張民慶，賈大鵬

（中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京100844）

0 引言

高黎貢山隧道是我國在建的第一特長鐵路隧道，全長34.538 km。進口工區(qū)2014年11月開工建設(shè)，采用鉆爆法施工；出口、斜井和豎井工區(qū)2015年12月開工，采用鉆爆法、隧道掘進機（TBM）法施工。目前工程建設(shè)進展基本正常，已完成施工任務(wù)的30%，斜井、豎井均已到達正洞，已開始或具備開辟正洞工作面能力，隧道計劃2022年建成通車。

針對高黎貢山隧道，國內(nèi)學(xué)者進行過大量研究工作。李光偉等［1］在野外地質(zhì)調(diào)查、鉆探、地應(yīng)力測量和室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，論述高黎貢山隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)問題。張永雙等［2］結(jié)合原位地應(yīng)力測量結(jié)果，分析高黎貢山隧道地應(yīng)力特征，并對巖爆進行模擬試驗。張民慶［3］結(jié)合世界最長的新圣哥達隧道修建技術(shù)，對高黎貢山隧道地質(zhì)問題和施工技術(shù)進行研討。孫海波［4］對高黎貢山隧道敞開式TBM再制造關(guān)鍵技術(shù)進行研探。宋法亮等［5］結(jié)合高黎貢山隧道地質(zhì)條件，提出TBM超前地質(zhì)預(yù)報、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時支護等技術(shù)。洪開榮等［6］研究了高黎貢山隧道可能存在的高巖溫?zé)岷?、軟巖大變形、突涌水、軟弱破碎帶TBM掘進、長大隧道通風(fēng)等技術(shù)難題。楊延棟等［7］結(jié)合高黎貢山隧道地質(zhì)條件，提出TBM的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。楊添任等［8］設(shè)計了可搭載式TBM超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)。謝成濤等［9］結(jié)合高黎貢山隧道地質(zhì)狀況，系統(tǒng)地研究了高黎貢山隧道彩云號TBM的設(shè)計。李永志等［10］介紹了綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在高黎貢山隧道的應(yīng)用情況。洪開榮等［11-12］通過對我國近2年來隧道及地下工程的發(fā)展?fàn)顩r研究，對今后隧道設(shè)計、施工、管理以及TBM制造提出有益建議。高廣義［13］對高黎貢山隧道豎井施工注漿技術(shù)方案進行論述。卓越等［14］對高黎貢山隧道的施工技術(shù)難題進行了研究，并提出施工對策。劉建平等［15］對高黎貢山隧道平導(dǎo)TBM受阻后采用的超前小導(dǎo)洞方案進行了研究。

1 工程概況

大瑞鐵路為Ⅰ級單線電氣化鐵路，高黎貢山隧道是該鐵路的重難點工程，Ⅰ級高風(fēng)險隧道。隧道位于怒江車站與龍陵車站之間（D1K192+302—D1K226+840），設(shè)計時速140 km。進口近靠怒江，緊鄰怒江特大橋，怒江車站部分進入隧道；出口位于龍陵縣南凹子地，龍陵車站部分進入隧道。隧道位于直線上，“人”字坡設(shè)計，最大坡度23.5‰，最大埋深1 155 m。

隧道輔助坑道包括1座貫通平行導(dǎo)坑、1座斜井、2座豎井，其斜井為目前國內(nèi)最長斜井。斜井、豎井均按主副井設(shè)置，豎井主井內(nèi)徑6.0 m、副井內(nèi)徑5.0 m。

隧道進口正洞21 198 m、平行導(dǎo)坑23 005 m采用鉆爆法施工；出口正洞12 626 m、平行導(dǎo)坑10 693 m采用TBM法施工，洞口段采用鉆爆法施工，TBM步行通過。正洞、平行導(dǎo)坑TBM直徑分別為9.0、5.6 m。施工區(qū)段劃分和截至2020年10月的施工進展情況見圖1。

2 地質(zhì)條件及工程風(fēng)險

2.1 地質(zhì)條件

高黎貢山隧道位于橫斷山脈南延段，屬構(gòu)造剝蝕深切高中山峽谷地貌。區(qū)內(nèi)地面高程為640～2 340 m，相對高差約1 700 m，地形起伏大。

