雅康高速二郎山隧道建設關鍵技術創新與實踐

鄭建國，鄭金龍, *，黃 兵，陳 行，林國進

(1. 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2. 四川雅康高速公路有限責任公司，四川 成都 610041)

1 概述

1.1 工程意義

雅安至康定高速公路(簡稱雅康高速)是國家公路網G4218聯絡線“雅安—葉城”的重要組成部分，其作為川藏高速公路的一段，是通往藏區的重要國防及生命通道。雅康高速起于雅安市草壩，接樂雅高速公路，設對巖樞紐互通式立交與雅安至西昌高速公路相接，經天全縣、新溝、二郎山隧道、瀘定、瓦斯溝，止于康定，路線全長134 km。其中二郎山隧道長13.4 km，是雅康高速控制性工程，項目地理位置如圖1所示。

圖1 雅康高速二郎山隧道地理位置

“千里川藏線，天塹二郎山”，二郎山是成都平原進入青藏高原的第一道天然屏障。雅康高速公路二郎山隧道于2010年開始勘察設計，2012年開工建設，2017年建成通車，在整個建設過程中，充分利用研究形成的創新成果，實現了“零傷亡”，成為四川省乃至全國隧道建設的典范。二郎山隧道建成后，大大改善了進入甘孜藏區的交通條件，海拔高度比國道318線二郎山隧道降低約700 m，路程縮短40 km，通行時間由2 h縮短至15 min，消除了冬季結冰帶來的安全隱患，結束了甘孜藏區不通高速的歷史，打通了藏區經濟發展的主動脈，是通往地震災區的生命大通道、穩藏安康的政治大走廊、扶貧攻堅的民生大通道。二郎山隧道及方案圖如圖2和圖3所示。

圖2 二郎山隧道

二郎山隧道建設形成的超預期抗震設計理念、多功能交通轉換帶防災救援措施、消防水池及節能風道綠色環保技術等隧道勘察設計和施工成套技術，為保障二郎山隧道的順利施工、竣工以及長期的通車運行奠定了堅實的基礎，取得了國內外領先的多項創新性技術成果，在類似公路隧道工程中進行了廣泛的推廣應用。

1.2 工程概況

二郎山隧道左線長13 459 m，右線長13 406 m，被譽為“川藏第一隧”, 工程造價21.66億元；設計速度80 km/h，隧道建筑限界10.25 m×5.0 m。二郎山隧道平縱示意圖如圖4所示。

(b) 縱斷面圖

隧道軸線充分考慮隧址區地質條件、地形條件、保護區環境保護及工程造價等因素，二郎山隧道洞身左右測量線間距約40 m，縱坡設置為人字坡，坡度為+2%/-0.5%。洞身平面設置大半徑S曲線，曲線半徑分別為8 020 m和7 980 m。

隧道通風采用三區段送排式通風，通風分段長度為3 680 m+5 320 m+4 406 m；雅安端采用地面風機房，送風、排風共用1個斜井，斜井內設置中隔板，右線斜井長2 246 m、坡度為+12.96%，左線斜井長2 305 m、坡度為+12.49%；康定端采用地下風機房，送風、排風各1個斜井，送風斜井長1 716 m、坡度為+10.56%，排風斜井長1 734 m、坡度為+11.09%。

1.3 工程特點與難點

二郎山隧道建設面臨“五個極其”的嚴峻挑戰： 地形條件極其復雜、地質條件極其復雜、氣候條件極其獨特、環境條件極其敏感、工程施工極其困難。

1.3.1 地形條件極其復雜

二郎山為青衣江與大渡河的分水嶺，呈南北向展布，山勢陡峭、層巒疊嶂、山體渾厚，隧道最大埋深1 500 m，海拔2 000～4 000 m，相對高差1 000～2 000 m，為深切高山峽谷區。

1.3.2 地質條件極其復雜

二郎山隧道位于龍門山斷裂、鮮水河斷裂和川滇斷裂3條活動性斷裂組成的“Y”字形構造體系交匯部位，穿越13條斷裂、11套地層、12種巖性。隧道雅安端以三疊系、泥盆系、志留系和奧陶系的板巖、灰巖、粉砂巖等沉積巖為主；隧道康定端以花崗巖、安山巖、閃長巖等巖漿巖為主。隧道主要不良地質包括區域活動斷裂、高地應力巖爆及大變形、高壓涌突水、瓦斯及洞口巨厚覆蓋層等，其中龍門山斷裂帶西南段尾支(二郎山東支、中支、西支斷裂)、保新廠—凰儀斷裂、瀘定東支斷裂為中更新世區域活動斷裂，為“高地震烈度、高地應力、高壓涌突水”隧道，被譽為“地質博物館”。隧址區地質構造如圖5所示。

