青藏高原特殊地质条件下单线隧道施工技术

欢迎参加科研成果研讨会新建拉萨至日喀则铁路盆因拉隧道青藏高原特殊地质条件下单线特长铁路隧道施工技术中铁二十一局集团有限公司二0一四年九月西宁第一部分项目背景拉萨至日喀则铁路地处青藏高原西南部，全线位于西藏自治区境内，线路东起青藏铁路终点拉萨站，西至日喀则市近郊的日喀则车站(含)，起讫里程DK0+900-DK257+350，正线全长253.156公里。从拉萨出站后沿拉萨河而下，途径堆龙德庆县、曲水县后，折向西溯雅鲁藏布江而上，穿越长度近90km的雅鲁藏布江峡谷区，途经尼木、仁布县后抵达藏西南重镇日喀则。本项目作为青藏铁路的延伸线，它的修建是开发西藏西南部地区的迫切需要，将极大地促进区域社会经济的迅猛发展，有利于扩大对外开放，改善区域交通运输条件和投资环境，对于加强民族团结和社会稳定、巩固西南边防等方面均具有重要的意义和作用。拉日铁路是一条通向西藏西南地区、面向南亚地区的具有重要政治、经济、国防、路网意义的铁路通道，项目建设是十分必要的，对于大幅度改善西藏铁路通道运输质量，提升西藏自治区的经济发展，具有极为重要的意义。1、项目的背景、意义及必要性2.工程概况盆因拉隧道起讫里程为ⅢDK134+763～ⅢDK145+173，全长10410m。隧道洞身穿越雅鲁藏布江左侧中高山，进口位于泽朗曲右岸冲洪积台地，出口位于雅鲁藏布江左岸至宗嘎村后的基岩山坡处，线路所经地区地形起伏较大，地势陡峻，冲沟发育，沟内均无常年流水，地形地貌简单，地层、岩性较单一，以闪长岩为主，隧道最大埋深1080m。隧道所处地质条件十分复杂，进口端处于高地应力区，出口端经过两个较大的断层构造带（90m的F4-4正断层和160m的F4-5逆断层），断层主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断层泥沙。盆因拉隧道共设一座斜井，三座横洞，辅助坑道全长4462米。进口不具备进洞条件，从斜井进洞后往进口方向施工237米出洞。1#斜井长度515米，与线路交叉点ⅢDK135+000，夹角81°12′16″，平均坡度6.3%；2#横洞长度1335米，与线路交叉点ⅢDK138+200，夹角76°53′38.4″，坡度-4.8%；3#横洞长度1536米，与线路交叉点ⅢDK139+800，夹角81°39′14″，坡度-2.3%；4#横洞长度1076米，与线路交叉点ⅢDK142+200，夹角59°0′17″，坡度-1.6%。2#、3#横洞的施工需建跨越雅江的便桥，4#横洞需修建傍山便道，工期压力及施工难度大。隧道正洞断面净空尺寸：5.56m×6.85m（宽×高），辅助坑道断面尺寸：7m×6m（宽×高）。本课题以新建拉萨至日喀则铁路盆因拉隧道施工为依托，通过对特长单线隧道快速施工技术、高原特长隧道施工通风技术、高地应力隧道岩爆地段施工技术、特长隧道长距离供电施工技术进行研究和优化，从而提高特长单线隧道施工技术水平和作业效率，缩短施工工期，减少施工成本。盆因拉隧道是西藏地区首座特长单线隧道，地质条件复杂、施工难度大，选择合理的施工技术研究，确保隧道顺利安全地实施是非常必要的。盆因拉隧道施工技术的研究将对今后类似隧道的施工具有极强的指导意义。主要施工技术难点：一、地质条件复杂本隧道地处雅鲁藏布江地质断裂带、节理裂隙发育、地热、高地温、涌水等地质病害较多，昼夜温差大、高原缺氧、特长单线隧道等对隧道施工造成了一定困难。因此如何解决特殊地质条件下隧道施工的技术难题，是本隧道的重难点之一。二、单线特长隧道施工干扰大单线铁路隧道，净空断面只有5.56m×6.85m（宽×高），只能容纳一台机械通过，错车困难，即使开挖断面装载机与出砟车之间也仅有30cm左右的间隙。机械倒车距离长，工序之间相互干扰，对工期造成极大压力，是本课题一个难点。三、高原特长隧道施工通风及供氧困难由于本隧道地处高原地区，空气稀薄，气压低，空气含氧量低，加之隧道掘进长度较长，机械等产生的有害气体降低了洞内氧含量，对施工人员身体及施工工效产生较大影响；同时柴油机械也因氧气含量低，导致燃烧不充分而降低机械功效，进而产生更多的有害气体。