（1）氣象特征。隧道區(qū)域年平均氣溫14～19℃，極端最高氣溫30～36℃；年平均降雨量967～2 105 mm、最大降雨量2 597 mm，月平均降雨量120～260 mm，最大日降雨量100 mm。

（2）地層巖性。隧道進口端地層巖性極其復(fù)雜，主要為侏羅系玄武巖、砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，三疊系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，奧陶系砂巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、長石石英砂巖，寒武系灰?guī)r、板巖、變質(zhì)砂巖、粉砂巖、千枚巖、片巖，燕山期混合花崗巖等地層。出口端地層巖性相對單一，主要為燕山期花崗巖，寒武系變質(zhì)砂巖、千枚巖、片巖，志留系灰?guī)r、白云巖夾砂巖，泥盆系白云巖、灰?guī)r夾石英砂巖等地層，巖石強度為5～65 MPa。

（3）地質(zhì)構(gòu)造。隧道共發(fā)育斷層19條（見圖2、斜，其中鎮(zhèn)安斷裂為活動、導(dǎo)熱斷裂，幫邁-邵家寨斷層、幫邁-邵家寨次級斷層、怒江斷裂為導(dǎo)熱斷裂。不良地質(zhì)主要有高溫?zé)岷?、斷層、巖溶、大變形、巖爆等。出口端地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，有勐冒斷層、傈僳田斷層等7條斷層，其中勐冒斷層為活動斷裂。不良地質(zhì)主要有斷層、巖溶、大變形、巖爆等。表1）。進口端地質(zhì)構(gòu)造極為發(fā)育，有鎮(zhèn)安斷裂、怒江斷裂等12條斷層，褶皺主要有打香坡向斜和小濫壩向

圖2 高黎貢山隧道工程地質(zhì)剖面圖

表1 高黎貢山隧道斷層及工程風(fēng)險

2.2 工程風(fēng)險

隧道施工中存在突水突泥、高地溫、軟巖大變形等三大工程風(fēng)險。

（1）突水突泥風(fēng)險。隧道地下水發(fā)育，斷層及構(gòu)造帶多為富水構(gòu)造。預(yù)測隧道正洞正常涌水量17萬m3/d、最大涌水量19.2萬m3/d。斜井主副井正常涌水量均為1.2萬m3/d，1號、2號豎井主副井正常涌水量均為1.2萬m3/d、最大涌水量3.6萬m3/d。隧道施工中存在突水突泥風(fēng)險。

（2）高地溫?zé)岷︼L(fēng)險。通過大量深孔測溫及高程選線，隧道線路標(biāo)高已避開高溫地層。施工中約70.8%段落地溫在28℃以下，無熱害；約25.1%段落地溫為28～37℃，熱害輕微，需加強通風(fēng)；4處斷層約4.1%段落可能遇到中等熱害，最高溫度將達到50℃。隧道施工中存在高溫水害風(fēng)險。

（3）高地應(yīng)力軟巖大變形風(fēng)險。隧道洞身最大水平主應(yīng)力為15～30 MPa，最小水平主應(yīng)力為11～23 MPa，垂直主應(yīng)力為12～28 MPa。最大水平主應(yīng)力方向基本維持在北東至北東東（N35°～68°E）變化，與隧道軸線走向（N50°E）夾角為15°～18°，夾角較小，對隧道圍巖穩(wěn)定有利。隧道通過斷層地帶，地層以泥巖、千枚巖、板巖和斷層角礫巖為主，圍巖強度較低，一般為4～10 MPa。隧道施工中存在軟巖大變形風(fēng)險。

3 主要創(chuàng)新成果

3.1 既有TBM再制造

針對平行導(dǎo)坑TBM，從地質(zhì)適應(yīng)性、工期和經(jīng)濟成本等方面綜合考慮，對既有TBM再制造。既有TBM曾用于重慶地鐵6號線，直徑為6.36 m，羅賓斯公司生產(chǎn)，已累計掘進6.6 km（設(shè)計壽命30 km）。再制造前，對TBM主軸承、主減速機、主結(jié)構(gòu)件及電氣系統(tǒng)等主要核心部件的剩余使用壽命，TBM主要性能參數(shù)（扭矩4 054 kN·m、總推力1 515 t、撐靴支撐壓力3 327 t等），以及其他部分系統(tǒng)適應(yīng)性等方面進行評估。