圖5 隧址區地質構造圖

1.3.3 氣候條件極其獨特

二郎山位于四川盆地亞熱帶季風濕潤氣候與青藏高原大陸性干冷氣候的過渡地帶，兩端氣候差異非常明顯，是著名的“川西雨屏”。雅安端屬亞熱帶季風濕潤氣候，年降雨量約為2 000 mm；康定端屬亞熱帶季風干熱氣候，年降雨量僅660 mm，生態植被極其脆弱。

1.3.4 環境條件極其敏感

世界自然遺產——大熊貓棲息地保護區橫亙南北，劃分為核心區、保護區、外圍區，實行分區保護。二郎山隧道洞身下穿大熊貓棲息地保護區，隧道選線受到極大限制，通風井設置困難，施工環保要求高。

1.3.5 工程施工極其困難

二郎山隧道為超特長隧道，受保護區的限制，不具備新增工作面的條件，超長距離施工困難； 施工環保要求高，隧道巨量棄碴困難； 地質條件復雜，瓦斯、巖爆、大變形、高壓涌突水、區域斷裂等不良地質和施工地質災害發育，施工安全風險高。

二郎山隧道建成通車時，其主洞長度為全國公路隧道第4，斜井長度為全國第1，工程規模大，技術復雜，建設難度大；面臨“自然保護區內復雜深埋隧道勘察、穿越活動斷裂帶隧道抗減震結構設計、超特長隧道運營安全、超特長隧道節能環?！钡燃夹g難題。

2 開展的科技攻關工作

針對二郎山隧道的特點和難點，樹立頂層設計理念，系統構建目標明確、層次清晰、主線突出、理念先進的技術攻關框架。圍繞“安全、經濟、生態、便捷”的科技攻關目標，按照“專題論證與研究、科技成果推廣與應用、科學研究與試驗”3個技術攻關層次，解決“勘察與設計、建設與施工、運營與養護”過程中的關鍵技術難題，為二郎山隧道安全順利建設提供堅實的技術支撐?？萍脊リP框架體系如圖6所示。

圖6 科技攻關框架體系

2.1 專題設計與專題研究

勘察設計階段，開展了8個專題設計，涉及路線方案、重大不良地質、運營安全、防災救援、安全風險等方面，通過專題設計與專題研究，基本解決了二郎山隧道設計與施工關鍵性技術難題。具體如下： 1)隧址和軸線方案選擇； 2)隧道場地地震安全性評價及隧道抗震專題； 3)隧道綜合水文地質勘察及涌突水防治專題； 4)隧道地應力場及巖爆、大變形預測及防治專題； 5)隧道通風及防災救援專題； 6)隧道安全風險控制專題； 7)隧道施工組織專題； 8)隧道通風與照明節能專題。

2.2 科技成果應用與示范

二郎山隧道建設圍繞“安全”，應用最新科技成果，進一步優化驗證設計方案，降低安全風險，解決建設及運營重大安全風險技術難題。具體如下： 1)富水多斷層條件下隧道涌突水災變預測與控制技術研究； 2)高地應力隧道巖爆和大變形預測預報及綜合處治技術研究； 3)公路隧道信息化施工及動態設計應用研究； 4)超特長公路隧道運營安全及防災救援技術研究； 5)超特長隧道獨頭掘進施工通風技術研究； 6)超特長隧道施工安全風險動態控制與管理研究。

2.3 科研攻關

通過專題設計與專題研究，運用與借鑒已有科技成果，仍然存在部分問題需要通過科研攻關解決，以保障隧道施工安全，減少環境影響，實現運營節能。具體如下： 1)公路隧道地下水限量排放技術指標及對策措施研究； 2)大高差超長公路隧道運營節能控制技術研究。

3 工程建設創新關鍵技術

根據二郎山隧道面臨的工程難度，圍繞“安全、綠色、節能”的建設理念，克服了地形條件復雜、地質條件復雜、氣候條件獨特、環境條件敏感及工程施工困難的工程特點及難點，成功解決了隧址及軸線方案、保護區內深埋長大隧道勘察、隧道抗震、高地應力、地下水環境保護等技術難題，取得了多項創新成果，實現了穿越環境敏感區復雜地形地質條件超特長隧道安全、優質、高效的建設目標。

