青藏铁路隧道施工关键技术.doc

青藏铁路高原多年冻土区工程建设科技论文集青藏铁路昆仑山隧道施工关键技术齐康平 周晋筑 王根南（中铁五局 贵州贵阳 816000）摘 要 本文主要介绍在青藏高原多年冻土区特殊的自然环境和地质条件下，修建高原多年冻土区世界第一长隧昆仑山隧道所面临的新的技术难题及采取的主要施工方法和技术措施，为高原多年冻土区隧道施工积累经验。关键词 高原 多年冻土 铁路隧道 施工技术1 工程概况昆仑山隧道地处海拔46004800m的高原多年冻土区，全长1686m，是高原多年冻土区世界第一长隧。隧道通过昆仑山北麓低、中高山区，地质构造复杂，地形起伏大，山坡陡峻，坡面破碎。隧道除出口段位于R=1000m曲线上外，其余为直线段，洞身纵坡为单面坡，坡度14、13.4。隧道洞身通过区围岩为三叠系板岩夹片岩，节理裂隙发育，结构破碎，主要为级围岩，属多年冻土。隧道进口分布有1.8m左右厚的饱冰冻土，其余为少冰、多冰冻土。多年冻土下限在隧道中部DK977+000DK977+500段接近隧底。在多年冻土下限以下的融区内分布有基岩裂隙水，隧道正常涌水量为222.55m3/d，最大涌水量445.10m3/d。隧道设计地震烈度八度，最冷月平均气温-16.7。昆仑山隧道独特的地理位置、严酷的自然环境、复杂的地质条件使其工程结构、施工工艺和施工方法不同于一般地区隧道。虽然国内在多年冻土区也修建过一些铁路或公路隧道，但都存在不少的病害，如漏水挂冰、衬砌受冻开裂剥落、冰幔道床等，有些工程甚至无法正常使用。由于缺乏成功的经验，使得昆仑山隧道施工面临前所未遇的困难。2 主要设计特点2.1 衬砌及支护设计全隧道均采用曲墙带仰拱整体式模筑钢筋混凝土衬砌，模筑混凝土支护（厚度2530cm），设格栅钢架，拱墙或局部设25中空锚杆，衬砌及模筑支护采用低温早强耐久混凝土。-作者简介：齐康平，男，汉族，籍贯陕西，生于1953年，高级工程师，2001年毕业于中南大学，工学学士，主要从事铁道土木工程施工。2.2 防排水及衬砌隔热保温层设计（1）昆仑山隧道防排水遵循“防、排、截、堵，多道防线，综合治理”的原则，以防、堵为主，排、截为辅。（2）全隧拱部模筑支护背后进行回填压浆填充空隙，以保证其背后密实。（3）DK976+832DK977+635段结合中空注浆锚杆进行围岩注浆堵水。（4）全隧洞内设双侧保温水沟，墙脚纵向设100mmPVC盲沟，通过“三通”及50mmPVC泄水管与洞内保温侧沟连接，及时将衬砌背后的水排入侧沟，侧沟水通过检查井与格尔木端洞外保温暗沟连接引排。洞内结合环向施工缝在模筑支护与防水层之间设50mm环向盲沟，通过“三通”与衬砌墙脚纵向盲沟连接。泄水孔穿过防水板及隔热保温层处，两侧应粘贴橡胶垫进行防水处理。（5）二次衬砌环向施工缝设置遇水膨胀止水条并用WJ水泥基界面剂处理。洞口300m范围结合施工缝设置伸缩缝，间距2025m，在设置伸缩缝的断面处，模筑钢筋混凝土衬砌截面中间安设橡胶止水带，在靠近支护一侧衬砌外缘安置宽100mm遇水膨胀橡胶止水条，其余空隙用渣油麻筋或浸油木板充填。（6）隧道全断面设防水隔热保温层，铺设于模筑支护与二次模筑钢筋混凝土衬砌之间，结构形式采用“复合防水板+隔热保温层+复合防水板”。3 施工技术难点（1）隧道穿越多年冻土区，冻土含冰量较高，洞身围岩级别主要为级，风化严重、节理发育、结构破碎，开挖后围岩自稳性极差，加之冻土暴露后易融化，常发生掉块和坍塌。设计文件提出施工中应严格遵循“随开挖、随支护、早封闭、快衬砌”的原则，尽量缩短开挖面暴露时间，但由于模筑混凝土支护不能紧跟开挖面，难以及时封闭围岩，故在已开挖地段围岩频繁出现掉块和坍塌，仅靠模筑混凝土支护已无法保证施工安全和进度，因此采用何种快速有效的的临时支护措施，是事关昆仑山隧道施工安全、质量、工期和效益的重要环节之一。