高原冻土隧道施工技术

PAGEPAGE7高原冻土隧道施工技术中铁二十局集团团有限公司吴应明摘要：风火火山隧道是世世界海拔最高高的隧道，地地质条件和气气候条件均极极为特殊，隧隧道的施工难难度极大，施施工中技术研研究和科技攻攻关项目多，其其特殊性及艰艰巨性在世界界上独一无二二。本文从洞洞口施工、洞洞身施工、厚厚层地下冰施施工、施工措措施、施工保保温、施工供供氧、机械设设备配备等方方面介绍了该该隧道的施工工技术。关键词：特殊条条件；特殊地地质；冻土隧隧道；施工技技术青藏铁路风火山山隧道，是目目前世界上海海拔最高的多多年冻土隧道道。隧道地质质构造特殊，穿穿越含土冰层层、饱冰冻土土、富冰冻土土、原始冰川川、裂隙冰、夹夹冰断层、厚厚层地下冰、泥泥岩、砂岩、泥泥砂互层等，还还有不可预见见性的灾害性性地质产生。隧隧道区自然条条件恶劣，空空气稀薄、气气压低、氧含含量少、风雪雪多；因此施施工条件也极极为恶劣，其其特殊性及艰艰巨性在世界界上独一无二二。由于在这这样的自然条条件和特殊地地质条件下修修建隧道，施施工难度极大大，在世界上上还是第一次次，因此没有有类似的经验验可供借鉴，施施工中技术研研究和科技攻攻关的项目很很多；该隧道道是一条特殊殊地质、特殊殊施工条件的的特殊隧道。现现将其施工技技术作一简单单介绍，供同同行们参考。1工程概况风火山隧道全长长1338m，位于新建建青（海）至至（西）藏铁铁路格（尔木木）拉（萨）段段秀水河至二二道沟区间，地地处青藏高原原腹地，在昆昆仑山与唐古古拉山之间，穿穿越风火山；；山顶海拔高高度4995m，铁路轨面面标高4905m，隧道最大大埋深100m，最小覆覆盖层仅8m，隧道区区多年冻土层层厚80～100m。隧道进口口为山梁地带带，坡度较陡陡，进口段分分布含土冰层层长160m，厚度0.77～1.2m，上上限为1.336m；隧道道出口为山凹凹地带，坡度度较缓，出口口段分布含土土冰层长2220m，厚度度约1.7mm，上限2.111m。隧道穿过地段的的地质情况为为：进口地段段砂粘土，厚厚度12m，棕红色色，土质不均均，融化后坚坚硬，弱融沉沉，弱冻胀；；出口地段砂砂粘土，厚度度12m，棕红色色，土质不均均，含少量碎碎石，融化后后硬塑，上限限以上为Ⅲ级硬土，上上限以下为Ⅳ级软石，弱弱融沉，弱冻冻胀；洞身主主要岩层为砂砂岩和泥岩，棕棕红色；砂岩岩为细平结构构，层状构造造，泥质、钙钙质、硅质胶胶结，风化由由极严重至轻轻微；泥岩为为泥质结构，层层状构造，泥泥质胶结，风风化由极严重重至轻微；岩岩层产状进口口为N88°,W/433°S，出口为N82°，W/80°S，成岩作用用差，质软，上上限以上为Ⅳ级软石，上上限以下为Ⅴ级次坚石，弱弱融沉，弱冻冻胀。隧道洞区气候属属青藏高原冰冰雪型气候区区，气候干燥燥，气温、气气压低，春秋秋季节短暂，冻冻结期九月至至次年四月；；年平均气温温－6.111℃，极端最高高气温＋233.2℃，极端最低低气温－411℃，地温－2℃～＋3℃；平均降水水量290..9mm，年年均蒸发量11316.99mm，相相对温度577%；最大风速速31m//s，雷暴日日年平均最多多36.7天。2进洞施工方方法2.1洞口路路堑施工隧道进出口洞口口均位于坡脚脚处，地层中中含有含土冰冰层，且埋深深较浅；为此此，洞外路堑堑开挖遵循“快开挖，快快弃喳，快防防护”的方针，按“分段，分层层开挖，分层层防护”的原则。白白天覆盖保温温棚布加强防防护，避免冻冻土融化，缩缩短洞口边、仰仰坡暴露时间间，减少含土土冰层或厚层层地下冰的融融化，防止地地质病害发生生。洞口边、仰坡按按设计宽度开开挖到位后，立立即进行防护护，缩短暴露露时间。