复杂地质条件下高寒隧道快速掘进施工技术 张浩

复杂地质条件下高寒隧道快速掘进施工技术张浩

发表时间：2018-05-17T09:29:57.470Z 来源：《基层建设》2018年第2期作者：张浩

[导读] 摘要：米拉山隧道是世界海拔最高的公路长大隧道，隧道全长5.727公里，平均海拔4750米，具有海拔高、气温低、气压低、缺氧、地质条件复杂的特点。

中铁二局第五工程有限公司成都 610091

摘要：米拉山隧道是世界海拔最高的公路长大隧道，隧道全长5.727公里，平均海拔4750米，具有海拔高、气温低、气压低、缺氧、地质条件复杂的特点。通过对混凝土生产过程及原材料的保温加热、加大施工机械化、加强通风及供氧、优化富水断层破碎带施工方案等的研究、实践、总结、改进、提高, 获得了在高寒地区修建隧道的基本经验和一些施工关键技术，对后续高寒隧道快速掘进提供了一定的经验。

关键词：高海拔；高寒；隧道机械化施工；复杂地质条件；通风及供氧；冬施

1 工程概况及地质特点

1.1工程概况

西藏国道318线林芝至拉萨段公路改造工程（以下简称“林拉项目”）是西藏“十二五”公路交通规划中期调整的重点项目之一，它的实施对巩固国防，维护社会稳定，促进沿线经济社会发展，改善少数民族地区生产、生活条件等具有十分重要的意义。其中米拉山隧道是林拉项目重点控制性工程。

米拉山隧道所在地位于工布江达县境内，与拉萨市墨竹工卡县相界，隧道南北向横穿海拔5350m米拉山。采用分离式隧道，测设线间距约40m。隧道长5720米，最大埋深约391m。进口设计高程约4752m，出口设计高程约4774m，通风斜井口设计高程约4889.6m。隧道洞体设计限高7.8m，设计限宽10.25m。

隧址区地貌类型为高山山岭，北侧为地势低洼的尼洋河流域，南侧为墨竹曲流域地貌。在微地貌上隧址区属于山岭，隧道进口两侧为斜坡地形，坡度较大，地形较陡，隧道出口两侧为斜坡地形，坡度较小，地形较平缓。

1.2工程地质与水文地质

据工程地质测绘及钻探揭露，隧址区地层主要为晚第三系新达拉（NX）花岗岩、下第三系-上白垩系林子宗（K2-E）l3）凝灰岩、前奥陶系松多岩群岔萨岗岩组（AnOc）板岩、冰水积（Q3fgl）碎石土、崩坡积（Q4c+dl）碎石土。米拉山隧道二维地震勘探共查明断层25条（F1至F25）：按落差划分，其中落差大于等于10m的断层10条（F1、F2、F4、F7、F10、F11、F12、F14、F18、F24），落差小于10m的断层15条；其中正断层22条，逆断层3条。

隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩风化裂隙水和基岩构造裂隙水。构造裂隙水赋存于构造裂隙或基岩破碎带中，埋深大，接受风化裂隙水的入渗补给，主要向东西方向的尼洋河和念曲河河谷迳流、排泄。根据估算结果，米拉山隧道施工期间涌水量为

Q=122130m3/d，流向进口的涌水量为83770 m3/d，流向出口的涌水量为 36780 m3/d。

1.3气候条件

由于米拉山海拔较高，致使米拉山两侧气候条件不同，米拉山北边，年均气温8.3℃，年无霜期156天，米拉山南边年无霜期约90天左右。隧址区最大冻土深度为140cm。

2 主要施工原则

抓住高寒、缺氧的气候特征和复杂多变地质、水文特征，结合米拉山隧道的工程特点，立足现有技术的前提下，采取措施主要提高掌子面的开挖进度，加大资源投入使得二衬及仰拱紧跟掌子面的开挖，采用新方法、新技术、新工艺，优质、高效地完成隧道施工。（1）采取有效的保温及加热措施，确保在冬季施工混凝土的工作温度。

