本網(wǎng)記者巨少霖程健

蘭州至海口高速公路（簡(jiǎn)稱蘭海高速），全長(zhǎng)2570公里，是我國(guó)高速公路網(wǎng)北南方向主干線之一，是甘肅通達(dá)四川、重慶、貴州等出海通道的重要南出口公路，也是西北地區(qū)與西南地區(qū)最為便捷的交通要道。

蘭海高速的建成，尤其是渭源至武都段（簡(jiǎn)稱渭武高速）的貫通，將大大縮短蘭州至武都的通車?yán)锍碳皶r(shí)間，有效促進(jìn)沿線及周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展。

然而，受工程地質(zhì)難度影響，設(shè)計(jì)應(yīng)于1年多前竣工的漳縣遮陽(yáng)山至岷縣梅川鎮(zhèn)的木寨嶺隧道還未貫通，導(dǎo)致蘭州至武都“4小時(shí)”車程的夢(mèng)想至今難以實(shí)現(xiàn)。

木寨嶺隧道的施工到底有多難？目前進(jìn)展如何？近日，記者走進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)，探訪了這個(gè)被業(yè)界稱之為“工程禁區(qū)”的木寨嶺隧道。

多功能鑿巖鉆孔臺(tái)車正在打錨索

軟巖阻路掘進(jìn)一度“停滯不前”

2016年5月，木寨嶺隧道項(xiàng)目開工建設(shè)，隧道雙幅15.2公里，單幅30.395公里，由公航旅集團(tuán)長(zhǎng)達(dá)公司承建，設(shè)置用3個(gè)斜井將隧道分為4段同時(shí)掘進(jìn)，用時(shí)55個(gè)月竣工。

開工伊始，隧道進(jìn)出口掘進(jìn)正常，3個(gè)斜井的掘進(jìn)也有序進(jìn)行。然而，半年后，隨著斜井掘進(jìn)工作一步步推進(jìn)，用于支護(hù)隧道圍巖出現(xiàn)較大量級(jí)的變形，頻繁出現(xiàn)噴射混凝土開裂、掉塊，鋼拱架扭曲、錯(cuò)斷及初期支護(hù)侵限破壞等始料未及的問題。

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)支護(hù)方案和施工方法及900米外的蘭渝鐵路隧道施工經(jīng)驗(yàn)，參建單位組織對(duì)支護(hù)體系不斷進(jìn)行了優(yōu)化加強(qiáng)，并嘗試提高鋼拱型號(hào)、雙層初支、多層支護(hù)、增設(shè)緩沖層、加厚水泥層二次襯砌等措施，均未取得預(yù)期效果。

究其原因，隧道所在山體處于多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造板塊的交界地帶，且山體隧址區(qū)為軟巖、碎巖，山體圍巖開挖后，巖體自身穩(wěn)定性極差，構(gòu)造應(yīng)力和巖體自重應(yīng)力傳遞至隧道支護(hù)體系，導(dǎo)致鋼拱、混凝土變形、破壞。

也正因此，該隧道技術(shù)難度極大、安全風(fēng)險(xiǎn)極高，被國(guó)內(nèi)地下工程界知名院士、專家及學(xué)者稱之為隧道建設(shè)史上罕見的世界性難題。

“尤其是2、3號(hào)斜井，共已發(fā)生14處較大變形，最大的一處變形超過了3米。”渭武高速定西段項(xiàng)目辦副主任王智佼介紹，圍巖變形大、變形快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量級(jí)已突破了國(guó)內(nèi)外隧道和地下工程界以往所遵循的巖石力學(xué)理論和隧道建造實(shí)踐的認(rèn)知水平，超出了現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)范圍，在設(shè)計(jì)和施工方面沒有可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。

面對(duì)這個(gè)“無(wú)解”的難題，施工進(jìn)度從起初的每月60多米驟降至20多米。

“唯一的辦法就是支了拆，拆了支，反復(fù)支護(hù)，直至支護(hù)體系穩(wěn)定?！绷鶚?biāo)項(xiàng)目經(jīng)理于家武說，“要是這樣的話，僅1公里多的斜井就要幾年時(shí)間，主洞何時(shí)才能貫通？何況，巨額的施工成本更難以估算?！?/p>

