隧道暗挖工程关键施工技术.pdf

二一八年十月隧道暗挖工程关键施工技术前言随着国家经济持续快速发展，城市建设不断进行，城镇配套设施不断完善和品质提升，公共建筑和基础设施的建设正在迅速扩展。目前，五局承建的各类房建工程、公建工程及基础设施工程数量与体量在不断攀升，为满足市场越来越高的品质需求，特别是复杂工程、特殊工程、大型工程中不断应用新型材料、新型设备和创新技术等等。为持续提升企业技术创新能力，让技术积累成为企业的知识财富，达到提升类似工程的投标文件编制水平、指导后续类似工程施工的目的，进一步转化为企业的核心技术，特由局科技质量部组织各二级公司，总结及提炼编制了若干 工程关键施工技术。隧道暗挖工程关键施工技术的编制得到隧道公司的大力帮助和支持，在此表示感谢！本书在编制过程中难免有不足或未涉及之处，请提出宝贵意见，如有修改补充的内容请及时将意见反馈到中建五局科技质量部，以供今后补充完善。中建五局科技质量部二零一八年十二月目录?第一章隧道暗挖工程的背景与载?体71背景综?述92隧道暗挖施工技术适用范?围93中建五局含有暗挖隧道工艺的工?程9第二章隧道暗挖工程的特点及重难?点141隧道暗挖工程的特?点152隧道暗挖工程的重难?点15第三章隧道暗挖工程关键施工技?术17第一节不良地质条件隧道施?工191动水动态信息化注浆施工技?术191.1?技术背?景191.2?施工工艺流?程191.3?技术要?点202岩溶溶洞处理技?术342.1?技术背?景342.2?施工工艺流?程352.3?技术要?点35第二节高原隧道施?工401高海拔特长公路隧道施工人体健康保障技?术401.1?技术背?景401.2?施工工艺流?程401.3?技术要?点402高寒地区施工人员配置、机械设备升效技?术502.1?技术背?景502.2?施工工艺流?程50?0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002.3?技术要0000000000000000000000000000点503高海拔极端环境下的特长隧道冬季混凝土保温施00000000000工563.1?技术背0000000000000000000000000000景563.2?施工工艺流00000000000000000000000000程563.3?技术要0000000000000000000000000000点56第三节软弱围岩大断面隧道施00000000000000000000工611特大断面隧道回旋分部多台阶开挖技0000000000000000术611.1?技术背0000000000000000000000000000景611.2?施工工艺流00000000000000000000000000程611.3?技术要0000000000000000000000000000点612组合型钢支撑方法技00000000000000000000000术682.1?技术背0000000000000000000000000000景682.2?施工工艺流00000000000000000000000000程682.3?技术要0000000000000000000000000000点693十字横撑施工方0000000000000000000000000法693.1?技术背0000000000000000000000000000景703.2?施工工艺流00000000000000000000000000程713.3?技术要0000000000000000000000000000点71第四节下穿敏感建、构筑物隧道施000000000000000000工731减振控制爆破技0000000000000000000000000术731.1?技术背0000000000000000000000000000景731.2?