1)隧址及軸線方案。提出高線和低線等多個隧址方案，經過綜合比選，選擇路線直捷、運營便捷、造價節省、無長大連續下坡及積雪結冰的F線低隧址方案。結合風井布設、地質條件、運營安全，提出I、J、K線3個軸線方案，最終確定隧道主洞最短、風井較短、高地應力問題相對輕微、與各斷裂更近于正交、平縱各線元及組合均勻、更利于洞內行車安全的J線方案。

2)高地應力問題。通過工程類比、實測地應力、數值模擬分析綜合確定隧道地應力場，采用以地質綜合分析為主的方法，預測巖爆及大變形的等級及段落，在此基礎上，提出巖爆“以防為主，加強結構支護與施工措施相結合”的處治原則，防止巖爆發生或降低巖爆發生的等級。軟巖大變形采用“主動適應+強支撐”的“雙層支護體系”。

3)高壓涌突水。通過水文地質專項勘察，詳細查明地下水分布發育特征，多方法綜合預測分段涌水量，結合構造發育特征，對高壓涌突水段落及風險進行綜合評估。堅持“超前預報、以堵為主、堵排結合、限量排放”的原則，對大型涌突水進行注漿封堵，對小型涌水進行排放，避免地下水大量流失。

3.1 基于構造損傷分區的隧道下穿自然保護區綜合勘察技術

結合保護區環保和長大深埋隧道地質勘察的需要，運用基于構造損傷分區綜合勘察技術，在保護區內長達8.3 km段落無法實施鉆孔的情況下，準確查明了隧道工程地質，最大限度地保護了保護區內的生態環境，解決了保護區內復雜艱險山區長大深埋公路隧道勘察技術難題。

針對二郎山隧道深埋特長的特點，提出了基于構造損傷分區的勘察技術方法。根據隧道的構造特征，將隧道劃分為4個構造分區(見圖7)，將深孔布設于各個構造分區的結合部位，全隧道共布設深孔4個，孔深共計1 536.5 m，達到了對隧道構造格架的有效控制和驗證。以此為基礎的深孔方案布設，既滿足二郎山森林公園和自然遺產保護區的環保要求，又能有效地對隧址區的地質構造特征進行控制和揭示，提升了深孔利用效率和布設合理性，節約了勘察成本和工期。

圖7 二郎山隧道構造分區

通過施工驗證，隧道的整體構造格架與勘察成果一致，主要斷裂均得到了揭示與驗證，其差異性主要體現在洞身大深埋段構造格架分界面向進口偏移200～300 m，這是由于斷裂的空間走向并非完全按平面展布，而是曲面，因此通過地表露頭推測的斷裂構造在深部位置存在差異。通過施工地質及超前預報，對這種差異進行了修正。經統計，隧道勘察設計與實際施工不同級別圍巖對比見表1。

表1 不同級別圍巖對比表

3.2 超預期抗震設計理念及設防技術

充分考慮地震風險，采用超預期抗震設計理念與方法，區域斷裂段隧道斷面整體加大40 cm，為震后加固預留空間，實現“快速搶通、快速加固”的目標，并保證加固后不降低隧道的服務水平。將隧道抗震設防劃分為洞口段、軟硬巖交界段及斷層破碎帶段，根據區段地震響應特點進行針對性抗震設防。隧道擴大抗震斷面如圖8所示。

3.3 4車道大斷面洞內景觀帶及交通轉換通道防災救援技術

首次設置了2處4車道大斷面洞內景觀帶及交通轉換通道，長120 m，左右兩側各加寬1個3.5 m車道。將隧道分為3段，當其中一段發生事故或維修時，其余路段通行方式不受其影響；交通轉換通道采用2車道斷面、“八”字形布設，提高了左右洞交通轉換能力及隧道防災救援能力。交通轉換通道平面布置如圖9所示，交通轉換通道4車道內輪廓如圖10所示。

首次采用LED動態視覺系統打造洞內景觀帶，布設了4.3萬個LED點光源，從而形成“飄揚的五星紅旗”、“搖曳的楓葉”等動態圖案，有效緩解了司乘人員的視覺疲勞和心理壓抑感，實現了“長隧短運”，提高了行車舒適度和安全性。洞內景觀帶實際效果如圖11所示。

圖9 交通轉換通道平面布置圖

3.4 綠色施工及節能綜合技術

3.4.1 斜井內設高位自流水消防水池

首次在隧道斜井內設置高位自流水消防水池，解決了傳統洞外高位消防水池施工困難、養護難度大、冬季結冰可靠性差、需要大量抽水設備等技術難題，利用施工期左右斜井之間的救援橫通道作為消防水池，提高了消防可靠性，并實現了節能。消防水池如圖12所示。