首先先在边坡上梅梅花型布置长长度2.5m～3.0m，Ф25mm螺纹纹锚杆，间距距1.0m；然然后用Ф6.5mmm的钢筋加工工成10cm×10cm钢筋筋网，分片铺铺设，并与锚锚杆焊接为一一体；最后喷喷射混凝土，厚厚度为20cm。2.2进洞及及洞口浅埋段段施工洞口开挖会引起起地表热交换换的改变，易易引起地下含含土冰层和厚厚层地下冰的的融化导致边边坡热融滑塌塌；同时由于于洞口埋深较较浅，围岩类类别为Ⅵ级，开挖后后不易形成“自然拱”。为此，首首先对围岩进进行注浆以加加固围岩，使使其具有一定定的承载力，保保证隧道开挖挖后围岩和支支护的稳定，减减少冻土融化化后岩体滑坡坡。2.2.1洞洞身开挖进洞及洞口浅埋埋段洞身开挖挖采用超短台台阶施工，上上、下断面平平行开挖、支支护，采用微微震光面爆破破开挖，减少少对冻岩的扰扰动。2.2.2预预支护措施自起拱线沿开挖挖轮廓线外侧侧布设Ф108㎜管棚，钢钢管间距30cm。用露天天钻钻孔，然然后将加工好好的钢管压入入已钻好的孔孔中，沿隧道道开挖外轮廓廓线排列形成成钢管棚，并并向钢管内设设置钢筋笼且且注入水泥砂砂浆，以增加加钢管的刚度度。2.2.3支支护采用中空锚杆、格格栅钢架、模模喷混凝土等等联合支护措措施，对开挖挖断面进行初初期支护。上上半断面开挖挖成型后，立立即进行支护护；防止含冰冰冻土在施工工过程中融化化，岩体滑塌塌。2.2.4施施工顺序a.上导坑开开挖。在第一一排管棚支护护之下，自起起拱线以上开开挖上导坑，循循环进尺不超超过1.0m，中间间预留核心土土；人工风枪枪打眼，微震震光面爆破，减减少对冻土的的扰动；周边边眼采用导爆爆索起爆，其其余炮眼采用用抗冻型非电电毫秒雷管起起爆。b.上导坑支支护。开挖成成型后立即先先喷一层混凝凝土，封闭开开挖面，防止止冻土融化；；布设R255、L=3.0m的中中空注浆锚杆杆，梅花型布布置，并注入入超早强水泥泥浆；铺挂用用Ф8.0mmm的钢筋加工工成10cm×10cm钢筋筋网片，分片片铺设，并与与锚杆焊接为为一体；安设设Ⅰ16型钢钢架；；模喷混凝土土。c.下导坑开开挖。上导坑坑掘进3～5m后，开始进进行下导坑开开挖，两道工工序平行作业业，但上下导导坑应避免同同时起爆；开开挖下导坑时时，先开挖中中槽，预留马马口，然后跳跳跃式开挖左左右马口，防防止上半断面面格栅钢架悬悬空。d.下导坑支支护。下导坑坑马口开挖符符合设计尺寸寸后，立即封封闭围岩（素素喷混凝土），防防止含冰冻土土在施工过程程中融化；其其它支护措施施同上导坑。3洞身施工3.1洞身开开挖施工隧道进口、出口口Ⅴ级围岩地段段，采用小导导管超前支护护，弧形导坑坑预留核心土土法开挖，采采用弱爆破开开挖技术，炮炮眼深度不大大于1.0mm。Ⅳ级围岩浅埋埋段，正台阶阶法开挖，采采用微震爆破破技术，炮眼眼深度不大于于2.0m。Ⅳ级围岩深埋埋段，采用全全断面开挖，光光面爆破中的的中深孔爆破破，炮眼深度度2.0～3.0m。装碴运输设备优优先选用高原原专用施工机机械或电动机机械，选型配配套主要以运运输能力大于于装碴能力，装装碴能力大于于开挖能力的的原则。为减减少因隧道开开挖造成的冻冻融现象，必必须遵循“快开挖、快快出碴、快支支护”的原则。爆破材料使用具具有防水抗冻冻性能的EL系列乳化炸炸药，耐寒型型导爆管。除除周边眼用导导爆索起爆外外，其余炮眼眼用耐寒型导导爆管起爆。周周边眼用空气气柱间隔装药药正向起爆，余余眼采用连续续装药反向起起爆。炸药爆爆炸后会产生生巨大的热能能，将打破冻冻土原有的热热平衡关系，为为减少此影响响，采用水炮炮泥代替传统统的黄泥炮泥泥；炸药爆炸炸后水变成水水雾能降低爆爆炸产生的热热量，水雾在在降落过程中中能带走空气气中的尘埃。