青藏铁路昆仑山隧道施工技术简介

青藏铁路昆仑山隧道施工技术简介青藏铁路昆仑山隧道属典型高原冻土隧道,高原冻土、高寒缺氧、低气压、低氧分压等客观因素给隧道修建带来许多困难，但是修建青藏铁路意义重大，这也是对我国修建铁路隧道技术的一次大考验，经过几年的艰苦奋战，终于把青藏铁路顺利竣工。下面从几个方面对青藏铁路修建进行叙述。1工程概况昆仑山隧道全长1686m,位于青藏高原海拔4600～4700m的连续多年冻土区,多年冻土上限1.5～2.5m,下限60～120m,起讫里程DK976+250～DK977+936。隧道地处乱石沟多年冻土区,以古冰川、现代冰川作用及寒冻风化地貌形态为主,地表石海、石冰川、冰椎与冻胀丘、融冻泥流与滑坍发育。该隧道洞身为三叠系板岩夹片岩,山坡为坡积角砾土、碎石土、洪积碎石土。隧道所处地区气候特征是高海拔、高寒缺氧、低气压、低氧分压。据现场观测,隧道进口的大气压只有海平面的57%、氧分压只有海平面的54%。最高气温23.7℃,最低气温-37.7℃,平均气温-3.6℃～-5.2℃，昆仑山隧道进口(4642)43386温差可达30℃。年平均降水量220.9mm,年平均蒸发量1469.8mm,相对湿度为24.5%(现场观测),最大风速23.0m/s。2工程难点2.1高原冻土昆仑山隧道所处地段多年冻土上限为1.5～2.5m,下限为60～120m。为验证隧道结构设计、防排水措施、支护技术及隔热保温技术的合理性,以指导现场低温早强耐久混凝土支护和隔热保温层的施工以及动态调整隧道的设计与施工方案,在昆仑山隧道施工过程中进行了7个项目的科研攻关。2.2高海拔、高寒、缺氧高寒、缺氧、低气压对人机效率的降低影响是严重的,根据相关资料,海拔高度为4001～5000m时气候对人机的影响见表2。2.3地质条件差昆仑山区属于雅合拉达合泽山旋回层,区内岩层挤压褶皱强烈。隧道位于两条逆冲断层间的隆起。2.4结构复杂、工序繁多隧道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、系统锚杆。防水板及隔热层位于支护与衬砌之间,按“防水板+隔热层+防水板”结构形式沿隧道全长全断面铺设防水隔热材料。隧道内设双侧保温水沟,墙脚纵向设100mmPVC盲沟。通过“三通”及50mm泄水管将衬砌背后的水及时排入侧沟。隧道衬砌结构形式如图2。图2隧道衬砌结构示意Fig.2Tunnelliningstructure2.5工期紧青藏铁路全线以南山口为起点向拉萨方向单向铺架,全线6年工期由铺架控制,而昆仑山隧道位于冻土北界,直接控制铺架工期。因此,必须寒季组织施工。3施工方案由于该隧道的特殊性及工期的紧迫性,采取“长隧短打”原则,即开设进口工作面、出口工作面以及从1#横洞、2#横洞向两头开设的四个工作面,共计六个工作面进行施工。3.1开挖方案采用全断面或半断面人工风钻钻眼,进行光面爆破开挖,采用立爪扒碴机、梭矿车、电瓶车出碴并进行双轨道有轨运输。3.2衬砌方案衬砌混凝土采用泵送混凝土,衬砌设备采用液压式衬砌台车。施工顺序为先做仰拱,再施工边墙,后做拱部。3.3通风方案进口、1#横洞、2#横洞、出口等处均采用一台37kW的通风机进行压入式通风。在掌子面附近设移动式制氧设备,在机械驾驶舱内设增氧设备,在隧道适当位置的避车洞内设氧吧,在进口急救中心设高压氧舱,以满足施工人员生理需要和保持旺盛的工作精力。3.4供电、供水方案各洞口独立采用高原型的发电机组提供工程用电,并备用发电机以提供备用电源,确保隧道施工的顺利进行。在隧道进口打一口深井,沿青藏公路右侧布设供水干管,保证全隧道的工程用水。4施工方法4.1超前预注浆在软弱围岩段拱部设42超前小导管,加固地层。采用台车钻孔,沿孔打入注浆小导管,注浆前喷射10cm厚混凝土封闭掌子面,用拌合机拌制水泥浆,采用注浆泵小导管注浆。4.2正洞开挖对于Ⅵ级围岩采用超短台阶并留核心土开挖法;对于Ⅴ级围岩采用短台阶法开挖;对于Ⅳ级围岩采用全断面开挖。