【纪事】突破禁区

突破禁区

木寨岭特长隧道进口。（长达公司供图）

建设者加工钢架连接钢板。（福建路桥供图）

　　新甘肃·甘肃日报记者 刘健

　　7月6日，甘肃第一长公路隧道——全长15.226公里的渭源至武都高速木寨岭特长隧道宣告全线贯通。至此，G75兰州至海口高速公路最后一只“拦路虎”被清除，预示着这条中国南北向的高速大通道即将实现全线贯通运营。

　　然而，渭武高速木寨岭特长隧道贯通的意义还不仅如此——

　　它也代表着中国隧道建设的一次巨大跨越！

　　禁 区

　　木寨岭因“岭上旧有寨堡”而得名。它是漳河与洮河的分水岭，横跨漳县、岷县，是通往甘肃南部、进入四川的主要屏障。

　　长期以来，车辆翻越木寨岭，必须沿国道212线盘山向坡而行，然后在海拔3216米处穿过全长1.71公里的国道木寨岭隧道，再持续下坡数公里才能抵达山下。

　　雨雪频发、弯急坡陡，这一路段交通事故不断，威胁着过往车辆的安全。加快高速公路建设，新建穿越木寨岭的特长高速公路隧道，成为广大驾驶员和乘客的共同期盼。

　　2016年，随着甘肃省公航旅集团投资建设的渭武高速公路开工，木寨岭特长隧道进入建设阶段，人们充满期待，盼望这一隧道早日建成。

　　然而，这一等，就是8年。

　　以当下中国的工程建造能力，修建一条15.2公里的隧道，一般三四年时间就可以打通，渭武高速木寨岭特长隧道缘何用了8年？

　　“它的难点不在于长度，而在于其地质条件复杂多变，炭质板岩地层及大断层破碎带集中，地质构造作用十分强烈。”对于渭武高速木寨岭特长隧道建设面临的困难和挑战，中国科学院院士、中国岩石力学与工程学会理事长何满潮这样表述。

　　中国科学院院士孙钧则认为，渭武高速木寨岭特长隧道在建设中遇到的变形量级，突破了地下工程界所遵从的理论和认知水平，勘察设计及工程施工没有可借鉴的成熟经验，可以说是隧道工程的禁区。

　　两位院士的结论究竟意味着什么？

　　“可以从两个不同角度来看。一个是隧道掘进过程中遇到的岩体很糟，另一个是地质地应力太强烈。”负责渭武高速木寨岭特长隧道建设的省公航旅集团长达公司党委书记、董事长王治才说。

　　从岩体来看，渭武高速木寨岭特长隧道全线穿越炭质板岩，围岩等级达到最高的5级。且这种炭质板岩极易破碎，遇水便化成泥，稳定性差，易掉块坍塌。

　　“在炭质板岩打隧道就像在豆腐上打洞。”王治才说。

　　从地应力来讲，渭武高速木寨岭特长隧道地处华北板块、扬子板块、塔里木板块及青藏板块四大板块交汇挤压地带，最大埋深629米，穿越6处褶皱和12条大断层破碎带及软弱炭质板岩地层。隧道开挖后，原来的地质结构平衡被打破，强大地应力驱动着岩体从四周持续挤占新开挖的隧道空间，以建立新的平衡，因而出现了强烈的隧道大变形。

　　渭武高速木寨岭特长隧道分左线右线两个隧道，每个隧道按双车道设计，直径为13.3米。“最大变形量超过了3米，隧道内敛收缩严重，给支护系统带来了严重冲击。”王治才介绍，“软弱炭质板岩+超强的地应力”，这便成为隧道建设史上罕见的世界性难题——软岩大变形。

木寨岭特长隧道掘进现场。（长达公司供图）

技术人员对木寨岭特长隧道施工进行实时监测。（长达公司供图）

　　苦 战

　　渭武高速木寨岭特长隧道按进口、中段和出口分为3个标段建设，分别由福建路桥、中铁隧道局、中铁二十一局施工。为缩短建设工期，增加掘进作业面，除了从隧道进口和出口两端推进，参建单位还开挖了3条斜井，使掘进作业面达到了8个。

　　2016年5月，渭武高速木寨岭特长隧道建设全面拉开序幕，参建单位满怀信心分别从预定位置展开掘进。

　　3号斜井洞门口是砂土、碎石构成的堆积体。承担建设任务的中铁二十一局采用机械开挖、人工配合的方式，开出了一个宽14米、高11米的洞门。

　　“洞口好进，进去后才发现里边非同一般。”中铁二十一局木寨岭特长隧道项目总工杨宝东回忆。

　　为抵御隧道变形，建设者每掘进一段，就要用钢拱架对岩体进行支撑，然后喷射混凝土形成初衬，待岩体稳定后，再进行二衬。

　　然而，随着工程的推进，3号斜井逐步进入软岩大变形地段。在强烈的地应力作用下，岩体对钢拱架形成巨大的压力，隧道日收敛速率达到19厘米，总变形量达到0.7米至2.05米。

　　“1个兆帕的压力相当于1平方米的面积在水深100米处受到的压力，而钢拱架承受的压力达到了24.95兆帕。”杨宝东说，钢拱架撑不了几天就扭成麻花状。

　　普通钢拱架不能承受如此之重，建设单位便将其更换成强度更高的拱架。然而，结果仍然是严重变形。无奈之下，建设者只能一边一点一点向前掘进，一边又不断更换身后被压变形的钢拱架。一些钢拱架甚至要更换3次。

