蘭渝鐵路西秦嶺隧道

楊木高

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

1 工程意義

蘭渝鐵路是“一帶一路”渝新歐國際鐵路的重要組成部分，與渝黔鐵路、貴廣鐵路相連接，構成蘭州至廣州的南北快速鐵路大干線，是西部地區連接珠三角、長三角地區的重要通道，是我國鐵路網的重要組成部分。蘭渝鐵路的修建大大縮短了區域間客、貨運輸的距離和時間，大幅度提高了輸送能力和運輸質量。同時，蘭州至重慶的鐵路運輸距離將由現狀的1 466 km縮短至855 km，客車運行時間由現狀的22.5 h縮短至6.5 h，是連接中國西南、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，我國在隧道建設實踐中針對地質復雜的特長隧道摸索出了一套完整的技術體系，成功建成了烏鞘嶺、新關角等特長隧道。自20世紀90年代開始，我國引進了TBM技術，先后成功修建了秦嶺、磨溝嶺、桃花鋪2號、中天山等隧道，促進了隧道修建技術水平的提高。如何在復雜地質特長隧道中采用TBM施工目前還沒有成功的先例，尤其是如何實現TBM的長距離、快速掘進仍是一個未經探索的領域。到目前為止，雖然引進TBM施工技術已20年，但我國在大直徑(10 m以上)TBM關鍵裝備的研發、制造領域與國際水平仍存在較大的差距。

西秦嶺隧道采用TBM技術修建具有2點重要的工程意義： 一是作為項目控制性工程，其順利建成可實現全線早日通車運營；二是為我國采用TBM修建復雜地質特長隧道實現了又一次的技術躍升，推動了TBM產業的發展和隧道施工機械化水平的提升，進一步提高了我國特長隧道修建的總體技術水平。

2 工程概況

2.1 設計概況

西秦嶺隧道位于甘肅省隴南市武都區境內，進口位于透防鄉潘家溝，出口位于洛塘鎮老盤底，隧道走行于秦嶺高中山區，地勢總體趨勢西高東低，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28.236 km，是全線最長、國內已建成通車第2長的隧道。建設工期為68個月，為全線的控制性工程，采用TBM施工。

設計為2座單線隧道，線間距為40 m。洞身均位于直線地段，進口段11.6 km為13‰上坡，出口段16.6 km為3‰下坡，進口軌面高程為968.35 m，出口軌面高程為1 064.631 m。旅客列車設計行車速度為200 km/h，采用雙層集裝箱運輸，雙塊式無碴軌道。

2.2 工程地質

隧道洞身通過主要地層進口段約8 km為石炭系下統泥盆系灰巖、砂質千枚巖，出口段約20 km為下元古界灰巖、變砂巖夾砂質千枚巖、變砂巖、砂質千枚巖，以及斷層角礫巖和斷層泥礫。工點范圍內斷層較為發育，其中F6為區域斷層，f54、f55、f59為次級斷層。隧道的正常涌水量為42 566 m3/d，可能出現最大涌水量為129 209 m3/d。地質縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 地質縱斷面示意圖Fig. 1 Sketch of geological profile

2.3 施工組織方案

結合地質狀況及TBM適應性研究，進口約8 km(F6活動斷層前)地層巖性多變，軟硬不均，斷裂構造發育，確定采用鉆爆法施工，并設店子坪1號和2號斜井輔助施工。出口約20 km以下元古界變質砂巖、砂質千枚巖為主，巖性較均一，軟硬適中(巖石飽和單軸抗壓強度為30～60 MPa)，非常適合TBM施工，故采用2臺開敞式TBM并行施工，并在距出口10 km處設羅家理斜井，鉆爆法處理f59次級斷層及約1 km多石炭系地層。羅家理斜井同時兼具TBM設備中間檢修維護、TBM長距離施工接力通風、出碴以及作為運營防災緊急救援站點等功能。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 工程特點及建設難點

3.1 工程地質及水文地質條件復雜，施工難度大

隧道最大埋深達1 400 m，工點區域變質巖、沉積巖均有分布，洞身穿過F6區域性大斷裂和3條次級斷裂，構造裂隙水發育，施工中存在高地應力、高地溫、突涌水、坍塌等地質災害，施工難度大，TBM施工風險高。

3.2 大直徑長距離TBM快速掘進適應性

西秦嶺隧道TBM直徑達10.23 m，在國內僅次于錦屏隧道(12.4 m)。錦屏隧道TBM掘進約5 km，而西秦嶺隧道TBM需連續掘進長度達15.6 km，對大直徑TBM是個極大的挑戰。