3.1.1 刀盤鏟斗齒和鏟斗座改造

新鏟斗齒設(shè)計為4顆螺栓連接緊固，提高鏟斗齒母材厚度和強度，使磨損容量更大，螺栓不易損傷，拆裝更方便，同時增強鏟斗座基板厚度，設(shè)置筋板，提高應(yīng)力釋放（見圖3）。

3.1.2 護盾改造

在原有頂護盾、左右頂側(cè)護盾、左右側(cè)護盾殼體基礎(chǔ)上，增加鋼筋排夾層存儲倉（見圖4），覆蓋范圍為270°。針對軟弱圍巖及斷層破碎帶，可對露出護盾的圍巖及時進行封閉和連續(xù)鋼筋排支護，減少塌方落渣和清渣量，降低人員和設(shè)備的安全風(fēng)險，并加快掘進速度，同時也可以有效防護中等以下巖爆。同時增加頂護盾最大縮回距離，更好地應(yīng)對圍巖收斂引起的卡盾現(xiàn)象。

圖3 優(yōu)化后的鏟斗齒和鏟斗座

圖4 護盾鋼筋排支護系統(tǒng)

3.1.3 主驅(qū)動系統(tǒng)改造

在原主驅(qū)動變頻電機與主減速機之間加裝雙速減速機，提高刀盤脫困扭矩，增加刀盤在軟弱大變形圍巖中的脫困能力。此外，在主驅(qū)動小齒輪前端軸套端面位置加裝限位擋板，避免軸套軸向竄動。

3.1.4 支護設(shè)備升級改造

優(yōu)化鋼拱架安裝機，使張緊油缸和卷揚馬達結(jié)構(gòu)簡單緊湊，實現(xiàn)前后行走（行程1 000 mm）。操作方式為液壓直控式，易操作，易排查故障，可主動快速進行立拱支護。錨桿鉆機由ATLAS COP 1132升級為ATLAS COP 1838，泵站功率提升到55 kW，單桿鉆進深度增至2 m，提高錨桿支護能力。錨桿鉆機動力泵站前移至后支撐平臺位置，節(jié)省液壓管路，降低壓力損失和管路磨損影響；操控方式由無線遙控器改為液壓直控式操作臺，易操作，易檢修。采用新型行走系統(tǒng)，環(huán)形梁大車可行走4.5 m，伸縮臂可伸出1.5 m，實現(xiàn)相互獨立、同時工作。噴頭至圍巖距離調(diào)整至1.0～1.2 m，以減小噴漿回彈料；噴漿范圍為0°～270°，基本實現(xiàn)噴漿支護無死角（見圖5）。

圖5 噴射機械手改造

3.1.5 水平撐靴系統(tǒng)優(yōu)化改造

撐靴姿態(tài)調(diào)整機械改為外置式，方便維保與故障檢修，同時撐靴開槽加寬至350 mm、加深至360 mm、最大接地比壓3 MPa，在通過密集拱架區(qū)域時提高水平撐靴換步頻率。將水平撐靴油缸最大行程由2×280 mm加長至2×776 mm，提高水平撐靴在軟弱圍巖上的支撐能力（見圖6）。

3.1.6 主推進系統(tǒng)改造

將主推進油缸與主梁的連接方式由單銷軸改為雙銷軸“十”字連接，增加自由度，改善受力狀態(tài)，避免主推進油缸耳座非正常損壞，同時也便于拆裝。在主推進油缸附近增加2套液壓閥組，實現(xiàn)本地控制單根主推進油缸的伸縮，進而可點動調(diào)整水平撐靴在前后方向的擺動，提高水平撐靴跨越密集拱架區(qū)的能力（見圖7）。

3.1.7 物料轉(zhuǎn)運設(shè)備升級改造

圖6 改進后的水平撐靴

圖7 主推進油缸十字銷軸連接

1號橋架右側(cè)配置進口折臂吊機（起吊能力3 t、移動范圍7 m），可將運送至1號橋架下方的物料轉(zhuǎn)運至主機上方，滿足上下物料運轉(zhuǎn)暢通。重新設(shè)計仰拱吊機后，將混凝土罐轉(zhuǎn)運方式由原卷揚機橫移轉(zhuǎn)運改造為吊機轉(zhuǎn)運，提高轉(zhuǎn)運效率，降低工人勞動強度。