（2）尽量多采用机械化施工替代人力施工的同时，加倍配备的施工人员和设备，确保满足现场施工要求的同时并保有一定的富余量。隧道围岩完整较好的情况下，采用凿岩台车进行钻孔及爆破作业。

（3）由于高海拔及气温低, 内燃机械功率损失较大,且故障率高。尽量少用内燃机设备, 多用电动或风动机械。

（4）加强洞内通风机械设备的配置, 提供洞内更多的新鲜空气, 改善工作面的空气环境。同时洞内施工人员配备输氧装置。

（5）复杂地质条件隧道根据超前地质预报和掌子面围岩情况，及时调整开挖方法和支护参数，优化施工方案，保证施工安全、快速。

3 优化施工方案及措施

3.1冬季混凝土施工

针对米拉山极寒天气对混凝土施工影响大的特点, 经过不断探索研究, 总结出一套严寒条件下的混凝土施工技术, 有效地解决了混凝土施工的难题, 具体采取了以下措施：

（1）对原材料进行预加热, 提高混凝土出机温度。对拌合站储料仓、配料机、斜皮带及拌合楼整体采用10cm厚的夹心阻燃彩钢板封闭，并对用于冬施的料仓再次采用7.5cm夹心阻燃彩钢板进行封闭，并设卷帘门；冬施料仓内采用地暖和暖气片方式进行加热，配置2台15T热水锅炉，确保拌合设备温度不低于10℃。

（2）为保证冬季拌合站施工用水温度，采取在封闭的料仓内地下埋设2个15t水罐，并用8t的热水锅炉对拌合用水进行循环加热。外加剂同样储存于彩钢棚内，当温度过低时采用电热毯包裹预热。

3.2机械化施工

在隧道围岩整体性较好，采用全断面或台阶法开挖时，一个掌子面配置1台两臂阿特拉斯凿岩台车钻眼，配置3名操作手，2名指挥人员。钻眼结束后安排5名爆破人员进行装药和起爆。比常规的风钻钻眼开挖节省60%以上的人员，且开挖爆破的工序时间相当。

但在围岩破碎的情况下，不适宜使用凿岩台车。由于凿岩台车的推力大、钻孔速度较快，对围岩的震动较大，极易造成塌孔，钻孔的成孔率较低，补打炮孔和吹孔浪费较多时间。

现场采用全断面或台阶法开挖，操作空间充足的情况下，一个掌子面配置1台湿喷机械手进行喷射混凝土施工，1名操作手，1名指挥

人员，2名辅助人员。比常规小型喷浆机械节省70%的人员，且洞内空气中的粉尘颗粒有较大的降低。

通过采用机械施工，大大降低高海地区人员的体力劳动强度，提高洞内的空气质量，同时工序时间有所提高，加快了隧道的施工进度。

3.3通风及供氧

由于施工隧道为开放环境，再加上隧道的新风系统，将大大稀释掌子面范围的氧气分压，很难通过弥散供氧的方式降低隧道环境至等效海拔高度。

洞内供氧主要以洞口通风机向洞内压入新鲜空气为主；洞内作业人员采用便携式输氧器；洞口配备一台牵引式氧吧车，作为隧道作业人员休息和紧急时使用；生活区及办公场所配备吸氧终端。

（1）每个掌子面配置一台2*132KW风机，采用压入式通风至掌子面。为提高通风效率，二衬台车之后的风带全部采用φ1.8m螺旋风带。

（2）为加强洞内供氧，每个工人配有符合人体工程学的氧气瓶背包1个，流量计湿化瓶1个，吸氧面罩1个，吸管1.5米，减压装置1套。有效吸氧时间：5-6h（按照每分钟使用1.5L计算），氧瓶额定工作压力：15MPa，氧气瓶容积：4L，氧气量：500-600L，外形尺寸：140mm×140mm×420mm ，整体重量：6KG，供氧装置一般放置在机械操作室、人员工作平台上的固定位置，也可随身背负。在隧道口设置一台YCN-40制氧机加载氧气灌装装置，装置设有5个氧气灌装终端，可以在5分钟内完成5个储氧罐的氧气灌装，以此计算每天可灌装约1400套输氧器。采用的是铝合金纤维气瓶抗撞击性能与常规钢瓶相同。