施工工艺流00000000000000000000000000程731.3?技术要0000000000000000000000000000点742?陡倾角岩层水压光面爆破施工技000000000000000000术782.1?技术背0000000000000000000000000000景782.2?施工工艺流00000000000000000000000000程792.3?技术要0000000000000000000000000000点803?近接施工预切割扩挖隔震爆00000000000000000000破813.1?技术背0000000000000000000000000000景813.2?施工工艺流00000000000000000000000000程8100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111113.3?技术要1111111111111111111111111111点82第五节隧道防排水施111111111111111111111111工851?中埋式止水带一次性安装定位技111111111111111111术851.1 技术背1111111111111111111111111111景851.2 工艺流1111111111111111111111111111程851.3 技术要1111111111111111111111111111点862?隧道止水带冷硫化连接施111111111111111111111工872.1 技术背1111111111111111111111111111景872.2 工艺流1111111111111111111111111111程872.3 技术要1111111111111111111111111111点883三维织网衬砌纤维混凝土施工工111111111111111111法903.1 技术背1111111111111111111111111111景903.2 工艺流1111111111111111111111111111程903.3 技术要1111111111111111111111111111点911111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111第 一 章隧道暗挖工程的背景与载体隧道暗挖工程的背景与载体1背景综述为减轻城市的交通压力、充分利用城市地下空间资源，暗挖隧道工程在城市地下工程中的实践应用越来越广泛。在城市暗挖工程修建工程中，工程地质状况直接制约着暗挖工程施工，如何在不良地质条件下保障在建工程本身安全施工及减小对周边环境的影响施工方法的选择至关重要。同时城市暗挖隧道通常需要穿越既有高楼大厦、市政管线和道路桥梁等建构筑物，如何在隧道施工过程中有效的控制临近结构的变形，保证既有结构的安全使用、正常运营，是城市地下工程施工环境安全控制的重点和难点，这是具备现实意义和非常必要的。暗挖法是在岩土内部（不需要从地面一直挖下去，竖井和工作井除外）中修建山岭隧道、城区地铁及其他用途地下结构物的施工方法，包括矿山法（钻爆法）、盾构法、TBM 法、顶管法等。目前，山岭隧道及公路隧道多采用矿山法、TBM 等掘进机法，修建城市地铁需控制对建构筑物保护，多采用浅埋暗挖法、盾构法。本隧道暗挖技术总结主要介绍针对山岭隧道的矿山法及针对城市浅埋及软土隧道的浅埋暗挖技术，盾构法、TBM 法、顶管法为采用专用设备施工，不含在本次技术总结中。2隧道暗挖施工技术适用范围矿山法包括传统矿山法和新奥法，多采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法，适用于岩石地层；浅埋暗挖法适用于不宜明挖施工的土质或软弱无胶结的砂、卵石第四纪等地层，对于高水位的类似地层，采取堵水或降水、排水等措施后仍能适用，在都市城区在地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管道密布且对地表沉陷要求严格的情况下，修建地铁、地下停车场及热力、地下管线隧道等方面应用普遍，是目前较先进的施工方法，在铁路、公路及软弱地层中也开始应用。