国之重器——“天山号”和“胜利号”硬岩掘进机为项目提供设备支撑，超长距离水平定向钻勘察与超前地质预报技术以及减震吸能等技术广泛应用，在中国科技力量的支撑下，隧道施工稳步向前。
天山腹地，G0711线乌鲁木齐至尉犁高速公路天山胜利隧道内，硬岩掘进机（TBM）“隆隆”向前掘进。今年内，这个世界在建最长高速公路隧道将实现全面贯通；明年，乌尉高速公路也将建成通车，届时新疆将拥有一条贯通天山南北最便捷的高速公路大通道。
天山胜利隧道进口端硬岩掘进机。柳新鹏/摄
在建设这条高速公路的背后，国之重器——“天山号”和“胜利号”硬岩掘进机为项目提供设备支撑，超长距离水平定向钻勘察与超前地质预报技术以及减震吸能等技术广泛应用，在中国科技力量支撑下，隧道施工稳步向前。
隧道勘察技术变革“第一枪”
“使用超长距离水平定向钻勘察，这在国内公路隧道建设中还是第一次。”中交第二公路勘察设计研究院有限公司天山胜利隧道设计负责人彭文波说。
天山高耸，给勘察带来很大困难。设计人员在勘察时，除常规方法外，在隧道进口增加了定向钻水平孔勘察手段，利用定向钻沿设计隧道轴线钻进，通过间断取芯、全程岩屑采集、涌水量观测、综合测井、孔内电视等方法，并对钻进过程中的钻压、泵量、扭矩、钻速等技术参数进行综合分析，可获取沿隧道轴线上各部位相关参数，如岩石成分、岩石完整性、抗压强度、围岩级别等更为详细的地质资料，达到事半功倍的效果。
“定向钻孔可以使用摄像头把山体内部地质情况直观展现出来，让人一目了然。”彭文波说。设计人员会根据定向钻孔提供地质信息，为隧道选址提供详实数据支撑。
值得一提的是，适用于隧道内部的千米级超前地质预报钻机及配套装置，完全是自主研发，极大提高了我国公路勘察设备水平。
除了在勘测时增加了定向钻水平孔勘察手段，在隧道施工时，水平定向钻以及超前地质预报技术，也能为施工提供详实的地质数据。
天山胜利隧道要穿过16个地质断裂带，断裂带围岩稳定性差，坍塌、突水涌泥风险大，其中危险最大的是F6博罗科努—阿其克库都克断裂带，该断裂带位于胜利隧道北面进口端1900米处，影响宽度达到440米，质地脆弱且岩体组成成分种类繁多。其次是出口端的F7断裂带。
“为了让硬岩掘进机顺利通过F6和F7断裂带，设计中采用水平定向钻探技术，分别探明了以上两处断裂的工程与水文地质。”彭文波说。水平定向钻在实施F7断裂带时，在断裂带上方，先斜着打下去，到达位置后再拐一个弯，进入隧道中导洞，精准地按设计好的钻孔路径沿中导洞轴线方向穿越断裂带，再通过摄像头取相以及洞内综合勘察技术，为施工方提供最直观、准确的地质信息，以科学的办法顺利通过断裂带。
天山胜利隧道通过两处超长距离水平定向钻勘察技术的创新性研究与应用，填补了国内隧道勘察多项技术空白。
“大国重器”体现国产水平
8月26日，在天山胜利隧道出口端中导洞内，硬岩掘进机操作手一边看控制屏上的地质数据，一边根据数据调整硬岩掘进机刀盘的转速。
“天山胜利隧道引进硬岩掘进机施工，这在国内高速公路隧道建设中还是第一次。”中国交建新疆乌尉公路包PPP项目乌尉土建第六标段项目部总工程师毛锦波说。
天山山脉的山体由一系列花岗岩类、动力变质岩类等岩石构成，如果采用传统工艺即爆破法施工，要打通22.1公里的隧道，将耗时长久。
