蘭渝鐵路西秦嶺隧道

楊木高

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

1 工程意義

蘭渝鐵路是“一帶一路”渝新歐國(guó)際鐵路的重要組成部分，與渝黔鐵路、貴廣鐵路相連接，構(gòu)成蘭州至廣州的南北快速鐵路大干線，是西部地區(qū)連接珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)的重要通道，是我國(guó)鐵路網(wǎng)的重要組成部分。蘭渝鐵路的修建大大縮短了區(qū)域間客、貨運(yùn)輸?shù)木嚯x和時(shí)間，大幅度提高了輸送能力和運(yùn)輸質(zhì)量。同時(shí)，蘭州至重慶的鐵路運(yùn)輸距離將由現(xiàn)狀的1 466 km縮短至855 km，客車運(yùn)行時(shí)間由現(xiàn)狀的22.5 h縮短至6.5 h，是連接中國(guó)西南、西北之間最便捷、最快速的通道。

西秦嶺隧道為全線的控制性工程，采用TBM施工。多年來(lái)，我國(guó)在隧道建設(shè)實(shí)踐中針對(duì)地質(zhì)復(fù)雜的特長(zhǎng)隧道摸索出了一套完整的技術(shù)體系，成功建成了烏鞘嶺、新關(guān)角等特長(zhǎng)隧道。自20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)引進(jìn)了TBM技術(shù)，先后成功修建了秦嶺、磨溝嶺、桃花鋪2號(hào)、中天山等隧道，促進(jìn)了隧道修建技術(shù)水平的提高。如何在復(fù)雜地質(zhì)特長(zhǎng)隧道中采用TBM施工目前還沒(méi)有成功的先例，尤其是如何實(shí)現(xiàn)TBM的長(zhǎng)距離、快速掘進(jìn)仍是一個(gè)未經(jīng)探索的領(lǐng)域。到目前為止，雖然引進(jìn)TBM施工技術(shù)已20年，但我國(guó)在大直徑(10 m以上)TBM關(guān)鍵裝備的研發(fā)、制造領(lǐng)域與國(guó)際水平仍存在較大的差距。

西秦嶺隧道采用TBM技術(shù)修建具有2點(diǎn)重要的工程意義： 一是作為項(xiàng)目控制性工程，其順利建成可實(shí)現(xiàn)全線早日通車運(yùn)營(yíng)；二是為我國(guó)采用TBM修建復(fù)雜地質(zhì)特長(zhǎng)隧道實(shí)現(xiàn)了又一次的技術(shù)躍升，推動(dòng)了TBM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和隧道施工機(jī)械化水平的提升，進(jìn)一步提高了我國(guó)特長(zhǎng)隧道修建的總體技術(shù)水平。

2 工程概況

2.1 設(shè)計(jì)概況

西秦嶺隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)，進(jìn)口位于透防鄉(xiāng)潘家溝，出口位于洛塘鎮(zhèn)老盤底，隧道走行于秦嶺高中山區(qū)，地勢(shì)總體趨勢(shì)西高東低，山體陡峻，溝谷深切多呈“V”字形。隧道高程為1 000～2 400 m，最大埋深約1 400 m，全長(zhǎng)28.236 km，是全線最長(zhǎng)、國(guó)內(nèi)已建成通車第2長(zhǎng)的隧道。建設(shè)工期為68個(gè)月，為全線的控制性工程，采用TBM施工。

設(shè)計(jì)為2座單線隧道，線間距為40 m。洞身均位于直線地段，進(jìn)口段11.6 km為13‰上坡，出口段16.6 km為3‰下坡，進(jìn)口軌面高程為968.35 m，出口軌面高程為1 064.631 m。旅客列車設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h，采用雙層集裝箱運(yùn)輸，雙塊式無(wú)碴軌道。

2.2 工程地質(zhì)