3.1.8 風(fēng)、水系統(tǒng)改造

將軟風(fēng)筒儲存?zhèn)}儲直徑由1.2 m增大至1.6 m，增加單位時間隧道送風(fēng)量。在3號和2號橋架位置加裝異形通風(fēng)硬管，增加新鮮風(fēng)的通風(fēng)路徑，避免新鮮風(fēng)通過2號噴混凝土污染區(qū)，顯著提高主機區(qū)域新鮮風(fēng)的通風(fēng)量。配備空氣制冷機組，將14～28℃的冷卻風(fēng)輸送至后配套拖車和主機附近區(qū)域，并接入新鮮風(fēng)輸送管路，降低主機區(qū)域溫度，提高作業(yè)人員工作效率。將主電機、液壓潤滑泵站冷卻方式改為閉式獨立水循環(huán)系統(tǒng)。

3.1.9 電氣及控制系統(tǒng)優(yōu)化升級

新增1臺干式變壓器，用于加裝的空氣制冷系統(tǒng)及應(yīng)急排水系統(tǒng)。主機室上位機升級為工業(yè)一體機電腦，節(jié)約空間占有率，可觸屏操作界面避免煩瑣的按紐、鼠標(biāo)操作，降低主司機出錯率。PLC系統(tǒng)由原來的GE 5.9升級為GE 7.5，PLC模塊采用最新穆爾模塊，較其他模塊功能更全面、穩(wěn)定性更強。

3.1.10 編組運輸方式改造

1號—3號橋架結(jié)構(gòu)件本體延伸，增加2節(jié)新制拖車，皮帶卸渣位置延伸至11號拖車，同時相應(yīng)增加皮帶機長度，將原來單循環(huán)出渣改為雙循環(huán)出渣，降低編組倒換時間，提升掘進效率。將橋架、拖車輪組高度調(diào)整。加裝拖車浮動平臺，將原有門架機構(gòu)改造為臺車結(jié)構(gòu)。

3.1.11 管線布局優(yōu)化

合理優(yōu)化液壓管路布局，便于后續(xù)液壓管路系統(tǒng)維修保養(yǎng)。調(diào)整改進電氣系統(tǒng)布線、水氣系統(tǒng)布管。

3.2 TBM自主創(chuàng)新

高黎貢山隧道正洞TBM（φ9.03 m）由中國中鐵工程裝備集團公司自主研發(fā)。該TBM在當(dāng)前最新技術(shù)基礎(chǔ)上，對7個方面進行了技術(shù)創(chuàng)新和功能提升：變截面開挖抬升、加強型初期支護、前置式自動濕噴、機載式超前預(yù)報、優(yōu)化型刀盤刀具、強制型制冷通風(fēng)、高效型物料運輸。自主創(chuàng)新研制的大型TBM命名為彩云號（見圖8）。

圖8 我國自主研發(fā)的大型TBM（彩云號）

3.2.1 變截面開挖抬升

為解決TBM在軟弱圍巖中初期支護加強后的斷面擴大技術(shù)難題，增加了邊刀刀座墊塊，并預(yù)留2個邊刀刀箱，安裝508 mm偏刃滾刀，從而實現(xiàn)刀盤大范圍擴挖10 cm。同時，為解決刀盤擴挖后引起隧道軸線向下偏心，在底護盾與驅(qū)動箱之間增加同步抬升機械，并在機頭架與底護盾之間填裝相應(yīng)厚度的鋼板，采用螺栓連接（見圖9）。

圖9 TBM變截面開挖抬升設(shè)計示意圖

3.2.2 加強型初期支護

為增加TBM應(yīng)對軟弱圍巖的初期支護能力，配置了鋼筋排鋼筋網(wǎng)支護、鋼拱架安裝、錨桿鉆機、超前鉆機、L1區(qū)濕噴及L2區(qū)濕噴等系統(tǒng)，其中鋼筋排與鋼筋網(wǎng)覆蓋范圍由以往設(shè)計的120°范圍增加到250°范圍（見圖10）。

