高原凍土隧道施工技術

PAGEPAGE16高原凍土隧道施工技術中鐵二十局集團有限公司吳應明摘要：風火山隧道是世界海拔最高的隧道，地質條件和氣候條件均極為特殊，隧道的施工難度極大，施工中技術研究和科技攻關項目多，其特殊性及艱巨性在世界上獨一無二。本文從洞口施工、洞身施工、厚層地下冰施工、施工措施、施工保溫、施工供氧、機械設備配備等方面介紹了該隧道的施工技術。關鍵詞：特殊條件；特殊地質；凍土隧道；施工技術青藏鐵路風火山隧道，是目前世界上海拔最高的多年凍土隧道。隧道地質構造特殊，穿越含土冰層、飽冰凍土、富冰凍土、原始冰川、裂隙冰、夾冰斷層、厚層地下冰、泥巖、砂巖、泥砂互層等，還有不可預見性的災害性地質產生。隧道區(qū)自然條件惡劣，空氣稀薄、氣壓低、氧含量少、風雪多；因此施工條件也極為惡劣，其特殊性及艱巨性在世界上獨一無二。由于在這樣的自然條件和特殊地質條件下修建隧道，施工難度極大，在世界上還是第一次，因此沒有類似的經驗可供借鑒，施工中技術研究和科技攻關的項目很多；該隧道是一條特殊地質、特殊施工條件的特殊隧道?，F(xiàn)將其施工技術作一簡單介紹，供同行們參考。1工程概況風火山隧道全長1338m，位于新建青（海）至（西）藏鐵路格（爾木）拉（薩）段秀水河至二道溝區(qū)間，地處青藏高原腹地，在昆侖山與唐古拉山之間，穿越風火山；山頂海拔高度4995m，鐵路軌面標高4905m，隧道最大埋深100m，最小覆蓋層僅8m，隧道區(qū)多年凍土層厚80～100m。隧道進口為山梁地帶，坡度較陡，進口段分布含土冰層長160m，厚度0.7～1.2m，上限為1.36m；隧道出口為山凹地帶，坡度較緩，出口段分布含土冰層長220m，厚度約1.7m，上限2.11m。隧道穿過地段的地質情況為：進口地段砂粘土，厚度12m，棕紅色，土質不均，融化后堅硬，弱融沉，弱凍脹；出口地段砂粘土，厚度12m，棕紅色，土質不均，含少量碎石，融化后硬塑，上限以上為Ⅲ級硬土，上限以下為Ⅳ級軟石，弱融沉，弱凍脹；洞身主要巖層為砂巖和泥巖，棕紅色；砂巖為細平結構，層狀構造，泥質、鈣質、硅質膠結，風化由極嚴重至輕微；泥巖為泥質結構，層狀構造，泥質膠結，風化由極嚴重至輕微；巖層產狀進口為N88°,W/43°S，出口為N82°，W/80°S，成巖作用差，質軟，上限以上為Ⅳ級軟石，上限以下為Ⅴ級次堅石，弱融沉，弱凍脹。隧道洞區(qū)氣候屬青藏高原冰雪型氣候區(qū)，氣候干燥，氣溫、氣壓低，春秋季節(jié)短暫，凍結期九月至次年四月；年平均氣溫－6.11℃，極端最高氣溫＋23.2℃，極端最低氣溫－41℃，地溫－2℃～＋3℃；平均降水量290.9mm，年均蒸發(fā)量1316.9mm，相對溫度57%；最大風速31m/s，雷暴日年平均最多36.7天。2進洞施工方法2.1洞口路塹施工隧道進出口洞口均位于坡腳處，地層中含有含土冰層，且埋深較淺；為此，洞外路塹開挖遵循“快開挖，快棄喳，快防護”的方針，按“分段，分層開挖，分層防護”的原則。白天覆蓋保溫棚布加強防護，避免凍土融化，縮短洞口邊、仰坡暴露時間，減少含土冰層或厚層地下冰的融化，防止地質病害發(fā)生。洞口邊、仰坡按設計寬度開挖到位后，立即進行防護，縮短暴露時間。首先在邊坡上梅花型布置長度2.5m～3.0m，Ф25mm螺紋錨桿，間距1.0m；然后用Ф6.5mm的鋼筋加工成10cm×10cm鋼筋網，分片鋪設，并與錨桿焊接為一體；最后噴射混凝土，厚度為20cm。