在多年冻土隧道能否采用湿喷混凝土作为施工临时支护，怎样保证湿喷混凝土的强度、粘接强度、抗冻临界强度等达到设计和施工要求，是施工中遇到的一大技术难题。（2）多年冻土区工程结构的病害绝大多数与水和低温有直接的关系，因此防排水结构和衬砌隔热保温层是昆仑山隧道中设计的特殊和关键的结构，其施工工艺和施工质量对保证昆仑山隧道工程质量至关重要。目前，国内外对高原多年冻土隧道防排水及衬砌隔热保温层的施工还没有成熟的经验，且一般地区隧道的防排水施工方法已不能适应昆仑山隧道施工的需要，因此确定合适的施工工艺，做好“防水层+隔热保温层+防水层”这一特殊结构，以确保达到防水、保温隔热的效果，是施工中需要解决的又一大技术难题。（3）在高寒、昼夜温差大、蒸发量大的恶劣自然环境条件下，如何保证低温早强耐久混凝土衬砌质量也是施工中需要解决的技术难题。（4）昆仑山隧道要求仰拱必须先行且一次全幅施工成型，如何减少仰拱施工对掘进的干扰，降低仰拱作业的劳动强度，提高功效，加快施工进度，确保仰拱施工质量，同样是施工中需要解决的技术难题。（5）多年冻土区隧道洞口开挖宜在寒季进行，以减少冻土热融坍塌。昆仑山隧道于2001年7月开工，由于工期十分紧迫，洞口开挖不可能等到寒季进行，而昆仑山隧道洞口分布有饱冰冻土，施工季节又是暖季最热的几个月，所以采取什么措施组织洞口开挖快速施工，把热融破坏减少到最小，保证洞口施工安全，是开工后面临的一个重要技术难题。（6）由于高原特殊的气候条件，给隧道施工的辅助作业增加很大的困难，尤其是施工供水和通风。4 主要施工方法及技术措施4.1 湿喷混凝土施工4.1.1 原材料及施工配合比水泥：32.5R普通硅酸盐水泥（祁连山牌），用量在470480kg/m3。粗骨料：516mm级配良好的碎石。细骨料：细度模数大于2.5，级配良好的中粗河砂（产地三岔河）。水：合格的施工用水。液体速凝剂：河北石家庄铁园生产，加热后初凝在3min内，终凝在12min内。防冻剂：HS-1型复合防冻剂。配合比：水灰比W/C=0.42时，水泥:砂:石:防冻剂:速凝剂=1:2.01:1.34:0.018:0.04。4.1.2 施工方法湿喷混凝土采用洞口混凝土搅拌站拌制，12t电瓶车牵引轨行式混凝土输送车运输至洞内作业点，卸料至混凝土湿喷机。工序安排在开挖爆破后进行初喷，根据围岩稳定情况，在出完碴或几个开挖循环后进行复喷。4.1.3 主要技术要求（1）施工机械采用改进型TK961混凝土湿喷机和强制式混凝土搅拌机。TK961主要技术参数：生产率：45m3/h；工作风压：0.30.7MPa；耗风量：10 m3/min；最大输送距离：水平30m，垂直20m。（2）混凝土拌制时必须加热原材料，暖季施工只加热水至35，拌合料出机温度控制在10左右；寒季施工将水加热至5070，并利用地炉和保温大棚对砂石料进行加热，温度在1630，速凝剂加热至45，拌合料出机温度控制在1317。（3）考虑高原低气温的气候特点，适当延长拌合料搅拌时间，一般为3min。（4）湿喷混凝土出机坍落度控制在160170mm，入喷射机前坍落度控制在90130mm，温度控制在10左右。（5）喷射时系统风压不小于0.5MPa，喷嘴到喷射面距离0.81.0m，喷射角度90度左右。（6）每次喷射完后必须立即清洗喷射机械。4.2 防排水结构和衬砌隔热保温层施工4.2.1 防排水及隔热保温层材料防排水及隔热保温层材料规格及主要性能见表1。