3.2.3 前置式自動濕噴

在TBM遇到軟弱圍巖時，常規(guī)技術(shù)采用人工手持噴漿機進行噴射，勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差、施工效率低。為解決及時噴射混凝土技術(shù)難題，通過結(jié)構(gòu)及空間優(yōu)化，在護盾尾部鋼拱架撐緊機械上安裝弧形齒圈軌道，實現(xiàn)2組噴嘴行走，及時完成噴射混凝土作業(yè)（見圖11）。

圖10 TBM加強型初期支護設(shè)計圖

3.2.4 機載式超前預(yù)報

圖11 TBM前置式濕噴設(shè)計圖

為了提高TBM超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，通過集成聲波、地震波對地層的敏感性，電磁波對水的敏感性，將水平聲波剖面法（HSP）、激發(fā)極化法、三維地震波等3種地質(zhì)方法直接搭載在TBM上，并在主機室設(shè)計單獨超前探測控制單元及顯示屏（見圖12）。

圖12 TBM機載式超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)計圖

3.2.5 優(yōu)化型刀盤刀具

為提高TBM長距離獨頭掘進破巖能力和耐磨性，對TBM滾刀布置采用非線性方式設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場多滾刀破巖試驗，對于單軸抗壓強度140 MPa的花崗巖，刀刃間距與貫入度比為25～30時，對應(yīng)的比能最低、刀具破巖效率最高。當(dāng)?shù)堕g距為80 mm時，最優(yōu)貫入度為2.7～3.2 mm/r。刮刀設(shè)計了12組刮碴口，有效降低周邊盤體及刀具的二次磨損。刀盤盤體中心塊及邊塊采用鍛造270 mm厚板，刀盤法蘭300 mm厚板，有利于提高刀盤強度。刀座焊接后整體加工，不存在焊接變形問題，提高滾刀的安裝精度和可靠度（見圖13）。

3.2.6 強制型制冷通風(fēng)

圖13 TBM優(yōu)化后刀盤

為解決高地溫環(huán)境溫度過高導(dǎo)致TBM無法正常工作，結(jié)合高黎貢山隧道地溫參數(shù)，需要冷風(fēng)冷卻功率為2 011 kW，因此在TBM上配置3組RTHE200制冷機組，每組空冷器冷卻能力為714.8 kW。強制制冷通風(fēng)設(shè)備由制冷機組、空冷器、制冷風(fēng)機組成（見圖14）。

圖14 TBM強制制冷通風(fēng)設(shè)備

3.2.7 高效型物料運輸

為提高TBM物料運輸能力，最大限度增加主機平臺通行高度、寬度，以及設(shè)備橋平臺寬度。同時，在設(shè)備橋處安裝折臂吊機、伸縮臂吊機以及提升平臺，這樣可以根據(jù)物料性質(zhì)、體積和質(zhì)量大小等選擇不同運輸方式，提高運輸效率（見圖15）。

3.3 TBM軟弱富水地層分類標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)

高黎貢山隧道TBM施工段地層巖性主要為燕山期花崗巖，部分為中泥盆系回賢組白云巖、斷層角礫等?；◢弾r地段石英含量為35%～60%，巖體單軸飽和抗壓強度為4.6～65.2 MPa，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比約40%。

平行導(dǎo)坑和正洞的TBM分別于2017年11月25日、2018年2月1日始發(fā)。截至2020年10月，平行導(dǎo)坑TBM累計掘進5 489 m，平均進度為161 m/月；正洞TBM累計掘進5 605 m，平均進度為175 m/月。

TBM歷經(jīng)近3年掘進，施工中主要受困于5類不良地層：斷層破碎帶、花崗巖風(fēng)化帶、花崗巖蝕變帶、不同巖性接觸帶、節(jié)理密集帶。尤其地下水發(fā)育時，施工影響更大。截至2019年10月，平行導(dǎo)坑TBM受阻11次，正洞TBM受阻9次，合計20次。TBM受阻主要表現(xiàn)為開挖面巖塊掉落嚴(yán)重砸傷刀盤和盾殼以及發(fā)生突水涌砂。

圖15 TBM物料高效運輸裝置

3.3.1 分類標(biāo)準(zhǔn)及施工技術(shù)