采采用复合网络络以提高网络络的可靠性，采采用非电导爆爆管网络防止止雷电对起爆爆网络安全的的影响。爆破采用光面爆爆破或预裂爆爆破技术。采采用微振爆破破技术，尽量量减少围岩爆爆破松动圈的的范围，充分分发挥围岩的的自承能力；；其技术要点点是：采用雷雷管段间隔时时间在100mss以上，严格格控制同段雷雷管的最大装装药量；最大大限度减弱爆爆破对围岩的的振动效应，选选用低爆能炸炸药（掏槽眼眼除外）。3.2洞身支支护施工隧道洞身支护是是由锚杆、钢钢筋网、钢架架和模喷混凝凝土（喷射混混凝土）组成成的一种联合合受力结构。为为保护围岩的的天然承载力力，维护围岩岩原有的热平平衡，支护要要尽快施作，支支护采用喷混混凝土与模喷喷两种形式，无无论是模喷砼砼还是喷射砼砼均采用湿喷喷工艺。模喷喷砼支护参数数见表1，喷锚支护护参数见表2。模喷支护护参数表表1围岩级别模喷砼砂浆锚杆钢架钢筋网φ6～88保温层衬砌拱顶厚度厚度型号位置长度间距间距间距喷PU聚胺脂Ⅴ25cmφ22拱墙3.5m0.8m3榀/2m20×20cmm5cm50cmⅣ浅25cmφ22拱墙3.5m1.0m1榀/m20×20cmm5cm45cmⅣ深20cmφ22拱墙3.5m1.0mm20×20cmm5cm45cm喷锚支护护参数表2围岩级别模喷砼砂浆锚杆钢架钢筋网φ6～88保温层衬砌拱顶厚度厚度型号位置长度间距间距间距喷PU聚胺脂Ⅴ20cmφ22拱墙3.5m0.8m3榀/2m20×20cmm5cm55cmⅣ浅25cmφ22拱墙3.5m1.0m1榀/m20×20cmm5cm50cmⅣ深20cmφ22拱墙3.5m1.0mm20×20cmm5cm50cm3.3衬砌施施工保温措施施隧道衬砌寒季施施工，为提高高砼温度，确确保砼质量，在在隧道外安装装蒸汽锅炉。在在洞内安装蒸蒸汽暖气片升升温，并利用用蒸汽养生，拌拌和站和砂石石料搭建大跨跨度钢结构保保温棚，提高高砂石料温度度，用热水拌拌和，以确保保砼的入模温温度达到＋5℃以上。同时时，利用暖风风机升温，以以确保洞内环环境温度保持持在－5℃～＋5℃以内。隧道衬砌暖季施施工，实行通通冷风调节，降降低洞内环境境温度。根据据风火山地区区昼夜温差比比较大的特征征，加强降低低作业面温度度措施，确保保厚层地下冰冰处于稳定状状态。通过测测温反映，采采取降温措施施后洞温在－－3℃～＋3℃之间。4厚层地下冰冰施工厚层地下冰在地地质学上被认认为是极限性性不良地质，目目前世界上还还没有在同类类地质条件下下开凿隧道的的任何经验可可以借鉴；厚厚层地下冰开开挖后，若不不及时进行防防护，会产生生热融现象。明明洞开挖时，边边仰坡失稳，导导致热融滑坍坍、基底泥泞泞、机械车辆辆无法正常施施工；隧道开开挖后，开挖挖周边特别是是拱部会造成成严重掉块现现象，甚全导导致大小不等等的塌方;隧道运营后后，可能会因因反复冻融破破坏结构，影影响运营安全全。4.1施工原原则厚层地下冰隧道道的施工原则则是“随开挖、随随支护、早封封闭、快衬砌砌”；其主要内内容是：a.明洞施工工采用整体遮遮阳和边坡保保温措施，防防止热融滑塌塌。b.隧道内施施工，寒季洞洞内适当升温温以保证砼施施工，暖季洞洞内降温以防防热融坍塌。c.施工采用用有轨运输，以以减少洞内空空气污染和洞洞内温度升高高。d.隧道开挖挖后采用喷射射砼方法封闭闭岩面，以防防热融;及早进行初初衬砼封闭，以以防热融圈扩扩大。e.隧道整体体支护结构采采用初衬砼防水保温层二次衬砌两两夹一形式，减减小隧道内温温度升高后对对支护外围冰冰层的影响，减减小厚冰层反反复冻融对结结构的影响。4.2明洞施施工明洞开挖时为避避免厚层地下下冰热融滑坍坍，采取了如如下措施：a.开挖前，搭搭设明洞遮阳阳保温蓬，减减少太阳热辐辐射。