高原冻土隧道施工技术分析

高原冻土隧道施工技术中铁二十局集团有限公司 吴应明摘 要：风火山隧道是世界海拔最高的隧道，地质条件和气候条件均极为特殊，隧道的施工难度极大，施工中技术研究和科技攻关项目多，其特殊性及艰巨性在世界上独一无二。本文从洞口施工、洞身施工、厚层地下冰施工、施工措施、施工保温、施工供氧、机械设备配备等方面介绍了该隧道的施工技术。关键词：特殊条件；特殊地质；冻土隧道；施工技术青藏铁路风火山隧道，是目前世界上海拔最高的多年冻土隧道。隧道地质构造特殊，穿越含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土、原始冰川、裂隙冰、夹冰断层、厚层地下冰、泥岩、砂岩、泥砂互层等，还有不可预见性的灾害性地质产生。隧道区自然条件恶劣，空气稀薄、气压低、氧含量少、风雪多；因此施工条件也极为恶劣，其特殊性及艰巨性在世界上独一无二。由于在这样的自然条件和特殊地质条件下修建隧道，施工难度极大，在世界上还是第一次，因此没有类似的经验可供借鉴，施工中技术研究和科技攻关的项目很多；该隧道是一条特殊地质、特殊施工条件的特殊隧道。现将其施工技术作一简单介绍，供同行们参考。1 工程概况风火山隧道全长1338 m，位于新建青（海）至（西）藏铁路格（尔木）拉（萨）段秀水河至二道沟区间，地处青藏高原腹地，在昆仑山与唐古拉山之间，穿越风火山；山顶海拔高度4995 m，铁路轨面标高4905m，隧道最大埋深100 m，最小覆盖层仅8 m，隧道区多年冻土层厚80100 m。隧道进口为山梁地带，坡度较陡，进口段分布含土冰层长160 m，厚度0.71.2 m，上限为1.36 m；隧道出口为山凹地带，坡度较缓，出口段分布含土冰层长220 m，厚度约1.7 m，上限2.11 m。隧道穿过地段的地质情况为：进口地段砂粘土，厚度12 m，棕红色，土质不均，融化后坚硬，弱融沉，弱冻胀；出口地段砂粘土，厚度12 m，棕红色，土质不均，含少量碎石，融化后硬塑，上限以上为级硬土，上限以下为级软石，弱融沉，弱冻胀；洞身主要岩层为砂岩和泥岩，棕红色；砂岩为细平结构，层状构造，泥质、钙质、硅质胶结，风化由极严重至轻微；泥岩为泥质结构，层状构造，泥质胶结，风化由极严重至轻微；岩层产状进口为N88,W/43S，出口为N82，W/80S，成岩作用差，质软，上限以上为级软石，上限以下为级次坚石，弱融沉，弱冻胀。隧道洞区气候属青藏高原冰雪型气候区，气候干燥，气温、气压低，春秋季节短暂，冻结期九月至次年四月；年平均气温6.11，极端最高气温23.2，极端最低气温41，地温23；平均降水量290.9 mm，年均蒸发量1316.9 mm，相对温度57%；最大风速31 m/s，雷暴日年平均最多36.7天。2 进洞施工方法2.1 洞口路堑施工隧道进出口洞口均位于坡脚处，地层中含有含土冰层，且埋深较浅；为此，洞外路堑开挖遵循“快开挖，快弃喳，快防护”的方针，按“分段，分层开挖，分层防护”的原则。白天覆盖保温棚布加强防护，避免冻土融化，缩短洞口边、仰坡暴露时间，减少含土冰层或厚层地下冰的融化，防止地质病害发生。洞口边、仰坡按设计宽度开挖到位后，立即进行防护，缩短暴露时间。首先在边坡上梅花型布置长度2.5 m3.0 m，25 mm螺纹锚杆，间距1.0 m；然后用6.5 mm的钢筋加工成10 cm10 cm钢筋网，分片铺设，并与锚杆焊接为一体；最后喷射混凝土，厚度为20 cm。2.2 进洞及洞口浅埋段施工洞口开挖会引起地表热交换的改变，易引起地下含土冰层和厚层地下冰的融化导致边坡热融滑塌；同时由于洞口埋深较浅，围岩类别为级，开挖后不易形成“自然拱”。为此，首先对围岩进行注浆以加固围岩，使其具有一定的承载力，保证隧道开挖后围岩和支护的稳定，减少冻土融化后岩体滑坡。2.2.1 洞身开挖进洞及洞口浅埋段洞身开挖采用超短台阶施工，上、下断面平行开挖、支护，采用微震光面爆破开挖，减少对冻岩的扰动。