福川隧道：兰新高铁“Ⅱ级风险”的饱和黄土攻坚

 在甘肃永靖的湟水河右岸，一座全长10.649公里的双线隧道横贯高阶地与低中山区，将兰州与西宁紧密相连——这就是兰新铁路第二双线（兰新高铁）的控制性工程福川隧道。隧道地处黄土高原与青藏高原过渡带，穿越饱和黄土、泥岩夹砂岩等复杂地层。全隧埋深最浅处仅7米，最大埋深约270米，地质条件极为复杂。自2010年开工以来，中国港湾的建设者在Ⅱ级风险隧道的极端环境中鏖战五年。2014年12月26日，兰新高铁全线通车。福川隧道以兰新二线第三长隧的殊荣，成为这条横贯西北的钢铁大动脉上最关键的节点工程之一。

一、工程概况：横亘湟水河岸的10.649公里“Ⅱ级风险”隧道

福川隧道位于甘肃省临夏回族自治州永靖县境内，穿行于湟水河右岸高阶地和低中山区。隧道的主要技术参数：

福川隧道所在的兰新高铁全长1776公里，贯穿甘肃、青海、新疆三省区，是国家“十二五”综合交通体系规划中的重点工程，也是亚欧大陆桥中的重要一环。中国港湾承建的兰州至乌鲁木齐第二双线LXS-1标段，全长32.167公里，起点为国庆山隧道进口，终点为福川隧道出口。标段内设计有4座桥梁和5座隧道（国庆山隧道、芦草山隧道、高家山隧道、新庄隧道、福川隧道），福川隧道是其中长度最长、地质最复杂的工程。

二、建设历程：“五隧四桥”的五年攻坚

2010年2月6日，兰新铁路第二双线甘青段正式开工。福川隧道作为LXS-1标段的终点控制性工程，拉开了建设序幕。

为破解10.649公里超长隧道的施工困局，隧道设置了羊肠子沟斜井、乎兰大板斜井和下周家横洞三座辅助坑道。斜井长度分别为642米（坡度10.6%）、648米（坡度11.7%），横洞长度590米。三座辅助坑道的设置，使建设者能够在多个作业面同步推进，有效破解了超长隧道的施工困局。

隧道施工采用钻爆法，无轨运输。在饱和黄土地区施工中，常常出现开挖困难、初期支护沉降大、基底软化等问题。面对重重困难，中国港湾项目部经过5年的艰苦施工，顺利完成了各项施工任务。

2014年12月26日，兰新高铁正式开通运营。福川隧道以兰新二线第三长隧的殊荣，成为这条横贯西北的钢铁大动脉上最关键的节点工程之一。

三、攻坚难点：“Ⅱ级风险”隧道的三大封锁

福川隧道被列为Ⅱ级风险隧道，其建设面临三大核心挑战的高度叠加。

（一）饱和黄土——遇水即塌的“变形魔咒”

隧道地层主要为第四系全新统冲积砂质黄土、粗圆砾土、坡积、滑坡堆积砂质黄土；上更新统风积砂质黄土、冲积黏质黄土等。在饱和黄土地区，施工中常常出现开挖困难、初期支护沉降大、基底软化等问题。黄土遇水后结构迅速破坏，围岩自稳能力几乎为零，每向前掘进一米都面临坍塌和变形的极高风险。

隧道洞身一般埋深为50至180米，最大埋深约270米，最小埋深仅约7米。极浅埋段与饱和黄土的叠加，使地表沉降控制要求达到毫米级精度，施工稍有不慎就可能引发地表塌陷。

（二）泥岩夹砂岩——初期支护变形的“持续绞杀”

隧道地质状况以泥岩或泥岩夹砂岩为主，围岩条件差。以DK46+072至DK46+135段为例，初期支护发生了严重变形。泥岩遇水后极易软化崩解，常规支护结构难以抵抗巨大的围岩压力，钢拱架扭曲变形、支护拆换问题突出，严重制约了施工进度。

（三）辅助坑道大坡度——斜井运输的“安全红线”

羊肠子沟斜井和乎兰大板斜井的坡度均达到10%以上。大坡度斜井运输风险极高，物料运输和人员通行效率受到极大制约，溜车风险贯穿施工全过程，对安全管理提出了极为严格的要求。

