青藏铁路昆仑山隧道设计说明

青藏铁路昆仑山隧道设计说明

青藏铁路昆仑山隧道海拔46０0～ 470０ｍ,处于高原腹地，具有独特的冰缘干寒气候特征，且随海拔增高而有明显的气候垂直分布带性。根据西大滩临时观测资料（１978年初测资料)，昆仑山隧道所在地区年平均气温－3。６℃,极端最高气温２3.7℃,极端最低气温－27.7℃,年平均降水量220.9mｍ,年平均蒸发量14６9.8mｍ,相对湿度平均为4 ４．８％。

1 地貌地质概况及多年冻土分布特征

本区属昆仑山北麓中、高山区,山岭高耸,山坡陡峻，坡面破碎，多有坡积碎石分布。区内发育一峡谷一乱石沟（又名惊仙谷）,昆仑河顺沟流淌。青藏公路沿昆仑河修建。昆仑山隧道位于乱石沟西侧高山中,隧道顶部山体分布2条冲沟，隧道进口处为一山梁，地表植被较发育，覆盖率40%。隧道出口处山坡陡峻,分布坡积碎石土,局部基岩出露,坡面无植被,隧道出口下方紧靠青藏公路。

山体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。坡积角砾土厚2~3m，分布于隧道进口，灰黄色,角砾成分以板岩为主，片岩次之。坡积碎石土厚2—2０ｍ,分布于山体表层及隧道出口，灰黑色，碎石成分以板岩为主.洪积碎石土厚４—8 m,分布于山坡冲沟中，灰色,碎石成分以板岩为主,片岩次之。

昆仑山隧道洞身通过板岩夹片岩,以板岩为主，局部夹片岩,浅灰色，灰黑色,变晶结构．板岩为板状构造,岩体致密，坚硬。片岩为片状构造，岩体多柔软,破碎．岩体板理、片理发育,节理、裂隙发育.强风化层厚1.7~4m,板岩呈碎块状,片岩为碎片状，局部为粉土状，含较多裂隙冰。洞身主要围岩级别为Ⅳ~V级．

昆仑山隧道属于多年冻土区,隧道进口山坡为阴坡,冻土上限较浅,一般为2.7m，除隧道进口处分布1．8m左右厚的饱冰冻土外，其余为少冰、多冰冻土.出口山坡为阳坡，冻土上限较深,一般为2。1～3m，为少冰、多冰冻土.

根据隧道物探断面反映,地层含冰量随深度逐渐降低。在3６m以上岩层中局部分布薄层裂隙冰。据推测，昆仑山隧道多年冻土下限为１0０~1１0ｍ.

2 已建寒区隧道病害原因分析

2.１洞口工程

东北嫩林线和牙林线隧道的洞门都有开裂现象,裂缝大部分产生在端墙中部附近，自顶帽向下延伸，有的裂缝已裂到拱圈内侧。开裂原因分析如下：

(1)洞门基础置于冻胀融沉土层或高含冰量地层,基础发生不均匀下沉;

(2）端墙背后为冻胀性土壤或高含冰量冻土,冻融交替的循环作用使端墙破坏；

(３）施工时，混凝土早期受冻,影响混凝土后期强度。

2.2 洞内工程

通过嫩林线塔河—樟岭白卡尔隧道、西罗奇二号隧道，林碧支线上的翠岭二号隧道，牙林线岭顶隧道,南疆线奎先隧道等严寒或多年冻土地区隧道的调查发现,隧道建成后普遍存在衬砌冻胀开裂、酥碎、剥落、挂冰和道床冒水、积水、结冰等病害,严重威胁行车安全，降低隧道使用寿命，养护工作繁重，治理十分困难.病害原因分析如下:

(1)由于严寒地区防排水设施失效，尤其排水通道因水结冰堵塞,使得衬砌背后的水进入不了排水沟，水沟内的水结冰不能排出洞外,导致病害发生;

（２)衬砌结构设计没有充分考虑冻胀力对结构的影响，对于多年冻土隧道，没有对冻融圈的大小和变化采取有效的控制措施，围岩冻融循环作用导致结构破坏；

(3)由于施工多采用先拱后墙的方法,衬砌背后回填不密实,使得衬砌后大量积水，产生冻害。

另外,寒季施工时混凝土的质量难以保证及设计的混凝上标号过低也是产生病害的原因之一。

3 昆仑山隧道设计概述

3。１洞口工程

由于隧道处于低温基本稳定区，所以设计时采用保护冻土的原则。选择洞口位置时，为减少对原地表的破坏,隧道进口、出口均接建明洞,并及早做好洞门和对冻土层的保护工程。

为避免基础不均匀下沉,明洞及洞口工程基础尽量置于基岩上,或采取基底换填卵砾石的措施。洞门端、挡墙背后没置50cm厚砂石垫层,以缓解墙后的冻胀力。为保证洞门结构的稳定,端墙采用钢筋混凝土,挡墙采用混凝土现浇。