通過對TBM施工20次受阻的分析，可將TBM遇到軟弱富水地層劃分為3類，并制定了施工技術(shù)對策（見

3.3.2 TBM卡機脫困處理

TBM發(fā)生卡機后，采用頂部導(dǎo)洞法進行處治（見圖17）。

3.4 高壓富水深豎井注漿堵水技術(shù)

豎井施工過程中，由于工作面面積小，發(fā)生涌水時，抽水措施會對豎井正常開挖造成極大影響。根據(jù)類似工程案例，當(dāng)井筒工作面涌水量小于5 m3/h時，開挖進度約為100 m/月；當(dāng)涌水量為10～20 m3/h，開挖進度約30 m/月；當(dāng)涌水量大于20 m3/h時，井筒將難以滿足開挖要求。因此，豎井施工通常采用小于10 m3/h作為控制涌水量標(biāo)準(zhǔn)。如果涌水量大于10 m3/h時，應(yīng)采取注漿堵水措施后開挖。

3.4.1 1號豎井注漿堵水

1號豎井主井于2016年6月19日開始施工，2019年11月18日到底，歷時41個月，平均開挖進度18.6 m/月；副井于2016年7月19日開始施工，2020年9月22日到底，歷時50個月，平均開挖進度15.3 m/月。

表2 高黎貢山隧道TBM法施工軟弱富水地層分類及施工技術(shù)對策

圖16 TBM盾尾管棚施作方案設(shè)計示意圖

圖17 頂部導(dǎo)洞法處治TBM卡機設(shè)計示意圖

施工期間，1號豎井超前探孔，單孔最大涌水量主井為112 m3/h、副井為94.7 m3/h。注漿堵水采取工作面超前周邊帷幕注漿，施工統(tǒng)計見表3，注漿方案設(shè)計見圖18。注漿材料主要采用普通水泥單液漿、超細(xì)水泥單液漿、改性脲醛樹脂等。

表3 高黎貢山隧道1號豎井注漿堵水設(shè)計及施工統(tǒng)計表

圖18 高黎貢山隧道1號豎井注漿方案設(shè)計示意圖

3.4.2 2號豎井注漿堵水

2號豎井主井于2017年11月25日開始施工，2020年6月20日到底，歷時31個月；副井于2017年10月1日開始施工，2020年5月25日到底，歷時31個月。

2號豎井井筒巖體受構(gòu)造擠壓影響，巖體完整性差（見圖19），間斷為擠壓破碎帶、構(gòu)造影響。構(gòu)造影響帶共14處，總厚度63.2 m，含水層7層，分布深度位于80～580 m，地層涌水量大。2號豎井含水層分布及涌水量預(yù)測見表4。

考慮到2號豎井含水層“數(shù)量多、層間厚、水量大、水壓高”的特點，采用工作面帷幕注漿則難度大、效果差、進度慢、費用高，因此，采取地表深孔注漿技術(shù)措施。由于注漿時豎井場坪設(shè)備已安裝到位，因而采用S型斜孔注漿設(shè)計，注漿設(shè)計方案見圖20。豎向注漿深度250～590 m，注漿材料采用粘土-水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿，注漿工作共歷時5個月。地表注漿起到了一定的加固和堵水作用，但開挖過程中仍發(fā)生局部坍塌及涌水，因此主井和副井又分別采用了1號豎井的方案1、方案3工作面超前周邊帷幕注漿補強方案，其中主井、副井分別實施9個、10個循環(huán)。

表4 2號豎井含水層分布及涌水量預(yù)測

3.5 鐵路隧道豎井井底車場設(shè)計

鐵路隧道豎井井底車場應(yīng)結(jié)合本身工程特點制定，主要具備以下6個功能：

（1）通風(fēng)功能。利用副井進行通風(fēng)，保證隧道正常施工。副井井底設(shè)置通風(fēng)道等。

（2）排水功能。利用副井進行抽排水，保證隧道安全施工。副井井底設(shè)置水倉、排水泵房、管子道等。水倉按2 h儲水能力計算，體積約為5 000 m3；排水泵房抽水能力為45 000 m3/d（約折合2 000 m3/h）。

