1 工程概况
大凉山1号隧道位于乐西高速马边至昭觉段，隧道全长15.324km，设计速度80km/h，隧道设置1座贯通平导+1座斜井，是我国西南地区在建项目最长的高速公路隧道，是国内首条平导采用敞开式掘进机、主洞采用钻爆法施工的高速公路隧道，也是国内首条采用单斜井+贯通平导通风模式的超特长公路隧道，隧道掘进机开挖直径为7.93m。项目地理位置如图1所示。
图1 项目地理位置图
2 项目特点与难点
大凉山1号隧道位于云贵高原与川西南山地过 渡带，紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽 自然保护区，东北部与四川盆地毗连，地势西高东 低，呈北东向倾斜，属大凉山系。隧道主要受哈都洛 背斜、黄果洛向斜和斯依阿莫倒转背斜控制，地层岩 性主要以玄武岩、砂岩、粉砂岩、灰岩为主，隧道穿越 F1断层、F2断层，不良地质有涌突水、瓦斯、断层破 碎带、大变形和岩溶等，黄果洛向斜核部和F1、F2断层 破碎带为富水地层，预测最大涌水量达32179m³/d，隧 道地质图如图2所示。
图2 大凉山1号隧道地质简图
（1）建设规模超大，建设风险极高。大凉山1号隧道是我国西南地区在建项目最长的高速公路隧道，在环境敏感区修建15km的超特长隧道面临施工作业面少、环境敏感、地质条件复杂等难题，项目建设条件极其艰难。
（2）地质条件复杂，不良地质发育。隧道穿越背斜、向斜、断层等构造，不良地质有断层破碎带、涌水、瓦斯、软岩、岩溶、岩爆等，其中黄果洛向斜四周高、中间低，似一口“平底锅”，是储水构造，涌突水风险极高。
（3）生态环境敏感，环保要求极严。隧道紧邻大风顶国家级自然保护区、四川省嘛咪泽自然保护区等大熊猫栖息地保护区（图3），环保要求极其严格，隧道选线、施工受限极大。
图3 自然保护区与隧道的关系
（4）防灾救援困难，运营风险极大。隧道受嘛咪泽自然保护区的影响，进口端约8km范围内无法设置斜竖井，隧道发生火灾等紧急情况后，救援车辆通行时间长、人员逃生距离长、火灾烟气蔓延范围大，大大增加了防灾救援难度（图4）。
图4 特长隧道常规救援模式示意
3 总体设计
3.1 降低越岭高程，减轻冰雪集中等小气候灾害影响
乐西高速线路由北向南随地形起伏较大，大凉 山1号隧道的海拔高度达到2000m以上，设计阶段 开展了大高差艰险山区高速公路线形方案比选研 究，通过降低隧道越岭高程最大程度地绕避冰雪灾 害地段，减轻全线海拔最高区域“暗冰”危害，将积雪 冰冻路段降低为轻度影响程度，保证运营期间准全 天候通行。
乐西高速路线由北向南随地形起伏形成两条越 岭线（黄茅埂越岭线、昭觉北上山线）、三段连续长纵 坡，海拔高度按照坡底→坡顶→坡底→坡顶的顺序 依次为马边河特大桥约640m、穿越黄茅埂的大凉 山1号隧道村约2290m、子莫格尼特大桥约1564m、 昭觉县菩提村约2090m，大凉山1号隧道为乐西高 速全线海拔最高的一段，因此大凉山1号隧道进出 口标高的选择与越岭线越岭标高的选择相关联。为 深入研究大凉山1号隧道的越岭高程，设计团队拟 定了高线、中线、底线等多个路线方案进行比选。
从全线连续长纵坡坡度、积雪冰冻情况、环境保 护要求、互通设置、环境因素等多方面进行比选，提 出了最优方案。结合省内雅安至西昌高速公路的运 营情况，该高速公路海拔最高的拖乌山路段冬季常 常受积雪灾害影响，无法全天候行车。因此，大凉山 1号隧道轴线方案的选择首先考虑后期的运营安 全，最终选择了海拔最低、隧道最长的轴线方案。该 方案有效地降低了全线的平均纵坡，减小了积雪冰 冻路段的长度，消除了中度影响积雪路段，同时明线 路段布置在阳山坡，有利于运营安全（图5）。
