高寒、高海拔复杂环境隧道建设防灾及绿色能源自洽供给技术

　　一、项目总体介绍

　　随着我国西部大开发及“交通强国”战略的深入推进，高寒、高海拔地区隧道建设需求日益增长。此类地区地质条件复杂，气候极端(如低温、缺氧、强紫外线、冻融循环等)，传统隧道施工面临地质灾害频发(如冻胀、岩爆、突水突泥)、能源供给困难、生态环境脆弱等严峻挑战。

　　目前，高海拔隧道建设主要依赖柴油发电等高耗能、高污染供能方式，不仅成本高昂，且碳排放严重，与“双碳”目标相悖。同时，极端环境下的防灾减灾技术尚不成熟，事故风险高，严重影响工程安全和进度。如何实现复杂环境下的隧道安全施工、灾害智能防控及清洁能源自给，已成为行业亟待突破的瓶颈问题。

　　本项目针对上述难题，依托中国乃至亚洲在建海拔最高的公路隧道—G580和田至康西瓦公路工程，针对高寒、高海拔、高烈度地区的复杂环境特点，开展了隧道建设防灾及绿色能源自洽供给技术研究，为极端环境隧道建设提供安全、绿色、可持续的解决方案，助力国家重大基础设施建设和边疆地区高质量发展。

　　项目《高寒、高海拔复杂环境隧道建设防灾及绿色能源自洽供给技术》由新疆交通建设集团股份有限公司(下称交建股份)和重庆交通大学共同实施，项目实施周期四年(2021-2025)，是目前世界上海拔最高的大规模公路自洽能源系统应用工程，是世界上第一个建设并投入运行的“风-光-储-油”多能互补型公路自洽能源系统，同时也是世界上已建成的光伏和风能累计装机规模最大的离网型公路自洽能源系统，设施用能自洽率实现100%。该技术将在未来的隧道建设中将发挥更大的作用，助力实现可持续发展目标。

　　图1 G580线和田至康西瓦公路工程复杂建设环境

　　二、主要做法

　　(1) 抗震技术体系

　　1.减震层与减震缝

　　在康西瓦隧道中，采用厚度为3cm的聚乙烯闭孔泡沫板作为减震层，铺设在二次衬砌与初期支护之间，具有良好的吸能特性，能够有效吸收地震波能量，减少地震对隧道衬砌结构的影响。同时，在隧道洞口段和软硬围岩交界处设置减震缝，间距分别为18m和9m。减震缝的设计能够进一步释放地震能量，降低地震荷载引起的应力和位移，从而减少地震对隧道结构的破坏。针对隧道围岩的高烈度地震特性，采用注浆加固技术。通过在隧道进出口段进行注浆加固，形成厚度为3m的加固圈，显著增强了围岩的整体性和抗震能力，不仅提高了围岩的稳定性，还有效减少了地震对隧道结构的影响，确保了隧道在高烈度地震区的安全性和稳定性。

　　2. 岩爆防治技术

　　采用水压致裂法对康西瓦隧道的高地应力区进行地应力测试，并结合 Russenes 和 Turchaninov 判别法，预测岩爆等级。根据测试结果，康西瓦隧道在埋深318～672m时可能发生中等岩爆，埋深超过672m时可能发生强岩爆。地应力测试方法为岩爆防治提供了科学依据，确保了施工过程中的安全性。

　　3.防寒抗冻技术

　　康西瓦隧道进出口段采用双层保温结构，保温材料厚度为5cm，铺设在二衬内表面和初衬与二衬之间，有效防止围岩融化和冻害。同时，针对隧道进出口段的冻土分布情况，采用泡沫混凝土和保温隔热材料进行中心深埋水沟的防寒抗冻设计，确保排水系统的通畅。

　　为应对康西瓦隧道进口段的雪崩风险，设计了180米长的钢制内法兰波纹板防雪棚洞，其强度高且具有良好的抗冲击性能。此外，还配备了新型逃生舱，连接逃生通道，保障施工人员的安全。