4.3支护施工本隧道根据初步设计拟采用模筑混凝土支护,全隧道结合系统中空锚杆采取围岩注浆加固措施,以减小围岩冻胀力,并根据不同围岩级别设置钢架。模筑支护施工工艺与正洞衬砌相同。4.4隔热保温层施工本隧道在模筑支护与模筑衬砌之间设5cm厚隔热保温层。根据施工技术细则规定,保温层使用型材。先在铺设面上安装固结螺栓,间距1～1.5m,梅花型布置,然后将保温板固定在固结螺栓上。板间用专用胶粘接,层间施外力压紧,进行整体铺设。铺好后表面应平顺,不出现起鼓、松动等现象。4.5衬砌施工隧道采用曲墙带仰拱整体式模筑钢筋混凝土衬砌,混凝土采用低温早强耐久混凝土。隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用先施做仰拱、再施做边墙、最后施做拱部的顺序进行衬砌施工。Ⅵ级围岩段可后施作仰拱。本隧道的衬砌作业线采用混凝土搅拌站、轨行式混凝土输送车、混凝土输送泵、衬砌模板台车等设备配套模式。模筑衬砌采用泵送混凝土入模。4.6防排水施工遵循“防、排、截、堵、隔热、保温等多道防线综合治理”的原则,确保隧道在施工完成后不出现漏水和渗水的情况。5关键技术5.1施工机械化配套技术5.1.1配套原则和模式针对高原冻土隧道“高、寒、缺氧”等特点,按以下原则进行设备选型配套:①最大限度地采用机械化;②不追求单台设备最先进,力求设备间合理匹配;③采用有轨运输;④施工机械要与施工方法配套,动力选型以电力为主;⑤单机选型上要考虑质量可靠、高效、经济合理、维修方便,组合配套时要考虑各设备间生产能力要匹配;⑥选型配套要与进度要求相适应;⑦既要考虑高原机械工效降低,设备配备的富余系数又不宜过大。关键设备的备用系数一般采用1.44,机械化配套组合模式采用钻爆法+常规有轨运输模式。5.1.2机械化配套机械化配套设备包括:采用五个钻爆平台人工钻孔;常规有轨运输,铺设双道;LZ120型立爪装碴机装碴,12t电瓶车牵引S14D梭式矿车运输;喷锚作业选用TK961型混凝土湿喷机;衬砌作业采用衬砌台车;洞内采用轨式混凝土输送车和HBT60A混凝土输送泵运送和泵送混凝土;仰拱施工采用自行研制的仰拱作业桥。5.2隧道施工通风针对昆仑山隧道海拔高、气压低、寒季极限温度低、昼夜温差大的特点,铁道部特设立《昆仑山隧道通风技术及施工温度场研究》课题,其关键技术是加温预热通风系统的研制,使洞内温度场控制在-5℃～+5℃之间。由于工期紧,同时具备制冷和预热功能的风机研制需要一定周期,施工中采用了两种不同的通风系统和通风技术。5.2.1两种通风系统适用阶段(1)普通通风系统适用于隧道的开挖阶段(-5℃～+5℃)。(2)加温预热通风系统适用于寒季隧道衬砌阶段(0℃～+10℃)。5.2.2通风技术(1)在寒季(-10℃～-37℃)将风机置于洞口保暖大棚内的通风方式,即能确保开挖时-5℃～0℃的温度要求。(2)在暖季,利用日温差大的特点,采用日最低温度时段通风,可保证开挖段温度控制在+5℃以内。但为了保证开挖安全,必须尽快实施湿喷混凝土加系统锚杆支护手段,以封闭围岩,减少空气与冻土的热交换,延缓冻土冻融圈的扩展速率。为保证施工安全,湿喷只是一种临时支护手段,据观测,破碎的冻土围岩在洞内温度呈正温(+5℃以内),实施了湿喷混凝土支护(厚5cm)的条件下,可稳定5天以上,施工中据此确定一次模筑混凝土距开挖掌子面可保持18～20m的距离。5.2.3施工适宜的洞内温度由于昆仑山隧道洞身围岩挤压褶皱强烈,节理发育,岩层非常破碎,围岩主要靠裂隙冰的粘接作用连成整体,一旦洞内环境温度超过0℃,随着融化圈的扩大,融化圈内的围岩就会发生掉块及坍塌。据施工实践,围岩破碎、整体性差的冻土隧道开挖段施工环境温度宜控制在-5℃～0℃内,这个温度在寒季易控制;在暖季环境温度必须控制在+5℃内,同时对围岩及时进行喷锚临时支护,保证施工安全。5.2.4通风监测结果根据现场监测结果,发现一些新的特点:(1)独头掘进施工,通风条件差,洞内尤其是掌子面和衬砌施工段温度高,多为正温。