（3）供電功能。利用副井設(shè)置變電所，保證隧道通風(fēng)、抽排水正常運轉(zhuǎn)。

（4）進出功能。利用副井進行進料和作業(yè)人員進出。副井井底車場設(shè)置運輸車場和人員等候洞室等。

（5）出渣功能。隧道出渣工程量較大，利用主井進行出渣。主井井底設(shè)置出渣功能區(qū)，主要包括轉(zhuǎn)渣場、運輸通道、信號洞室等。

（6）聯(lián)絡(luò)功能。在主井和副井井底車場間設(shè)置環(huán)形通道，形成循環(huán)體系。

高黎貢山隧道豎井井底車場布置見圖21。井底車場設(shè)計取消了井底機械組裝洞、充電洞、攪拌場，優(yōu)化了運輸巷道長度，調(diào)整了部分結(jié)構(gòu)尺寸，形成了“功能齊全、規(guī)模適宜、布局合理、安全高效”的鐵路隧道豎井井底車場布置模式。

圖20 高黎貢山隧道2號豎井地表S型斜孔注漿方案設(shè)計示意圖

圖21 高黎貢山隧道豎井井底車場布置模式

3.6 高地應(yīng)力不良地質(zhì)鉆爆法施工技術(shù)

高黎貢山隧道斜井及正洞鉆爆法施工地段，遇到高地應(yīng)力不良地質(zhì)，實測最大主應(yīng)力為31.2 MPa，近似為水平方向。圍巖強度應(yīng)力比為0.06，屬于極高地應(yīng)力區(qū)。隧道施工中，隨著掌子面掘進，已完成的初期支護持續(xù)變形，噴射混凝土發(fā)生掉塊，局部段落鋼架扭曲呈S、Z形，甚至失效（見圖22）。

圖22 高地應(yīng)力軟巖地層隧道初期支護變形開裂

通過技術(shù)攻關(guān)，針對高地應(yīng)力地層，采取以下工程技術(shù)措施，現(xiàn)場取得了良好效果。

（1）加強初期支護，調(diào)整拱墻曲率，必要時采用圓形斷面。

（2）斜井施工時，將主井與副井間距由30 m調(diào)整為50 m，減少洞室效應(yīng)引起的疊加變形。

（3）仰拱初期支護與拱墻鋼架一次封閉成環(huán)，提高支護受力，減少圍巖擾動。

（4）在掌子面不失穩(wěn)的前提下采用全斷面法開挖，降低掌子面爆破次數(shù)對圍巖的擾動，減少圍巖松動圈，縮短循環(huán)時間。

3.7 高地溫不良地質(zhì)鉆爆法施工技術(shù)

高黎貢山隧道斜井工區(qū)進入正洞后，正洞大里程方向出水量達到近350 m3/h，掌子面巖溫、水溫急劇上升，實測巖溫為38.1℃、水溫為38.3℃，環(huán)境溫度最高為38.4℃、濕度為99%，已超出我國35℃黃色預(yù)警界限，并接近38℃橙色高溫預(yù)警臨界值，施工中導(dǎo)致作業(yè)人員出現(xiàn)頭暈、嘔吐等現(xiàn)象。

通過分析，隧道熱源主要為圍巖放熱、熱水散熱、碴石氧化放熱、渣石冷卻運輸放熱、風(fēng)筒氣流壓縮放熱、機械設(shè)備放熱、爆破放熱、人員放熱等，其中圍巖放熱、熱水散熱是最主要的因素。為保證隧道施工正常進行，采取以下降溫技術(shù)措施，取得了較好效果。

（1）加強通風(fēng)降溫。主斜井布置1臺2×160 kW軸流風(fēng)機，匹配φ1.8 m加強耐壓風(fēng)管送風(fēng)；副斜井布置1臺2×110 kW軸流風(fēng)機，匹配φ1.6 m加強耐壓風(fēng)管送風(fēng)。為改善通風(fēng)效果，將通風(fēng)機移至5號通道，采用巷道式通風(fēng)方式通風(fēng)。

（2）堆放冰塊降溫?，F(xiàn)場采用堆放冰塊降溫措施，射流風(fēng)機、局扇與冰塊配合使用，冰塊放置在射流風(fēng)機出風(fēng)口處，冰塊融化過程吸收熱量，降低環(huán)境空氣溫度，風(fēng)機將降溫后的空氣吹向前方，從而達到降溫效果。