2.2進洞及洞口淺埋段施工洞口開挖會引起地表熱交換的改變，易引起地下含土冰層和厚層地下冰的融化導致邊坡熱融滑塌；同時由于洞口埋深較淺，圍巖類別為Ⅵ級，開挖后不易形成“自然拱”。為此，首先對圍巖進行注漿以加固圍巖，使其具有一定的承載力，保證隧道開挖后圍巖和支護的穩(wěn)定，減少凍土融化后巖體滑坡。2.2.1洞身開挖進洞及洞口淺埋段洞身開挖采用超短臺階施工，上、下斷面平行開挖、支護，采用微震光面爆破開挖，減少對凍巖的擾動。2.2.2預支護措施自起拱線沿開挖輪廓線外側布設Ф108㎜管棚，鋼管間距30cm。用露天鉆鉆孔，然后將加工好的鋼管壓入已鉆好的孔中，沿隧道開挖外輪廓線排列形成鋼管棚，并向鋼管內設置鋼筋籠且注入水泥砂漿，以增加鋼管的剛度。2.2.3支護采用中空錨桿、格柵鋼架、模噴混凝土等聯(lián)合支護措施，對開挖斷面進行初期支護。上半斷面開挖成型后，立即進行支護；防止含冰凍土在施工過程中融化，巖體滑塌。2.2.4施工順序a.上導坑開挖。在第一排管棚支護之下，自起拱線以上開挖上導坑，循環(huán)進尺不超過1.0m，中間預留核心土；人工風槍打眼，微震光面爆破，減少對凍土的擾動；周邊眼采用導爆索起爆，其余炮眼采用抗凍型非電毫秒雷管起爆。b.上導坑支護。開挖成型后立即先噴一層混凝土，封閉開挖面，防止凍土融化；布設R25、L=3.0m的中空注漿錨桿，梅花型布置，并注入超早強水泥漿；鋪掛用Ф8.0mm的鋼筋加工成10cm×10cm鋼筋網片，分片鋪設，并與錨桿焊接為一體；安設Ⅰ16型鋼鋼架；模噴混凝土。c.下導坑開挖。上導坑掘進3～5m后，開始進行下導坑開挖，兩道工序平行作業(yè)，但上下導坑應避免同時起爆；開挖下導坑時，先開挖中槽，預留馬口，然后跳躍式開挖左右馬口，防止上半斷面格柵鋼架懸空。d.下導坑支護。下導坑馬口開挖符合設計尺寸后，立即封閉圍巖（素噴混凝土），防止含冰凍土在施工過程中融化；其它支護措施同上導坑。3洞身施工3.1洞身開挖施工隧道進口、出口Ⅴ級圍巖地段，采用小導管超前支護，弧形導坑預留核心土法開挖，采用弱爆破開挖技術，炮眼深度不大于1.0m。Ⅳ級圍巖淺埋段，正臺階法開挖，采用微震爆破技術，炮眼深度不大于2.0m。Ⅳ級圍巖深埋段，采用全斷面開挖，光面爆破中的中深孔爆破，炮眼深度2.0～3.0m。裝碴運輸設備優(yōu)先選用高原專用施工機械或電動機械，選型配套主要以運輸能力大于裝碴能力，裝碴能力大于開挖能力的原則。為減少因隧道開挖造成的凍融現(xiàn)象，必須遵循“快開挖、快出碴、快支護”的原則。爆破材料使用具有防水抗凍性能的EL系列乳化炸藥，耐寒型導爆管。除周邊眼用導爆索起爆外，其余炮眼用耐寒型導爆管起爆。周邊眼用空氣柱間隔裝藥正向起爆，余眼采用連續(xù)裝藥反向起爆。炸藥爆炸后會產生巨大的熱能，將打破凍土原有的熱平衡關系，為減少此影響，采用水炮泥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黃泥炮泥；炸藥爆炸后水變成水霧能降低爆炸產生的熱量，水霧在降落過程中能帶走空氣中的塵埃。采用復合網絡以提高網絡的可靠性，采用非電導爆管網絡防止雷電對起爆網絡安全的影響。爆破采用光面爆破或預裂爆破技術。