穿越大断面隧道碎屑流地层施工技术

穿越大断面隧道碎屑流地层施工技术
杨文宣
【摘要】介绍兰新铁路客运专线祁连山隧道工程概况及其碎屑流地层特征.针对祁连山隧道断面大、海拔高、严寒缺氧、碎屑流地层地质破碎等特点,施工中创造性
地采用反压+封堵、稳固流体、管棚+超前、注浆加固、工法优化、超强支护、衬
砌紧跟施工技术,安全高效穿越多处碎屑流地层,确保隧道结构稳定,在国内尚属首例,可为类似隧道工程提供借鉴.
【期刊名称】《中国铁路》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】3页(P66-68)
【关键词】大断面隧道;碎屑流地层;施工技术;兰新铁路客运专线;祁连山隧道
【作者】杨文宣
【作者单位】中铁二十局集团有限公司兰新铁路甘青项目部,青海门源,810300
【正文语种】中文
随着西部大开发的进一步推进，大量穿越复杂地区的隧道工程不断出现，尤其在高海拔、高寒地区修建长大断面隧道，除了抗冻害问题外，隧道施工及安全问题尤为突出，解决设计、施工中的碎屑流地层坍腔问题，一直是困扰隧道工程的技术难题，也是世界性的综合技术难题。

针对兰新铁路客运专线祁连山隧道断面大、海拔高、严寒缺氧、碎屑流地层地质破碎等特点，施工中创新施工技术，安全高效穿越了多处碎屑流地层，确保了隧道结构稳定，在国内尚属首例，可为类似隧道工程提供借
鉴，对提高我国隧道工程领域总体施工技术水平具有十分重要意义。

青藏高原东北部的祁连山隧道是兰新铁路客运专线的Ⅰ级高风险隧道和控制性工程之一。

祁连山隧道全长9 490 m，位于青海省门源回族自治县及甘肃省民乐县境内，施工区域海拔3 500～4 345 m，经过的地区地形复杂、岩体破碎，处于祁连山冷龙岭褶皱带。

线路经过地区为无人区，严寒缺氧，气候恶劣，交通极其困难；主要不良地质有断层、碎屑流、突涌水（泥）、冻土及高地应力等；全线碎屑流段长约1 600 m，穿过F5、F6和F7大断层，环境条件之恶劣，施工难度极大。

2010年9月，隧道上台阶施工到DK336+050时，围岩由二叠系砂岩突变为富水松散的碎屑流，隧道右侧拱腰处流出大量灰色砂岩，碎屑颗粒多数如核桃大小，少量如花生粒大小，流动性强，涌出长度达15 m，现场及时采取洞碴反压措施，有效地阻止了碎屑流的进一步涌出。

碎屑流为塑性流体，主要为断层破碎带富水软弱围岩，开挖后碎屑随水涌出，具有高浓度流动特性，其表现为变形量大、变形速度快，变形随时间变化特征非常明显，容易造成大变形导致大面积坍塌等地质灾害，造成人员伤亡及财产损失。

与传统意义上的断层破碎带相比，碎屑流地层施工难度更大。

3.1 反压+封堵
针对碎屑流高浓度流动特性，为防止裂隙贯通性进一步发展，导致掌子面岩体大规模垮塌及次生灾害发生，洞身下部采用回碴反压和洞身上部采用装有滤水块石的编织袋回填反压，既稳定碎屑流又利于排水；每循环开挖后，掌子面采用C30喷射
混凝土及时封闭，厚度30 cm；若掌子面出现碎屑流突涌情况，采用混凝土封堵
墙进行封堵，并在内轨顶面以上掌子面安设长10 m的玻璃纤维锚杆，间距1.2
m×1.2 m，梅花形布置。

锚杆的安装工艺同普通药卷锚杆类似。

为确保后续施工安全可控，必须加强监控量测断面及增加量测点位，量测数据采集每天不少于2次，并及时将数据反馈现场，调整施工措施。

3.2 稳固流体
（1）掌子面采用φ8 mm钢筋网，网格间距20 cm× 20 cm，铺设于编织袋表面，喷射厚20 cm的C30混凝土形成止水墙稳固流体。

（2）高位泄水并及时将水引入积水仓抽排出洞外。

（3）对完成初期支护钢架10 m范围加设竖向及水平支撑进行加固。

支撑采用
I20型钢，每榀钢架设2根竖向支撑，在其底部垫型钢和模板以扩大接触面，顶部与初期支护钢架焊接牢固；纵向采用I20型钢与竖向支撑水平焊接，以增加支撑整体刚度。

（4）对初期支护段拱顶空腔采用C20混凝土回填密实，防止拱顶积水。

（5）施作底板混凝土，增设H175型钢钢架并与初期支护钢架封闭成环连接。

（6）将超前水平钻探与超长炮孔相结合进行超前地质预报，准确掌握前方工程及水文地质情况。

3.3 管棚+超前
在碎屑流破碎松散岩体中超前钻孔，打入管棚+超前小导管并高压注入双浆液。

在注浆压力作用下浆液呈脉状渗入岩体，使松散破碎体胶结，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的固结体，将碎屑流封堵在开挖轮廓线外，再进行开挖支护施工。