到2017年年中時(shí)，工程推進(jìn)之慢、成本投入之高，讓參建各方壓力急劇增加，近乎信心全無(wú)。甚至，有人開始打“退堂鼓”，準(zhǔn)備調(diào)離該項(xiàng)目。

王智佼（右）與于家武（左）

攻堅(jiān)克難預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)出爐

渭武高速是蘭海高速的最后一塊拼圖，而木寨嶺隧道是渭武高速的“扼頸之環(huán)”。對(duì)此，公航旅集團(tuán)長(zhǎng)達(dá)公司可選擇的路只有一條：突破技術(shù)難關(guān)。

為了穩(wěn)定“軍心”，長(zhǎng)達(dá)公司每月召開調(diào)度會(huì)，并于2017年9月邀請(qǐng)孫鈞、鄭穎人、何滿潮三名院士和10名國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)大師，對(duì)木寨嶺隧道支護(hù)技術(shù)難題進(jìn)行咨詢，尋求有效解決方案。隨后，“院士專家工作站”成立，由孫鈞、何滿潮領(lǐng)銜，王智佼等長(zhǎng)達(dá)公司技術(shù)人員和院士團(tuán)隊(duì)共40余人組成的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)駐施工現(xiàn)場(chǎng)。

他們的目標(biāo)只有一個(gè)：以不拆或少拆支護(hù)為目標(biāo)，將控制圍巖變形與初支早期破壞作為主要技術(shù)攻關(guān)方向，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供技術(shù)支撐。

通過前期了解、充分的現(xiàn)場(chǎng)勘察和技術(shù)論證，兩名院士提出了讓壓支護(hù)體系和NPR錨索支護(hù)體系兩個(gè)主動(dòng)支護(hù)技術(shù)方案。

“讓壓支護(hù)體系的核心是邊支邊讓、先柔后剛，NPR錨索支護(hù)體系的核心是錨索懸吊改變巖層受壓狀態(tài)。”王智佼說，“兩位院士提出的兩個(gè)主動(dòng)支護(hù)體系技術(shù)方案，打破了傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)方案，通過積極加固巖層為主導(dǎo)的方式，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，一下子讓大伙在理論上有了信心?！?/p>

2018年9月14日，經(jīng)過多次研討后，依據(jù)懸吊、組合梁及承載拱理論，利用預(yù)應(yīng)力錨索將松動(dòng)破碎的巖體懸吊在穩(wěn)定的巖體上的“NPR錨索支護(hù)體系”確定為首選試驗(yàn)方案。

10月，科研團(tuán)隊(duì)正式在斜井開始試驗(yàn)。

“根據(jù)巖層情況，每掘進(jìn)一榀，就鉆孔打一圈5米或10米的錨索，通過網(wǎng)狀的高預(yù)緊力錨索懸吊，壓密、約束形成承載拱，提高了圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，而不是把巖體深層壓力全部傳導(dǎo)至隧道襯砌?！蓖踔琴f介紹，經(jīng)過兩個(gè)多月的試驗(yàn)，第一個(gè)試驗(yàn)段宣告成功，變形最大在30公分左右，滿足設(shè)計(jì)要求，屬于正常變形。王智佼說，“這一試驗(yàn)表明，主動(dòng)支護(hù)體系有效抑制住了支護(hù)圍巖變形，解決這一‘世界性’難題的方案找到了?！?/p>

為了降低成本，讓錨索發(fā)揮更大的作用，科研團(tuán)隊(duì)反復(fù)優(yōu)化方案，增加了黃油、橡膠套、W鋼帶等，并最終形成了成熟的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系。

從著手組建團(tuán)隊(duì)攻關(guān)技術(shù)難題到試驗(yàn)成功，科研團(tuán)隊(duì)用了整整1年時(shí)間。

于家武說：“有了這個(gè)有效的支護(hù)方案，我們掘進(jìn)的速度從每月20米一下子提高到了45米。”不僅如此，這一可行的支護(hù)體系，成為了全國(guó)公路軟巖隧道治理的技術(shù)前沿，立即被推廣應(yīng)用到川藏鐵路等全國(guó)各地的軟巖隧道支護(hù)施工中。