采用微振爆破技術，盡量減少圍巖爆破松動圈的范圍，充分發(fā)揮圍巖的自承能力；其技術要點是：采用雷管段間隔時間在100ms以上，嚴格控制同段雷管的最大裝藥量；最大限度減弱爆破對圍巖的振動效應，選用低爆能炸藥（掏槽眼除外）。3.2洞身支護施工隧道洞身支護是由錨桿、鋼筋網、鋼架和模噴混凝土（噴射混凝土）組成的一種聯(lián)合受力結構。為保護圍巖的天然承載力，維護圍巖原有的熱平衡，支護要盡快施作，支護采用噴混凝土與模噴兩種形式，無論是模噴砼還是噴射砼均采用濕噴工藝。模噴砼支護參數見表1，噴錨支護參數見表2。模噴支護參數表表1圍巖級別模噴砼砂漿錨桿鋼架鋼筋網φ6～8保溫層襯砌拱頂厚度厚度型號位置長度間距間距間距噴PU聚胺脂Ⅴ25cmφ22拱墻3.5m0.8m3榀/2m20×20cm5cm50cmⅣ淺25cmφ22拱墻3.5m1.0m1榀/m20×20cm5cm45cmⅣ深20cmφ22拱墻3.5m1.0m20×20cm5cm45cm噴錨支護參數表2圍巖級別模噴砼砂漿錨桿鋼架鋼筋網φ6～8保溫層襯砌拱頂厚度厚度型號位置長度間距間距間距噴PU聚胺脂Ⅴ20cmφ22拱墻3.5m0.8m3榀/2m20×20cm5cm55cmⅣ淺25cmφ22拱墻3.5m1.0m1榀/m20×20cm5cm50cmⅣ深20cmφ22拱墻3.5m1.0m20×20cm5cm50cm3.3襯砌施工保溫措施隧道襯砌寒季施工，為提高砼溫度，確保砼質量，在隧道外安裝蒸汽鍋爐。在洞內安裝蒸汽暖氣片升溫，并利用蒸汽養(yǎng)生，拌和站和砂石料搭建大跨度鋼結構保溫棚，提高砂石料溫度，用熱水拌和，以確保砼的入模溫度達到＋5℃以上。同時，利用暖風機升溫，以確保洞內環(huán)境溫度保持在－5℃～＋5℃以內。隧道襯砌暖季施工，實行通冷風調節(jié)，降低洞內環(huán)境溫度。根據風火山地區(qū)晝夜溫差比較大的特征，加強降低作業(yè)面溫度措施，確保厚層地下冰處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過測溫反映，采取降溫措施后洞溫在－3℃～＋3℃之間。4厚層地下冰施工厚層地下冰在地質學上被認為是極限性不良地質，目前世界上還沒有在同類地質條件下開鑿隧道的任何經驗可以借鑒；厚層地下冰開挖后，若不及時進行防護，會產生熱融現(xiàn)象。明洞開挖時，邊仰坡失穩(wěn)，導致熱融滑坍、基底泥濘、機械車輛無法正常施工；隧道開挖后，開挖周邊特別是拱部會造成嚴重掉塊現(xiàn)象，甚全導致大小不等的塌方;隧道運營后，可能會因反復凍融破壞結構，影響運營安全。4.1施工原則厚層地下冰隧道的施工原則是“隨開挖、隨支護、早封閉、快襯砌”；其主要內容是：a.明洞施工采用整體遮陽和邊坡保溫措施，防止熱融滑塌。b.隧道內施工，寒季洞內適當升溫以保證砼施工，暖季洞內降溫以防熱融坍塌。c.施工采用有軌運輸，以減少洞內空氣污染和洞內溫度升高。d.隧道開挖后采用噴射砼方法封閉巖面，以防熱融;及早進行初襯砼封閉，以防熱融圈擴大。e.隧道整體支護結構采用初襯砼防水保溫層二次襯砌兩夾一形式，減小隧道內溫度升高后對支護外圍冰層的影響，減小厚冰層反復凍融對結構的影響。4.2明洞施工明洞開挖時為避免厚層地下冰熱融滑坍，采取了如下措施：a.開挖前，搭設明洞遮陽保溫蓬，減少太陽熱輻射?；ㄩ_挖時，采用分段分層開挖，分段分層保溫，避免厚層地下冰融化。b.縮短洞口邊、仰拱暴露時間，減少厚層地下冰的融化，防止地質病害發(fā)生。