图5 乐西高速全线纵断面示意
3.2 贯通平导与单斜井组合的隧道通风方案
3.2.1 交通量及交通组成
乐西高速谷堆—美姑段近、远期交通流量预测见表1。
表1 交通量预测结果（单位：pcu/d）
3.2.2 辅助通风通道的边界条件
大凉山1号隧道全长15.3km，隧道前段约8.2km位于四川省嘛咪泽自然保护区试验区。由于环境保护的严格限制，除隧道主洞洞口外，洞身穿越嘛咪泽自然保护区试验区，不能设置其他通风井口。结合隧道排烟长度要求，隧道进口至少要设置一处排烟平导，长度大于3.2km。
（1）隧道进口8km范围
隧道前段穿越龙头山，山体浑厚，属于四川省嘛咪泽自然保护区。由于环境保护的严格要求，除隧道主洞洞口外，在保护区无法再设置其他通风井口。因此隧道进口端约8km范围内只能设置平行导坑，平行导坑的洞口与主洞设置在同一处（图6）。
图6 自然保护区与隧道的关系（红色虚线范围内无法设置斜竖井）
（2）隧道出口7km范围隧道出口7km位于嘛咪泽自然保护区范围外，同时隧道轴线距离县道X163距离较近，斜井洞口施工条件较好，具备设置斜井的条件。
3.2.3 通风斜井方案比选
结合大凉山1号隧道的地形及地质条件，拟定了3个通风方案进行经济技术比选。
（1）方案一：进口端设置3km平导，出口端设置2座斜井，组成3区段斜井送排式通风系统（图7）。
图7 3km平导+斜井分段通风示意
（2）方案二：进口端设置8km平导，出口端设置2座斜井，组成3区段斜井送排式通风系统（图8）。
图8 8km平导+斜井分段通风示意
（3）方案三：全隧道设置15.3km贯通平导，出口端设置1座斜井，组成2区段斜井送排式通风系统（图9）。
图9 贯通平导+斜井分段通风示意
大凉山1号隧道为超特长隧道，隧道通风斜井方案应兼顾规模、工期、防灾救援等方面进行综合比选（表2）。
表2 大凉山1号隧道通风方案比较
由表2可知，方案一（3km平导）投资节约，但黄果洛向斜涌突水风险高、工期不可控。方案二（8km平导）利用超前平导降低了工期风险，但平导利用效率较低。方案三（贯通平导）投资最高，但降低了工期风险，同时隧道平均纵坡较小，社会能耗更低。在隧道左右线之间设置贯通平导，救援车辆能快速到达事故地点，将救援车辆到达事故地点时间缩短到常规模式的四分之一，排烟距离由5000m缩短至750 m，极大地提升了应急救援能力。经综合比较，推荐采用方案三。
3.3 贯通平导设置位置
根据平导的位置关系，平导可设置在主线隧道中间或一侧。平导设置在主线隧道中间有利于辅助主洞施工、逃生救援，且检修养护较为便捷、应急救援能力强，但平导与行车横通道会形成多次十字交叉口，施工难度大。平导设置在主线隧道一侧，沿袭了常规高速公路左右洞互为救援的传统模式，未能充分发挥平导的防灾救援功能。
综合考虑左右洞辅助施工、防灾救援、检修养护及辅助通风等方面的因素，平导布设在主线隧道中间优势明显（图10）。
图10 大凉山1号隧道断面布置
3.4 平导兼具应急交通和排烟功能
平导在施工期作为辅助施工通道。未施作二次衬砌前，平导断面大小为5.9m×4m，具备施工车辆双向通行的能力。在运营期利用隔板将平导断面分割为上下2个部分，上方作为排烟通道，下方作为交通及辅助送风通道（图11、图12）。
图11 平导辅助施工期断面示意
图12 平导运营期断面示意
4 工程技术创新