（1）管棚作业。

管棚钻孔采用RPD-150C型多功能钻机套管跟进工艺，洞身管棚采用外径89 mm、壁厚5 mm的钢管，拱墙全环设置，环向间距60 cm，管棚
外插角控制在10 °～15 °；管棚内设置钢筋笼，其由4根φ18 mm钢筋加工制作而成。

（2）超前双层小导管。

小导管采用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位，双层φ42 mm小导管拱墙交错布置，环向间距60 cm；外层小导管长4 m，外插角40 °，内层小导管长3.5 m，外插角10 °，相邻两环搭接长度不小于1.5 m。

3.4 注浆加固
（1）注浆工序流程（见图1）。

（2）注浆施工。

注浆前采用麻丝、锚固剂和C25喷射混凝土封闭孔口、拱圈和掌子面；管棚注浆采用42.5级硫铝酸盐快硬水泥单液浆，水灰比为1∶1（质量比），并根据现场情况进行调整，注浆压力0.5～2.0 MPa；注浆结束后采用M10水泥
砂浆充填管棚钢管，以增加刚度。

当地下水较少时，超前小导管采用42.5级硫铝
酸盐快硬水泥单液浆，水灰比为1∶1（质量比），并根据现场情况进行调整；当
地下水发育时，超前小导管采用42.5级普通硅酸盐水泥和35Be’水玻璃双液浆，水灰比为1∶1（质量比），水泥浆与水玻璃体积比为（1∶1）～（1∶0.6）；小
导管注浆设计终压1.5 MPa（现场试验确定）；达到设计终压并继续注浆10 min 后，单孔进浆量小于20 L/min、孔涌水量小于0.2 L/min时，注浆结束。

3.5 工法优化
（1）采用交叉中隔壁法施工（见图2），以机械开挖为主，松动爆破为辅，爆破
时严格控制炮眼深度及装药量，并根据地质和现场设备配备情况，每侧分三部开挖，左右的台阶高度均控制在4～4.5 m。

（2）开挖完成后及时对掌子面进行喷射混凝土封闭，临时钢架采用H175型钢，间距与初期支护钢架一致；临时中隔壁喷射厚28 cm的C20混凝土。

（3）各部开挖时，相邻部位的喷射混凝土强度应达设计强度70%以上，防止因初期支护破坏造成洞身结构失稳。

（4）为尽早实现初期支护封闭成环，两侧同一水平断面前后距离不易超过20 m，各级台阶长度控制在5 m内，仰拱及二次衬砌紧跟。

（5）在上、中台阶设置50 cm长、50 cm宽、20 mm厚的钢板扩大拱脚，以控制中、下台阶开挖时的沉降。

（6）在初期支护封闭成环，并通过监控量测确认稳定后拆除临时支护，一次拆除长度不得超过15 m，拆除后应加强量测。

3.6 超强支护
（1）全断面设置0.6 m/榀的H175型钢钢架，钢架纵向采用φ22 mm钢筋连接，环向间距为0.5 m，节点处纵向连接采用 [18型钢代替螺纹钢；为防止钢架落底失稳，在最大跨度以上每处接头打设4根φ42 mm锁脚锚管注浆锚固，锁脚锚管每根长6 m，并要与钢架可靠连接，锚管打设角度控制在斜下30 °～45 °。

（2）拱墙、仰拱采用C30湿喷混凝土，厚28 cm，要求3 h强度5 MPa、8 h
强度10 MPa。

（3）拱墙设置系统锚杆。

拱部为组合中空锚杆，长4 m，间距1.0 m（环）×1.2 m（纵），注浆采用水灰比为1∶0.4～0.5、灰砂比为1∶0.1～1的水泥砂浆，注
浆压力不大于0.4 MPa；边墙采用药卷砂浆，长4 m，间距1.0 m（环）×1.2 m （纵）；锚杆应编号管理，注浆必须由专业队伍施作，以确保施工质量。

3.7 衬砌紧跟
（1）模筑支护采用C35混凝土，厚30 cm，内置格栅钢架，截面为180
mm×180 mm，间距50 cm/榀，采用液压衬砌台车施工。

为减少初期支护变形，在保证必要的作业空间前提下，做到仰拱与模筑支护紧跟开挖面，实现多层支护尽早封闭成环。

（2）二次衬砌采用C35钢筋混凝土结构，拱墙厚40 cm，仰拱厚65 cm，双层
钢筋主筋纵向间距5根/m。

祁连山隧道成功地穿越多处碎屑流地段，解决了高海拔、高寒地区修建长大断面隧道的世界性技术难题，有效地控制了围岩及结构变形，规避了施工风险，保证了施工生产安全、有序、优质、快速推进；全长8 480 m的祁连山隧道辅助平行导坑
于2013年10月28日贯通，正洞开挖支护突破了8 500 m，计划于2014年2
月28日全部完工。

祁连山大断面隧道碎屑流地层施工技术，使我国隧道工程施工
技术跻身于世界前列。

【相关文献】
[1] 张明，殷跃平. 高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望[J]. 工程地质学报，2010(6).
[2] 铁道部经济规划研究院. 铁路隧道工程施工技术指南[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.
[3] 中铁第一勘察设计集团有限公司. 新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线施工图祁连山隧道设计图，2010.。