隧道洞身通過(guò)主要地層進(jìn)口段約8 km為石炭系下統(tǒng)泥盆系灰?guī)r、砂質(zhì)千枚巖，出口段約20 km為下元古界灰?guī)r、變砂巖夾砂質(zhì)千枚巖、變砂巖、砂質(zhì)千枚巖，以及斷層角礫巖和斷層泥礫。工點(diǎn)范圍內(nèi)斷層較為發(fā)育，其中F6為區(qū)域斷層，f54、f55、f59為次級(jí)斷層。隧道的正常涌水量為42 566 m3/d，可能出現(xiàn)最大涌水量為129 209 m3/d。地質(zhì)縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)縱斷面示意圖Fig. 1 Sketch of geological profile

2.3 施工組織方案

結(jié)合地質(zhì)狀況及TBM適應(yīng)性研究，進(jìn)口約8 km(F6活動(dòng)斷層前)地層巖性多變，軟硬不均，斷裂構(gòu)造發(fā)育，確定采用鉆爆法施工，并設(shè)店子坪1號(hào)和2號(hào)斜井輔助施工。出口約20 km以下元古界變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)千枚巖為主，巖性較均一，軟硬適中(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～60 MPa)，非常適合TBM施工，故采用2臺(tái)開敞式TBM并行施工，并在距出口10 km處設(shè)羅家理斜井，鉆爆法處理f59次級(jí)斷層及約1 km多石炭系地層。羅家理斜井同時(shí)兼具TBM設(shè)備中間檢修維護(hù)、TBM長(zhǎng)距離施工接力通風(fēng)、出碴以及作為運(yùn)營(yíng)防災(zāi)緊急救援站點(diǎn)等功能。施工組織方案示意圖如圖2所示。

圖2 施工組織方案示意圖(單位： km)Fig. 2 Sketch of construction scheme (unit: km)

3 工程特點(diǎn)及建設(shè)難點(diǎn)

3.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大

隧道最大埋深達(dá)1 400 m，工點(diǎn)區(qū)域變質(zhì)巖、沉積巖均有分布，洞身穿過(guò)F6區(qū)域性大斷裂和3條次級(jí)斷裂，構(gòu)造裂隙水發(fā)育，施工中存在高地應(yīng)力、高地溫、突涌水、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，施工難度大，TBM施工風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2 大直徑長(zhǎng)距離TBM快速掘進(jìn)適應(yīng)性

西秦嶺隧道TBM直徑達(dá)10.23 m，在國(guó)內(nèi)僅次于錦屏隧道(12.4 m)。錦屏隧道TBM掘進(jìn)約5 km，而西秦嶺隧道TBM需連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)15.6 km，對(duì)大直徑TBM是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

3.3 全線重點(diǎn)控制性工程，工期緊

西秦嶺隧道為蘭渝鐵路控制性工程，計(jì)劃貫通工期(含二次襯砌)為68個(gè)月。如果按照以往的TBM施工方法，即掘進(jìn)貫通—TBM拆機(jī)退出—襯砌的單工序作業(yè)工法，難以體現(xiàn)TBM快速、安全、高效的特點(diǎn)。

3.4 隧道埋深大，輔助坑道條件差，超長(zhǎng)距離施工通風(fēng)難度大

西秦嶺隧道通過(guò)埋深大于800 m段落16余km，最大埋深達(dá)1 400 m，設(shè)置輔助坑道條件差。TBM掘進(jìn)距離約20 km，施工通風(fēng)難度很大。

3.5 隧道運(yùn)營(yíng)安全保障要求高

西秦嶺隧道為全線控制性工程，地位極其重要，社會(huì)影響力極大，這些條件決定了西秦嶺隧道的運(yùn)營(yíng)安全要求非常高。西秦嶺隧道建設(shè)控制要素示意圖如圖3所示。

圖3 西秦嶺隧道建設(shè)控制要素示意圖Fig. 3 Sketch of control elements for construction of West Qinling Tunnel

4 工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采用綜合勘察技術(shù)，選擇地質(zhì)條件最優(yōu)、適應(yīng)TBM掘進(jìn)的越嶺隧道方案