基于大凉山1号隧道地质条件复杂、环境敏感、气候条件恶劣等重难点，秉承“安全、快捷、绿色”的建设理念，项目积极开展科技创新，在设计和施工中开展了多项具有行业引领性的探索和实践。
4.1 安全设计创新
（1）主洞+贯通平导结构布置型式，破解特长隧道防灾救援难题
大凉山1号隧道受四川省嘛咪泽自然保护区的布线制约，进口端约8km范围内无法设置斜竖井等辅助通道，项目创新设计“一隧三洞”隧道型式，在隧道中间设置贯通平导，平导与主洞相互联通，利用平导实现快速救援，救援时间可缩短为左右洞互为救援模式的1/4，排烟距离由5000m缩短至750m。
（2）多功能交通转换带，提高特长隧道防灾救援能力
大凉山1号隧道设置2处多功能交通服务带，均匀将隧道分为3段，当其中一段发生事故或维修时，其余段交通通行能力不受其影响，提高防灾救援能力，实现“长隧短运”（图13）。
图13 多功能交通转换带示意
4.2 建设创新
（1）优化隧道内轮廓断面，提高隧道通行能力
目前常规高速公路隧道与路基衔接处的左右侧存在突变，造成明显的隧道内墙效应，降低了通行能力，增加了安全隐患。乐西高速大凉山1号隧道左右侧进行加宽设计，消除了左侧洞内外行车的突变，提高了洞内外运行速度协调性，隧道断面可满足100 km/h的运行速度，行车右侧侧向宽度满足消防摩托车行驶空间，提高了防灾救援的能力（图14）。
图14 路面加宽设计
（2）积极推进机械化施工技术，加快特长隧道施工进度
大凉山1号隧道地质条件复杂、涌突水风险高，施工作业面少，根据工期测算，采用传统钻爆法施工，工期长达8～9a。建设团队首次在高速公路隧道领域提出平导采用隧道掘进机法、主洞采用钻爆法施工的设计方案，填补了国内高速公路采用敞开式掘进机辅助主线隧道施工的空白，将建设工期缩短为5a。
平导于2020年10月正式开始掘进，2023年9月底平导贯通，其中钻爆法工区累计掘进2995m，掘进机工区累计掘进12321m。“月城凉山号”掘进机先后创造了国内隧道掘进机独头日掘进49.12m、月掘进723.82 m的全国纪录，并多次刷新全国高速公路隧道掘进机最快掘进施工纪录，连续6个月掘进3 680 m、连续12个月掘进6387m、连续18个月掘进8825m，创造了多项“全国之最”。敞开式掘进机在平导施工中的应用，实现了特长隧道的快速掘进，隧道掘进机平均工效达到常规钻爆法施工的4~5倍，施工工期节约3~4a（图15、图16）。
图15 平导掘进机法施工进度
图16 大凉山1号隧道平导施工工法示意
（3）三洞并行施工通风，实现节能减排
项目建设期间，依托高等院校研发的“风洞实验室”模拟大凉山1号的隧道施工通风，影响通风效率的因素主要有风管直径、风管出口端距掌子面的距离、风管挂设位置、风管贴壁程度等，经研究优化了主洞及平导的通风参数。根据测算，采用优化的通风参数进行独头压入式通风可节约能耗10%以上，采用巷道式通风可节约能耗15%左右（图17）。
图17 主洞与平导组成巷道式通风系统
（平导送风、两侧主洞排风）
4.3 绿色环保
（1）优化环境敏感区的轴线方案，减轻对保护区的影响
大凉山1号隧道穿越四川省嘛咪泽自然保护区，为将工程建设对保护区的影响降至最低，采用了“不改移河道、尽量减少明线、尽量减少挖方边坡、不得已时则以低填浅挖且加强防范措施”的环保选线原则。以隧道方式通过嘛咪泽自然保护区试验区，取消了保护区内的斜井工程，路线范围内设置了多道动物通道。同时，项目建设期间根据项目的特点投入了大型污水处理器、砂石分离器、生活油污分离处理一体机、料仓、隧道口自动喷淋系统等环保设施。