3中建五局含有暗挖隧道工艺的工程3.1?蓝田至商州高速公路工程秦岭隧道工程地点：陕西商洛工程长度：全长 2.7?km，其中隧道单线长 5185m，隧道单面纵坡 2.055%，最大埋深386m，隧道穿大断面裂带左线 105m，右线 120m，穿越二级岩爆区，单线长度 2880m，类围岩 415m，类围岩 1725m，类围岩 3045m，隧道单口掘进长度达 2595m。9暗挖技术特点：采用 CRD 法、台阶法，是当时陕西省一次性建成通车里程最长的高速公路、是陕西省打通的第三条穿越秦岭的大通道。秦岭隧道在行业引起了高度关注，产生极大影响力，2010 年荣获“国家优质工程银奖”。3.2?重庆市轨道交通一号线中梁山隧道工程工程地点：中梁山隧道工程工程长度：隧道进口起点里程为 K23+808.000，隧道出口终点里程为 K28+137.000，全长约 4.329km。暗挖技术特点：采用三台阶七步开挖法，为目前国内城市轨道交通领域拟建的最长山岭隧道，属长大山岭隧道，隧道工程地质条件复杂，基本集中了破碎带、地下水量大、涌水、突泥、溶洞、瓦斯等不良地质条件，施工技术难度大，不可预见性强，项目获得 20132014年度国家优质工程奖。图 3.1-1?蓝商高速秦岭隧道图 3.2-1?三台阶七步开挖法施工图图 3.2-2 中梁山隧道通车图103.3?重庆轨道交通六号线小什字车站及区间隧道工程工程地点：重庆市工程长度：主要有 1 车站、2 区间及 4 个附属出入口，工程全长 678m。暗挖技术特点：采用大断面回旋开挖法完成大断面开挖、减震爆破控制工法施工，主要有 1 车站、2 区间及 4 个附属出入口，其中小什字车站为地下两层侧式曲线车站，最大开挖断面达 430.2。项目毗邻朝天门码头、解放碑商业圈、罗汉寺等文物古迹，周边交通拥挤、人流密集、车流量大。沿线 30 层高楼约 10 栋，危旧民房约 20 栋；沿线地下管网复杂，多处紧靠高层建筑基础、紧邻文物古迹；隧道埋深仅 814m，开挖边线距高程建筑基础最近处仅 2.8m。工程获得 2015 年全国市政金杯示范工程奖。3.4?深圳地铁 9 号线 9104-2 标鹿丹村渡线隧道工程工程地点：深圳市工程长度：工程包含两站两区间:鹿丹村站、人民南站、鹿 人区间和人 向区间隧道，车站建筑面积 26000。鹿丹村站后渡线隧道长约 118m，是深圳市最大的一个富水浅埋暗挖土质大断面隧道，隧道全长包含 5 种断面，最大开挖断面面积 150，拱顶沉降控制难度大拱顶沉降控制难度大；隧道终点距深圳布吉河仅 2m，涌水突泥风险高。暗挖技术特点：首次提出浅埋暗挖十字撑工法并成功应用（改良 CRD 工法，将原临时支撑由弧形变为直线型）、预留核心土环形开挖、端头注浆、超前大管棚等多种方式，控制了隧道沉降及渗漏水情况，实现安全开挖，工程所在深圳地铁 9 号线获得 2017 年国际隧道协会 ITA“年度隧道工程”提名奖。图 3.3-1?隧道断面开挖图图 3.3-2?图隧道左右导坑开挖后隧道暗挖工程的背景与载体11图 3.4-1?隧道预留核心土环型导坑开挖图 3.4-2?隧道十字撑工法开挖3.5?雀儿山隧道工程工程地点：四川甘孜藏族自治州工程长度：川藏北路 317 线雀儿山隧道工程位于川西高原甘孜州德格县境内，雀儿山隧道主洞 7079m，设平行导洞 7108m。暗挖技术特点：该隧道是当时世界上海拔最高的特长公路隧道。合同总投资 10 亿元。本隧道于 2012 年 9 月 28 日开工建设，通车日期为 2017 年 11 月。雀儿山隧道通车后缩短里程达 40km，节约行车时间两小时，驾车者只需要 10 分钟就可穿越雀儿山。