兰渝铁路西秦岭隧道

杨木高

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043)

1 工程意义

兰渝铁路是“一带一路”渝新欧国际铁路的重要组成部分，与渝黔铁路、贵广铁路相连接，构成兰州至广州的南北快速铁路大干线，是西部地区连接珠三角、长三角地区的重要通道，是我国铁路网的重要组成部分。兰渝铁路的修建大大缩短了区域间客、货运输的距离和时间，大幅度提高了输送能力和运输质量。同时，兰州至重庆的铁路运输距离将由现状的1 466 km缩短至855 km，客车运行时间由现状的22.5 h缩短至6.5 h，是连接中国西南、西北之间最便捷、最快速的通道。

西秦岭隧道为全线的控制性工程，采用TBM施工。多年来，我国在隧道建设实践中针对地质复杂的特长隧道摸索出了一套完整的技术体系，成功建成了乌鞘岭、新关角等特长隧道。自20世纪90年代开始，我国引进了TBM技术，先后成功修建了秦岭、磨沟岭、桃花铺2号、中天山等隧道，促进了隧道修建技术水平的提高。如何在复杂地质特长隧道中采用TBM施工目前还没有成功的先例，尤其是如何实现TBM的长距离、快速掘进仍是一个未经探索的领域。到目前为止，虽然引进TBM施工技术已20年，但我国在大直径(10 m以上)TBM关键装备的研发、制造领域与国际水平仍存在较大的差距。

西秦岭隧道采用TBM技术修建具有2点重要的工程意义： 一是作为项目控制性工程，其顺利建成可实现全线早日通车运营；二是为我国采用TBM修建复杂地质特长隧道实现了又一次的技术跃升，推动了TBM产业的发展和隧道施工机械化水平的提升，进一步提高了我国特长隧道修建的总体技术水平。

2 工程概况

2.1 设计概况

西秦岭隧道位于甘肃省陇南市武都区境内，进口位于透防乡潘家沟，出口位于洛塘镇老盘底，隧道走行于秦岭高中山区，地势总体趋势西高东低，山体陡峻，沟谷深切多呈“V”字形。隧道高程为1 000～2 400 m，最大埋深约1 400 m，全长28.236 km，是全线最长、国内已建成通车第2长的隧道。建设工期为68个月，为全线的控制性工程，采用TBM施工。

设计为2座单线隧道，线间距为40 m。洞身均位于直线地段，进口段11.6 km为13‰上坡，出口段16.6 km为3‰下坡，进口轨面高程为968.35 m，出口轨面高程为1 064.631 m。旅客列车设计行车速度为200 km/h，采用双层集装箱运输，双块式无碴轨道。

2.2 工程地质

隧道洞身通过主要地层进口段约8 km为石炭系下统泥盆系灰岩、砂质千枚岩，出口段约20 km为下元古界灰岩、变砂岩夹砂质千枚岩、变砂岩、砂质千枚岩，以及断层角砾岩和断层泥砾。工点范围内断层较为发育，其中F6为区域断层，f54、f55、f59为次级断层。隧道的正常涌水量为42 566 m3/d，可能出现最大涌水量为129 209 m3/d。地质纵断面示意图如图1所示。

图1 地质纵断面示意图Fig. 1 Sketch of geological profile

2.3 施工组织方案

结合地质状况及TBM适应性研究，进口约8 km(F6活动断层前)地层岩性多变，软硬不均，断裂构造发育，确定采用钻爆法施工，并设店子坪1号和2号斜井辅助施工。出口约20 km以下元古界变质砂岩、砂质千枚岩为主，岩性较均一，软硬适中(岩石饱和单轴抗压强度为30～60 MPa)，非常适合TBM施工，故采用2台开敞式TBM并行施工，并在距出口10 km处设罗家理斜井，钻爆法处理f59次级断层及约1 km多石炭系地层。罗家理斜井同时兼具TBM设备中间检修维护、TBM长距离施工接力通风、出碴以及作为运营防灾紧急救援站点等功能。施工组织方案示意图如图2所示。