　　其他两家施工单位也面临同样的困境。

　　2018年，承担渭武高速木寨岭特长隧道中段建设的中铁隧道局平均每天只能掘进几十厘米，全年一共掘进了300米。可更换钢拱架的长度却达到了136米。“围岩太差，地应力极高，可以说是前进一步后退半步。”中铁隧道局木寨岭特长隧道项目党支部书记周希涛回忆。

　　作为曾参建过兰渝铁路木寨岭特长隧道的建设者，来到渭武高速参建木寨岭特长隧道之初，周希涛对困难早有心理准备。

　　然而，相对于铁路隧道，公路隧道直径更大，在同样的地质条件下，变形也更大。在渭武高速木寨岭特长隧道中段建设中，最大变形量达到惊人的3.145米。

　　“现在看来，当时还是太乐观了。”周希涛说，在隧道局参建过的项目中，这样严重的变形，以前从没遇到过。

　　不仅如此，考验建设者的还有隧道掘进过程中的渗水和涌水。

　　杨宝东至今清晰地记得，2018年3月26日中午，3号斜井掘进至1050米时，洞顶左上方围岩出现股状涌水。

　　水越来越大，围岩受水浸泡变成糊状，隧道变形加剧，岩体不停坍塌，像泥石流一样。杨宝东说，建设者连夜采取加大排水、加设钢筋网片等“七步法”，进行紧急处置。

　　“机械根本使不上力，只能派人爬进洞里进行施工，情况一度非常危急。”杨宝东说。

　　超乎想象的软岩大变形让建设者们一筹莫展，隧道掘进一度陷入绝境。

　　“一般的5级围岩一个月可以打60米，但在木寨岭，一个月下来还不到20米，而且还要返工拆换前面已经变形的钢拱架，变成负进度，不少人几乎丧失了信心。”承建渭武高速木寨岭特长隧道进口段的福建路桥项目经理陈党辉说。

　　……

　　打隧道成为“抠隧道”，建设者们陷入艰苦鏖战，只能硬顶、硬熬。

专家团队在木寨岭特长隧道踏勘现场。（长达公司供图）

渭武高速木寨岭特长隧道（上）与兰渝铁路木寨岭特长隧道形成交会。新甘肃·甘肃日报通讯员 张宾

　　转 折

　　将“工”字形钢拱架换成强度更高的H形钢拱、采取不对称设计双层拱架技术……为应对软岩大变形，建设者在渭武高速木寨岭特长隧道的建设中，采取了一切能够想得到的措施。

　　“我们还从一家高校引进过一项‘稳定杆初支结构’试验方案，用89毫米钢花管代替传统的系统锚杆，但对变形抑制效果仍不明显，施工进展缓慢。”中铁二十一局木寨岭特长隧道项目经理陈文渊说。

　　方案一直在摸索，一直在调整改进，但成效不大。工程推进之慢、成本投入之高，让参建各方压力急剧增加。到2017年年中，甚至有建设者萌生退意，准备调离木寨岭特长隧道项目。

　　怎么办？组织开展科研攻关，再难也要啃下这块硬骨头！

　　2017年9月，长达路业组织邀请包括中国科学院院士孙钧、何满潮以及中国工程院院士郑颖人等在内的岩土力学和隧道界顶尖专家，召开支护技术专家咨询会，对渭武高速木寨岭特长隧道进行会诊，聚力攻关。

　　为切实解决隧道建设过程中遇到的技术难题，长达公司向省科协提出了申请建立院士专家工作站。2018年9月，以孙钧、何满潮院士领衔的院士工作站正式成立，渭武高速木寨岭特长隧道技术攻关进入加速阶段。

　　通过一系列现场调研和理论研究，孙钧和何满潮院士打破了传统被动支护方案，分别提出了让压支护体系和NPR锚索支护体系两项主动支护技术方案，将被动支护变为主动支护。

　　转折最终在2018年10月出现。

　　在新方案的支撑下，建设者使用高预紧力锚索将极高的水平和垂直压力分散到岩体中，有效降低了对隧道支护体系的压力，隧道最大变形被控制在了30厘米左右。

　　“就像‘纳鞋底一样’把炭质板岩串起来压紧，起到了加固的效果。”王治才说，试验结果显示，满足设计要求，属于正常变形。

　　经过不断试验、总结、优化工艺工法，2019年开始，渭武高速木寨岭特长隧道建设步入快车道。

　　“速度从每月20米一下子提高到了45米，终于进入快速建设阶段。”中铁隧道局木寨岭特长隧道项目经理于家武说。

　　2022年12月，出口段双线贯通；

　　2023年2月，中段双线贯通；

　　2023年7月6日，全线贯通。

　　鏖战8年，渭武高速木寨岭特长隧道的最终贯通，标志着软岩大变形这一困扰世界隧道工程建设的难题被攻克，其诸多科研创新成果开了中国公路隧道软岩大变形治理先河，多项研究成果在全国10多个隧道项目中推广应用。

　　渭武高速木寨岭特长隧道，必将成为中国隧道建设史上的重要里程碑！