3.3 全線重點控制性工程，工期緊

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

3.4 隧道埋深大，輔助坑道條件差，超長距離施工通風難度大

西秦嶺隧道通過埋深大于800 m段落16余km，最大埋深達1 400 m，設置輔助坑道條件差。TBM掘進距離約20 km，施工通風難度很大。

3.5 隧道運營安全保障要求高

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

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

4 工程關鍵技術

4.1 采用綜合勘察技術，選擇地質條件最優、適應TBM掘進的越嶺隧道方案

通過遙感技術、大面積區域地質調繪、可控源音頻大地電磁(CSAMT)的V8物探測線、深鉆孔等多種先進技術開展綜合地質勘察，查明了隧道通過范圍的地層巖性、地質構造、水文地質特征、圍巖特征、地溫、地應力、巖爆分布特征等。線路繞避不良地質體，大角度通過斷裂構造，減少對隧道的影響，最終選擇了地質條件最優的28 km隧道方案，且經施工驗證，TBM適應性良好。

4.2 連續皮帶機出碴工況下開敞式TBM掘進與二次襯砌同步施工技術

重點解決了如下問題： 1)二次襯砌施工時連續皮帶機出碴不間斷； 2)二次襯砌施工時大直徑軟管通風系統連續運行； 3)同步襯砌臺車行走不影響四軌雙線有軌運輸列車運行。襯砌臺車效果圖如圖4所示。

4.3 TBM長距離連續皮帶機快速出碴技術

1)多級皮帶機串聯冗余技術。在2級皮帶間設置分流裝置，在轉載皮帶機停機、維護和檢修期間，不會出現停工，保證掘進速度。

2)洞外分碴器自動切換裝碴技術。連續分碴器主要由操作控制系統、主分碴機構、子分碴機構及框架組成，實現連續不間斷分碴。

3)連續皮帶快速無損收放及延伸技術。該裝置實現在隧道內連續皮帶的自動收、放與皮帶運輸雙重功能，使皮帶輸送系統中的關鍵設備——連續皮帶機在隧道洞內使用時的皮帶延伸接長方便快捷，不再需要布置起重設備和開挖相應的洞室，使通過斜井出碴成為可能。多級串聯皮帶分碴口如圖5所示。洞外連續分碴器基本構造如圖6所示。皮帶收放裝置現場作業如圖7所示。

圖4 襯砌臺車效果圖Fig. 4 Design sketch of lining trolley

圖5 多級串聯皮帶分碴口Fig. 5 Muck separating ports of multi-stage series belt conveyors

1—連續給料裝置(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—結構鋼架；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—應急卸料口；5—混凝土防撞護墩；16—轉運工程車。主分碴器、左側子分碴器顯示結構內部情況；右側子分碴器顯示結構外部情況。

圖7 皮帶收放裝置現場作業Fig. 7 Field operation of belt extension and retraction device

4.4 TBM施工20 km超長距離施工通風技術

4.4.1 利用施工斜井，采用分階段通風模式

TBM 施工第1階段長度為10 134 m，采用獨頭壓入式通風方式，供風和排風長度均約為10 km；TBM 施工第2階段長度為9 808 m ，采用已貫通的第1階段取新鮮風流、斜井排污風的聯合巷道式通風方式，斜井通風長度為2 600 m，供風長度最長約20 km，排風長度最長約12.5 km。TBM施工第2階段通風布置如圖8所示。

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

4.4.2 采用大功率節能變頻風機(功率連續可調)、大直徑高壓軟風管及防漏型高強接頭等節能降耗綜合措施

1)大功率節能變頻軸流風機。國內首次在特長隧道施工中采用國際先進的大功率節能變頻軸流風機，主風機功率為3×160 kW，可實現功率在45～160 kW連續可調。

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

3)防漏型高強接頭。風管的所有接縫、接頭均采用全密封式焊接。

圖9 主風機及2.2 m大直徑軟風管布置Fig. 9 Layout of main fan and large-diameter air hose (2.2 m)

4.5 防災救援疏散技術

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。救援站通風排煙采用自安全隧道供風、豎井均衡排煙的模式，當一管隧道發生火災后，從另一管隧道取風，以保障緊急疏散時，人員能夠迎著新鮮空氣進行逃逸、疏散。在隧道緊急救援站范圍內隧道拱頂每100 m設1座排煙豎井，通過橫向排煙道連通排煙豎井與縱向排煙道，并通過縱向排煙道與羅家理斜井順接，通過羅家理斜井將隧道內的煙氣排出洞外。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 主要技術創新

1)首創了連續皮帶機出碴工況下TBM掘進與襯砌的同步施工技術，節省工期20個月。

2)研發了多級級聯、連續轉運皮帶快速出碴系統，實現了從TBM掘進工作面到碴場的連續快速出碴。

3)建立了TBM施工20 km超長距離通風技術體系，解決了特長隧道超長距離施工通風的世界性難題。

6 工期及獲得榮譽

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月開通運營。

6.2 獲得榮譽

獲得國際咨詢工程師聯合會(FIDIC)2018年度優秀工程獎、國際隧道及地下工程協會(ITA)2018年度重大工程提名獎。

7 工程參建單位

建設單位： 蘭渝鐵路有限責任公司。

設計單位： 中鐵第一勘察設計院集團有限公司。

施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司承擔左線施工任務; 中鐵十八局集團有限公司承擔右線施工任務。

監理單位： 四川鐵科建設監理有限公司。