盆因拉隧道单口独头掘进达到2500米以上，因此，如何设计科学、先进、合理的通风系统是提高高原隧道施工人员和机械施工效率、减少通风成本的的关键因素。四、高地应力隧道岩爆地段施工难度大盆因拉隧道的洞身山体高程为3750～4990m，隧道最大埋深1080m，围岩以Ⅱ级、Ⅲ级较多，岩层为闪长岩，隧道处于高地应力区，洞身处的燕山期闪长岩发生岩爆灾害几率较高，由于它发生的时间、部位的不确定性，给施工人员、机械将带来不可预见性的伤害。因此对隧道岩爆发生机理进行研究分析，对岩爆可能发生段落进行预防预控是本研究课题的一个重点内容。岩爆面岩爆崩落的片石岩爆视频五、特长单线隧道洞内供电困难盆因拉隧道单口独头施工距离达2500米以上，随着隧道施工进尺增加，供电线路加长，电源将出现较大电压降，致使洞内工作面供电出现严重不足，导致洞内大功率的用电设备(如输送泵、水泵、混凝土喷射机、电焊机、射流风机等)出现启动困难，甚至不能启动，严重影响工程施工的正常进行。因此在特长隧道施工中，选取先进、合理、经济的洞内供电方案和配置相应的供电设备是控制特长隧道施工建设的一大技术难题。以上主要施工技术难题是制约盆因拉隧道施工能否顺利完成的关键，同时也关系到盆因拉隧道工程的实体质量的好坏；因项目地处世界屋脊青藏高原，其能否按期、保质、保量的完成，将带来的社会效益和效应相当明显。因没有在高原施工特长单线隧道的类似施工经验借鉴，所以成立科研小组，进行科技攻关。以期不断积累总结施工经验和理论成果，能为高原特长单线隧道的施工提供借鉴。第二部分关键技术及创新点1、高原地区隧道施工首次采用新工艺水压爆破施工技术，爆破破碎块度更均匀，出渣更为有利；同时，炮眼中的水在高温高压下被雾化，充分吸收了有毒、有害爆生气体及粉尘，起到了雾化降尘的作用，大大降低了粉尘对环境的污染，改善了洞内空气质量。该工艺能节省炸药用量、减少粉尘浓度、缩短通风时间、增加了循环进尺、减少了循环次数。2、高原地区，空气稀薄，气压低，空气含氧量低，加之隧道掘进长度较长，工程柴油机械工作时消耗氧气，并产生大量的有害气体，降低了洞内氧含量，对施工人员身体及施工工效产生较大影响。本项目首次在高原地区进行了柴油机排放气体检测实验，提出了压入式通风和分仓式通风两种方案，经过现场实施并优化，解决了高原地区隧道施工通风的问题。3、在高原雅江峡谷地区，深埋隧道埋深附近的地应力分布特征的研究工作尚未深入开展，更由于此地区未施工过隧道、隧洞等大型地下工程，对工程领域的影响研究基本为空白。本科研通过计算仿真技术分析预测隧址区的地应力分布特征，采用室内实验对隧道洞身处闪长岩进行矿物组分、结构特征分析；采用单轴压缩、三轴实验测试岩体力学指标，结合地应力数据及岩体力学参数、隧道开挖断面形状分析岩爆灾害发生机理，对隧道岩爆进行预测、评价，对盆因拉隧道高地应力隧道岩爆发生机理进行研究分析，成功预测了岩爆可能发生的段落，并采用打设超前应力释放孔、洒水等措施进行预防预控，确保了施工人员、机械的安全。4、采用低压补偿供电技术，解决了洞内供电线路长、电源电压降过大致使洞内工作面供电出现严重不足，导致洞内大功率的用电设备出现启动困难甚至不能启动的问题。5、单线特长隧道通过洞内采用合理的行车运输方案，形成统一调度命令、科学的工序衔接，实现了快速施工。一、特长单线隧道快速施工技术㈠、高原隧道水压爆破施工技术特长单线隧道的快速施工是确保工期的关键环节，而隧道掘进进度关键在于开挖循环进尺及循环工序衔接。通过对盆因拉隧道各工点围岩情况进行仔细分析研究后，确定采取的环保型的爆破方式—水压爆破，并在施工中不断改进相关爆破参数，提高每循环进尺。隧道掘进水压爆破就是在炮孔一定位置注入一定量的水，并在孔口采用炮泥加强填塞的综合爆破技术。即就是将炸药包装置在受约束的有限水域内，当它爆炸时，利用水来传递爆炸能量和压力，由于水具有缓冲作用和均匀传递压力的作用，能使压力较平缓而均匀地作用在周围的介质上，使介质均匀地破碎并大大降低了爆破的有害效应。