第22卷,第4期 中国铁道科学V ol 122N o 142001年8月 CHI NA RAI LW AY SCIE NCEAugust ,2001文章编号:100124632(2001)0420047206高海拔高寒隧道施工技术刘　国　玉(中铁十六局第一工程处,北京　101300) 摘　要:大坂山公路隧道地处青藏高原东北部,祁连山脉东段南支脉,全长1530m ,洞口路面海拔高度为3792188m ,是国内目前海拔最高的隧道。

为了解决好高海拔高寒地区隧道施工问题,施工、设计、科研单位共同组织了科研攻关小组,通过研究、实践、总结、改进、提高,获得了在高海拔高寒地区修建隧道的基本经验和一些施工关键技术。

该工程的成功建设,为我国西部大开发,修建高海拔高寒地区公路、铁路隧道提供了宝贵的经验和施工技术。

关键词:高海拔;高寒地区;隧道;施工 中图分类号:U4161168:U45912 文献标识码:A　收稿日期:2001205216　作者简介:刘国玉(19692),男,安徽五河人,高级工程师。

　基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2000G 037)1　前　言 大坂山公路隧道地处青藏高原东北部,祁连山脉东段南支脉,位于青海省境内,是227国道西宁至张掖段的重点工程之一。

隧道全长1530m ,洞口路面海拔3792188m ,是国内目前海拔最高的隧道。

据中国科学技术信息研究中心查新检索国内外有关文献和资料获悉,该隧道海拔高度位居世界第一。

为了解决好高海拔高寒地区隧道施工问题,施工、设计、科研单位共同组织了科研攻关小组通过研究、实践、总结、改进、提高,获得了在高海拔高寒地区修建隧道的基本经验和一些施工关键技术,如:防排水、防寒保温、低温混凝土施工、机械设备配套、施工人员安全防护、施工组织管理模式等,解决了施工有关难题。

经过工程竣工验收与通车运营,达到了优质、高效、安全的总目标。

该工程的成功建成,为我国西部大开发,修建高寒高海拨公路、铁路隧道,提供了成功的先例,具有重要的参考价值。

2　工程概况及特点211　施工区域自然条件该地区属内陆高原寒冷气候带,高寒多雨,年平均气温-311℃,极端最低气温-3411℃,极端最高气温2215℃,年负温期近8个月,年均降雨量84114mm ,年均蒸发量615mm ,氧气含量仅为海平面的62%。

隧道位于祁、吕、贺山字形两翼褶皱带与秦昆东西向构造带的复合部位,地质构造与组合形式异常复杂。

山峦起伏大,古冰川与寒冻风化侵蚀地貌发育,岩层厚度极不稳定,节理裂隙发育,三大断层横贯其中,Ⅱ2Ⅲ类围岩约占55%,地质条件极差。

该隧道地下水丰富,开挖后渗漏水严重,多处发生过涌水,局部富水区呈喷射状涌水,涌水量高达3528m 3・d -1。

隧道工程地质纵剖面示意图,见图1。

图1　工程地质级剖示意图212　工程概况及特色大板山隧道按Ⅲ级公路设计。

建筑限界:净高415m,净宽7+2×0175m。

进、出口洞门墙均采用25号钢筋混凝土结构,出口洞门墙基础以下115 m换填粗粒土石。

进、出口分别设置了长为25m、30m的防雪明洞(图2)。

根据隧道建筑限界要求,并考虑到高寒地区的温差,隧道衬砌可能承受非均匀冻胀力,衬砌内轮廓线采用单心圆,内半径为r1=454158cm。

该隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩地段分别约占全长的37%、18%和45%。

初期支护为40cm厚,C25模喷混凝土,二次模筑衬砌。

根据中科院兰州冰川冻土研究所提供的隧道进、出口冻结深度,通过反复比较,确定沿隧道全长设置防寒泄水洞,出口采用圆端掩埋式保温出水口,排除隧道围岩中的地下水。

防寒泄水洞设在隧道行车道下面315m～5m,断面开挖尺寸216m×216m。

在防寒泄水洞内,左右对称开挖横洞,与左右墙脚下设置的竖向泄水孔相通,以便将正洞二次衬砌外的围岩渗透水,经由纵向盲沟和纵向透水管,疏导至竖向泄水孔,再由防寒泄水洞排出洞外。