四、技术创新：从“CRD法”到“联合加固”的系统突破

面对“饱和黄土+泥岩夹砂岩+大坡度斜井”的三重封锁，建设者与科研团队展开了一系列技术创新。

（一）CRD法开挖与管棚超前支护——浅埋段的“定海神针”

针对DK40+000至DK40+130段浅埋段（覆盖层最薄处仅约10米），设计采用CRD法（交叉中隔壁法） 施工。CRD法将大断面分割为多个小断面分部开挖、及时支护，有效控制了软弱围岩的变形和地表沉降。

超前支护采用Φ89管棚和Φ42超前小导管相结合的方式。管棚环向间距0.4米，单根长度10米；超前小导管环向间距0.6米。管棚和小导管的支护范围均为隧道拱顶140°范围。这一超前支护体系在掌子面前方形成“伞状”保护层，有效控制了浅埋段的塌方风险。

初期支护采用I22a型钢钢架、锚杆、钢筋网片喷锚支护；二次衬砌为C40钢筋混凝土衬砌。I22a型钢钢架的高强度特性，为软弱围岩提供了可靠的初期承载能力。

（二）临时仰拱+锁脚锚杆联合加固——变形控制的关键技术

针对DK46+072至DK46+135段初期支护变形难题，建设者采用临时仰拱和锁脚锚杆联合加固技术。临时仰拱使支护结构尽快形成闭合环，有效抵抗围岩变形；锁脚锚杆则通过将钢拱架脚部锚固于稳定围岩中，防止钢架下沉和侧向滑移。实践证明，这一联合加固技术有效控制了隧道初期支护围岩变形。在换拱施工中，采用弱爆破换拱方式，具有进度快的特点。

（三）仰拱底鼓分级控制——基底稳定的“科学防线”

仰拱是隧道结构的重要组成部分，直接关系到高速列车的行车安全。福川隧道在运营期间出现了仰拱底鼓问题。科研人员通过现场实测返工后仰拱混凝土和钢筋的应力，分析了仰拱结构中混凝土和钢筋的受力特征及应力变化规律。研究结果表明：受隧道二衬自重及上部围岩荷载、隧道基底围岩膨胀、轨道道床及列车荷载的作用，返工后仰拱混凝土经历了受压、出现局部拉应力、拉压应力稳定的变化过程。

基于监测结果及地质条件，研究提出了将福川隧道仰拱底鼓分为轻微、中度和严重3种程度，并针对每种程度的底鼓给出相应的控制措施。这一分级控制体系为隧道基底稳定的科学处治提供了理论依据。

五、科研价值：高速铁路隧道仰拱研究的“试验田”

福川隧道因其复杂的仰拱受力问题，成为高速铁路隧道仰拱研究的重要工程依托，多项科研成果发表于核心期刊。

仰拱结构受力实测分析。 《中国铁道科学》2017年第5期以福川隧道为研究对象，现场测试了返工后仰拱混凝土和钢筋的应力，分析了仰拱结构中混凝土和钢筋的受力特征及应力变化规律。研究指出，地下水大量补充后，隧底围岩膨胀释放大量荷载，使得混凝土应力、钢筋应力以及土压应力迅速增大。仰拱中混凝土的最大拉应力为1.9MPa，最大压应力约为8MPa。

仰拱及填充层动力响应分析。 科研人员对福川隧道进行了现场测试，分析在不同运行速度列车的动荷载作用下，不同道床板下埋深处仰拱及仰拱填充层的动应力响应和竖向振动加速度响应分布规律。

隧道仰拱结构振动特性实测。 以福川隧道为依托，科研人员分析了不同运行速度列车振动荷载作用下，不同深度处仰拱及仰拱填充结构的振动加速度和动应力响应及衰减规律。

饱和黄土隧道施工关键问题。 以福川隧道乎兰大板斜井工程实例为分析对象，研究人员探究了饱和黄土地区高速铁路隧道施工过程中开挖困难、初期支护沉降大、基底软化等关键问题的处理方法。

六、运营维护：从“福川隧道出口”到全线通车

2014年12月26日，兰新高铁正式开通运营。福川隧道作为兰新二线第三长隧，至今已安全运营十余年。2021年，福川隧道四电接口工程质量控制工作持续推进。2025年，福川隧道被列入兰新客专线运营期隧道变形及病害监测重点隧道之一，持续开展着混凝土应力应变监测、锚杆轴力监测、围岩位移监测、温度监测、振动加速度监测等工作。