高原多年冻土地区隧道施工技术

高原多年冻土地区隧道施工技术

任少强周海平党永义王安军

摘要详细介绍了世界第一高遂—青藏铁路风火山隧道施工技术，包括施工机械配套技术、供水技术、仰拱开挖技术、自发电技术、通风供氧技术、冻岩光爆技术、初支防水保温层施工技术以及坚持以人为本的措施，为以后高原多年冻土区隧道施工提供借鉴。

关键词高原多年冻土隧道施工

1 概述

世界第一高隧风火山隧道地处青藏高原腹地，隧道起讫里程为DIK1159+000～DIK1160+338，全长1338M，为青藏铁路重点控制工程。隧道位于昆仑山与唐古拉山之间，线路行走于风火山低山丘陵区，地形起伏较大。隧道最大埋深约100M，隧道经过处山坡自然坡度平缓，一般10～15°，隧道通过部位山顶最高海拔4996M，属低高山区，自然条件恶劣。隧道进口路肩设计高程为4904.35M，隧道出口路肩设计高程为4888.62M。其洞身全部位于冻岩之中，含土冰层、饱冰、富冰冻土发育，多年冻土上限1.2～1.8M。受地形限制，隧道无辅助坑道，采取进出口相向施工。

其工程特点：

⑴高原缺氧，气候寒冷。隧道处在海拔4900M以上的高原地区，年平均气温－6.11℃，最低气温－37.7℃，气压低，冻结期为九月到次年四月，含氧量仅10.78Kpa，低于人类生存极限含氧量，洞内更低。高原缺氧、严寒、强紫外线给施工给水、通风、机械设备保障、人员工效、医疗卫生及保护等带来许多困难。

⑵机械设备故障率高，保障困难。隧道地处青藏高原腹地，可可西里无

人区，离后方供应基地格尔木350KM，且隧道施工期间正值青藏公路改造，唯一的运输通道经常受阻，加大了保障的困难。

⑶独头掘进距离长。在海拔近5000M的地方，用钻爆法独头掘进近700M，是目前世界上绝无仅有的。

⑷可借鉴经验少，科研项目多。为验证多年冻土地区隧道结构设计、防排水措施、支护技术及隔热保温技术的合理性，指导现场低温早强耐久混凝土、支护和隔热保温层的施工工艺，并动态调整多年冻土隧道的设计与施工，建立一套寒区隧道工程冻融范围的计算理论，获得相应的实验成果和温度场的计算结果，为寒区工程的设计、施工及养护提供理论依据，为冻害整治提供指导，风火山隧道安排了以下项目的测试及试验研究：