通過(guò)遙感技術(shù)、大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪、可控源音頻大地電磁(CSAMT)的V8物探測(cè)線、深鉆孔等多種先進(jìn)技術(shù)開展綜合地質(zhì)勘察，查明了隧道通過(guò)范圍的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、圍巖特征、地溫、地應(yīng)力、巖爆分布特征等。線路繞避不良地質(zhì)體，大角度通過(guò)斷裂構(gòu)造，減少對(duì)隧道的影響，最終選擇了地質(zhì)條件最優(yōu)的28 km隧道方案，且經(jīng)施工驗(yàn)證，TBM適應(yīng)性良好。

4.2 連續(xù)皮帶機(jī)出碴工況下開敞式TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)

重點(diǎn)解決了如下問(wèn)題： 1)二次襯砌施工時(shí)連續(xù)皮帶機(jī)出碴不間斷； 2)二次襯砌施工時(shí)大直徑軟管通風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行； 3)同步襯砌臺(tái)車行走不影響四軌雙線有軌運(yùn)輸列車運(yùn)行。襯砌臺(tái)車效果圖如圖4所示。

4.3 TBM長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)快速出碴技術(shù)

1)多級(jí)皮帶機(jī)串聯(lián)冗余技術(shù)。在2級(jí)皮帶間設(shè)置分流裝置，在轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)停機(jī)、維護(hù)和檢修期間，不會(huì)出現(xiàn)停工，保證掘進(jìn)速度。

2)洞外分碴器自動(dòng)切換裝碴技術(shù)。連續(xù)分碴器主要由操作控制系統(tǒng)、主分碴機(jī)構(gòu)、子分碴機(jī)構(gòu)及框架組成，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷分碴。

3)連續(xù)皮帶快速無(wú)損收放及延伸技術(shù)。該裝置實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)連續(xù)皮帶的自動(dòng)收、放與皮帶運(yùn)輸雙重功能，使皮帶輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——連續(xù)皮帶機(jī)在隧道洞內(nèi)使用時(shí)的皮帶延伸接長(zhǎng)方便快捷，不再需要布置起重設(shè)備和開挖相應(yīng)的洞室，使通過(guò)斜井出碴成為可能。多級(jí)串聯(lián)皮帶分碴口如圖5所示。洞外連續(xù)分碴器基本構(gòu)造如圖6所示。皮帶收放裝置現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖7所示。

圖4 襯砌臺(tái)車效果圖Fig. 4 Design sketch of lining trolley

圖5 多級(jí)串聯(lián)皮帶分碴口Fig. 5 Muck separating ports of multi-stage series belt conveyors

1—連續(xù)給料裝置(出碴口)；2—主分碴器受料接口；3—主分碴器切換液壓油缸；4—主分碴器切換板；5—切換軸端密封；6—結(jié)構(gòu)鋼架；7—主分碴器梭槽；8—子分碴器受料口；9—子分碴器切換液壓油缸；10—子分碴器切換板；11—限位板；12—子分碴器卸料口；13—外覆電加熱板；14—應(yīng)急卸料口；5—混凝土防撞護(hù)墩；16—轉(zhuǎn)運(yùn)工程車。主分碴器、左側(cè)子分碴器顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況；右側(cè)子分碴器顯示結(jié)構(gòu)外部情況。

圖7 皮帶收放裝置現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)Fig. 7 Field operation of belt extension and retraction device

4.4 TBM施工20 km超長(zhǎng)距離施工通風(fēng)技術(shù)

4.4.1 利用施工斜井，采用分階段通風(fēng)模式

TBM 施工第1階段長(zhǎng)度為10 134 m，采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式，供風(fēng)和排風(fēng)長(zhǎng)度均約為10 km；TBM 施工第2階段長(zhǎng)度為9 808 m ，采用已貫通的第1階段取新鮮風(fēng)流、斜井排污風(fēng)的聯(lián)合巷道式通風(fēng)方式，斜井通風(fēng)長(zhǎng)度為2 600 m，供風(fēng)長(zhǎng)度最長(zhǎng)約20 km，排風(fēng)長(zhǎng)度最長(zhǎng)約12.5 km。TBM施工第2階段通風(fēng)布置如圖8所示。