由于炮眼中有水，因水具有压缩性极小、变形能低、热能损失小等特性，在水中传播的水激波能能够按照水的“液压”作用，较均匀的、几乎不受损失的把能量传递到炮眼围岩中。另外，在水激波做功的同时，被爆炸气体冲击压缩的高压水挤入爆生裂隙中，形成“水楔”，这种“水楔”的尖劈作用更加加剧了裂隙的延伸和扩展，使破碎块度更均匀；同时，炮眼中的水在高温高压下被雾化，充分吸收了有毒、有害爆生气体及粉尘，起到了雾化降尘的作用，大大降低了粉尘对环境的污染，改善了洞内空气质量。水压爆破与常规爆破方式的差别在于炮孔的装药结构不同，水压爆破装药结构为从炮孔底部至炮孔口依次为水袋、药卷和炮泥。水压爆破在施工表现出以下优点：节省炸药用量、减少粉尘浓度、缩短通风时间、增加了循环进尺、减少了循环次数，加快施工进度，尤其是改善洞内施工环境方面的优势是十分明显的。水袋水袋炸药炮泥主爆眼装药结构水袋水袋炸药炮泥周边眼装药结构爆破类型单位岩石炸药实际消耗量(kg/m3)平均炮眼利用率爆渣块度(cm)/抛距(m)爆破后粉尘浓度(mg/m3)循环时间(min)常规爆破1.30682.81%70/32.32.534600水压爆破0.97295.31%40/280.884570盆因拉隧道爆破效果对比表从盆因拉隧道爆破效果对比表看出，水压爆破与常规爆破相比，更具有显著的“三提高一保护”的作用：实际单位用药量降低了26%；每循环掘进深度增加了0.6m，即常规爆破6个循环累计进尺仅相当于水压爆破5个循环；具有较高的经济效益；降尘效果好，此外还有防岩爆作用。㈡、单线特长隧道洞内运输方案受隧道断面净空限制，出砟时恰好仅能同时容纳一台装载机和一台自卸车并排作业，衬砌完地段仅能容纳一台车辆通行，无法错车，且无法掉头，若单趟运输，时间太长，必需在适当的位置设置会车带，确保自卸车能相互错车。考虑本隧道综合洞室较多，单侧60米有一小避车洞，每单侧420米、双侧210米有一大避车洞，全隧道有锚段8处，风机段3处。其中风机段和未衬砌的锚段段可以直接利用为会车带，风机段可作为机械会车、调头地带。另外，为减少倒车长度，间隔110m将小避车洞改为扩大的大避车洞，此法虽然增加了一些开挖及衬砌成本，但有效的降低了车辆倒车困难及燃油浪费，出砟时间减少，有效提高了工作效率，经济比选是可行的。机械名称机械尺寸（长×宽×高）ZT50C装载机8.45m×3.0m×3.56m重汽豪卡300自卸车7.69m×2.5m×3.45mSH240挖机9.5m×2.85m×3m三菱砼罐车8.0m×2.3m×3.85mHBT60A砼输送泵6.7m×2.1m×2.2m隧道主要施工机械尺寸综合洞室尺寸及数量综合洞室名称净空尺寸（宽×深×高）数量/个大避车洞4×2.5×2.8m49小避车洞2×1×2.2m280照明箱变6.5×15×5m6根据以上尺寸计算，大避车洞宽度能满足要求，但高度及深度不够，利用大避车洞室会车调头需采取一些措施：（1）将大避车洞加深至6.0米，二衬后净宽调整为5米，开挖高度增加0.5米；（2）大避车洞室开挖底应与仰拱填充面（内轨顶下51.5cm）高度一致；（3）大避车洞洞室铺底及衬砌最后施作，一般在距掌子面500m左右后可以利用第二部台车施工二衬时同时施做；（4）靠近洞室侧的风管、水管埋在仰拱填充砼中，在施工时应在风水管接头处采用土工布包裹，避免砼浆液流入风水管中，堵塞风水管；（5）通风带必须悬挂在隧道拱顶。大避车洞室调头方案加深3.5米大避车洞室自卸车区域装载机区域掌子面碴体备注：、为车辆前进向为车辆倒至避车洞室为车辆倒至出碴区域A、B、C、D为自卸车行进路线，实线为前进，虚线为倒退，箭头为车头方向。图1出砟行车示意图喷锚车出渣作业整体道床施工二、高原特长隧道施工通风及供氧技术研究隧道施工中的主要污染源有爆破后产生的炮烟、内燃机产生的废气及围岩自身释放的有害气体。洞内使用的内燃施工机械为低污染的柴油机。柴