表1 防排水及隔热保温层材料材料名称规格及主要性能参数橡胶止水带651型：30015308mm遇水膨胀止水条BW-型：长宽=3020mm；10020mmWJ界面粘接剂处理前后抗渗标号提高值200%；抗剪强度提高120%；抗折强度提高值110%软式透水管50mm，透水性好，能承受不小于0.5MPa的压力PVC管100mm，扁平率50%无破坏或破裂复合防水板宽2.0m，长11m，无纺布/PVC；纵向拉伸强度15MPa；膜厚度1.0mm；断裂伸长率200%；低温柔性-35无裂纹； 水压0.2MPa保持24h无渗透。PU聚氨酯板长宽厚=2.00.50.05m；导热系数0.3MPa，基底部位0.5MPa；密度60kg/m3；弹性模量E710MPa；体积吸水率3%，具有低毒性和阻燃性。聚氨酯粘接剂TN-1型，密度1200kg/m3，导热系数0.057w/ mk树脂胶OP型灌注混凝土养护、拆模灌注下一环混凝土清理混凝土基面图1 水平施工缝工艺流程灌注混凝土养护、拆模清理混凝土基面安装止水条配制界面粘接剂刷涂（喷涂）界面剂灌注下一环混凝土固定预留槽木条在端头板里侧图2 环向施工缝工艺流程上环砼衬砌立模安装、固定止水带灌注混凝土安装止水条填充浸油木板立下一环砼衬砌模板板灌注下一环砼拆模、基面处理安装衬砌端头板图3 止水带半埋入法施工伸缩缝工艺流程4.2.2 施工缝和伸缩缝施工方法及工艺施工缝采用预留止水条凹槽和涂刷WJ界面粘接剂的方法施工。伸缩缝采用止水带半埋入法施工。施工工艺见图1、图2、图3。4.2.3 洞内防水层与衬砌隔热保温层施工方法及工艺复合防水板采用粘贴工艺施工，保证其与模筑支护密贴牢固，隔热保温材料（PU板）采用工厂预制成型、洞内拼装工艺施工，PU保温板与复合防水板之间用树脂胶粘贴牢固。施工工艺见图4。施工仰拱模筑支护铺设仰拱复合防水板并处理接缝铺贴仰拱保温板铺设仰拱内层复合防水板并处理接缝施工仰拱二次衬砌搭设防水层、隔热保温层施工平台清理拱墙模筑支护砼表面涂抹胶水，粘贴拱墙复合防水板粘贴下一环复合防水板和处理接缝粘贴拱墙保温板和保温板接缝粘接粘贴拱墙内层复合防水板并处理接缝施工拱墙二次衬砌图4 仰拱、拱墙防水层及衬砌隔热保温层工艺流程4.2.4 主要技术要求（1）定位橡胶止水带时，要求定位准确、牢固，其中间空心圆环应与变形缝的中心线重合，止水带在界面部位保持平展，不能有翻滚、扭转。在浇筑混凝土时，应防止止水带偏移，并振捣充分，以保证止水带和混凝土结合良好，起到很好的止水效果。（2）防水层和衬砌隔热保温层的施工关键是选择适应昆仑山隧道特殊气候条件和施工要求的胶水粘贴施工，做到防水层无钉铺设，保证防水层无破损。选用的OP树脂胶性能可靠、施工方便、价格适中。（3）采用工厂预制的无纺布/PVC复合的一布一膜取代以往施工中运用的先钉无纺布、后安装防水薄膜的方法，有效地保证了防水层质量且施工方便、铺贴平整。施工中拱墙复合防水板分为二块，从隧顶向两侧粘贴，在墙脚与仰拱复合防水板连接。（4）复合防水板的接缝是防水层最薄弱的部位，必须保证接缝有足够的强度和可靠的防水性。施工中采用土工膜焊接机双焊缝焊接，焊接温度为200250，焊接速度约为2.1档。接缝边缘未焊好或漏焊的部位用热风焊枪补焊完整，同时使复合防水板表面平整，便于粘贴保温板。（5）对焊缝质量，设专人逐缝检查，要求平整、透明、均匀，不得有漏焊、焦糊、烧黄等现象。（6）保温板采用工厂预制成块，洞内拼装粘贴施工，能有效地控制材料质量且施工方便，避免现场发泡产生的有毒气体危及洞内施工人员的健康。保温板接缝 采用TN-1型聚氨酯粘接剂粘接，其粘接强度和导热性能均能满足要求且施工方便，能有效提高保温板接缝的保温性能，从而保证保温层整体的隔热效果。