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高原多年冻土地区隧道施工技术

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2020年4月19日
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高原多年冻土地区隧道施工技术
任少强 周海平 党永义 王安军
摘 要 详细介绍了世界第一高遂—青藏铁路风火山隧道施工技术，包括施工机械配套技术、供水技术、仰拱开挖技术、自发电技术、通风供氧技术、冻岩光爆技术、初支防水保温层施工技术以及坚持以人为本的措施，为以后高原多年冻土区隧道施工提供借鉴。
关键词 高原 多年冻土 隧道 施工
1 概述
世界第一高隧风火山隧道地处青藏高原腹地，隧道起讫里程为DIK1159+000～DIK1160+338，全长1338M，为青藏铁路重点控制工程。隧道位于昆仑山与唐古拉山之间，线路行走于风火山低山丘陵区，地形起伏较大。隧道最大埋深约100M，隧道经过处山坡自然坡度平缓，一般10～15°，隧道经过部位山顶最高海拔4996M，属低高山区，自然条件恶劣。隧道进口路肩设计高程为4904.35M，隧道出口路肩设计高程为4888.62M。其洞身全部位于冻岩之中，含土冰层、饱冰、富冰冻土发育，多年冻土上限1.2～1.8M。受地形限制，隧道无辅助坑道，采取进出口相向施工。
其工程特点：
⑴高原缺氧，气候寒冷。隧道处在海拔4900M以上的高原地区，年平均气温－6.11℃，最低气温－37.7℃，气压低，冻结期为九月到次年四月，含氧量仅10.78Kpa，低于人类生存极限含氧量，洞内更低。高原缺氧、严寒、强紫外线给施工给水、通风、机械设备保障、人员工效、医疗卫生及保护等带来许多困难。
⑵机械设备故障率高，保障困难。隧道地处青藏高原腹地，可可西里无人区，离后方供应基地格尔木350KM，且隧道施工期间正值青藏公路改造，唯一的运输通道经常受阻，加大了保障的困难。
⑶独头掘进距离长。在海拔近5000M的地方，用钻爆法独头掘进近700M，是当前世界上绝无仅有的。
⑷可借鉴经验少，科研项目多。为验证多年冻土地区隧道结构设计、防排水措施、支护技术及隔热保温技术的合理性，指导现场低温早强耐久混凝土、支护和隔热保温层的施工工艺，并动态调整多年冻土隧道的设计与施工，建立一套寒区隧道工程冻融范围的计算理论，获得相应的实验成果和温度场的计算结果，为寒区工程的设计、施工及养护提供理论依据，为冻害整治提供指导，风火山隧道安排了以下项目的测试及试验研究：
① 隧道洞内外气温变化对围岩冻融圈影响研究；
② 隧道施工机械性能及配套技术研究；
③ 隧道施工通风技术及施工温度场研究。
2 施工技术
2.1施工机械化配套技术