工程具有“三高三低”的特点（海拔高、地应力高、地震烈度高；气温低、含氧量低、气压低）。采用分阶段通风（独头压入式通风、巷道式通风方式、多通道巷道式通风的方案）、变压吸附法提升氧气浓度到 90%；形成的 4400m 海拔高度 7100m 特长隧道通风、供氧技术属世界首创，成功解决了高海拔特长隧道的通风、供氧技术难题。图 1.1-1?隧道通车图隧道暗挖工程的背景与载体12第 二 章隧道暗挖工程的特点及重难点1隧道暗挖工程的特点序号特点描述1受地质条件影响大受水文地质条件影响大。整个工程埋于地下，工程地质、水文地质条件对隧道施工的成败起着重要的、甚至决定性的作用。2工作条件差、工作面少而狭窄隧道作业位于地下，往往通过斜井、竖井等进入隧道施工，施工作业面较少，影响工效；通风、照明条件差，喷射混凝土等作业产生粉尘，对作业环境和人员作业不利。3安全、质量、进度要求高城市暗挖法对地面影响较小，但埋置较浅时可能导致地面沉陷，隧道爆破振动可能导致周边建构筑物开裂、隧道施工给周边建构筑物及地下管线保护带来一定安全风险；山岭隧道施工对自然环境影响较大，环水土要求高；为保障安全，对施工质量要求也高；有限作业面情况及工期节点要求下，对工期控制要求也高。4大量碎石、弃渣需外运、处理隧道开挖后产生大量渣土需通过已完成段落外运，开挖出渣为施工循环中的一部分，渣土外运效率影响施工进度；渣土运输及弃置对环保存在一定影响。2隧道暗挖工程的重难点序号解决方案1针对高压富水采用超前地质预报结合多种注浆措施，实行以堵为主、限量排放，形成“动水动态信息化注浆施工技术”“岩溶隧道围截顶水注浆施工国家工法”。溶洞进行填充或跨越等技术措施；岩爆采用注水软化、防爆支护等措施；地热采用降温措施。重难点不良地质条件隧道施工描述修建山岭隧道常见地质问题如：突泥涌水、岩溶、断层、煤层采空区、瓦斯、岩爆、地热等，施工要重点防止隧道坍塌、涌水、瓦斯突出、岩爆地质灾害等突发事件。特别是对于岩溶地区高压富水隧道存在限排要求和地表地下水体保护问题，注浆堵水施工是重点。2形成“高海拔特长隧道通风供氧技术”，修正海拔系数，采用“高寒高海拔超特长公路隧道巷道式通风施工工法”等分阶段通风及风机改良，变压吸附法供氧，使氧气浓度可达 90%左右，解决 4400m 高海拔 7100m 特长隧道的通风、供氧，人员作业安全保障难题。高原隧道施工如某高原隧道海拔 4400m 以上、隧道单口掘进长达 4000m 的情况，氧含量：约为平原地区的 6070%，气压：约为平原地区的 55%，低温度：年最低温度为零下 36；通风供氧及低温要求采取措施保障人体健康、人与设备配置及施工组织。3大断面隧道施工城市暗挖交叉换乘车站为大断面，隧道一般位于软弱地层如 IVVI 级围岩、甚至杂填土中，为典型软弱围岩浅埋特大断面暗挖隧道施工，要重点解决大断面隧道开挖难、变形大等难题，保障施工安全。采用超前小导管法、长管棚法等多种预先加固改良地层辅助工法、开挖合理选择施工方法、开挖后及时支护。总结形成“特大断面隧道回旋分部多台阶开挖工法”、“组合型钢支撑方法”，对大断面进行立体分部开挖、并加强临时支护。隧道暗挖工程的特点及重难点15序号解决方案4针对文物建筑采用光面或预裂爆破结合掏槽减振为核心的“减振控制爆破”技术，及“陡倾角岩层水压光面爆破施工工法”减震，并严格执行“十八字”方针：“管超前、严注浆、强支护、短进尺、早封闭、勤量测”。重难点下穿敏感建、构筑物隧道施工描述城市暗挖区间隧道地面建构筑物高层密集、甚至存在文物及医院、军事管制区等敏感建筑，同时地下管线密布，周边环境复杂，施工可能导致周边建构筑物沉降变形、甚至开裂。对近接交叉隧道施工进行影响分区及针对性采取措施，形成“近接施工预切割扩挖隔震爆破施工”国家工法实施临近既有线爆破施工。隧道下穿既有线，拱顶与既有线路距离近，形成立体交叉隧道或近接隧道施工，对既有线安全保护、确保其正常运营是重难点。