4.3 低温早强耐久混凝土衬砌施工4.3.1 原材料及配合比水泥：强度等级为32.5R的硅酸水泥和普通硅酸盐水泥，施工中选用32.5R的昆仑山牌普通硅酸盐水泥，用量在400500kg/m3。骨料：选用级配良好、质地坚硬的骨料，细骨料选用中粗河砂，含泥量小于3%；粗骨料选用经15次冻融循环试验合格（总质量损失小于5%）的坚实且级配良好、无风化颗粒、含泥量小于1%、最大粒径40mm的碎石。施工中选用三岔河河砂，西大滩碎石场花岗岩碎石。 外加剂：DZ系列低温早强耐侵蚀混凝土外加剂。早强剂：MNF-9早强剂。配合比：模筑支护C25混凝土，水:砂:石: 防冻剂:早强剂=1:1.973:2.96:0.04:0.015(适用于-10)；二次衬砌C30混凝土，水:砂:石: 防冻剂=1:1.702:2.164:0.111(适用于-5)。4.3.2 衬砌施工方法和工艺混凝土模筑支护采用简易衬砌台车施工，二次衬砌采用液压衬砌模板台车施工。衬砌作业线采用混凝土搅拌站（JS500强制式搅拌机、PLD800E自动配料机）轨行式混凝土输送车（JCGY6型6m3）混凝土输送泵（三一HBT60A-1406G高原型）衬砌模板台车（长9m）的设备配套模式，施工工艺如图5所示。4.3.3 主要技术要求（1）青藏高原低气温、低气压的恶劣自然条件，给混凝土施工带来了极大的困难。保证衬砌混凝土质量的关键是如何保证混凝土浇筑时所带入的热量最小，从而使水化热温升造成洞身周边冻土融化最少，同时又保证混凝土浇筑后能在规定的时间内达到抗冻临界强度及拆模强度。要求混凝土入模温度控制在102，出机温度控制在1315。铺设衬砌台车轨道拆堵头板，收拢模板，台车前移台车就位，涂脱模剂安装堵头板,铺设输料管灌注混凝土混凝土养护拆堵头板、脱模,台车移到下一循环位置准备材料原材料加温拌制、运输混凝土图5 二次衬砌作业流程（2）必须对原材料进行加热，但水泥、外加剂不得直接加热，应储存在保温库房内，保证在正温条件下使用。水加热温度在3070，砂石料预先堆放在保温大棚内并通过地炉进行加热，砂的加热温度控制在820，碎石加热温度控制在210。拌和时热水应先与骨料拌和后再加入水泥和外加剂搅拌，拌和时间应比常温施工时的要求延长50%。（3）搅拌站必须置于保温大棚内，混凝土运输车包裹保温层。（4）作业面温度低于0时，混凝土灌注后应在模板外加防寒保温材料覆盖或采用升温保暖的措施，保证混凝土抗压强度达到设计强度的30%以前不得受冻。（5）在混凝土拌制、灌注和养护过程中，必须指派专人使用红外线测温仪和电子测温仪，严格控制原材料的加热温度和混凝土的出机、入模及浇筑后的温度，确保衬砌混凝土的施工质量。（6）在铺设防水层之前，采用加拿大PulseEKKO1000A型地质雷达对混凝土模筑支护的厚度及其背后密实性进行检测，确保衬砌质量。其施工工序为“模筑混凝土支护施工压浆地质雷达检测合格后铺设防水层，如有空隙再压浆检测”。4.4 隧道仰拱作业桥研制及仰拱施工施作仰拱对掘进干扰大一直是国内隧道钻爆法施工中未很好解决的一大难题。以往大多数隧道常采用半侧施作或简易栈桥的方法施工仰拱，不仅对掘进干扰大，而且质量差、劳动强度高、工效低，运营后容易产生病害。昆仑山隧道位于多年冻土区，仰拱设计结构复杂，要求超前施作并尽快封闭。为减少仰拱施工给隧道掘进造成的干扰，提高隧道施工速度，保证仰拱施工质量，利用仰拱作业桥全幅快速地施工仰拱。4.4.1 仰拱作业桥主要技术参数和结构 （1）仰拱作业桥全长25m，宽3.2m，重24t，主要由主桥、走行系统、卷扬系统、液压系统和连接轨道组成。 （2）一个循环仰拱施工最大长度9.5m，能通过重载运输车辆和三臂轮式凿岩台车，通行有轨车辆轨距为900mm，无轨车辆轮距最大外宽2600mm，最小内宽1100mm，通过载荷最大42t，采用外牵引走行方式，液压控制。4.4.2 仰拱施工方法 （1）施工中掌子面一次开挖到位并清底干净，不留虚碴，仰拱和填充一次施工高度至水沟底下5cm处。 （2）每次移动仰拱作业桥利用掌子面钻眼时平行作业，避免对掘进的干扰。 （3）仰拱作业桥操作步骤：1）解开仰拱作业桥后部钢轨连接夹板和前方尖轨紧固螺栓，升起举升油缸，将前后走行轮安置就位。2）收回举升油缸和支撑油缸，用电瓶车在前方牵引仰拱作业桥至下一环仰拱施工位置。3）升起支撑油缸和举升油缸，将前后走行轮移开，收回举升油缸。4）固定后部钢轨连接夹板，拧紧前方尖轨紧固螺栓，就位完毕。5）在仰拱作业桥下施工新的一环仰拱和防水、保温层。4.4.3 仰拱作业桥使用效果 （1）在仰拱作业桥使用前，每环仰拱施工长度一般为34m，清碴时间长，投入劳动力多，而且由于空间狭小，施工不方便，仰拱施工循环时间大约需要7天。 （2）仰拱作业桥从2002年4月22日在进口投入使用，至2002年10月7日，施工仰拱长度共计348m，平均每环施工仰拱长度9m，是仰拱作业桥使用前的23倍，清碴量很小，投入的劳动力少，每一施工循环时间仅需3天。 （3）实践证明该仰拱作业桥设计合理、操作灵活，一次全幅施工仰拱，对其他工序干扰小，且施工安全，移动方便，大大降低了作业强度，提高了仰拱施工进度和质量，尤其在高原缺氧环境下效果显著，较好地解决了仰拱施工这一长期困扰国内隧道施工的难题。4.5 洞口开挖施工昆仑山隧道进口段分布有饱冰冻土，开挖后直接暴露在阳光下，青藏高原白天日照强、辐射大，多年冻土迅速融化，进而形成泥流，所以洞口施工必须采取有效的遮阳措施。 （1）开挖前在比开挖边坡略宽的范围搭设遮阳棚。在开挖边坡外侧纵向埋设两排钢筋，间距为 2.0m，用钢丝横向连接，两端固定在埋设的钢筋上，在钢丝上套上两侧带圆环的遮阳布，遮阳布宽2m，主材采用PVC，在迎光侧涂刷白色的防紫外线涂料，反射阳光。 （2）放炮时，把遮阳棚布拉到一侧，收拢放好，以防爆破炸坏。 （3）爆破后，立即将遮阳布拉起盖好防护区，尽快清除爆碴。 （4）在暖季，白天气温高，为了尽可能减少热融破坏，充分利用高原昼夜温差大的特点，把爆破安排在傍晚进行。4.6 辅助作业4.6.1 施工供水 （1）施工供水困难，首先是取水困难。青藏高原寒季长，地表水长时间冻结，每年只有几个月可以取水，由于水量小，不能长期稳定供应，所以不能依靠地表水供应施工，只能作为辅助。施工初期，采用水车从不冻泉取水，由于距离远，取水的单位多，从保证施工和成本考虑也不可取。最后采用在工地附近钻井取水。由于多年冻土区冻土层厚度深达几十至一百多米，地下水取水十分困难。在洞口附近钻井，钻眼深度大，费用高，而且出水的几率很小，经过仔细勘察，选在西大滩钻井，水量能达300m3/d。（2）水源解决了，下一个困难就是输水。高原寒季时间长，温度低，即使在暖季，由于昼夜温差大，夜间也常达到0以下，给输水造成很大的困难。通过实践，我们采取以下措施，保障了施工供水。1）在水源点修建蓄水池，首先把水抽入蓄水池，在池下修建地炉把水加热。2）把蓄水池和水井置于保温帐篷内保温。3）采用150mm的输水管，要求管路铺设平顺且必须保证单面坡。4）在洞口设小型蓄水池并加热，这样，输水管只在需要抽水时才通水，其他时候把管内的水放空。5）输水管采取加热保温措施，即在水管外侧由里到外分别缠裹“加热电阻丝+石棉保温层+沥青防水层+防紫外线和老化的保护层”，电阻丝分段