2.2.2 预支护措施自起拱线沿开挖轮廓线外侧布设108 管棚，钢管间距30 cm。用露天钻钻孔，然后将加工好的钢管压入已钻好的孔中，沿隧道开挖外轮廓线排列形成钢管棚，并向钢管内设置钢筋笼且注入水泥砂浆，以增加钢管的刚度。2.2.3 支护采用中空锚杆、格栅钢架、模喷混凝土等联合支护措施，对开挖断面进行初期支护。上半断面开挖成型后，立即进行支护；防止含冰冻土在施工过程中融化，岩体滑塌。2.2.4 施工顺序a. 上导坑开挖。在第一排管棚支护之下，自起拱线以上开挖上导坑，循环进尺不超过1.0m，中间预留核心土；人工风枪打眼，微震光面爆破，减少对冻土的扰动；周边眼采用导爆索起爆，其余炮眼采用抗冻型非电毫秒雷管起爆。b. 上导坑支护。开挖成型后立即先喷一层混凝土，封闭开挖面，防止冻土融化；布设R25、L=3.0 m的中空注浆锚杆，梅花型布置，并注入超早强水泥浆；铺挂用8.0 mm的钢筋加工成10 cm10 cm钢筋网片，分片铺设，并与锚杆焊接为一体；安设16型钢钢架；模喷混凝土。c. 下导坑开挖。上导坑掘进35 m后，开始进行下导坑开挖，两道工序平行作业，但上下导坑应避免同时起爆；开挖下导坑时，先开挖中槽，预留马口，然后跳跃式开挖左右马口，防止上半断面格栅钢架悬空。d. 下导坑支护。下导坑马口开挖符合设计尺寸后，立即封闭围岩（素喷混凝土），防止含冰冻土在施工过程中融化；其它支护措施同上导坑。3 洞身施工3.1 洞身开挖施工隧道进口、出口级围岩地段，采用小导管超前支护，弧形导坑预留核心土法开挖，采用弱爆破开挖技术，炮眼深度不大于1.0 m。级围岩浅埋段，正台阶法开挖，采用微震爆破技术，炮眼深度不大于2.0 m。级围岩深埋段，采用全断面开挖，光面爆破中的中深孔爆破，炮眼深度2.03.0 m。装碴运输设备优先选用高原专用施工机械或电动机械，选型配套主要以运输能力大于装碴能力，装碴能力大于开挖能力的原则。为减少因隧道开挖造成的冻融现象，必须遵循“快开挖、快出碴、快支护”的原则。爆破材料使用具有防水抗冻性能的EL系列乳化炸药，耐寒型导爆管。除周边眼用导爆索起爆外，其余炮眼用耐寒型导爆管起爆。周边眼用空气柱间隔装药正向起爆，余眼采用连续装药反向起爆。炸药爆炸后会产生巨大的热能，将打破冻土原有的热平衡关系，为减少此影响，采用水炮泥代替传统的黄泥炮泥；炸药爆炸后水变成水雾能降低爆炸产生的热量，水雾在降落过程中能带走空气中的尘埃。采用复合网络以提高网络的可靠性，采用非电导爆管网络防止雷电对起爆网络安全的影响。爆破采用光面爆破或预裂爆破技术。采用微振爆破技术，尽量减少围岩爆破松动圈的范围，充分发挥围岩的自承能力；其技术要点是：采用雷管段间隔时间在100 ms以上，严格控制同段雷管的最大装药量；最大限度减弱爆破对围岩的振动效应，选用低爆能炸药（掏槽眼除外）。3.2 洞身支护施工隧道洞身支护是由锚杆、钢筋网、钢架和模喷混凝土（喷射混凝土）组成的一种联合受力结构。为保护围岩的天然承载力，维护围岩原有的热平衡，支护要尽快施作，支护采用喷混凝土与模喷两种形式，无论是模喷砼还是喷射砼均采用湿喷工艺。模喷砼支护参数见表1，喷锚支护参数见表2。模 喷 支 护 参 数 表表1围岩级别模喷砼砂浆锚杆钢架钢筋网68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25cm22拱墙3.5m0.8m3榀/2m2020cm5cm50cm浅25cm22拱墙3.5m1.0m1榀/m2020cm5cm45cm深20cm22拱墙3.5m1.0m1榀/1.5m2020cm5cm45cm喷 锚 支 护 参 数表2围岩级别模喷砼砂浆锚杆钢架钢筋网68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20cm22拱墙3.5m0.8m3榀/2m2020cm5cm55cm浅25cm22拱墙3.5m1.0m1榀/m2020cm5cm50cm深20cm22拱墙3.5m1.0m1榀/1.5m2020cm5cm50cm3.3 衬砌施工保温措施隧道衬砌寒季施工，为提高砼温度，确保砼质量，在隧道外安装蒸汽锅炉。