2.1.1配套原则
根据风火山隧道施工面对高寒缺氧、气候条件恶劣、人员工作效率低、机械效率低、故障率高的特点，按以下原则进行机械选型配套：
⑴机械化原则。各道工序尽可能采用机械化或半机械化，最大限度减轻作业人员劳动强度，减少高原作业的体力消耗。
⑵电动机械为主原则。洞内减少利用内燃机械，尽可能利用电动机械，减少围岩受热融化，保持冻岩稳定。
⑶经济高效原则。设备选型配套考虑高原机械工效降低，富余系数又不宜过大，以避免设备能力不足或浪费。
⑷采用有轨运输，改进洞内作业环境。
⑸施工机械与施工方法相配套原则。
⑹机械设备选型配套与进度要求相匹配原则。
2.1.2 设备选型配套
风火山隧道采用进出口相向施工，设备配备进出口基本相同。配备YZ28型风动凿岩机，H177型二臂台车，ROCD7-11型露天钻机进行钻暴作业；PC-220挖掘机进行扒渣、装渣作业；CDXT1-12型电瓶车牵引TDSE-1A14型梭式矿车出渣；自偶变压器用于电瓶充电；有轨运输采用43Kg/M钢轨，轨距900MM，洞外卸渣码头前设循环线用于电瓶车、梭矿调头卸渣，设两组12号单开道岔分别通向充电房、搅拌站，洞内设两组12号单开道岔分别通向初衬台车、二衬台车；进出口分别设两台JS500/PLD120搅拌机组成搅拌站，电瓶车牵引TST-6型轨行式灌车，HBT60型混凝土输送泵泵送混凝土入模，插入式、附着式振动器捣固；CP-8、KSP-2型湿喷机进行喷射作业；KBY50/70、JZB-2型压浆机进行初衬压浆；MAI400型注浆泵进行系统锚杆、超前锚杆注浆加固围岩；施工用电采用两台250GF、一台HDV330E发电机共计764KW供电；钻爆用高压风采用三台750HH型内燃空压机共计86M3/Min并联经过5 M3风包供风；经过我单位与北京科技大学联合研制的ZO-3/PSA制氧站向洞内经氧吧车进行弥漫式供氧，改进洞内施工条件，人员疲劳时可在氧吧内小息；通风排烟寒季采用天津通风机厂与石家庄铁道学院联合研制的STDK-100型暖风通风机供风，暖季采用88-1型通风机供风；洞内及搅拌站供暖、沙石料保温采用DZLZ-10-A蒸汽锅炉经过自制暖气片供给；ZL50G、ZL40B装载机用于搅拌站上料及卸渣码头平整。（风火山隧道主要机械配备表见表1）
主高压风管
抽水机
高压进风管
5m3水罐
5m3水罐
进水管
闸门
高压出水管
高压出水管
贮水池
高压出水管
风压供水系统
2.2供水技术
风火山隧道所处地区气候属于青藏高原冰雪型气候区，春秋季节短暂，冻结期九月至次年四月份。沿用传统的高位水池显然不行。我们在进口采用风压供水，具体作法是：在距掌子面50~100M处设置两台5M3高压水灌，经过Φ100MM钢管向高压水灌送风，高压水灌上设安全阀、单向逆止阀，供风压力1.0Mpa，能较好满足凿岩机、混凝土喷射机需要。（高压供风系统见图1）