3.4.2 穿越大熊貓棲息地保護區的生態環保選線

隧址區為世界自然遺產——大熊貓棲息地保護區，采用生態環保選線，路線避開保護區的核心區，利用隧道下穿保護區。隧道風井采用工程規模較大的斜井方案，舍棄保護區內的豎井方案，隧道洞口及斜井口均位于外圍保護區，以保護生態環境。二郎山隧道軸線與保護區關系如圖13所示。

圖13 二郎山隧道軸線與保護區關系圖

3.4.3 隧道洞碴全部綜合利用，實現隧道“零棄方”的綠色建造技術

隧道洞碴方量達338萬m3，全部進行了綜合利用，未設置專用永久性棄土場，實現了隧道“零棄方”的綠色建造技術，節約了土地資源。結合洞外地形、地質、環境條件，充分利用隧道兩端新溝互通綜合體(見圖14)、瀘定互通綜合體(見圖15)結構物布設，合理采用高填路基和場坪，大量消化隧道洞碴，其中新溝互通消化棄碴約135萬m3、瀘定互通消化棄碴約150萬m3；巖漿巖洞碴作為機制砂、碎石的母材，變廢為寶，用于路基及隧道低強度混凝土母材約53萬m3。

圖14 新溝互通

3.4.4 斜井采用全程反打技術

為保護生態環境，康定端長距離斜井采用全程反打技術(見圖16)，成功解決了斜井反打施工中的重車運輸防溜車、上坡爆破滾石、超長距離多掌子面施工通風等技術難題，避免了在外圍保護區修建5 km長的臨時便道及4.3萬m2的生態植被破壞，最大程度保護了環境，同時減小了工程規模，節約了工程造價。

3.4.5 斜井引水發電的綠色節能新舉措

在公路交通行業首次創造性地利用康定端斜井引水發電進行節能減排(見圖17)，將水電和公路交通建設聯系起來，解決了超特長公路隧道運營用電成本高的難題，具有較大的社會經濟效益，為公路交通行業節能減排提供了新思路、新舉措?？刀ǘ诵本谖挥谖謇餃仙嫌沃希本卟?92 m，將沖溝水引入斜井地下風機房進行發電，發電尾水通過隧道中央排水溝排出洞外。斜井引水發電工程實現裝機容量730 kW，年發電量400萬kW·h。

3.4.6 以自然節能風道為輔助動力的超特長隧道通風節能系統

充分利用二郎山隧道各洞口氣象差異形成的氣壓差，在隧道內設置自然節能風道，建立了以自然風為動力的通風節能技術體系，形成了以自然節能風道為輔助動力的超特長隧道通風節能系統，實現通風節能效率達15%，年節電約210萬kW·h。隧道通風節能系統如圖18所示。

3.5 施工網絡通風和精密測量控制技術

3.5.1 超長距離多通道施工網絡通風技術

將斜井雙線的通風融入到主隧道巷道式通風系統中，二者共用新鮮風輸送通道與污風排出通道。根據隧道結構合理布置送、排風通道，巧妙利用風流形成的負壓差，完成4條隧道的送、排風系統布置，從而改進了巷道式通風系統，形成超長距離多通道施工網絡通風技術。在新鮮風輸送通道布設多臺軸流風機和多條風管分別向主隧道和斜井的多個掌子面送風；在污風排出通道增加射流風機，局部加壓，不斷將污風向洞外方向輸送。多通道網絡施工通風布置如圖19所示。

3.5.2 研發完善水幕降塵系統

在隧道掘進過程中，利用濕式除塵機制，研發完善水幕降塵系統，爆破后20 min左右即可將粉塵濃度降至規范要求，大大縮短了爆破后出碴等待時間。水幕降塵系統由高壓射流式水炮裝置、移動式水幕支架和固定式環向水幕(見圖20)3道水幕組成，分別布置在開挖臺車上、基層端頭、二次襯砌段(每隔200 m設置1道)。

圖19 多通道網絡施工通風布置圖

3.5.3 長大隧道洞內自由測站邊角精密測量控制施工技術

創新形成了長大隧道洞內自由測站邊角精密測量控制施工技術，每個控制點被連續4個自由測站通過不同方向和距離觀測，多余觀測數多，可靠性強；而常規導線網的多余觀測數和可靠性，均無法與自由測站邊角交會法相比。通過該技術的應用，二郎山隧道左右洞貫通誤差分別為9 mm和12 mm。洞內自由測站邊角測量控制網如圖21所示。

圖21 洞內自由測站邊角測量控制網

3.6 公路隧道機械化施工綜合配套技術

形成了完善的特長公路隧道機械化配套快速施工技術。采用雙三臂鑿巖臺車+濕噴機械手+自行式液壓模板臺車+斜井中隔墻模板臺車等一系列機械化配套設備，提高施工效率，降低安全隱患，質量控制良好。

