超級隧道如何建

創新采用“三洞+四豎井”的施工方案

高海拔、高寒的超長高速公路隧道要如何修建呢？

一般的隧道會從兩端向中間同時掘進，采用鑿孔爆破和挖掘掏空山體，鑿出一條通道。然而，對于超長隧道采用兩端開挖掘進的方式，效率就會變得非常低下。如果按照這種方法，天山勝利隧道22.1千米的項目，一年只能掘進2千米，整個工期將達到11年。

如何縮短工期？建設者們提出了世界首創的“三洞+四豎井”施工方案。

“三洞”即左、右主洞和中導服務洞，左、右兩個主洞開挖直徑為14米，分別設計有兩個車道。中間的一條服務隧道直徑為8.4米，未來將用作應急和救援通道，可杜絕隧道內因事故等原因出現車輛擁堵的情況。

考慮到隧道地形、地質特點、施工工期以及運營后的防災救援等諸多因素，中導洞使用掘進機掘進，發揮掘進機快速施工的特點，一是可提前探明地質，二是為主洞提供工作面。兩個主洞則使用鉆爆法。兩種工藝組合，從而實現“長隧短打”。

“四豎井”即在整個隧道頂端開挖4座豎井，以實現縱向通風，相當于隧道的“呼吸系統”，以緩解特長隧道施工中的通風困難，滿足后期運營通風需求。2023年4月2日下午，天山勝利隧道出口端最后一座豎井順利落底貫通，標志著出口端4座豎井實現全部貫通。

豎井施工自2021年2月21日陸續設施，在井筒掘進過程中，存在涌水、巖爆、井壁掉塊、坍塌等風險，建設者們克服重重困難，歷時25個月，最終實現貫通。

我國自主研發的世界首創利器“首創號”

天山勝利隧道惡劣的自然環境、復雜的地質條件和高標準的建設要求，對施工技術裝備提出了巨大挑戰。2號豎井作為天山勝利隧道的通風井是其重要組成部分，是目前世界上最深的高速公路豎井，也是世界首個一次開挖成型的超大直徑硬巖大深度豎井。

為滿足現代豎井建設機械化、自動化、智能化要求，我國科研人員自主研發了世界首創高寒高海拔、大深度、超大直徑硬巖豎向掘進機“首創號”，刀盤直徑11.4米，豎向掘進深度達800米，采用全智能化掘進技術，可實現井下掘進無人化操作。

目前，大直徑豎井基本采用分級擴挖技術，“首創號”首次將掘進機破巖工藝與傳統鉆井完美結合，并實現超大直徑豎井一次成型，避免了傳統鉆爆法對巖石的擾動，并將作業人員從惡劣的自然環境中解脫出來。

“首創號”配置我國自主研發的垂直導向系統，精度控制在2毫米內，豎井垂直度更加精準。碎石經泥水循環系統排出，避免傳統設備排渣揚塵等對天山的自然環境造成污染。

創造性使用“勝利號”和“天山號”

“勝利號”和“天山號”是中國交通建設集團有限公司（下簡稱“中國交建”）為天山勝利隧道量身打造的掘進設備，在隧道中導洞穩定掘進，通過橫通道將左右雙主洞分隔成若干短隧道，增加作業面，這使得掘進效率大為提高，工期縮短約30%。

“勝利號”和“天山號”原名為“雪蓮號”和“雪山號”，是一對“孿生兄弟”。“這兩個掘進機開挖直徑為8.43米，每臺重約2 000噸。更為重要的是，它們可實現在多種世界級復雜地層下安全、環保、高效地掘進。”作為“勝利號”和“天山號”掘進機的總設計師，靳黨鵬帶領團隊針對超長、高寒高海拔、復雜地質條件等，首創新型壓注工法硬巖掘進機，這是世界掘進設備領域的重大創新。

“勝利號”和“天山號”具備三種不同的掘進模式和支護方式。“根據地質條件不同，可以切換不同的掘進模式和支護方式。”靳黨鵬說，“在較好的圍巖條件下，可以采用敞開式工法掘進模式；在破碎帶、軟弱圍巖、巖爆地層，可以采用單護盾鋼模板壓注式混凝土支護掘進模式；在極破碎帶、軟巖大變形、強巖爆地層段，可以采用單護盾鋼管片支護掘進模式。后兩種模式，就相當于對不良地層進行了加強型支護處理，以保證人員和設備的安全。”

如此一來，在面對斷裂帶等不良地層時，掘進效率大大提升。“從此前的施工進度看，穿越斷裂帶采用后兩種工法，每天大約可掘進12米。如果采用傳統的敞開式工法，每天大約可掘進一二米，而且還存在較大安全風險。”靳黨鵬進一步解釋道。

由此，原本72個月的工期將縮短至52個月。

“我們改變不了外界環境，只能改變應對方法。”靳黨鵬說，科技創新帶來的疊加效應非常明顯，目前他正根據“勝利號”和“天山號”使用情況進行進一步創新，為后續研發設計新設備作準備。

到目前為止，“勝利號”和“天山號”已獲發明、實用新型專利20余項。預計2023年10月，“勝利號”和“天山號”將在天山勝利隧道中段勝利“會師”，實現世界最長高速公路隧道的順利貫通。

5G助天山勝利隧道“智慧建造”

由于天山勝利隧道項目施工現場地處高寒高海拔的無人地區，無任何網絡信號，為保障工程穩步推進，中國電信新疆公司為天山勝利隧道鋪設光纜50千米，建設4/5G基站13座，實現了5G的無縫覆蓋，保證了項目部內視音頻、傳感器信息收集的準確性，為“5G+智慧隧道”多場景應用打下了堅實的基礎。

凡進入隧道的施工作業人員佩戴有定位功能的芯片和有定制攝像頭的安全帽，即“神奇的帽子”，利用5G傳輸信號，項目部和總部的大屏可以實時接收人員定位信息、軌跡信息、施工畫面等數據，實現地面管理人員對隧道作業人員的實時跟蹤和施工指導。

“工人帽子上安裝了定位器，在大屏幕上可實時監控。如果遇到突發情況，工人可以用帽子上的裝置報警，為發生事故后的營救工作提供及時、準確的人員信息。”中國交建新疆烏尉高速公路項目06標段項目經理李亞隆介紹。

天山勝利隧道項目施工中一旦出現透水或坍塌情況，將造成停工修復、工期延遲，經濟損失巨大的情況，中國電信新疆公司基于“5G+物聯網”技術，在隧道內布置氣體傳感器、震動傳感器、紅外線傳感器等傳感設備，實時監測隧道內有毒氣體、隧道墻體等現狀，同時將數據實時傳輸至地面分析平臺，利用平臺分析預警隧道安全性，切實為隧道安全施工保駕護航。在這條隧道內，5G網絡應用和隧道建設信息系統深度融合，實現了天山勝利隧道的“智慧建造”。