隧道出口采用在距掌子面50~100M处放置水箱，利用50M扬程多级泵供水，能满足凿岩机、混凝土喷射机需要。
2.3仰拱开挖栈桥方案
为确保施工安全，风火山隧道施工坚持“随开挖，随支护，早封闭，快衬砌”的原则，支护和衬砌紧跟，仰拱超前施作。为了不影响掘进，保证有轨运输正常运转，我们在仰拱开挖中，利用扣轨，施作仰拱开挖栈桥。具

表1 风火山隧道主要机械配备
序号
名 称
规格型号
数量
备注
1
发电机
250GF
4

2
发电机
HDV330E
2

3
内燃空压机
750HH
6

4
风动凿岩机
YZ28
24

5
二臂台车
H177
1

6
露天钻机
ROCD7-11
1

7
通风机
STDK-100
2

8
通风机
88-1
2

9
电瓶车
CDXT1-12
6

10
梭式矿车
TDSE-1A14
6

11
电动装载机
ZC-6B
2

12
装载机
ZL50G
1

13
装载机
ZL40B
1

14
挖掘机
PC-220
2

15
砼拌和机
JS500/PLD120
4

16
轨行式灌车
TST-6
4

17
砼输送车
SQH260
2

18
注浆泵
MAI400
2

19
压浆机
KBY50/70
2

20
压浆机
JZB-2
2

21
干喷机
PZ-5
2

22
湿喷机
CP-8
2

23
湿喷机
KSP-2
2

24
制氧站
ZO-30/PSA
2

25
氧吧车

2

26
蒸汽锅炉
DZLZ-10-A
2

27
自偶变压器

4

28
初衬台车
订购加工
2

29
二衬台车
自制
4
自行式链条传动
30
砼输送泵
HBT60
4

体作法是：利用六根43Kg/M钢轨，每根钢轨长12.5M，每三根一组，二根轨面朝上，一根轨底朝上，用Φ18圆钢沿钢轨纵向每1.5M一个箍卡卡紧，一边利用已施作的仰拱支撑，一边利用枕木垛支撑，分别将两组扣轨垫于轨道下，中间设门架加固，形成简支梁结构，利用人工配合挖掘机，每次可开挖仰拱10~11M。施工应注意扣轨以上轨道每1.5M设一组轨距拉杆，横向设支撑木加固，防止轨道横向移动。
2.4自发电供电技术
根据现场实践，在海拔5000M左右，发电机功率只有额定功率60％，采用三台发电机并联，输出功率（250+250+264）×60％=458.4KVa。根据施工情况采用PVC绝缘电线，三相四线制，分洞内与洞外两块进行供电。
⑴洞内最不利工作状况，衬砌台车工作，混凝土输送泵两台工作，多级泵工作，照明线路工作。其负荷为：
P=10+75+75+10+30
=200KW
负载端输入电压：U=380V
功率因素：CosΦ=0.75
满足工作状况的条件P入=P
即：√3UI CosΦ≧200 I≧405(A)
据经验系数，铜芯电线每平方毫米允许经过电流在2~6.5AWP，风火山隧道施工选择3.6AWP/mm2。则其线径为：405÷3.6=112.5 mm2
选用线径120 mm2的铜芯线作为供电主线，即U、V、W相线选用120 mm2。零线N线选用50 mm2的供电主线路。
⑵洞外供电与洞内同样考虑计算。
在实际施工中，这样的计算安装是安全可靠的，应注意避雷装置性能可靠，所有接地必须良好，在缺相、漏电等情况必须有自动保护装置，动力输入端必须根据设备荷载配置自动空气开关或电磁闸盒。
2.5 施工通风、供氧技术
风火山隧道地处高原，空气稀薄、含氧量低，氧气分压仅10.78Kpa，不足内地一半，严重影响施工人员的工作效率，洞内施工要求环境温度－5℃~5℃，较难控制，因此施工通风、供氧成为制约工程质量、进度安全的重要因素。
为保证洞内施工人员每分钟应有4M3新鲜空气，并使空气中氧气含量不低于19％，二氧化碳不大于0.5％，氮氧化物为5Mg/ M3以下。在施工中，分别采用一台88-1型风机，寒季采用一台STDK-100型风机，派专人严格管理、防漏降阻、确保效果，以压入式通风为主，改进洞内作业环境。风机置于洞外距洞口25M，选用Φ1.0M软风管，风管随施工进展而及时向前延伸，保证洞内通风管前端至开挖掌子面10~20M，暖季通风避开高温时段，利用早晚及夜晚通风，寒季采用STDK-100型暖风机通风。风量、风压计算沿用传统的计算方法，高山风量修正采用Q高=760/P高×Q正 ，式中：P高—高山地区大气压力，Kpa；Q正—正常条件下计算的风量。经实践满足施工要求。洞内温度经过控制通风时段，满足施工需要。洞内的环境温度见表2
为保证洞内施工人员的身体健康，在施工中坚持利用和北京科技大学联合研制的ZO-30/PSA制氧站，制氧量12M3/H，氧气纯度达96％，向洞内先经过氧吧车，氧吧车置于大避车洞内，在距掌子面10M左右进行弥漫式供氧，

