大城市奥兰到首都阿尔及尔的行程由原来的4小时缩短到2小时。它向世界证明,中国公司完全可以适应严格的欧洲标准,有能力参与复杂工程的设计而不仅仅是施工工作,并且拥有极强的竞争力。

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编辑| 于冉帝、史文慧

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