（2）设置自流水消防水池，实现节能减排
大凉山1号隧道斜井内设置自流水节能消防水池，提高消防水池的可靠性，高位水池始终充满水，且洞内不会结冰，减小日常养护难度，节约抽水设备及抽水耗能，降低建设及运营成本，实现节能减排（图18）。
图18 大凉山1号隧道斜井自流水消防水池
5 项目建设
大凉山1号隧道采用主洞+平导的断面布置型式，主洞采用钻爆法施工，平导进口端采用钻爆法施工，平导出口端采用敞开式掘进机施工，平导于2023年9月实现贯通，目前已进入辅助主洞施工阶段，预计2025年年底主线隧道建成通车。
5.1 隧道掘进机设备改造设计
大凉山1号隧道首次采用国产再制造隧道掘进机，实现持续、均衡、快速施工，并增强隧道掘进机的适应性。掘进机再制造包括多项技术的自主创新，提高了敞开式掘进机的适应性和通过性，保证了掘进机掘进效率和施工质量。改造后隧道掘进机开挖直径为7.93m，整机长度176m，重量1400t，总装机功率达5200kW。
在适宜地质条件下，隧道掘进机施工实现长期稳产高产。在恶劣地质条件和施工环境下，通过改进施工工艺、改善设备功能、提升设备性能，提高隧道掘进机的工程适应性，尽量减少和避免隧道掘进机长时间停机，努力实现隧道掘进机持续稳步施工。
（1）改造扩挖刀刀座，应对软岩大变形
通过改造超挖刀座、预留仿形刀接口等手段，通过在边滚刀刀座结构中添加不同厚度的超挖垫块，改变刀具布置轨迹，实现隧道掘进机刀盘掘进直径的扩大，达到50～100mm半径的超挖。油缸控制超挖滚刀扩挖，从洞内最低点至最高点之间随角度的变化逐渐增加/减少超挖量，提高掘进机通过软岩大变形段的地质适应性。掘进机扩挖时，在底护盾下方安装防栽头装置，防止掘进机掘进期间一直向下栽头（图19）。
图19 隧道掘进机扩挖示意
（2）增加主驱动减速机扭矩，提高刀盘驱动能力和脱困能力
隧道掘进机刀盘驱动减速机减速比由18改造为26，额定扭矩提高至9433kN·m@3.2rpm，脱困扭矩提高至14150kN·m，扭矩提高40%以上。
（3）配置应急喷混凝土系统，实现及早封闭裸露围岩
在护盾后方配置应急喷混凝土系统，及时喷锚、封闭围岩，减少落渣量，提高支护效率，减少人员设备安全风险。
（4）提高主机皮带机运载能力
主机皮带宽度由原1m增加至1.2m，单马达驱动改为双马达驱动，增加了主机皮带承载力，增大主机皮带驱动力。
（5）增大钢筋排覆盖范围
钢筋排防护范围扩大至侧护盾，可实现240°钢筋排支护，减少围岩塌落、清渣量，提高设备利用和支护效率。
（6）前置式超前管棚
在护盾处设置管棚孔，分布角度约为144°，插入角约为4°；配置管棚钻机和超前支护锚杆钻机，加固护盾及刀盘区域松散体。
（7）系统喷混凝土区域前移，减少围岩裸露时间和施工风险
将喷混凝土系统前置于连接桥上，相对于改造前设备前置10m，缩短喷混凝土滞后时间。
5.2 隧道掘进机施工情况
平导掘进机施工期间穿越了哈都洛背斜、黄果洛向斜、F2断层、F1断层、斯依阿莫倒转背斜，揭示了玄武岩、泥岩、粉砂质泥岩及砂岩、灰岩等多套地层，成功通过了涌突水、瓦斯、软岩大变形、断层破碎带、玄武岩破碎地层、H2 S气体等特殊地段或不良地质段（表3）。
表3 大凉山1号隧道平导掘进机施工情况
（1）地层岩性对掘进机施工进度的影响