花开挖挖时，采用分分段分层开挖挖，分段分层层保温，避免免厚层地下冰冰融化。b.缩短洞口口边、仰拱暴暴露时间，减减少厚层地下下冰的融化，防防止地质病害害发生。在开开挖过程中，根根据现场量测测，洞外厚层层地下冰平均均厚度达60cm，最厚处为90cm，冰层晶莹莹透亮，对厚厚层地下冰暴暴露部分采用用PU保温板和复复合防水板覆覆盖。c.明洞开挖挖到位后，边边坡和基底用用粗颗粒土换换填厚，然后后边坡喷射C2O砼。4.3支护隧道厚层地下冰冰段，无法支支护，开挖爆爆破后，经过过试验摸索，采采用喷射砼工工艺及时封闭闭岩面，防止止围岩热融坍坍塌。原设计计初支为模筑筑砼，开挖后后围岩暴露时时间长，出现现热融坍塌；；为解决这一一实际难题，经经过与测温调调节同步的反反复喷护砼封封闭试验，最最终找到了既既可保证厚层层地下冰裸露露面不融化、又又能使加温后后的砼在喷护护时快速凝固固而不脱落的的“临界”温度，并首首次实现了在在厚层地下冰冰表面喷射砼砼的最佳施工工方案。据此此方案，在隧隧道开挖后，及及时喷射砼封封闭岩面，减减少厚层地下下冰暴露时间间。通过对厚厚层地下冰量量测，洞内地地下冰层平均均厚度为30cm，最大厚度度为42cm。开挖爆破破后，先喷砼砼，封闭岩面面，使厚层地地下冰与洞内内空气完全隔隔离，防止热热融发生，从从而保证了洞洞内施工人员员及隧道的安安全与稳定。5施工措施5.1加强测温温工作专门试验员负责责洞温测试，对对洞内拱顶、拱拱腰、墙角等等处环境温度度，模板顶部部、拱腰、底底部温度，砼砼的入模温度度，砼养生温温度，洞外环环境温度，砂砂石料温度，砂砂石料棚内温温度等与砼相相关项日每隔隔两小时测温温-次，随时掌掌握与砼质量量相关项目的的温度情况，发发现哪个位置置出现问题，随随时进行加强强，以确保砼砼的质量。5.2保持温温度为了降低洞内环环境温度，减减少暖季白天天通风时间，避避免含冰土层层及厚层地下下冰产生热融融现象，洞内内出碴进料采采用有轨运输输，一方面杜杜绝了因内燃燃机燃烧油料料产生的高温温，另一方面面，减少了因因内燃机械的的油烟造成的的洞内环境污污染，保证了了职工身体健健康。5.3提高施施工效率提高施工效率即即提高初衬砼砼支护速度，确确保模注砼支支护紧跟作业业面，这样避避免含冰土层层及厚层地下下冰因喷射砼砼厚度不足与与洞内温度达达到热平衡后后，含冰土层层及厚层地下下冰热融圈扩扩大，破坏了了围岩的稳定定。5.4加强保保温层为防止隧道运营营后冻胀破坏坏和含冰土层层及厚层地下下冰热融圈扩扩大，在施工工时铺设两层层防水板，中中间夹一层保保温板，即"二夹一"防水保温施施工。6施工保温6.1明洞段段开挖施工保保温明洞段开挖施工工时搭设遮阳阳棚，防止太太阳辐射。遮遮阳棚采用Ф108mm钢管做立立柱，在两侧侧边坡开挖线线外侧1.00m处挖坑，用用混凝土把立立柱埋好，并并在其外侧用用Ф6mm钢筋设斜斜拉索连接立立柱和地锚，保保证立柱稳固固；在立柱顶顶用Ф6mm钢筋连接接两侧立柱，并并在上面铺设设棉蓬布，防防止太阳辐射射。在含冰土层揭露露后，立即铺铺设土工布进进行临时防护护，然后用粗粗颗粒土换填填2.5m后，在在喷20cmm混凝土来防防止冻土融化化，确保顺利利施工。6.2隧道内内开挖施工保保温开挖后后及时施工格格栅架，并迅迅速喷射混凝凝土，以便在在开挖面与洞洞内热量交换换最短时间内内完成施工支支护，在围岩岩表面形成保保护层。然后后及时施作隔隔热层，减少少洞内温度向向围岩内扩散散，防止融化化圈增大。6.3明洞及及洞身混凝土土衬砌保温在明洞处遮阳棚棚两端设棉帘帘幕，使遮阳阳棚同时起保保温棚作用，减减少热对流；；并在棚内两两侧各放2～3个用Ф100mm钢管自制制的暖气片，以以保持棚内的的环境温度控控制在－5℃～＋5℃以内。