在開挖過程中，根據現(xiàn)場量測，洞外厚層地下冰平均厚度達60cm，最厚處為90cm，冰層晶瑩透亮，對厚層地下冰暴露部分采用PU保溫板和復合防水板覆蓋。c.明洞開挖到位后，邊坡和基底用粗顆粒土換填厚，然后邊坡噴射C2O砼。4.3支護隧道厚層地下冰段，無法支護，開挖爆破后，經過試驗摸索，采用噴射砼工藝及時封閉巖面，防止圍巖熱融坍塌。原設計初支為模筑砼，開挖后圍巖暴露時間長，出現(xiàn)熱融坍塌；為解決這一實際難題，經過與測溫調節(jié)同步的反復噴護砼封閉試驗，最終找到了既可保證厚層地下冰裸露面不融化、又能使加溫后的砼在噴護時快速凝固而不脫落的“臨界”溫度，并首次實現(xiàn)了在厚層地下冰表面噴射砼的最佳施工方案。據此方案，在隧道開挖后，及時噴射砼封閉巖面，減少厚層地下冰暴露時間。通過對厚層地下冰量測，洞內地下冰層平均厚度為30cm，最大厚度為42cm。開挖爆破后，先噴砼，封閉巖面，使厚層地下冰與洞內空氣完全隔離，防止熱融發(fā)生，從而保證了洞內施工人員及隧道的安全與穩(wěn)定。5施工措施5.1加強測溫工作專門試驗員負責洞溫測試，對洞內拱頂、拱腰、墻角等處環(huán)境溫度，模板頂部、拱腰、底部溫度，砼的入模溫度，砼養(yǎng)生溫度，洞外環(huán)境溫度，砂石料溫度，砂石料棚內溫度等與砼相關項日每隔兩小時測溫-次，隨時掌握與砼質量相關項目的溫度情況，發(fā)現(xiàn)哪個位置出現(xiàn)問題，隨時進行加強，以確保砼的質量。5.2保持溫度為了降低洞內環(huán)境溫度，減少暖季白天通風時間，避免含冰土層及厚層地下冰產生熱融現(xiàn)象，洞內出碴進料采用有軌運輸，一方面杜絕了因內燃機燃燒油料產生的高溫，另一方面，減少了因內燃機械的油煙造成的洞內環(huán)境污染，保證了職工身體健康。5.3提高施工效率提高施工效率即提高初襯砼支護速度，確保模注砼支護緊跟作業(yè)面，這樣避免含冰土層及厚層地下冰因噴射砼厚度不足與洞內溫度達到熱平衡后，含冰土層及厚層地下冰熱融圈擴大，破壞了圍巖的穩(wěn)定。5.4加強保溫層為防止隧道運營后凍脹破壞和含冰土層及厚層地下冰熱融圈擴大，在施工時鋪設兩層防水板，中間夾一層保溫板，即"二夾一"防水保溫施工。6施工保溫6.1明洞段開挖施工保溫明洞段開挖施工時搭設遮陽棚，防止太陽輻射。遮陽棚采用Ф108mm鋼管做立柱，在兩側邊坡開挖線外側1.0m處挖坑，用混凝土把立柱埋好，并在其外側用Ф6mm鋼筋設斜拉索連接立柱和地錨，保證立柱穩(wěn)固；在立柱頂用Ф6mm鋼筋連接兩側立柱，并在上面鋪設棉蓬布，防止太陽輻射。在含冰土層揭露后，立即鋪設土工布進行臨時防護，然后用粗顆粒土換填2.5m后，在噴20cm混凝土來防止凍土融化，確保順利施工。6.2隧道內開挖施工保溫開挖后及時施工格柵架，并迅速噴射混凝土，以便在開挖面與洞內熱量交換最短時間內完成施工支護，在圍巖表面形成保護層。然后及時施作隔熱層，減少洞內溫度向圍巖內擴散，防止融化圈增大。6.3明洞及洞身混凝土襯砌保溫在明洞處遮陽棚兩端設棉簾幕，使遮陽棚同時起保溫棚作用，減少熱對流；并在棚內兩側各放2～3個用Ф100mm鋼管自制的暖氣片，以保持棚內的環(huán)境溫度控制在－5℃～＋5℃以內?；炷潦┕さ那皟商?