表2 洞内的环境温度表

月
1
2
3
4
5
6
份
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
温
度
-8
-9
-8
-8
-6
-7
-7
-4
+1
+2
+3
+3
+4
+4
+5
+7
+7
+8
月
7
8
9
10
11
12
份
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
温
度
+9
+11
+12
+10
+10
+10
+9
+8
+7
+6
+5
+5.5
+5
+4.5
+4
+3
+2.5
+2
人员休息时可在氧吧车内吸氧，经过制氧、供氧系统，体现了“以人为本”，满足了施工人员需要，保证了工程进度。
2.6 冻岩光爆技术
风火山隧道洞身全部从冻岩中经过，岩性为泥岩、沙岩，围岩分级为Ⅵ级、Ⅴ级、Ⅳ级。根据新奥法发挥围岩自承能力的原则，依据围岩分级，灵活地采用了不同的开挖方法。
⑴Ⅵ级、Ⅴ级围岩采用超短台阶，台阶长3~5M，下半断面紧跟。Ⅳ级围岩采用全断面开挖。
⑵根据高原资源情况，采用风动凿岩机钻孔，钻头直径Φ42MM，孔位偏差10CM以内，Ⅵ级、Ⅴ级围岩周边眼间距30CM，最小抵抗线40CM，Ⅳ级围岩周边眼间距40CM，最小抵抗线50CM。
⑶严格按钻爆设计图进行钻孔。采用楔型掏槽，周边眼外插角不大于3°。为防止钻孔机械用水在孔内冻结，成孔后，及时由Φ20MM钢管送高压风将炮眼内石屑、积水吹干净。
⑷选用KBW型防水抗冻性乳化炸药和抗冻型非电毫秒雷管，周边眼采用Φ32MM乳化炸药间隔装药，用竹片和导爆索连接，辅助周边眼、辅助掏槽眼、掏槽眼、底眼采用Φ32MM2﹟岩石硝铵炸药与导爆管连接，连续装药。
⑸采用抗冻型非电导爆管复合网络，为保证起爆的可靠性和准确性，联结时导爆管不能打结和拉伸。
⑹为减弱爆破对围岩的振动，减少围岩爆破松动圈的范围，掏槽眼、辅助掏槽眼、底眼、辅助周边眼、周边眼采用加大雷管段别的方法，即分别采用1段5段9段13段17段或2段6段10段14段18段。
⑺实践证明选择合理的光爆参数，严格炮眼布置，对整体性较好的冻岩，能取得爆破残眼率高达90％的好成绩。
2.7初期支护
初期支护是保证施工安全、防止塌方、加快施工进度的重要环节。
⑴开挖后及时喷射5CM厚掺加WQDZ低温早强剂的混凝土，阻止洞内空气和冻岩之间热交换，防止冻岩风化及融化，维护冻岩的自稳能力。
⑵及时施作系统锚杆。利用排架或自制的钻孔台车，沿掌子面法向用风动凿岩机打眼，开钻时钻速不宜太快，钻深30~50CM后转入正常钻进。Ⅵ级围岩拱墙部施作Φ25中空锚杆，锚杆长度3M，间距1.0M×1.0M；Ⅴ级围岩拱墙部施作Φ25中空锚杆，锚杆长度2.5M，间距1.2M×1.2M；Ⅳ级围岩拱部施作Φ25中空锚杆，锚杆长度2.5M，间距1.0M×1.0M。采用低温早强砂浆给中空锚杆压浆，孔深允许偏差控制在50MM内。
⑶格栅钢架施工。格栅钢架平面垂直隧道中线，其倾斜度不大于2°，格栅钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于5CM。为使格栅钢架准确定位，架设前预先打设Φ22螺纹钢定位系筋，系筋一端与格栅钢架焊接在一起，另一端锚入围岩中1.5~2.0M，并用锚固剂锚固。Ⅵ级围岩格栅钢架3榀/2M；Ⅴ级围岩格栅钢架1榀/M；Ⅳ级围岩格栅钢架1榀/1.2~1.5M。
⑷初期模筑低温早强耐久混凝土支护利用简易初衬台车，泵送混凝土入模，插入式振捣器振捣密实，为敷设隔热保温层提供圆顺基面。施工时要严格控制混凝土入模温度5~8℃，减小围岩融化圈。
⑸待初期模筑支护C25混凝土强度达到设计强度70％后，利用予埋的注浆管，经过KBY50/70型压浆机，按由低到高、由下往上的顺序，压入1:1水泥浆，注浆压力控制在0.6Mpa。
2.8 防水保温层