以期尽快排除地下水,尽量减少地下水因滞流冻胀对衬砌产生的附加力,防止隧道内挂冰和路面结冰造成的交通中断。

隧道与泄水洞的构造示于图2。

图2　隧道结构图(单位:cm) 沿隧道纵向全长,在边墙墙脚外侧和仰拱中心下面设置三道干砌片石排水盲沟和排水过滤管排水系统。

每隔3m～10m,在横向再设置一道干砌片石排水盲沟或采用PE230S排水板,并在仰拱下中心排水盲沟与防寒泄水洞之间用竖向泄水孔连通,竖向泄水孔间距为10m。

隧道初期支护与二次衬砌之间沿隧道全长范围内,铺设由450g・m-2土工布和2mm CPE防水板构成的防水层。

防水板在施工中优选为018mm的LDPE,并在分段浇筑的二次模筑衬砌施工缝处设HPE350止水带。

为了解决高寒地区隧道内冬季经常出现冰柱和冰棱及衬砌在冻结和溶解的反复循环作用,会加速隧道衬砌的变形和破坏等问题,确保使衬砌背面的围岩水温度高于冰点,原设计在隧道两端洞口一定长度范围内(出口约500m,进口约300m),于二次衬砌和初期支护之间设置了保温隔温层。

经反复试验后,选定了适当的保温层体系。

并将内置的保温隔温层改为全隧道设置的外贴式保温隔温层,隔温效果显著。

3　主要施工方法及技术成果311　主要施工原则根据高海拔高寒地区的自然环境条件、施工设计的规格,本着安全、优质、高效、适用、稳妥的精神,确立了以下基本指导原则。

(1)由于气压低、缺氧、寒冷、多风,内燃机械功率损失较大,防冻起动较难。

尽量少用内燃机设备,多用电动或风动机械。

(2)尽量用机械化施工替代人力施工,减少施工人员,减轻劳动强度,提高劳动生产率。

(3)加强洞内通风机械设备的配置,特别是充分利用设置在正洞下方的泄水洞,提供洞内更多的新鲜空气,改善工作面的空气环境。

(4)在持续低温的条件下,采取措施,确保工程质量,特别是喷混凝土和混凝土的质量。

(5)为了防止施工中出现冻融、冻涨的可能,要建立完善的、充分的供暖、防寒、保温设施,保证人员、机械设备和施工的正常运行。

特别是隔热层的修筑对保证隧道的正常使用至关重要。

(6)隧道防冻涨是施工中要解决的核心问题。

低温和水的存在是形成冻涨的基本因素,因此,除作好防冻涨的措施外,在隧道周围形成一个包括泄水洞在内的完善的、通畅的防排水系统,是工程取得成败的关键。

312　主要技术成果31211　充分发挥了防寒泄水洞的有利作用,优先开挖贯通防寒泄水洞,贯穿于公路隧道底部以下315m ～5m处,它由自身构筑的排水系统与上层隧道二次衬砌外构筑的排水系统相连接,共同形成上下综合性连通的排水系统,将围岩渗漏水排出洞外。

它84中　国　铁　道　科　学 第22卷对工程施工与运营有如下有利作用:11防寒泄水洞的早日贯通,对隧道工程地质和水灾地质状况,起到超前预报的作用;21在正洞掘进到深部适当位置,开挖一 100 cm的竖井与防寒泄水隧洞顶部连通,在竖井内安装一台28kW轴流式通风机,向掌子面补充新鲜空气,对改善通风排烟环境非常有利;31在防寒泄水洞的横通道内,建过滤蓄水池,利用一部分地下水资源,供施工用水,对防冻节约也都有利;41必要时还可以架设专用电缆线供钻孔台车用电等。