在洞内安装蒸汽暖气片升温，并利用蒸汽养生，拌和站和砂石料搭建大跨度钢结构保温棚，提高砂石料温度，用热水拌和，以确保砼的入模温度达到5以上。同时，利用暖风机升温，以确保洞内环境温度保持在55以内。隧道衬砌暖季施工，实行通冷风调节，降低洞内环境温度。根据风火山地区昼夜温差比较大的特征，加强降低作业面温度措施，确保厚层地下冰处于稳定状态。通过测温反映，采取降温措施后洞温在33之间。4 厚层地下冰施工厚层地下冰在地质学上被认为是极限性不良地质，目前世界上还没有在同类地质条件下开凿隧道的任何经验可以借鉴；厚层地下冰开挖后，若不及时进行防护，会产生热融现象。明洞开挖时，边仰坡失稳，导致热融滑坍、基底泥泞、机械车辆无法正常施工；隧道开挖后，开挖周边特别是拱部会造成严重掉块现象，甚全导致大小不等的塌方;隧道运营后，可能会因反复冻融破坏结构，影响运营安全。4.1 施工原则厚层地下冰隧道的施工原则是“随开挖、随支护、早封闭、快衬砌”；其主要内容是：a. 明洞施工采用整体遮阳和边坡保温措施，防止热融滑塌。b. 隧道内施工，寒季洞内适当升温以保证砼施工，暖季洞内降温以防热融坍塌。c. 施工采用有轨运输，以减少洞内空气污染和洞内温度升高。d. 隧道开挖后采用喷射砼方法封闭岩面，以防热融;及早进行初衬砼封闭，以防热融圈扩大。e. 隧道整体支护结构采用初衬砼-防水保温层-二次衬砌两夹一形式，减小隧道内温度升高后对支护外围冰层的影响，减小厚冰层反复冻融对结构的影响。4.2 明洞施工明洞开挖时为避免厚层地下冰热融滑坍，采取了如下措施：a. 开挖前，搭设明洞遮阳保温蓬，减少太阳热辐射。花开挖时，采用分段分层开挖，分段分层保温，避免厚层地下冰融化。b. 缩短洞口边、仰拱暴露时间，减少厚层地下冰的融化，防止地质病害发生。在开挖过程中，根据现场量测，洞外厚层地下冰平均厚度达60 cm，最厚处为90cm，冰层晶莹透亮，对厚层地下冰暴露部分采用PU保温板和复合防水板覆盖。c. 明洞开挖到位后，边坡和基底用粗颗粒土换填厚，然后边坡喷射C2O砼。4.3 支护隧道厚层地下冰段，无法支护，开挖爆破后，经过试验摸索，采用喷射砼工艺及时封闭岩面，防止围岩热融坍塌。原设计初支为模筑砼，开挖后围岩暴露时间长，出现热融坍塌；为解决这一实际难题，经过与测温调节同步的反复喷护砼封闭试验，最终找到了既可保证厚层地下冰裸露面不融化、又能使加温后的砼在喷护时快速凝固而不脱落的“临界”温度，并首次实现了在厚层地下冰表面喷射砼的最佳施工方案。据此方案，在隧道开挖后，及时喷射砼封闭岩面，减少厚层地下冰暴露时间。通过对厚层地下冰量测，洞内地下冰层平均厚度为30cm，最大厚度为42cm。开挖爆破后，先喷砼，封闭岩面，使厚层地下冰与洞内空气完全隔离，防止热融发生，从而保证了洞内施工人员及隧道的安全与稳定。5 施工措施5.1加强测温工作专门试验员负责洞温测试，对洞内拱顶、拱腰、墙角等处环境温度，模板顶部、拱腰、底部温度，砼的入模温度，砼养生温度，洞外环境温度，砂石料温度，砂石料棚内温度等与砼相关项日每隔两小时测温-次，随时掌握与砼质量相关项目的温度情况，发现哪个位置出现问题，随时进行加强，以确保砼的质量。5.2 保持温度为了降低洞内环境温度，减少暖季白天通风时间，避免含冰土层及厚层地下冰产生热融现象，洞内出碴进料采用有轨运输，一方面杜绝了因内燃机燃烧油料产生的高温，另一方面，减少了因内燃机械的油烟造成的洞内环境污染，保证了职工身体健康。5.3 提高施工效率提高施工效率即提高初衬砼支护速度，确保模注砼支护紧跟作业面，这样避免含冰土层及厚层地下冰因喷射砼厚度不足与洞内温度达到热平衡后，含冰土层及厚层地下冰热融圈扩大，破坏了围岩的稳定。5.4 加强保温层为防止隧道运营后冻胀破坏和含冰土层及厚层地下冰热融圈扩大，在施工时铺设两层防水板，中间夹一层保温板，即二夹一防水保温施工。