圖8 TBM施工第2階段通風(fēng)布置Fig. 8 Ventilation layout for second stage of TBM construction

4.4.2 采用大功率節(jié)能變頻風(fēng)機(jī)(功率連續(xù)可調(diào))、大直徑高壓軟風(fēng)管及防漏型高強(qiáng)接頭等節(jié)能降耗綜合措施

1)大功率節(jié)能變頻軸流風(fēng)機(jī)。國(guó)內(nèi)首次在特長(zhǎng)隧道施工中采用國(guó)際先進(jìn)的大功率節(jié)能變頻軸流風(fēng)機(jī)，主風(fēng)機(jī)功率為3×160 kW，可實(shí)現(xiàn)功率在45～160 kW連續(xù)可調(diào)。

2)大直徑高壓軟風(fēng)管。采用直徑為2.2 m的高壓新型軟風(fēng)管，風(fēng)管可以承受的最大工作壓力為1.78 MPa。主風(fēng)機(jī)及2.2 m 大直徑軟風(fēng)管布置如圖9所示。

3)防漏型高強(qiáng)接頭。風(fēng)管的所有接縫、接頭均采用全密封式焊接。

圖9 主風(fēng)機(jī)及2.2 m大直徑軟風(fēng)管布置Fig. 9 Layout of main fan and large-diameter air hose (2.2 m)

4.5 防災(zāi)救援疏散技術(shù)

采用加密疏散橫通道，利用2管隧道互相救援、疏散的救援站模式。救援站通風(fēng)排煙采用自安全隧道供風(fēng)、豎井均衡排煙的模式，當(dāng)一管隧道發(fā)生火災(zāi)后，從另一管隧道取風(fēng)，以保障緊急疏散時(shí)，人員能夠迎著新鮮空氣進(jìn)行逃逸、疏散。在隧道緊急救援站范圍內(nèi)隧道拱頂每100 m設(shè)1座排煙豎井，通過(guò)橫向排煙道連通排煙豎井與縱向排煙道，并通過(guò)縱向排煙道與羅家理斜井順接，通過(guò)羅家理斜井將隧道內(nèi)的煙氣排出洞外。緊急救援站排煙方案剖面示意圖如圖10所示。

圖10 緊急救援站排煙方案剖面示意圖(單位： cm)Fig. 10 Profile of air exhaust plan for emergency rescue station (unit: cm)

5 主要技術(shù)創(chuàng)新

1)首創(chuàng)了連續(xù)皮帶機(jī)出碴工況下TBM掘進(jìn)與襯砌的同步施工技術(shù)，節(jié)省工期20個(gè)月。

2)研發(fā)了多級(jí)級(jí)聯(lián)、連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶快速出碴系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從TBM掘進(jìn)工作面到碴場(chǎng)的連續(xù)快速出碴。

3)建立了TBM施工20 km超長(zhǎng)距離通風(fēng)技術(shù)體系，解決了特長(zhǎng)隧道超長(zhǎng)距離施工通風(fēng)的世界性難題。

6 工期及獲得榮譽(yù)

6.1 工期

工程自2008年9月開工，左線于2013年4月貫通，右線于2014年7月貫通，2016年12月開通運(yùn)營(yíng)。

6.2 獲得榮譽(yù)

獲得國(guó)際咨詢工程師聯(lián)合會(huì)(FIDIC)2018年度優(yōu)秀工程獎(jiǎng)、國(guó)際隧道及地下工程協(xié)會(huì)(ITA)2018年度重大工程提名獎(jiǎng)。

7 工程參建單位

建設(shè)單位： 蘭渝鐵路有限責(zé)任公司。

設(shè)計(jì)單位： 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司。

施工單位： 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司承擔(dān)左線施工任務(wù); 中鐵十八局集團(tuán)有限公司承擔(dān)右線施工任務(wù)。

監(jiān)理單位： 四川鐵科建設(shè)監(jiān)理有限公司。