图2 施工组织方案示意图(单位： km)Fig. 2 Sketch of construction scheme (unit: km)

3 工程特点及建设难点

3.1 工程地质及水文地质条件复杂，施工难度大

隧道最大埋深达1 400 m，工点区域变质岩、沉积岩均有分布，洞身穿过F6区域性大断裂和3条次级断裂，构造裂隙水发育，施工中存在高地应力、高地温、突涌水、坍塌等地质灾害，施工难度大，TBM施工风险高。

3.2 大直径长距离TBM快速掘进适应性

西秦岭隧道TBM直径达10.23 m，在国内仅次于锦屏隧道(12.4 m)。锦屏隧道TBM掘进约5 km，而西秦岭隧道TBM需连续掘进长度达15.6 km，对大直径TBM是个极大的挑战。

3.3 全线重点控制性工程，工期紧

西秦岭隧道为兰渝铁路控制性工程，计划贯通工期(含二次衬砌)为68个月。如果按照以往的TBM施工方法，即掘进贯通—TBM拆机退出—衬砌的单工序作业工法，难以体现TBM快速、安全、高效的特点。

3.4 隧道埋深大，辅助坑道条件差，超长距离施工通风难度大

西秦岭隧道通过埋深大于800 m段落16余km，最大埋深达1 400 m，设置辅助坑道条件差。TBM掘进距离约20 km，施工通风难度很大。

3.5 隧道运营安全保障要求高

西秦岭隧道为全线控制性工程，地位极其重要，社会影响力极大，这些条件决定了西秦岭隧道的运营安全要求非常高。西秦岭隧道建设控制要素示意图如图3所示。

图3 西秦岭隧道建设控制要素示意图Fig. 3 Sketch of control elements for construction of West Qinling Tunnel

4 工程关键技术

4.1 采用综合勘察技术，选择地质条件最优、适应TBM掘进的越岭隧道方案

通过遥感技术、大面积区域地质调绘、可控源音频大地电磁(CSAMT)的V8物探测线、深钻孔等多种先进技术开展综合地质勘察，查明了隧道通过范围的地层岩性、地质构造、水文地质特征、围岩特征、地温、地应力、岩爆分布特征等。线路绕避不良地质体，大角度通过断裂构造，减少对隧道的影响，最终选择了地质条件最优的28 km隧道方案，且经施工验证，TBM适应性良好。

4.2 连续皮带机出碴工况下开敞式TBM掘进与二次衬砌同步施工技术

重点解决了如下问题： 1)二次衬砌施工时连续皮带机出碴不间断； 2)二次衬砌施工时大直径软管通风系统连续运行； 3)同步衬砌台车行走不影响四轨双线有轨运输列车运行。衬砌台车效果图如图4所示。

4.3 TBM长距离连续皮带机快速出碴技术

1)多级皮带机串联冗余技术。在2级皮带间设置分流装置，在转载皮带机停机、维护和检修期间，不会出现停工，保证掘进速度。

2)洞外分碴器自动切换装碴技术。连续分碴器主要由操作控制系统、主分碴机构、子分碴机构及框架组成，实现连续不间断分碴。

3)连续皮带快速无损收放及延伸技术。该装置实现在隧道内连续皮带的自动收、放与皮带运输双重功能，使皮带输送系统中的关键设备——连续皮带机在隧道洞内使用时的皮带延伸接长方便快捷，不再需要布置起重设备和开挖相应的洞室，使通过斜井出碴成为可能。多级串联皮带分碴口如图5所示。洞外连续分碴器基本构造如图6所示。皮带收放装置现场作业如图7所示。