(2)由于洞外太阳辐射大,在自然通风下,洞内温度会上升,尤其是拱部围岩表面温度常处于正温,这加剧了冻土的热融,频繁出现掉块。(3)需把洞内开挖段围岩表面温度控制在0℃以下,防止热融、掉块,这要求通风机要有制冷能力,对原部科研项目的通风方案提出了新的要求。5.3防排水结构和隔热保温层施工防排水结构和隔热保温层是昆仑山隧道设计中的特殊和关键结构,施工中必须严格按照施工工艺和标准进行,以确保工程质量。5.3.1防水、隔热保温层(1)防水、隔热保温层材料的性能和用途。材料名称规格用途PU聚氨酯板厚5cm;导热系数≤0.03W/m2.k;抗压强度≥3kg/cm2;体积吸水率≤3%隔热保温复合防水板纵向拉伸强度≥1.5MPa;断裂伸长率≥200%,-35℃无裂纹;抗渗性:24小时无渗透;膜厚≥1.0mm防水树脂胶OP型模筑支护与防水板和保温板之间的粘贴聚氨酯粘结剂MDI型密度1200kg/m3;粘结强度0.2MPa保温板接缝粘接(2)施工方法复合防水板采用粘贴工艺,隔热保温材料由工厂预制成型;洞内拼装决定采用OP树脂胶作为防水板与混凝土之间、防水板与保温板之间的粘结剂,每一层粘结采用双面涂胶,待风干后粘结。PU板间采用MDI聚氨脂改性粘合剂粘结,接缝接触面采用双面涂胶。PVC板间采用搭接,搭接长10cm。搭接缝用热焊机进行热焊处理,并用焊枪融化固体胶进行胶结补强。5.3.2施工缝、伸缩缝环向施工缝在浇筑新混凝土前涂刷2mm厚的WJ界面粘接剂,在衬砌截面中间布置遇水膨胀止水条,水平施工缝不设水泥基界面剂及止水条,但在浇筑新混凝土前要清理接合面,以保证结合面密实。伸缩缝在洞口段300m范围内结合施工缝设置,间距20～25m。在设置衬砌伸缩缝的隧道断面处,模筑钢筋混凝土衬砌中间铺设橡胶止水带,在靠近支护一侧衬砌外侧布置100mm遇水膨胀橡胶止水条,其余缝隙用渣油麻筋或浸油木板充填。5.4隧道仰拱作业桥技术施作仰拱对掘进干扰大一直是国内隧道钻爆法施工中未解决的一大难题,但由于施工中研制了隧道仰拱作业桥才使这一难题得到彻底解决。仰拱作业桥参数及施工过程如下:(1)仰拱作业桥全长27.55m,宽3.2m,重24t,能通过重载运输车辆和三臂轮式凿岩台车,一次施工长度8.5～10m。(2)施工中仰拱开挖一次到位,浇筑一次衬砌和二次衬砌仰拱至水沟底下5cm处。(3)利用钻眼时间移动仰拱作业桥,平行作业。5.5湿喷混凝土支护技术由于高原冻土隧道中湿喷混凝土支护没有成熟的技术,通过与中铁西南院组成的联合攻关组进行的室内试验和现场试验,得出了以下结论:(1)通过对水和砂加热,使混凝土拌合物温度达到25℃左右,可以满足喷混凝土对和易性以及速凝的要求。(2)为了满足混凝土速凝要求,需要对速凝剂进行加热,并同时保证混合时混凝土拌合物温度在10℃左右,初凝时间可达3min,但终凝时间较长,一般为10～20min,基本可以满足要求。(3)通过对几种防冻剂的对比试验,选择确定了防冻剂品种及掺量,其低温条件下的温度发展满足要求。(4)两种砂率(55%和60%)均可满足强度要求,施工中采用砂率为60%。(5)为降低回弹和控制喷层裂纹,在喷射混凝土中添加聚丙烯纤维。此项技术被成功地应用于隧道开挖后的临时支护,确保了施工安全,保证了各工序间的平行作业。5.6低温注浆堵水昆仑山隧道DK977+600～+660段埋深较浅,最薄处为2.8m。由于该段处于沟谷,地形低洼,两侧山坡及沟床上游融化层范围的水向该处汇集,并通过冻土融化层———隧道融化圈这个通道,在上游侧隧道拱腰部位出现渗漏水,现场量测涌水量Q=200～400m3/d。施工中堵水措施如下:(1)洞内采用R32自进式锚杆全断面注浆堵水,拱墙锚杆长3.5m,间距1.0m×1.0m;仰拱锚杆长4.0m,间距0.8m×0.8m。注浆分两次进行,第一次注水泥浆,第二次注GRM水泥基浆液。(2)注浆参数水灰比为0.7～1.0;扩散半径为1.0m;初凝时间为20min(外掺剂2%～3%,自然低温水);注浆终压1.5～2MPa。(3)注意事项①因渗水结冰堵塞花管孔眼导致注浆困难的可能性较大,因此低温条