３．2 支护衬砌、隔热保温及防排水工程

多年冻土地区隧道在建成后，由于气温等外界条件的影响,衬砌背后的多年冻土会形成一个冻融交替的冻融圈,使衬砌结构处在冻胀力往复作用的不利环境中,往往造成衬砌严重开裂甚至破坏。因此，冻融圈是影响隧道结构稳定的一个极其重要的因素，对其范围、动态变化的控制十分必要。水是寒区隧道产生病害根源，也是冻融圈的主要影响因素,所以，完整、有效的防排水体系是多年冻土隧道设计的关键。为避免产生病害，昆仑山隧道没计中从应用隔热保温技术、加强防排水及优化衬砌结构等方面出发，采取了综合防治的措施。

3.2。１洞内外气温对围岩冻融圈的影响

形成冻融圈的热量有２个来源：一是在施工中由于放炮、人为活动等造成的融化,它是暂时的;二是外界气温变化的影响及运营中机车散热等，它是长期的,并受季节影响。因此，受季节性变化的洞内外气温,是形成冻融圈深度变化的主要因素。根据隧道所在地区的气象资

料统计，一年中大部分时间处于负温．当外界气温为负温时,隧道内不会形成融化圈，冻结状态的围岩对隧道结构有利;当外界气温为正温时,衬砌周边围岩将产生一定范围的融化圈。通过贺兰山隧道、东北翠岭隧道的测温资料来看,洞内气温在寒季离洞口越远则越高，在夏季则相反．根据木里煤矿试验结果，洞内气温变化和洞外气温变化都成近似正弦曲线变化,而洞外气温的较差和正温面积远远大于洞内气温的较差面积,这就决定了洞内融化圈深度一定小于洞外同种土层的上限值。昆仑山隧道上限最大值为3.０m,隧道贯通后，衬砌周边围

岩融化范围应当小于上限最大值。

３.2。２隔熟保温技术在隧道设计中的应用

由于隧道冻融圈的往复作用会造成结构破坏，设计中采用敷设隔热保温层的措施以减少洞内外气温与围岩问的热交换,从而减小冻融圈的范围。从调研资料得知,在严寒地区采用隔热保温技术的隧道,敷设隔热保温层的方式有2种：一种是在衬砌内缘表面敷设保温层,如国内的大坂山公路隧道，在衬砌表面敷设聚氨脂泡沫板，日本严寒地区许多既有隧道,为防止挂冰而在隧道建成后采取的表面绝热处理；另一种是在两层衬砌之间敷设保温层,如日本采用新奥法施工的某新建隧道,在初期支护与二次衬砌之间设保温层。

目前，我国还没有在多年冻土隧道中采用隔热保温措施的先例。昆仑山隧道结合其支护形式，在支护与模筑衬砌之间设5cm厚的隔热保温层。设计中考虑最热月平均气温与岩面的温度差计算出保温层厚度．保温层采用聚氨脂，其敷设形式考虑喷涂和硬质泡沫型材2种形式,结合试验研究项目和现场试验进一步确定。隔热保温材料应满足以下要求：导热系数入〈0。０３W/（m·K）,抗压强度>0。３ＭPａ,体积吸水率〈3％，自重>6０kg/m3,弹性模量E》7～10MＰａ，老化寿命〉50年,具有一定弹性，具低毒性。

由于隔热保温层作为低弹模材料夹在2层衬砌之间，整个结构的稳定性是一个不容忽视的问题。如果保温效果良好,冻胀力和土压力都将控制在一个很小的范围,衬砌的变形也会足够小,这种双层衬砌夹保温层的结构是可行的；如果保温效果不好,在受较大的土压力或冻胀力作用下衬砌产生较大的变形,隔热保温材料作为软弱夹层,对整个结构的稳定性是不利的.

3.２.３衬砌及其支护设计

多年冻土地区隧道主要荷载为围岩压力和结构自重,附加荷载为冻胀力。冻融圈以外的围岩基本不产生围岩压力或围岩压力很小,因此围岩压力只考虑融化圈范围松弛压力;根据

孔隙度和冻融深度计算分析,考虑气温、地下水、围岩等因素的影响,冻胀力按均布荷载考虑,垂直与水平之比为1:１。计算时按融化圈内松弛压力或冻胀力2种比较确定。隧道采用曲

墙带仰拱模筑钢筋混凝土整体衬砌,衬砌内轮廓在一般单线电化铁路的基础上调整边墙曲率,以适应多年冻土地区衬砌的受力特点。冻胀力按最大为０。５MPa，控制对结构进行检算。

考虑多年冻土区施工环境温度较低,喷混凝土支护在施工工艺上及其与围岩的粘结强度方面都需要进一步进行试验研究,设计推荐模筑混凝土支护。模筑混凝土支护为隧道结构的组成部分，设计中考虑了其承受围岩荷载和冻胀力的作用，施工中应采用正规模板,严格施作,确保施工质量，并为敷设隔热保温层提供圆顺基面。施作保温层前应向模筑混凝土支护拱部范围压注水泥浆,以回填支护与围岩间的空隙，避免冻害隐患。模筑混凝土衬砌与支护中掺加低温早强剂,以确保混凝土强度。