3.6.1 三臂鑿巖臺車+濕噴機械手機械化配套施工技術

隧道采用雙臺車微臺階法開挖，臺車一前一后，提高臺車的三臂利用率。下臺階采用左右錯開平行流水跟進法施工。結合雙臺車現場操作特點，上臺階高度4 m、長度4 m，每循環開挖進尺1.6～2.4 m；下臺階左右側錯開3榀拱架施工，上、下臺階同時開挖同時響炮。下臺階出碴與上臺階立拱平行作業，機械手上下臺階噴漿。三臂鑿巖臺車如圖22所示，濕噴機械手如圖23所示。

圖22 三臂鑿巖臺車

3.6.2 隧道整體式模板臺車施工技術

1)形成符合高速公路隧道特點的電纜溝槽整體施工技術。經過現場施工，隧道日均施工電纜溝槽雙側12 m，月完成360 m。施工后外表光潔、線形順直，模板搭接處錯臺不大于5 mm，大大提高了施工質量和進度。電纜溝槽模板臺車如圖24所示。

2)形成一套大坡度斜井中隔墻混凝土一次成型施工技術。在坡度大、斷面小的隧道斜井應用效果明顯，具有施工安全、優質、高效等優點。斜井中隔墻模板臺車如圖25所示。

圖24 電纜溝槽模板臺車

4 主要技術創新及推廣應用

通過一系列專題論證與設計、科技成果應用與示范、科技攻關，二郎山隧道形成的主要創新成果如下：

1)創立了基于構造損傷分區的自然保護區內綜合勘察技術，在保護區內長達8.3 km段無法布設鉆孔的情況下，準確查明了隧道工程地質。

2)首次采用超預期抗震設計理念與方法，充分考慮地震風險，活動斷裂段隧道斷面加大40 cm，為震后加固預留空間，實現“快速搶通、快速加固”的目標。

3)首次設置了2處交通轉換通道，首次采用LED動態視覺系統打造洞內景觀帶，實現了超特長隧道洞內快速交通轉換及長隧短運，提高了運營的安全性和舒適度。首次在斜井內設置高位自流水消防水池，提高了消防可靠性。

4)采用生態選線理念，合理確定隧道軸線，338萬m3洞碴全部綜合利用，實現“零棄方”。首次采用斜井全程反打技術，避免在外圍保護區修建臨時便道工程，實現對保護區的“零影響”。

5)首次利用隧道斜井引水發電，年發電400萬kW·h，解決了隧道照明用電難題。設置自然風道，建立了以自然風為動力的輔助通風節能技術體系，實現通風節能15%，年節電約210萬kW·h。

6)創新了超長距離多通道施工網絡通風技術，研發了長大隧道自由測站邊角精密測量控制技術工法，鉆爆法施工獨頭掘進達7 333 m，為全國之最。形成了完善的公路隧道機械化施工綜合配套技術，確保長大隧道安全、快速、高效施工，在5年的建設期實現“零傷亡”。

創新技術有效指導了二郎山隧道的建設，整個施工過程中未發生安全事故，質量優良率達100%，已經成為復雜艱險山區長大公路隧道建設的典范，其成功經驗正在大涼山隧道(15.3 km)、獅子坪隧道(13.1 km)、白馬隧道(13 km)、小高山隧道(13 km)等大批山區長大隧道中推廣和應用，有效指導了工程的安全綠色高效建設。二郎山隧道創新技術推廣應用情況如圖26所示。

圖26 二郎山隧道創新技術推廣應用情況

5 工期及獲得榮譽

5.1 工期

二郎山隧道于2010年8月開始立項研究，歷經工程可行性研究、初步設計、技術設計與施工圖設計，自2012年9月開工建設，于2017年12月建成運營。

5.2 獲得榮譽

獲得四川省建設工程質量安全與監理協會2018年四川省建設工程天府杯金獎、中國中鐵股份有限公司2020年中國中鐵杯獎、中國建筑業協會工程建設質量管理分會及中國鐵建股份有限公司2019年中國鐵建杯獎、中國施工企業管理協會綠色建造工作委員會2020年工程建設項目綠色建造設計水平二等成果獎等。

6 工程參建單位

建設單位： 四川雅康高速公路有限責任公司。

設計單位： 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司。

監理單位： 四川省公路院工程監理有限公司。

施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司、中鐵十二局集團有限公司。

科研單位： 西南交通大學、成都理工大學等。