最终多方决定，采用“三洞+四竖井”施工方案，并首次提出“TBM（硬岩掘进机）中导洞+双主洞钻爆法”联合施工的“长隧超短打”施工技术，这项技术方案将原本需要72个月完成的工期缩短到52个月。
为了适应天山胜利隧道的特殊地质和环境，项目团队量身定制了2台硬岩掘进机，即“天山号”和“胜利号”。这两台“大国重器”为国产化设备，开挖直径达到8.43米，全长282米，重约2000吨。
中交天和机械设备制造有限公司天山胜利隧道项目部经理康健说，中交天和在世界范围内首次创新使用融合敞开式硬岩掘进机与压注式混凝土工法，使硬岩掘进机具备灵活切换的两种掘进模式和三种支护方式。在较好围岩条件下，采用敞开式工法掘进模式；遇到破碎带、软弱围岩、岩爆地层时，切换单护盾钢模板压注式混凝土支护掘进模式；针对极破碎带、软岩大变形、强岩爆地层时，采用单护盾钢管片支护掘进模式，避免出现塌方对作业人员和工程设备带来安全风险，确保在大变形、强岩爆、多断裂带等复杂地层下安全、环保、高效掘进。
目前，硬岩掘进机在天山胜利隧道中导洞以及1座竖井中使用，已取得较好的成绩。
中国工程院院士朱合华说，天山胜利隧道的顺利掘进，反映了国产硬岩掘进机和竖向掘进机技术水平达到了国产机械的新高度，其设备的关键核心部件打破了国外垄断，真正意义上实现了国产设备的自立自强。
得益于硬岩掘进机的成功使用，目前在建的G219线温泉至霍尔果斯、温宿至昭苏项目也采用了硬岩掘进机施工。
柔性支护展示建设者智慧
“我们的减震吸能器就像一个弹簧，它放置在隧道混凝土支护结构层之间，能巧妙吸收地层活动产生的挤压力，提高隧道结构的稳定性。”看着一根根塑料管状的减震吸能器安装完成，中国交建新疆乌尉公路包PPP项目乌尉土建第五标段项目部项目工区主任雷军超说。
打通天山胜利隧道需穿越16条断层破碎带，其中12条位于隧道进口端，如果断层发生持续活动可能成为破坏性地震的主要危险源。如何支护隧道，考验着建设者的智慧。
2021年9月，天山胜利隧道左右洞掘进到“F6断层”——全隧施工中影响范围最大、最危险的一条复合区域深大断裂带。按照常规思维，必须设置足够厚的减震层来吸收地质活动带来的能量，保证隧道施工、运营阶段在地质活动中的结构安全。
然而，断层地质活动过于频繁，围岩初期支护的钢拱架抵抗不住强烈挤压力，隧道掘进到此处多次坍塌返工。
“硬的不行就来软的，那就想办法给断层留出充分活动的空间，以柔克刚让支护结构更稳定。”乌尉土建5标项目部总工程师黄登侠说。通过使用具有重量小、易于填充、变形吸能特性的泡沫混凝土，通过随地质活动而发生形变，巧妙化解地质活动产生的能量。
随后，技术团队投入到技术攻坚战中，经过多方案比选验证及仿真受力模拟，最终设计出70厘米厚的泡沫混凝土减震层作为减震吸能结构。
可就在混凝土浇筑前，项目团队又发现泡沫混凝土需经过7天凝固期才能达到拆模强度，多于常规所需的24小时。如果直接应用于支护结构，很可能还未等泡沫混凝土凝固，初期支护结构就因为断层的压力而坍塌。于是，技术团队决定将泡沫混凝土填充进聚乙烯（PE）管中度过7天的凝固期，在隧道内的加工处达到强度后再运至施工现场，整体安装于减震层内。
结果不负众望，自方案实施以来，37884根PE管泡沫混凝土至今仍牢牢固定在天山胜利隧道F6断层区域，抵御了一次次活跃的地质运动产生的挤压力。