在靠近掌子面的横通道内设置供氧站，以供施工人员吸氧。具体如下：采用在横通道内放置40L的钢瓶，1个钢瓶可供两人同时连续吸氧10小时，横通道内放置4个钢瓶，可供8人同时吸氧。同时备用4个钢瓶，作为冲罐氧气时替换。

（3）在洞口固定一台牵引式氧吧车，供隧道施工人员休息和紧急时使用；施工现场其他位置配备一台自驱式流动式氧吧车，供缺氧人员紧急情况下使用。车内配备必须的急救设施和药品。牵引式氧吧车要求提供220V电源，需求功率约6KW。自驱式氧吧车可自行移动，安装发电机进行自发电。氧吧车工作1小时后即可使车内氧气含量达到海拔3000米标准。车内外共设置14个吸氧终端，可同时供14人进行鼻饲吸氧。

（4）办公和生活区采用制氧机通过吸氧终端装置进行供氧，每个房间按照人头配置数量，一般装在办公桌或床头附近，需要吸氧的时候用鼻吸管或面罩吸氧。在会议室、餐厅、浴室等人员密集区域也可以用来弥散供氧，一个吸氧终端可以满足8~10平方米的房间，房间要相对封闭，弥散供氧才有效果。在经理部驻地设置一台YCN-40型制氧机，若全部采用弥散式供氧，可满足1000㎡房屋。

3.4加强初期支护

3.4.1洞口段坡积碎石土处理措施

隧道进口端开挖揭示为坡积碎石土，松散结构，用铁锹可挖掘，无自稳性，埋深为5～10m，开挖极易发生坍塌和冒顶，现场采用地表注浆和加密超前小导管的方式对围岩进行加固的处理方式，确保施工安全，加快开挖施工进度。具体如下：

（1）在开挖之前对地表采用φ89×6mm钢管对开挖轮廓线上部及两侧的松散碎石土进行注浆加固，钢管间距1.5×1.5m梅花型布置，注浆采用水泥液浆，水泥浆水灰比1：0.5～1：1，注浆压力0.5～1.0MPa；由于碎石土的空隙较大，水泥浆液需添加水泥重量5%的水玻璃，加快浆液的凝固，以免造成浪费。

地表注浆示意图

（2）加密超前小导管，对拱部范围内松散的碎石块进行超前加固，采用φ42×4mm无缝钢管，环向间距15cm，长3.0m，纵向排距1.0m。

（3）采用多台阶分部开挖，人工配合小型挖掘机施工。根据监控量测数据适当加大预留沉降量，以减少多台阶开挖多次扰动造成的沉降变形的影响，保证初支净空。

3.4.2洞身段断层及涌水处理措施

由于富水断层破碎带围岩的突涌水，隧道开挖过程中单个掌子面遇到的突涌水量最高达到约38000m³/天。由于隧道地下水发育，集中较大涌水频发，普通超前注浆效果较差，采用超前帷幕注浆的时间较长，现场采用超前管棚结合超前小导管的形势通过软弱富水段围岩段落。具体要求如下：

（1） φ89×6mm超前管棚分层加固开挖轮廓线，管棚环向间距30cm，每一环加固段长约20m，且根据实际富水断层破碎带长度确定环数。

（2） φ42×4mm小导管环间距加密，环向间距10~15cm，长度4.0m，且分序渐进，逐步加固围岩。

（3）加密超前管棚和超前小导管的环向间距，管棚内增加设置3根Φ20螺纹钢，以提高管棚的刚度。由于隧道内涌水较大，注浆扩散