5隧道施工缝防排水施工隧道位于地下，围岩中地下水作用于隧道初期支护上，并受围岩压力向隧道浸入，隧道防水板难以形成完全密封状态，尤其是隧道二次衬砌分段浇筑，隧道的渗漏水普遍集中在隧道二衬的施工缝处。需加强该处防水施工质量。采用新型施工缝止水形式，采用 T型、U 型定位钢筋卡具、二衬端头组合钢模，加强止水带的位置固定，并加强施工缝处混凝土振捣，形成了“中埋式止水带一次性安装定位”、“隧道止水带冷硫化连接施工工法”“织网、弥合组合生态防水施工工法”成果、大大降低隧道渗漏水情况。沿海城市富水软弱地层中，车站站后渡线隧道位于高水位条件，隧道断面形式变化多、地质条件差、为富水多变截面浅埋暗挖隧道，需控制隧道涌水、控制隧道沉降变形。采用左右侧边墙不同超前支护方法：一侧超前大管棚+一侧超前小导管，改良 CRD 工法中的弧形支撑为直撑，形成“十字横撑施工方法”3大断面隧道施工隧道暗挖工程的特点及重难点16第 三 章隧道暗挖工程关键施工技术第一节不良地质条件隧道施工1动水动态信息化注浆施工技术1.1?技术背景随着我国山地城市的拓展需要，相邻城市间的长大越岭隧道也越来越多，城市长大越岭隧道的难题突出表现在隧道穿越岩溶富水地段施工过程中，常规帷幕注浆堵水失效势必会引起地下水失衡，导致环境破坏和安全事故。动水动态信息化注浆技术，通过优化注浆方案、建立注浆模型采取分区针对性注浆、优化和改良注浆机械设备配型、优化注浆材料组合及配比、在充分掌控动态帷幕注浆信息的前提下进行动态施工，实现可控注浆。保障了施工质量、安全，保护了水资源和生态环境，实现了长大城市山岭隧道注浆封堵施工技术的革新和提高，总体达到国际先进、部分国际领先水平。1.2?施工工艺流程图 1.2-1?动态信息化注浆工艺流程图隧道暗挖工程关键施工技术191.3?技术要点1.3.1 动态信息化注浆设计1.3.1.1?动态信息化注浆模型根据地质、通过注浆实践不断优化注浆方案，建立注浆模型如图。1.3.1.2?动态信息化注浆流程根据超前地质预报和超前钻探探明隧道前进方向的围岩地质情况和动水情况，注浆总原则：当出水量 3m3/m.d 时，需进行帷幕注浆；当出水量 5?m3/h 时，为强水区；当出水量 0.2L/min.m 时，需要进行补注浆，当检查孔出水量 IIIIIIVI 级：PAO245，可能发生判断上的错误，情绪不稳定和肌肉功能障碍，如果 SAO232，可能出现意识丧失，中枢神经系统可能出现进行性抑制；II 级：45PAO250，可能导致脑力集中能力减退和肌肉精细协调能力下降；III 级：50PAO262，氧离曲线已经开始陡峭，随时有发生缺氧危险；IV 级：62PAO2105，氧离曲线平坦，基本没有缺氧危险。最终确定各海拔高度不同缺氧等级下氧含量控制标准如下表 1.3-3 所示：表 1.3-3?各海拔高度不同缺氧等级下氧含量控制标准对应某 4300m 海拔处的氧含量控制标准如表 1.3-4 所示。表 1.3-2?缺氧危险程度分级缺氧危险程度缺氧状态大气压（mmHg）肺泡氧分压（mmHg）大气氧分压（mmHg）血氧浓度（%）I严重缺氧P405PAO245PiO285SaO275II缺氧405P46045PAO25085PiO29875SaO285III存在缺氧危险405P53050PAO26298PiO211085SaO290IV不缺氧760P62PAO2105110PiO215990SaO2100I 级II 级III 级IV 级013.3%13.3%14.0%14.0%15.7%15.7%21.7%100014.3%14.3%15.1%15.1%17.0%17.0%23.8%200015.6%15.6%16.5%15.1%18.6%18.6%26.4%300016.9%16.9%18.0%18.0%20.4%20.4%29.3%400018.8%18.8%20.0%20.0%22.9%22.9%33.3%500020.5%20.5%21.9%20.0%25.3%25.3%37.3%海拔高度（m）缺氧等级42表 1.3-4?4300m 海拔隧道的不同缺氧等级下的氧气浓度1.3.2?