　　图2 防寒抗冻及安全设备

　　(2)绿色能源自洽供给技术

　　1.多能互补系统

　　G580线康西瓦隧道的能源自洽系统由“风-光-储-柴”组成，包括太阳能光伏电站工程及风力发电机组的布设及安装及能源供给。其绿色能源自洽供给系统设计总装机容量为光能800kW、风能400kW，储能容量为1200kWh。通过太阳能光伏电站和风力发电系统的互补发电，结合储能系统的能量存储与释放，实现了隧道运营的能源自洽供给。系统配备能量管理柜和能量管理单元(EMS)，通过数据通讯实现对整个光伏电站的能量管理和数据监视。在正常运行时，储能逆变器工作在VF模式，为系统建立稳定的电压和频率，确保能源供应的稳定性和可靠性。

　　图3 光伏电站的设计图

　　2.自然资源禀赋评估

　　采用多数据融合与观测资料同化技术，对G580沿线的自然资源禀赋进行综合评估。结合遥感数据、地理信息系统(GIS)、现场观测数据以及气象数据，提出了一种基于多数据融合的路域自然资源禀赋评估方法，一致性达到75%以上。 该评估方法为康西瓦隧道的绿色能源系统布局提供了科学依据，确保了能源系统的高效运行和可持续发展。

　　图4 风力发电机组

　　三、取得成效

　　依托本项目，共发表相关论文4篇，获批实用新型专利3项，形成《抗震及岩爆技术交底书》《高地应力隧道施工指南》各一份。

　　相关技术成果先后在G580项目、高原项目、昌吉州省道特许经营项目应用：

　　(1)G580项目

　　G580线和田至康西瓦项目康西瓦隧道建设项目在高海拔低温的特殊环境下采用的隧道保温隔热层高聚物材料施工技术和深厚含土重冰层区路基隔热防融沉新技术，取得了显著的经济效益。技术的应用显著提升了施工效率，通过高聚物材料的快速固化特性和施工便捷性，缩短了施工周期，减少了人工和机械的使用时间，从而降低了施工成本。同时，高聚物材料具有卓越的耐久性，能够抵御极端气候，减少后期维修和保养频率，进一步降低了维护成本。路基隔热防融沉技术有效提高了路基稳定性，延长了其使用寿命，减少了冻胀风险，有助于降低未来的维修费用，为项目带来了长期的经济回报

　　本项目的技术创新提升了工程施工的安全性和质量，保障了施工人员在恶劣环境下的安全，减少了施工风险，确保了交通通畅与安全。同时，这些创新技术为类似项目提供了宝贵的施工经验，提升了相关技术的应用能力。通过提高施工效率和质量，项目的顺利完成将为当地交通发展带来更大的便利，促进区域经济发展，为居民的出行提供更加便捷的通道，推动社会的整体进步。

　　(2)高原项目

　　高原项目位于某边防公路位于中印边境地区，该工程大部分海拔在5300m以上，所在地区冻土广泛分布，均为高海拔多年冻土，年平均地温-1.9~-10.0℃，为基本稳定多年冻土，冻土类型为少冰冻土和饱冰冻土。高含冰量路段共计2段，全长21.734km，主要为富冰冻土和饱冰冻土，项目实施过程采用了高寒隧道高聚物隧道保温隔热层材料施工技术。该技术的经济效益十分显著，

　　高聚物材料的施工效率高，显著缩短了施工周期。高聚物材料的快速固化特性及施工便捷性，使得施工团队能在较短时间内完成大面积施工任务，减少了人工和机械的使用时间，从而有效降低了施工成本。其次，高聚物材料具有卓越的耐久性，维护成本相对较低。该材料具备良好的耐候性和抗老化性能，能够抵御极端气候的挑战，减少了后期维修保养的频率和成本。

　　(3)昌吉州特许经营项目

　　经济效益方面，项目采用自发自用、余电上网模式，减少了服务区、收费站等场所对传统电力的依赖，节省了电费支出。多余电量上网还能创造额外收益。项目1278.98kWp 的装机容量在满足自身用电需求的同时，余电上网增加了经济收入。从长期看，降低了公路运营成本，提高了项目的投资回报率。抗震、防寒抗冻和岩爆防治技术的应用，减少了因地质灾害导致的停工、修复和维护成本，延长了公路使用寿命。社会效益方面，推动了绿色能源在交通基础设施中的应用，提升了公众对可再生能源的认知度和接受度。这些项目为当地创造了就业机会，从项目建设期间的施工岗位，到后期的运营维护岗位，都促进了就业。同时，稳定的电力供应保障了公路附属设施的正常运行，提升了公路服务质量，为过往司乘人员提供更便利的服务。