多功能鑿巖鉆孔臺(tái)車正在打孔

獨(dú)具匠心改進(jìn)設(shè)備提速增效

有了科學(xué)的支護(hù)體系，施工單位的信心倍增，不多久，2號(hào)、3號(hào)斜井落底，正式進(jìn)入主洞掘進(jìn)環(huán)節(jié)。

然而，在具體施工中，隧道每掘進(jìn)一榀就需要人工環(huán)向鉆孔，而后安裝樹脂藥劑，將錨索送入鉆孔，再?gòu)埨荚O(shè)鋼帶及張拉、支鋼拱……比起以往支了拆、拆了支，雖然降低了成本、提高了效率，但工期已嚴(yán)重滯后，要想進(jìn)一步提質(zhì)增速，還需對(duì)工序及施工方式優(yōu)化提升。

特別是主洞掘進(jìn)進(jìn)入地質(zhì)圍巖最為復(fù)雜、技術(shù)難度最大的嶺脊核心段后，傳統(tǒng)的爆破方式極易對(duì)圍巖造成較大的擾動(dòng)和破壞，從而加劇圍巖變形。為此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)于2020年6月引進(jìn)了大型懸臂掘進(jìn)機(jī)，該設(shè)備有效解決人員投入大、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高及掘進(jìn)速度慢等施工難題，極大地改善了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，且有效避免了爆破開挖震動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減少了圍巖松動(dòng)圈厚度，降低了支護(hù)難度，加快了施工進(jìn)度。

此外，記者在現(xiàn)場(chǎng)還看到了一臺(tái)多功能鑿巖鉆孔臺(tái)車。該設(shè)備長(zhǎng)著三個(gè)“手臂”，記者見到它時(shí)，它揮舞著三個(gè)“手臂”，一邊鉆孔、一邊安裝錨索，正在加緊作業(yè)。

“這個(gè)設(shè)備原來安裝鋼拱架，通過研發(fā)、改造，采用了無(wú)級(jí)變速?zèng)_擊鉆孔裝置，能根據(jù)圍巖強(qiáng)度等特性自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆桿轉(zhuǎn)速和推力，有效降低了設(shè)備故障，加快了鉆孔速度。同時(shí)，我們還成功研發(fā)了錨索機(jī)械化安裝、錨固劑攪拌等功能?！蓖踔琴f，這些特殊的“手臂”都是設(shè)備廠商根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、研發(fā)特制而成。

研發(fā)、提升的這一設(shè)備，原先人工花20多個(gè)小時(shí)才能鉆完的一榀錨索孔，現(xiàn)在僅用時(shí)7個(gè)小時(shí)。而且，原先每道工序需要流水作業(yè)，如今有了這一“神器”，各項(xiàng)工序可平行進(jìn)行，有效節(jié)省了時(shí)間。

“這個(gè)新設(shè)備的改進(jìn)，屬國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)首次成功應(yīng)用?！蓖踔琴f，“下一步，我們將繼續(xù)對(duì)錨索張拉及注漿功能進(jìn)行試驗(yàn)提升，最終實(shí)現(xiàn)錨索的鉆、裝、攪、拉、注等多功能集成全機(jī)械化施工和平行作業(yè)?！?/p>

如今，3個(gè)斜井兩端的主隧道已經(jīng)貫通，嶺脊核心段，有了預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系及多功能鑿巖鉆孔臺(tái)車等技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，用于家武的話說——有信心于明年6月貫通，年底通車。

“整整5年，很苦，但回想起來，收獲很大、很有成就感，挺開心的?！蓖踔琴男腋Ｅc開心溢于言表。望著隧道，他默默地說，“可以說，我對(duì)這個(gè)隧道有著深厚的感情。希望它盡早貫通，助力定西和隴南鄉(xiāng)村振興，加快沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！?/p>

木寨嶺隧道正在加緊挖掘中