图3　防寒泄水洞断面图(单位:cm) 由于防寒泄水洞与正洞的排水系统对围岩渗漏的地下水长期起排放作用,减少地下水对隧道二次衬砌的压力,相对增加了隧道的综合抗渗能力,对防治冻害,有重要意义。

因此早日开工贯通防寒泄水洞,非常必要。

此外,因泄水洞位于正洞之下,先行修建泄水洞,将大大减少之后对修筑的正洞的影响。

因此,上场后即组织队伍开展防寒泄水洞施工,争取在正温气候条件下,尽早开工掘进。

图4　保温出水口断面图 防寒泄水隧洞的开挖断面较小,采用全断面开挖,人工打眼,光面爆破,小型机具无轨运输出碴,在Ⅱ类围岩地段,采用小导管注浆进行超前支护和加固。

构筑防寒泄水隧洞和横通道周边的混凝土衬砌,按设计及竖向泄水孔位的要求,在混凝土衬砌内预埋泄水管道,与上层竖向泄水孔连接排水。

泄水洞的出口,按保温出口设计。

其保温结构见图4。

31212　适用于高海拔高寒条件下的施工机械配套技术针对高海拔高寒地区的特征和隧道工程地质,选择适于其特点的施工技术、施工方法、施工机械设备和工程材料,使之成为有创新的最佳组合。

遵循311所述施工原则,按分部工程和保障系统分类,拟定其配套方案如下。

配备的主要机械设备名称型号,请见表1所示。

表1　施工设备配套表序号设备名称规格型号功率K VA工作能力1电脑导向台车Z LSG BC200三臂2交流稳压器S BW400kVA3轮式侧卸装载机Z LS OC1583m34自卸汽车BM A2014820t5风动凿岩机7655型36m3・min-16湿喷机TK9615m3・h-17电动空压机4L—20/813020m3・min-18电动空压机3L-10/87510m3・min-19电力变压器ST—420/10420kVA10电力变压器ST—320/10320kVA11轴流式通风机JF62—228390m3・min-112轴流式子午风机6013强制式拌合机JS—5002225m3・h-114自落式拌合机J I—400756～12m3・h-115压浆机UB J—118G2816混凝土皮带输送机ZP—60417铺衬台车18电动抽水机4DA8×74019电动抽水机6BA—8B2220激光导向仪JD—331213　低温混凝土施工技术(1)对原材料进行预加热,提高混凝土出料温度。

针对大坂山高寒对混凝土施工质量影响大的特点,经过不断研究探索、革新,总结出一套严寒条件下的低温混凝土施工技术,有效地解决了低温环境混凝土施工的难题,保证了隧道的顺利修建,具体采取了以下措施:①加强洞内及运输过程中的保温工作,减少热量散失。

②掺加外加剂,控制混凝土的配合比,提高混凝土自身的性能。

③混凝土浇筑后做局部空间加温、养护和模板94第4期 高海拔高寒隧道施工技术增加导热系数低的保温材料,以利于混凝土强度的生成。

以上几种措施的综合使用,保证了混凝土施工质量,不仅达到强度要求,又做到了内实外美,为隧道创优奠定了基础。

三年来,未发生任何冻害和混凝土质量问题,证明此套技术是有效的。

材料科学的进步是保证高寒施工质量非常有利的途径,在隧道修筑的实践中,使用了能够在低温进行混凝土喷射施工的新型水泥材料,弥补了难以进行严寒隧道喷射混凝土支护的难题。

31214　防寒保温系统施工技术施工中,我们研究探索出了一套防寒保温施工技术,通过对高压风管、排水管路的保温,并创造性地采用恒压供水装置,解决了严寒条件下施工诸项困难,有力地保障了隧道的正常施工及施工质量。

在进行大量反复对比实验后,所确立的由硬质聚氨脂保温层、干法硅酸铝纤维板保温防火层和玻璃钢保护层组成的隧道保温结构,效果极为显著,当洞内环境气温在-16℃时,保温层背后的混凝土仍能处于0℃以上的正温,有效地隔断了冷能向结构混凝土的传递,防止了隧道冻结圈的形成。