高原多年冻土区隧道施工的关键一项工序是防水保温，是防止冻岩融化、寒季漏水挂冰，冰漫道床、排水系统冻结以及衬砌混凝土冻胀开裂、酥碎、剥落，给隧道运营和安全造成严重危害的重要因素。
⑴遵循“防、截、排、堵、以防为主、防排结合、多道防线、综合治理”的原则。
⑵因隧道洞身全部位于冻岩之中，含土冰层、饱冰、富冰冻土发育，为减少洞内气温与地层热交换的影响以及冻土热融造成混凝土渗水，防水及隔热保温层按“防水板+隔热层+防水保护层”的结构形式，沿隧道全长全断面铺设，形成隧道二次衬砌完全和地层隔离。
⑶采用的PVC复合防水板性能指标要求如下：拉伸强度≥15Mpa；断裂伸长率≥300％；低温柔性：－35℃无裂纹；抗渗透性：水压0.2Mpa保持24小时无渗透；剪切状态下的粘合性：N/Mm≥5；厚度＞1.0Mm；耐穿刺性好，耐低温、耐水性、无毒性、耐腐蚀性、耐菌性好。盲沟在低温条件下应具有一定的弹性，透水性好，能承受不小于0.5Mpa的压力，并不易锈蚀。在基底及仰拱部位设大于300G/M2的无纺布。保温材料以聚胺脂为主，聚胺脂板厚5CM，其主要性能满足以下要求：导热系数＜0.03W/M.k，抗压强度：拱墙周边部位＞0.3Mpa，仰拱及墙底部位≥0.5 Mpa，体积吸水率＜3％，自重＞60Kg/M3，弹性模量E＞7~10 Mpa，老化寿命＞50年，具有一定弹性，具低毒性。
⑷施工顺序为：仰拱及墙底部位防水板→保温板→防水板→无纺布→墙脚水沟部位纵向Φ100MmPVC盲沟→拱墙部位环向Φ50Mm盲沟→防水板→保温板→防水板。
⑸防水保温层施工利用自制的吊挂台车，台车就位后，先施作环向盲沟。用防水板条（宽30~50Cm）和塑料膨胀螺栓将盲管（纵向5~10M一道）固定在模筑混凝土支护面上，用快凝水泥砂浆将塑料膨胀螺栓包住。墙脚纵向盲管，环向盲管与纵向盲管经过PVC100×100×50三通连接，形成纵、横向盲沟。
⑹纵向每7M，一端利用已施工二衬，一端在初期支护上打眼，安装膨胀螺栓，紧靠初支混凝土面，用紧线器安装铁丝。拱部环向每30Cm一根，墙部每50Cm一根，作为施作防水板、保温板、防水保护层的支撑。
⑺防水板利用装载机配合人工送到吊挂台车上，人工穿过铁丝紧靠在初支混凝土面上，相邻两幅防水板接头留10Cm搭接宽度，用TH-5A热合机将接缝焊好，热合机行走速度27~30Cm/Min，由拱顶向墙脚施焊，焊缝宽度不小于2Cm，焊缝两道，并进行充气检查，当压力达到0.1~0.15 Mpa时，持续时间不小于1Min，气压无变化，保证焊缝密实。对漏焊部位及防水板上小孔洞，利用500W电烙铁人工进行补焊。纵向与仰拱、墙脚防水板焊接。
⑻保温板（长1.5M×宽0.5M）从墙脚与已施作的仰拱、墙脚保温板利用长10~15Cm铁丝做为锚销连接，以纵向拉紧的铁丝做为支撑，向拱顶施作形成环形，保温板缝隙采用TN-1粘结。注意TN-1为黑白两种液体按1:1比例配制，配制后化学反应速度约为10分钟，要随配随用，避免浪费。
⑼防水保护层所用PVC薄膜或CPU防水涂料（1~2Mm）价格与防水板接近，为加大防漏水安全系数，采用防水板施作，其施工方法同⑺。
⑽为防止铺好的防水、保温层因自重松弛，造成二衬混凝土拱顶有空洞，其铺设与二衬混凝土交叉作业，距离控制为6~20M，纵向紧靠初支混凝土在拱顶、拱腰予埋Φ50Mm钢管，每施工两板二衬（约12M）进行一次压浆，确保二衬混凝土无空洞。
⑾“三缝”防水施工在施工时，水平及环向施工缝采用新浇混凝土前刷2Mm厚的WJ接口粘结剂，在衬砌截面中间布置遇水膨胀止水条；在预设衬砌伸缩缝、沉降缝的断面处，中间处铺设橡胶止水带，在靠近初支侧沿衬砌边缘设10Cm遇水膨胀橡胶，其余采用2Cm浸油木板填塞。(见图2、图3)
2.9模筑混凝土衬砌
⑴采用自制6M长的全液压整体式衬砌台车，混凝土采用自动计量拌和，TST-6型轨行混凝土输送车运输，HBT60混凝土输送泵泵送入模，插入式振动器振捣密实。最后利用台车上安装的附着式振动器振捣1Min，一次成型。
⑵工作面最低气温低于-3℃时，衬砌混凝土按冬期施工措施办理。利用