图4 衬砌台车效果图Fig. 4 Design sketch of lining trolley

图5 多级串联皮带分碴口Fig. 5 Muck separating ports of multi-stage series belt conveyors

1—连续给料装置(出碴口)；2—主分碴器受料接口；3—主分碴器切换液压油缸；4—主分碴器切换板；5—切换轴端密封；6—结构钢架；7—主分碴器梭槽；8—子分碴器受料口；9—子分碴器切换液压油缸；10—子分碴器切换板；11—限位板；12—子分碴器卸料口；13—外覆电加热板；14—应急卸料口；5—混凝土防撞护墩；16—转运工程车。主分碴器、左侧子分碴器显示结构内部情况；右侧子分碴器显示结构外部情况。

图7 皮带收放装置现场作业Fig. 7 Field operation of belt extension and retraction device

4.4 TBM施工20 km超长距离施工通风技术

4.4.1 利用施工斜井，采用分阶段通风模式

TBM 施工第1阶段长度为10 134 m，采用独头压入式通风方式，供风和排风长度均约为10 km；TBM 施工第2阶段长度为9 808 m ，采用已贯通的第1阶段取新鲜风流、斜井排污风的联合巷道式通风方式，斜井通风长度为2 600 m，供风长度最长约20 km，排风长度最长约12.5 km。TBM施工第2阶段通风布置如图8所示。

图8 TBM施工第2阶段通风布置Fig. 8 Ventilation layout for second stage of TBM construction

4.4.2 采用大功率节能变频风机(功率连续可调)、大直径高压软风管及防漏型高强接头等节能降耗综合措施

1)大功率节能变频轴流风机。国内首次在特长隧道施工中采用国际先进的大功率节能变频轴流风机，主风机功率为3×160 kW，可实现功率在45～160 kW连续可调。

2)大直径高压软风管。采用直径为2.2 m的高压新型软风管，风管可以承受的最大工作压力为1.78 MPa。主风机及2.2 m 大直径软风管布置如图9所示。

3)防漏型高强接头。风管的所有接缝、接头均采用全密封式焊接。

图9 主风机及2.2 m大直径软风管布置Fig. 9 Layout of main fan and large-diameter air hose (2.2 m)

4.5 防灾救援疏散技术

采用加密疏散横通道，利用2管隧道互相救援、疏散的救援站模式。救援站通风排烟采用自安全隧道供风、竖井均衡排烟的模式，当一管隧道发生火灾后，从另一管隧道取风，以保障紧急疏散时，人员能够迎着新鲜空气进行逃逸、疏散。在隧道紧急救援站范围内隧道拱顶每100 m设1座排烟竖井，通过横向排烟道连通排烟竖井与纵向排烟道，并通过纵向排烟道与罗家理斜井顺接，通过罗家理斜井将隧道内的烟气排出洞外。紧急救援站排烟方案剖面示意图如图10所示。

图10 紧急救援站排烟方案剖面示意图(单位： cm)Fig. 10 Profile of air exhaust plan for emergency rescue station (unit: cm)

5 主要技术创新

1)首创了连续皮带机出碴工况下TBM掘进与衬砌的同步施工技术，节省工期20个月。

2)研发了多级级联、连续转运皮带快速出碴系统，实现了从TBM掘进工作面到碴场的连续快速出碴。

3)建立了TBM施工20 km超长距离通风技术体系，解决了特长隧道超长距离施工通风的世界性难题。

6 工期及获得荣誉

6.1 工期

工程自2008年9月开工，左线于2013年4月贯通，右线于2014年7月贯通，2016年12月开通运营。

6.2 获得荣誉

获得国际咨询工程师联合会(FIDIC)2018年度优秀工程奖、国际隧道及地下工程协会(ITA)2018年度重大工程提名奖。

7 工程参建单位

建设单位： 兰渝铁路有限责任公司。

设计单位： 中铁第一勘察设计院集团有限公司。

施工单位： 中铁隧道局集团有限公司承担左线施工任务; 中铁十八局集团有限公司承担右线施工任务。

监理单位： 四川铁科建设监理有限公司。