高海拔隧道施工洞内氧气浓度预测研究利用流体力学软件 Fluent 对隧道内氧气浓度分布规律进行了数值模拟，进而得出了高海拔隧道施工期洞内氧气浓度分布预测公式，并通过对某高海拔隧道内氧气浓度进行了现场实测验证。通过模拟某高海拔隧道开挖不同进尺情况下，最终得到氧气浓度与施工机械功率和进尺的关系式：Q=aL2+bL+0.00006w+d?（1-1）a=0.000002w2-0.0028w+0.5409?（1-2）b=-0.0009w+0.3722?（1-3）d=20.086?（1-4）式中：Q氧气浓度（%）；w内燃机械功率（kW）；L距离作业掌子面的距离；d隧址地区的氧气浓度。图 1.3-2?计算模型横断面示意图缺氧等级I 级II 级III 级IV 级肺泡氧分压（mmHg）PAO24545PAO25050PAO26262PAO2105氧分压（mmHg）PiO28585PiO29898PiO2110110PiO2159氧气控制体积分数25极重50以及体力劳动指数（I）的计算方法：（1-9）式中：劳动强度指数；劳动时间率，（%）；8h 工作日平均能量代谢率，（KJ/minm2）；体力劳动方式系数（搬：1，扛：0.4，推/拉：0.05）；性别系数（男性：1，女性 1.3）；10计算系数。按照国家标准 体力劳动强度分级（GB3869-1997）进行劳动强度指数的计算，并进行分级得到隧道施工各工种的劳动强度分级情况如下表 2.3-2 所示：表 2.3-2?平原地区各工序劳动强度分级表通过考虑海拔因素，得到各个海拔在修正后的劳动强度分级情况以及某 4300m 高海拔施工的工序的劳动强度分级情况如表 1-11 和表 1-12 所示：表 2.3-3?海拔 05km 的劳动强度指数与劳动强度分级情况汇总表工序劳动强度指数劳动分级情况钻爆22.6重喷射混凝土16.2中模板衬砌17.5中铺设防水板15.7中装渣14.7轻出渣13.8轻工序海拔 0km 劳动强度指数海拔 1km 修正劳动强度指数海拔 2km 修正劳动强度指数海拔 3km 修正劳动强度指数海拔 4km 修正劳动强度指数海拔 5km 修正劳动强度指数钻爆22.6（重）23.5（重）26.2（极重）26.2（极重）27.1（极重）28.0（极重）喷射混凝土16.2（中）16.8（中）18.7（中）18.7（中）19.4（中）20.0（重）模板衬砌17.5（中）18.2（中）20.3（重）20.3（重）21.0（重）21.7（重）铺设防水板15.7（中）16.3（中）18.2（中）18.2（中）18.8（中）19.4（中）装渣14.7（轻）15.3（中）17.1（中）17.1（中）17.7（中）18.2（中）出渣13.8（轻）14.4（轻）16.0（中）16.0（中）16.6（中）17.1（中）隧道暗挖工程关键施工技术51表 2.3-4?4300m 雀儿山高海拔隧道施工劳动强度指数与分级（2）高海拔隧道施工人员安全劳动时间确定方法及人员组织研究提出了高海拔安全劳动时间的计算原理，并据此得到了高海拔隧道施工人员劳动时间和人员组织，确定了高海拔隧道施工人员耗氧量。将海拔 4300m 高海拔隧道的各工种劳动强度降低到平原水平的劳动时间的控制时间和人员安排如下吧表2.3-5 所示：表 2.3-5?雀儿山高海拔隧道各工种控制劳动时间和人员安排某海拔 4300m 高原隧道实际人员组织安排如表 2.3-6 所示。表 2.3-6?