DZLZ-10-A型蒸汽锅炉对砂、碎石、水进行加热。加热时优先采用加热水的方法，水温不超过80℃，当水温高于60℃时，先投入骨料和水拌和，再加入水泥。
⑶混凝土拌和前先进行热工计算和实际试拌，拌和设备放置的环境温度不小于10℃，拌和时间不小于2Min，也不大于5Min，确保混凝土入模温度5~8℃。
⑷混凝土浇注后，养护温度三天内每2小时测一次，三天后4小时测一次。使混凝土的温度下降到0℃以前获得抗冻所需要的临界强度。即：混凝土强度不小于5Mpa。
2.10以人为本
青藏高原平均海拔4500M以上，面积约200多平方公里，是高原中的高原，它构成世界上最高的一段台阶，被称为“世界屋脊”。高原特殊的自然环境及气候特点：气压低、氧分压低；寒冷、温差大；多风、干燥；日光辐射、紫外线强烈；多雷暴等对人体造成一定的伤害，为确保参建人员的身体健康，劳动保护尤为重要。
⑴体格检查是工作人员进驻高原前的一项必不可少的重要工作。经过体检，筛选出身体不合格人员，对于降低高原病发病率，减少非生产性减员和经济开支，保障人员身体健康，促进生产建设顺利进行，具有十分重要的现实意义。
⑵广泛宣传，提高参建人员对高原的正确认识。认识到高原空气氧含量少、寒冷、强紫外线、气候干燥、水沸点低对人体的影响，消除恐惧心理。
⑶加强人员习服，合理安排、定期抡休。在进驻海拔4000M以上时，至少在 ~3000M地方短期停留锻炼至少7天。每月安排人员到低海拔休息2~3天。
⑷加强营养、克服不良生活习惯，预防高原病。高原病是发生于高原低氧环境的特发疾病，是人体对低气压低氧环境不适应出现缺氧性失代偿而引起的缺氧性疾病。常见有高原肺水肿，急性高原昏迷，高原红细胞增多症，高原心脏病，高原血压异常，混合型高原病等。经过合理的饮食调配，使人体摄入足量蛋白质、脂肪和糖，其比例为1:0.8:4，克服吸烟、酗酒等不良生活习惯，改变单调、贫乏、枯燥的生活方式，使物质生活、精神生活丰富多彩，可起到预防高原病作用。
⑸严格高原卫生防疫，确保不发生鼠疫。高原生态环境比较原始、比较特殊，生长的有些动植物人们并不了解，当前人们了解的旱獭，它是烈性传染病鼠疫的宿主。世界上曾发生过三次鼠疫大流行，累计死亡约2亿人，中国历史上曾多次发生鼠疫，死亡数千人，给人类造成悲惨后果。经过与地方防疫部门联合组织定期灭獭，严禁人员不接触、不剥皮、不煮食病（死）旱獭及其它病（死）动物；不在旱獭洞周围坐卧休息，以防跳蚤叮咬；不到鼠疫病人或凝似鼠疫病人家中探视、护理或吊丧。
⑹建立制氧站，保证施工人员健康。在隧道进出口分别建立医用ZO-30/PSA制氧站，洞内施工人员经过弥漫式供氧及氧吧车，休息人员经过氧气瓶、氧气袋吸氧，以保证人员有充沛的精力，健康的体魄。
⑺健全医疗体系，定期体检。高原对人心肺功能影响较大，经过定期检查，发现异常时及时保护撤离。
3 结论
实践证明所选择的施工方法是成功的。在高原十分恶劣的自然条件下，高寒、低压、缺氧、植被稀少，六月飞雪，一年两季，一天四季的环境条件下；在高原多年冻土含土冰层、饱冰、富冰冻土发育，砂岩、泥岩破碎，裂隙冰发育等复杂地质条件下进行隧道施工，必须采用先进的科学技术和设备，加强劳动保护，坚持以人为本，依靠先进的科学技术，“随开挖、随支护、早封闭、快衬砌”步步为营，稳扎稳打，完全能够取得高原多年冻土区隧道施工的胜利。