①隧道洞内外气温变化对围岩冻融圈影响研究；

②隧道施工机械性能及配套技术研究；

③隧道施工通风技术及施工温度场研究。

2 施工技术

2.1施工机械化配套技术

2.1.1配套原则

根据风火山隧道施工面对高寒缺氧、气候条件恶劣、人员工作效率低、机械效率低、故障率高的特点，按以下原则进行机械选型配套：

⑴机械化原则。各道工序尽可能采用机械化或半机械化，最大限度减轻作业人员劳动强度，减少高原作业的体力消耗。

⑵电动机械为主原则。洞内减少利用内燃机械，尽可能利用电动机械，减少围岩受热融化，保持冻岩稳定。

⑶经济高效原则。设备选型配套考虑高原机械工效降低，富余系数又不宜过大，以避免设备能力不足或浪费。

⑷采用有轨运输，改善洞内作业环境。

⑸施工机械与施工方法相配套原则。

⑹机械设备选型配套与进度要求相匹配原则。

2.1.2 设备选型配套

风火山隧道采用进出口相向施工，设备配备进出口基本相同。配备YZ28型风动凿岩机，H177型二臂台车，ROCD7-11型露天钻机进行钻暴作业；PC-220挖掘机进行扒渣、装渣作业；CDXT1-12型电瓶车牵引TDSE-1A14型梭式矿车出渣；自偶变压器用于电瓶充电；有轨运输采用43Kg/M钢轨，轨距900MM，洞外卸渣码头前设循环线用于电瓶车、梭矿调头卸渣，设两组12号单开道岔分别通向充电房、搅拌站，洞内设两组12号单开道岔分别通向初衬台车、二衬台车；进出口分别设两台JS500/PLD120搅拌机组成搅拌站，电瓶车牵引TST-6型轨行式灌车，HBT60型混凝土输送泵泵送混凝土入模，插入式、附着式振动器捣固；CP-8、KSP-2型湿喷机进行喷射作业；KBY50/70、JZB-2型压浆机进行初衬压浆；MAI400型注浆泵进行系统锚杆、超前锚杆注浆加固围岩；施工用电采用两台250GF、一台HDV330E发电机共计764KW 供电；钻爆用高压风采用三台750HH型内燃空压机共计86M3/Min并联通过5 M3风包供风；通过我单位与北京科技大学联合研制的ZO-3/PSA制氧站向洞内经氧吧车进行弥漫式供氧，改善洞内施工条件，人员疲劳时可在氧吧内小息；通风排烟寒季采用天津通风机厂与石家庄铁道学院联合研制的STDK-100型暖风通风机供风，暖季采用88-1型通风机供风；洞内及搅拌站供暖、沙石

料保温采用DZLZ-10-A蒸汽锅炉通过自制暖气片供给；ZL50G、ZL40B装载机用于搅拌站上料及卸渣码头平整。（风火山隧道主要机械配备表见表1）2.2供水技术

风火山隧道所处地区气候属于青藏高原冰雪型气候区，春秋季节短暂，冻结期九月至次年四月份。沿用传统的高位水池显然不行。我们在进口采用风压供水，具体作法是：在距掌子面50~100M处设置两台5M3高压水灌，通过Φ100MM钢管向高压水灌送风，高压水灌上设安全阀、单向逆止阀，供风压力1.0Mpa，能较好满足凿岩机、混凝土喷射机需要。（高压供风系统见图1）

隧道出口采用在距掌子面50~100M处放置水箱，利用50M扬程多级泵供水，能满足凿岩机、混凝土喷射机需要。

2.3仰拱开挖栈桥方案

为确保施工安全，风火山隧道施工坚持“随开挖，随支护，早封闭，快衬砌”的原则，支护和衬砌紧跟，仰拱超前施作。为了不影响掘进，保证有轨运输正常运转，我们在仰拱开挖中，利用扣轨，施作仰拱开挖栈桥。具

表1 风火山隧道主要机械配备

体作法是：利用六根43Kg/M钢轨，每根钢轨长12.5M，每三根一组，二根轨面朝上，一根轨底朝上，用Φ18圆钢沿钢轨纵向每1.5M一个箍卡卡紧，一边利用已施作的仰拱支撑，一边利用枕木垛支撑，分别将两组扣轨垫于轨道下，中间设门架加固，形成简支梁结构，利用人工配合挖掘机，每次可开挖仰拱10~11M。施工应注意扣轨以上轨道每1.5M设一组轨距拉杆，横向设支撑木加固，防止轨道横向移动。

2.4自发电供电技术

根据现场实践，在海拔5000M左右，发电机功率只有额定功率60％，采用三台发电机并联，输出功率（250+250+264）×60％=458.4KVa。根据施工情况采用PVC绝缘电线，三相四线制，分洞内与洞外两块进行供电。

⑴洞内最不利工作状况，衬砌台车工作，混凝土输送泵两台工作，多级泵工作，照明线路工作。其负荷为：

P=10+75+75+10+30

=200KW

负载端输入电压：U=380V

功率因素：CosΦ=0.75

满足工作状况的条件P入=P

即：√3UI CosΦ≧200 I≧405(A)

据经验系数，铜芯电线每平方毫米允许通过电流在2~6.5AWP，风火山隧道施工选择3.6AWP/mm2。则其线径为：405÷3.6=112.5 mm2

选用线径120 mm2的铜芯线作为供电主线，即U、V、W相线选用120 mm2。零线N线选用50 mm2的供电主线路。