雀儿山高海拔隧道各工序人员组织工序人员组织人数钻爆41喷射混凝土14模板衬砌28铺设防水板8装渣12出渣22工序平原劳动时间（h）高原控制时间（h）劳动时间减少率施工人员增加率钻爆4.53.717.5%21.2%喷射混凝土4.73.917.5%21.2%模板衬砌5.34.317.5%21.2%铺设防水板5.24.317.5%21.2%装渣5.54.517.5%21.2%出渣6.9?5.717.5%21.2%工序海拔 0km 修正劳动强度指数与分级某 4300m 高海拔施工劳动强度指数与分级钻爆22.6（重）27.37（极重）喷射混凝土16.2（中）19.58（中）模板衬砌17.5（中）21.21（重）铺设防水板15.7（中）18.98（中）装渣14.7（轻）17.85（中）出渣13.8（轻）16.75（中）52结合平原隧道施工各工序耗氧量，考虑海拔系数可以得到某 4300m 高海拔各工序下耗氧情况如表 2.3-7 所示：表 2.3-7?某 4300m 高海拔施工各工序的耗氧量表 2.3-8?施工供氧方式实施方案工序海拔 0km 耗氧量（L/min）雀儿山耗氧量（L/min）钻爆1.311.59喷射混凝土0.91.09模板衬砌0.871.05铺设防水板0.790.96装渣0.70.85出渣0.530.65施工工序供氧方式打孔钻眼阶段弥散式出渣阶段4L?氧气瓶置于车上架钢拱架阶段弥散式喷射混凝土阶段弥散式挂防水板、绑钢筋、二次模筑阶段氧吧车补氧或弥散式洞外工作生活区临时应急措施2.3.2 高海拔环境对施工设备机械升效技术机械效率数学模型高海拔隧道施工机械多为柴油机械，柴油机械效率一般在 0.70.85 范围内，研究给出了一般公式的方法来计算不同环境工况下柴油机的有效功率：（1-10）式中：有效热效率，是指实际循环的有效功与为得到此有效功所消耗的热量的比值；充气效率，指每循环吸入气缸的空气量转换为进气口状态，与活塞排量的比值；，为进气口状态下的进气量；隧道暗挖工程关键施工技术53所用燃料的低热值。柴油的低热值一般取 42000KJ/kg；进气口的温度，（K）；进气口的压强，（Pa）；空气的气体常数，（N m/kg K）一般取 287N m/kg K；过量空气系数，燃烧 1kg 燃料实际空气量与理论空气量的比值，其中，为每循环燃料的供给量，（kg）；为进入气缸的新鲜空气量，（kg）；为 1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量，（kg）。取柴油分子式（C16H34），计算得 14.3。高海拔地区施工机械降效原理研究表明高海拔地区施工机械效率的影响因素主要是环境大气压、温度和氧气浓度。不同海拔高度环境大气压、温度和氧气浓度分布情况如表 2.3-9 及图 2.3-1图 2.3-3 所示。表 2.3-9?不同海拔高度大气压、温度和氧气浓度分布海拔（Km）012345大气压力（KPa）101.389.379.270.161.654.0温度（K）298293288283278273氧气质量密度（g/m3）282.8256.6232.4209.9189.2170.0图 2.3-1?大气压随海拔变化趋势54图 2.3-2?温度随海拔变化趋势图 2.3-3?氧气质量浓度随海拔变化趋高海拔环境对施工设备机械效率的影响施工设备的机械效率随着大气压力的减小而降低。平均压力每减小 20kPa，有效功率降低 2530kW，机械效率下降 3%5%；施工设备的机械效率随着温度的升高而降低，但下降幅度不明显。平均温度每升高 5K（相当于海拔升高 1km），有效功率降低 24kW；环境温度从 278.15K 上升到 298.15K，机械效率下降 1.2%高海拔环境对施工设备机械升效施工设备的机械效率随着氧气浓度的升高而降低。平均氧气体积分数每升高 3%，有效功率上升 1525kW，机械效率升高 3%5%；单纯采用富氧进气技术，氧气体积分数增大 3%，有效功率可提升 10%左右，提升的机械的效率并不十分明显，还应采用增压装置来提高施工机械性能；采用涡轮增压技术，随着进气压力的增大，施工设备的机械效率也随之上升，最大可达到 87.8%，提升机械效率明显。