混凝土施工的前前两天，在砂砂石料保温棚棚内对砂石料料进行预热加加温；棚内安安放暖气片，采采用蒸汽加热热暖气片，由由暖气片散热热来达到加温温的目的，暖暖气片的温度度一般在＋150℃左右；一般般情况下砂石石料经过两天天多的加温能能达到＋5℃～＋7℃的温度。用用蒸汽对水罐罐中的水进行行加热，水温温保持在＋60℃～＋70℃左右即可；；对拌和站也也同样采取保保温措施，以以保证混凝土土拌和时的温温度。混凝土的出站温温度在＋8℃～＋12℃之间，入模模温度在＋6℃～＋8℃之间，能满满足《技术细细则》的混凝凝土入模温度度大于＋5℃的要求。混混凝土施工完完成后，及时时在其外侧用用PU聚氨脂设设一层隔热层层，阻止混凝凝土与外界进进行热交换，以以保持混凝土土的养护温度度，养护温度度一般控制在在＋7℃～＋26℃之间。在隧道通风的进进风系统中，采采用增加暖风风机直接加温温预热寒冷空空气，使洞内内环境空气温温度控制在－－5℃～＋5℃之间。6.4临时生生产设施保温温隧道区无生产用用水水源，用用水车从20KM以外拉水水供应；隧道道施工用水采采取风压供水水系统，风压压供水系统放放在保温棚内内，外设保温温层，采用蒸蒸汽加热保温温，同时用蒸蒸汽对水罐中中的水进行加加热；洞内外外供水管道采采用地面架空空保温水管，水水管外包裹防防寒保温层。洞外高压风机站站也设保温棚棚，保温棚内内放置暖气片片供暖，同时时用火炉提供供热量，以保保证棚内温度度控制在0℃以上。通风风机站保温除除与高压风机机站相同外，还还增设暖风机机直接加温预预热寒冷空气气，以保证进进风的温度。7洞内施工供供氧针对风火山隧道道处于海拔4900m环境，空气气含氧量极度度偏低，尤其其是在隧道内内空气中含氧氧量更低的特特点，本着“以人为本”的原则，为为了给施工作作业人员创造造一个良好的的施工环境，同同时也为了提提高洞内施工工机械设备的的施工效率；；在洞外设置置大型制氧站站，将制氧站站的氧气通过过高压氧舱，经经管道直接输输入隧道内，向向隧道进行连连续的弥漫式式供氧，取得得了非常好的的效果。8机械设备配配备高寒、缺氧使人人体体力劳动动效率普遍下下降50～60%，因此，要要求机械化程程度尽可能的的高，大部分分的工作用机机械设备来完完成；而在高高寒、缺氧的的条件下，能能在内地正常常使用的机械械设备的效率率也要下降30～40%。为此，在在选择机械设设备，特别是是内燃型的机机械设备时，一一是要考虑选选择具有功率率恢复性技术术的高原型柴柴油机，保证证其机械效率率下降率低；；二是要考虑虑选择具有预预热机体辅助助系统，能有有效解决低温温启动问题的的机械设备。风风火山隧道（单单口）的机械械设备（不含含生活用）配配备如下。8.1供电系系统有高压电源供应应时，尽量采采用变、配电电系统供电，这这是高原隧道道施工的最佳佳供电方式；；根据需要配配置足够容量量的变压器即即可。无高压压电源，采用用内燃发电机机组供电，配配3台250GFF7型250KW发电机组；；其中2台并网后供供电，1台备用。8.2供风系系统有高压电源供应应时，配备20m3电动空压机2台；无高压压电源供应时时，配备3台224KW、21.6m3内燃空压机机和1个4m3的高压容器器罐。8.3供水系系统供水系统见图11，配SLA51100型保温水车2台，5m3高压储水罐2个及抽水泵2台。图18.4供暖、保保温系统配3吨的水暖锅锅炉1台，DZL2--10AIII型2吨的蒸汽锅锅炉1台，SDTK--100型空调机组1套；蒸汽锅锅炉给洞外的的砂石料、拌拌和站及其它它操作间供暖暖、保温，同同时与空调机机组配合给隧隧道内通风、供供暖。8.5制氧、供供