，在砂石料保溫棚內對砂石料進行預熱加溫；棚內安放暖氣片，采用蒸汽加熱暖氣片，由暖氣片散熱來達到加溫的目的，暖氣片的溫度一般在＋150℃左右；一般情況下砂石料經過兩天多的加溫能達到＋5℃～＋7℃的溫度。用蒸汽對水罐中的水進行加熱，水溫保持在＋60℃～＋70℃左右即可；對拌和站也同樣采取保溫措施，以保證混凝土拌和時的溫度?；炷恋某稣緶囟仍冢?℃～＋12℃之間，入模溫度在＋6℃～＋8℃之間，能滿足《技術細則》的混凝土入模溫度大于＋5℃的要求?；炷潦┕ね瓿珊?，及時在其外側用PU聚氨脂設一層隔熱層，阻止混凝土與外界進行熱交換，以保持混凝土的養(yǎng)護溫度，養(yǎng)護溫度一般控制在＋7℃～＋26℃之間。在隧道通風的進風系統(tǒng)中，采用增加暖風機直接加溫預熱寒冷空氣，使洞內環(huán)境空氣溫度控制在－5℃～＋5℃之間。6.4臨時生產設施保溫隧道區(qū)無生產用水水源，用水車從20KM以外拉水供應；隧道施工用水采取風壓供水系統(tǒng)，風壓供水系統(tǒng)放在保溫棚內，外設保溫層，采用蒸汽加熱保溫，同時用蒸汽對水罐中的水進行加熱；洞內外供水管道采用地面架空保溫水管，水管外包裹防寒保溫層。洞外高壓風機站也設保溫棚，保溫棚內放置暖氣片供暖，同時用火爐提供熱量，以保證棚內溫度控制在0℃以上。通風機站保溫除與高壓風機站相同外，還增設暖風機直接加溫預熱寒冷空氣，以保證進風的溫度。7洞內施工供氧針對風火山隧道處于海拔4900m環(huán)境，空氣含氧量極度偏低，尤其是在隧道內空氣中含氧量更低的特點，本著“以人為本”的原則，為了給施工作業(yè)人員創(chuàng)造一個良好的施工環(huán)境，同時也為了提高洞內施工機械設備的施工效率；在洞外設置大型制氧站，將制氧站的氧氣通過高壓氧艙，經管道直接輸入隧道內，向隧道進行連續(xù)的彌漫式供氧，取得了非常好的效果。8機械設備配備高寒、缺氧使人體體力勞動效率普遍下降50～60%，因此，要求機械化程度盡可能的高，大部分的工作用機械設備來完成；而在高寒、缺氧的條件下，能在內地正常使用的機械設備的效率也要下降30～40%。為此，在選擇機械設備，特別是內燃型的機械設備時，一是要考慮選擇具有功率恢復性技術的高原型柴油機，保證其機械效率下降率低；二是要考慮選擇具有預熱機體輔助系統(tǒng)，能有效解決低溫啟動問題的機械設備。風火山隧道（單口）的機械設備（不含生活用）配備如下。8.1供電系統(tǒng)有高壓電源供應時，盡量采用變、配電系統(tǒng)供電，這是高原隧道施工的最佳供電方式；根據需要配置足夠容量的變壓器即可。無高壓電源，采用內燃發(fā)電機組供電，配3臺250GF7型250KW發(fā)電機組；其中2臺并網后供電，1臺備用。8.2供風系統(tǒng)有高壓電源供應時，配備20m3電動空壓機2臺；無高壓電源供應時，配備3臺224KW、21.6m3內燃空壓機和1個4m3的高壓容器罐。8.3供水系統(tǒng)供水系統(tǒng)見圖1，配SLA5100型保溫水車2臺，5m3高壓儲水罐2個及抽水泵2臺。圖18.4供暖、保溫系統(tǒng)配3噸的水暖鍋爐1臺，DZL2-10AII型2噸的蒸汽鍋爐1臺，SDTK-100型空調機組1套；蒸汽鍋爐給洞外的砂石料、拌和站及其它操作間供暖、保溫，同時與空調機組配合給隧道內通風、供暖。8.5制氧、供氧系統(tǒng)配備大型制氧站（ZO-301PSA）1座，