在较完整玄武岩段，考虑试掘进的影响，施工进 度达到317m/月，最高月进度达到712m/月；在较破 碎玄武岩段，由于玄武岩柱状裂隙发育，护盾后方掉 块、塌方较为严重，平均月进度仅为125m/月；在泥 岩与玄武岩接触带，岩体较为破碎，发生多次塌方， 泥岩段受高地应力影响发生了大变形，施工进度较 为缓慢，平均月进度为148m/月；在灰岩段受岩溶、 涌突水、H2 S气体、反坡施工影响，平均月进度约为 171 m/月；在粉砂质泥岩及砂岩段，岩体总体较为完 整，无地下水，平均施工进度达到471m/月，最高月 进度达到了701m/月。
（2）岩体强度、完整性对掘进机施工进度的影响
根据平导掘进机施工进度，围岩完整性、自稳性 等指标对掘进机施工进度影响最大。在较完整的围 岩段，由于支护工作量较少，可实现快速掘进。抗压 强度小于5MPa的泥岩、黏土岩等围岩，受地应力、 地下水的影响较大，需要加强初期支护，局部需对撑 靴处采用模筑混凝土进行预加固以满足承载力要 求，施工进度缓慢。粉砂质泥岩抗压强度一般为7~ 8 MPa，砂岩抗压强度一般为18~28MPa，粉砂质泥 岩与砂岩的组合地层总体较完整，抗压强度适中， 隧道掘进机的适应性较好。玄武岩抗压强度为57~ 62 MPa，灰岩抗压强度为49MPa，角砾灰岩抗压强 度为19MPa，此类地层抗压强度总体较高，若围岩 较为完整隧道掘进机的适应性较好；若围岩较为破 碎，初期支护时间较长，同时护盾后方掉块、塌方现 象严重，需要人工清渣，隧道掘进机的适应性较差。
（3）不良地质及特殊地段对掘进机施工进度的影响
软岩段受高地应力影响较大，发生了大变形，硬 岩段仅局部发生了轻微岩爆，影响较小。本隧道为 低瓦斯地层，施工期间实测为微瓦斯，因此瓦斯对掘 进机施工影响较小。F1断层宽度约为30～50m，但 其影响范围较大，对应段落岩体较为破碎，隧道掘进 机适应性较差。玄武岩涌突水段，为顺坡施工，对隧 道掘进机有一定影响，但影响有限，富水段施工进度仍然达到了290～300m/月。灰岩段岩溶发育，发生多次涌突水，同时该段为反坡施工，掘进机适应性较差。灰岩段发生H2 S气体溢出，推测为经岩溶裂隙远程补给而来，最高浓度达到18ppm，H2 S对电气设备具有腐蚀性，H2 S浓度在6.6~20ppm之间时，作业人员需配备防护用品，影响隧道掘进机施工效率。
6 结 语
（1）乐西高速是大小凉山地区首条高速公路项目，也是国内首次采用掘进机法辅助主线隧道施工的高速公路。“月城凉山号”掘进机平均施工工效达到常规钻爆法施工的4~5倍，在施工实践中证明了平导采用掘进机辅助主线隧道施工和掘进机设备再制造的可行性，有利于推进公路隧道的机械化施工。
（2）受黄茅埂越岭高程的限制，大凉山1号隧道的轴线选择综合考虑了地形条件、运营安全、环境条件等方面因素，最终选择了超特长隧道方案，减小了积雪冰冻路段的长度，消除了中度影响积雪路段，既保障了乐西高速的运营安全，也遵循了绿色交通可持续发展理念。
（3）大凉山1号隧道进口端需穿越8km的自然保护区，无法设置斜竖井。施作贯通平导，可利用先行平导增加辅助作业面，缩短施工工期，并可提前探明前方地质条件，降低施工风险。运营期间贯通平导可作为防灾救援通道，救援车辆到达事故地点时间缩短到常规模式的四分之一，排烟距离由5000m缩短至750m，逃生救援及检修养护较为便捷、应急救援能力强。
现代隧道技术
（4）为实现隧道掘进机持续、均衡、快速施工，应尽可能查明隧址区的地质条件，为掘进机选型及设备改造提供基础数据，针对可能穿越的不良地质或特殊地段需要谨慎对待。
基于大凉山1号隧道地质条件复杂、环境敏感、气候条件恶劣等重难点，建设团队提出了“安全、快捷、绿色”的建设理念，可供类似工程建设借鉴。