6 施工保温6.1 明洞段开挖施工保温明洞段开挖施工时搭设遮阳棚，防止太阳辐射。遮阳棚采用108mm钢管做立柱，在两侧边坡开挖线外侧1.0m处挖坑，用混凝土把立柱埋好，并在其外侧用6mm钢筋设斜拉索连接立柱和地锚，保证立柱稳固；在立柱顶用6mm钢筋连接两侧立柱，并在上面铺设棉蓬布，防止太阳辐射。在含冰土层揭露后，立即铺设土工布进行临时防护，然后用粗颗粒土换填2.5m后，在喷20cm混凝土来防止冻土融化，确保顺利施工。6.2 隧道内开挖施工保温 开挖后及时施工格栅架，并迅速喷射混凝土，以便在开挖面与洞内热量交换最短时间内完成施工支护，在围岩表面形成保护层。然后及时施作隔热层，减少洞内温度向围岩内扩散，防止融化圈增大。6.3 明洞及洞身混凝土衬砌保温在明洞处遮阳棚两端设棉帘幕，使遮阳棚同时起保温棚作用，减少热对流；并在棚内两侧各放23个用100mm钢管自制的暖气片，以保持棚内的环境温度控制在55以内。混凝土施工的前两天，在砂石料保温棚内对砂石料进行预热加温；棚内安放暖气片，采用蒸汽加热暖气片，由暖气片散热来达到加温的目的，暖气片的温度一般在150左右；一般情况下砂石料经过两天多的加温能达到57的温度。用蒸汽对水罐中的水进行加热，水温保持在6070左右即可；对拌和站也同样采取保温措施，以保证混凝土拌和时的温度。混凝土的出站温度在812之间，入模温度在68之间，能满足技术细则的混凝土入模温度大于5的要求。混凝土施工完成后，及时在其外侧用PU聚氨脂设一层隔热层，阻止混凝土与外界进行热交换，以保持混凝土的养护温度，养护温度一般控制在726之间。在隧道通风的进风系统中，采用增加暖风机直接加温预热寒冷空气，使洞内环境空气温度控制在55之间。6.4 临时生产设施保温隧道区无生产用水水源，用水车从20KM以外拉水供应；隧道施工用水采取风压供水系统，风压供水系统放在保温棚内，外设保温层，采用蒸汽加热保温，同时用蒸汽对水罐中的水进行加热；洞内外供水管道采用地面架空保温水管，水管外包裹防寒保温层。洞外高压风机站也设保温棚，保温棚内放置暖气片供暖，同时用火炉提供热量，以保证棚内温度控制在0以上。通风机站保温除与高压风机站相同外，还增设暖风机直接加温预热寒冷空气，以保证进风的温度。7 洞内施工供氧针对风火山隧道处于海拔4900m环境，空气含氧量极度偏低，尤其是在隧道内空气中含氧量更低的特点，本着“以人为本”的原则，为了给施工作业人员创造一个良好的施工环境，同时也为了提高洞内施工机械设备的施工效率；在洞外设置大型制氧站，将制氧站的氧气通过高压氧舱，经管道直接输入隧道内，向隧道进行连续的弥漫式供氧，取得了非常好的效果。8 机械设备配备高寒、缺氧使人体体力劳动效率普遍下降5060%，因此，要求机械化程度尽可能的高，大部分的工作用机械设备来完成；而在高寒、缺氧的条件下，能在内地正常使用的机械设备的效率也要下降3040%。为此，在选择机械设备，特别是内燃型的机械设备时，一是要考虑选择具有功率恢复性技术的高原型柴油机，保证其机械效率下降率低；二是要考虑选择具有预热机体辅助系统，能有效解决低温启动问题的机械设备。风火山隧道（单口）的机械设备（不含生活用）配备如下。8.1 供电系统有高压电源供应时，尽量采用变、配电系统供电，这是高原隧道施工的最佳供电方式；根据需要配置足够容量的变压器即可。无高压电源，采用内燃发电机组供电，配3台250GF7型250KW发电机组；其中2台并网后供电，1台备用。8.2 供风系统有高压电源供应时，配备20 m3电动空压机2台；无高压电源供应时，配备3台224KW、21.6 m3内燃空压机和1个4 m3的高压容器罐。8.3 供水系统供水系统见图1 ，配SLA5100型保温水车2台，5 m3高压储水罐2个及抽水泵2台。 图18.4 供暖、保温系统配3吨的水暖锅炉1台，DZL2-10AII型2吨的蒸汽锅炉1台，SDTK-100型空调机组1套；蒸汽锅炉给洞外的砂石料、拌和站及其它操作间供暖、保