因此采用增压结合富氧进气，控制进气隧道暗挖工程关键施工技术55氧气体积分数为 23%30%?，效果最佳。3高海拔极端环境下的特长隧道冬季混凝土保温施工3.1?技术背景高海拔地区气温低，冬期混凝土施工时面临着严寒的威胁，需要对混凝土从拌制、运输到浇筑、养护进行全方位的保温，以保证混凝土的强度，满足隧道的结构安全。有必要对高海拔隧道的温度控制基准、温度控制措施以及隧道内温度分布规律、养护分区等进行研究，以解决高海拔隧道冬季施工围岩及混凝土冻融难题。3.2?施工工艺流程寒冷区隧道冻害分级隧道进尺与混凝土温度关系混凝土各环节温度控制标准混凝土各环节保温措施。3.3?技术要点（1）高海拔隧道冬季混凝土施工特点 根据隧道地区冻土类型、地表土体最大冻结深度和每年冻结天数，将隧道分为四个区，如表 3.1-1 所示。表 3.3-1?寒区隧道分区说明简表 新浇筑结构混凝土立即受冻为典型的冻害情况。在 0MPa 无强度时，混凝土内部分布着连续性水介质，混凝土发生急速降温水分迅速冻结成冰，不会发生水泥的水化，也不会产生水的迁移，混凝土在正温养护后原来冰所占体积不能自行收缩，亦不可能完全被水泥的水化所弥补，因而混凝土硬化后结构疏松其强度损失可达 20%30%。受冻模式为混凝土幼龄受冻。新拌混凝土在水化的胶凝期间造成破坏的主要原因并不完全是由于水转变为冰过程中体积增大产生的膨胀压力，而是由于在整个混凝土硬化期间受负温的影响所造成的水分的移动。这种受冻可使后期强度损失 20%40%。具有抗冻临界强度混凝土的冻结。混凝土浇筑后水泥水化作用已经形成，结构抗分区符号分区名称冻土类型冻结深度（m）冻结日期（d）非冰冻寒区浅季节冻土0.86.010.5轻病害区中季节冻土0.81.8906.02.010.5-0.5中病害区深季节冻土1.83.0901802.0-2.03.5-0.5重病害区深季节冻土和多年冻土2.54.0180-2.0-0.5对应平均气温（）青藏高原地区 内蒙古东北地区56力已经等于或大于冰冻作用产生的破坏力。在此种情况下受冻其强度可以损失最大量不超过 5%。不同养护期受冻混凝土强度特性曲线，如图 3.3-1 所示。（2）不同海拔高度基于洞内温度 5的隧道进尺预测方法 基于最冷月平均气温的洞内温度为 5的隧道进尺预测公式为：X=1.136H-1639.52?（1-11）基于年平均气温的洞内温度为 5的隧道进尺预测公式为：X=1.136H-3383.52?（1-12）式中：X隧道进尺，m；H海拔高度，m。某隧道海拔高度为 4300m 时，基于最冷月平均气温的洞内温度为 5以下的隧道进尺为 3245m，基于年平均气温的 5以下的隧道进尺为 1500m 左右。在洞口至该进尺段作为分区，该区段内温度按低于 5至户外温度，需按低温进行混凝土施工及保温，进尺往洞内按常规进行施工及养护。（3）高海拔隧道混凝土施工温度控制标准综合分析调研统计资料，确定了不掺防冻剂与掺加防冻剂混凝土允许抗冻临界强度，如表 3.3-2 所示。图 3.3-1?不同养护期受冻混凝土强度特性曲线隧道暗挖工程关键施工技术57表 3.3-2?混凝土抗冻临界强度控制值（掺防冻剂/不掺防护剂），MPa研究分析了高海拔寒区隧道冬季施工混凝土各环节温度控制标准，包括混凝土原材料加热温控标准、混凝土拌制温控标准、混凝土运输和浇筑温控标准、混凝土拌合站温控标准。高海拔隧道混凝土施工温度控制标准如表 3.3-3 所示。表 3.3-3?高海拔寒区隧道混凝土施工温度控制标准为保证混凝土在高海拔寒区冬季施工仍能拥有良好的性能，对高海拔寒区隧道冬季混凝土施工需采取保温措施，包括：混凝土原材料及拌制保温措施、混凝土运输及浇筑保温措施、混凝土养护及隧道内保温措施。并建议某