（3）注漿堵水降溫。當(dāng)圍巖流出熱水量較大，通風(fēng)降溫+冰塊降溫不足以將環(huán)境溫度降至28℃以下時，采取對出熱水段進行注漿堵水，減少熱水流出散發(fā)熱量。注漿堵水按照“以堵為主，限量排放”原則，注漿后控制熱水涌出量小于5 m3/（m·d）。

（4）機械制冷降溫。將機械制冷設(shè)備放置于主井與正洞交叉口，設(shè)備進口風(fēng)溫為33.2～35.2℃，出口風(fēng)溫為24.8～27.6℃。降溫效果較好范圍為作業(yè)面20 m左右，啟動機械制冷環(huán)境溫度可下降3.5℃左右，但費用較高。

3.8 深埋隧道地表多源協(xié)同智能化超前預(yù)報技術(shù)

在隧道掌子面進行超前地質(zhì)預(yù)報，受作業(yè)環(huán)境影響很大，特別是TBM施工時受設(shè)備的電磁干擾大，因此，嚴(yán)重影響超前地質(zhì)預(yù)報效果。

地表多源協(xié)同智能化超前預(yù)報技術(shù)是針對高黎貢山長大隧道復(fù)雜多工況，自主創(chuàng)新開發(fā)的一款滿足大范圍高精度地表超前預(yù)報的多參數(shù)綜合采集設(shè)備與智能化處理系統(tǒng)。該技術(shù)通過同一套儀器、同一觀測點，對多種地球物理參數(shù)同時采集，對得到的多種參數(shù)進行平行化分析解譯，繼而實現(xiàn)被測地質(zhì)體特性宏觀探測。該技術(shù)推斷不良地質(zhì)體區(qū)段精準(zhǔn)可達到宏觀解譯100 m、微觀鎖定10 m，從而使現(xiàn)場施工掘進更具科學(xué)性、針對性、方便性、快捷性，符合鐵路系統(tǒng)場景應(yīng)用需求。主要創(chuàng)新技術(shù)特點：

（1）研發(fā)的采集系統(tǒng)可同時記錄電法、電磁法、地震等主動源和被動源信號，一次布極采集多種地球物理參數(shù)，可提高工作效率、提升解譯精度、降低施工成本。

（2）研發(fā)的多道高保真、高信噪比、高分辨率無線三維地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過單點激發(fā)、高保真度和多道高密度數(shù)據(jù)采集、多波多分量數(shù)據(jù)采集、全方位小面元、高覆蓋次數(shù)的高精度全三維地震勘探采集技術(shù)，可以滿足復(fù)雜地區(qū)高精度三維地震勘探采集需要。

（3）研發(fā)的采集設(shè)備能量強、頻帶寬、高頻多，且成本低、效率高，適合于中淺層三維地震勘探的人工激發(fā)震源。

（4）多源多參數(shù)協(xié)同預(yù)報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，為提高處理效率和預(yù)報精度，研發(fā)多架構(gòu)機群并行處理和海量存儲技術(shù)，以及相關(guān)的靜校正處理、組合或綜合數(shù)據(jù)處理、全三維各向異性、三維折射層析成像、三維面波成像等處理和解譯技術(shù)，探索總結(jié)一套適合中淺層三維地震勘探資料處理的技術(shù)及流程，提高了多參數(shù)勘探數(shù)據(jù)成像精度和分析精度。

（5）開發(fā)快速、準(zhǔn)確的三維成像，為地質(zhì)解譯提供更加詳實和精細(xì)的物探資料。

4 結(jié)束語

高黎貢山隧道開工以來，在創(chuàng)新技術(shù)支撐下，再制造的φ6.36 m TBM和自主研制的φ9.03 m TBM在施工期間共克服了20次掘進受阻難題；基本上構(gòu)建了TBM軟弱富水圍巖地層分類標(biāo)準(zhǔn)；研究形成了超前排水、超前加固、超前支護、穩(wěn)步掘進等一系列綜合技術(shù)對策；隧道豎井和斜井已到底，已開始或具備正洞作業(yè)能力；進口端鉆爆法施工正常推進。在剩余施工中，針對出現(xiàn)的技術(shù)難題，繼續(xù)深化科研攻關(guān)，確保高黎貢山隧道安全順利建成。