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浅谈高海拔高寒隧道施工技术

杨成伟

三公司西格二线项目经理部 青海省乌兰县 邮编:817100

【摘要】本文主要阐述高海拔寒冷地区的隧道的施工。茶汗河2#隧道地处青藏高原腹地, 祁连山脉西段南支脉, 全长448 m , 进口端内轨顶面海拔高度为3149.412 m 。通过研究、实践、总结、改进,获得了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。 【关键词】 高海拔 高寒地区 冻土 隧道 施工

1 工程概况

青藏铁路起自青海省西宁市,终抵西藏自治区首府拉萨市,全长1956公里。 正在建设的青藏铁路二期工程格尔木至拉萨段,全长1118公里,是我国实施西部大开发的一个标志性工程。 高海拔寒冷地区的隧道,在施工领域较为少见。我国已建成的高原地区或寒冷地区的隧道中,大多由于未能有效解决防冻胀这一问题,而造成施工极为艰难工期不断缓慢,而且投入急剧增长;或者由于冻害而影响使用甚至报废。成功的例子极少。

茶汗河2号隧道位于青海省乌兰县都兰河左侧一突出的山体上,地形起伏不大,进口较平缓,出口稍陡,山梁两侧地形平坦开阔,地表植物较发育。隧道全长448m.本区属半干旱大陆性气候,雨量集中,蒸发量远远大于降雨量,温差变化大,多风。年平均气温-3.3℃,极端最高温度30.7℃,极端最低温度-27.7℃,年平均降雨量179.5mm,年平均蒸发量1867.7mm,平均相对湿度61%,最大风速21.3m/s,年平均八级以上大风日数15天,最大月平均日较差16.2℃,最大积雪厚度为9cm,最大季节冻土深度299cm。

2 工法特点

2.1在隧道施工中,多工序平行作业,充分利用空间小,工期短。 2.2以防冻胀为基准点,通过解决防水和保温两个问题确保了质量和安全。

2.3以防寒泄水洞和正洞复合式防排水层为主,多种途径相结合解决高寒区隧道防水难题,消除冻胀之源。

2.4采用结构表面复合保温层及防风保温门,确保结构的保温,依靠混凝土施工及隧道用水、用电等保温,保证施工正常进行和工程质量。

2.5少刷或不刷边坡、有规划弃碴和排污处理等措施,保护冻土,保护高原脆弱环境。

3 适用范围

本工法适用于海拔3000m以上高原地区及年平均为负温的寒冷地区隧道工程或其他类似工程。

4 施工工艺

4.1关键技术

(1)有效地解决结构周围排水,为其防水奠定基础。 (2)有效地选用防水结构并提高混凝土自身防水能力 (3)有效地进行施工过程的保温防冻。

(4)建立完善的保温系统,选用合理的结构、材料。 4.2关键工艺

4.2.1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、尽量用机械化设备的配置,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,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、隧道防冻是施工中要解决的核心问题。低温和水的存在是形成浆涨的基本因素,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、通畅的了防排水系统,是工程取得成败的关键。

4.2.2低温混凝土施工技术 对原材料进行预加热,提高混凝土出料温度。针对茶汗河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,提高混凝土自身性能。

3、混凝土浇筑后做局部空间加温、养护和模板增加导热系数低的保温材料,以利于混凝土强度的生成。

4、混凝土宜于在拌和站建立固定的预热棚,棚内利用蒸汽对砂石料和混凝土用水加热,但水温控制在55~67oC为宜。混凝土拌和时,先将骨料和水泥及外加剂搅拌均匀,再加水搅拌,以减少热量散失,运输过程中,运输车内铺5cm厚木板,混凝土上加覆盖物防止热量在运输过程中的散失。混凝土入模后,用棉帘隔离周围环境,继续用锅炉加热30min,再逐渐撤去热源。

初期支护喷射混凝土的抗渗性能低,结构混凝土和初期支护之间的存水依靠EVA排水板引流至底脚,保证二衬混凝土外侧不会长期存水或只存极少量的水,消除结冰条件,降低反复的冻融作用而形成破坏力。

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。一年半以来,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。

4.2.3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,并创造性在采用恒压供水装置,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5℃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。采用洞口防寒保温门,在高寒季节,对减少洞外寒流侵袭隧道,保存围岩地热对结构的有利用,综合防治冻害的发生,改善运营环境等都十分有利。其中颇具特色的有:

①、防寒保温:

在二次衬砌混凝土的表面,设置复合隔温层,可阻止隧道内的高寒气流,对混凝土结构

的侵袭,阻止混凝土衬砌向围岩传递高寒负温,致使二次衬砌背后地下水产生冻胀而损坏结构。该技术在高寒隧道施工中尚属首例,其施工程序和方法是:

1、在二次衬砌(含仰拱)表在利用膨胀螺栓铺设一层厚5cm的PU(硬质聚氨脂)隔温材料,形成闭合隔温圈。

2、在PU板外表面,铺设置3cm的干法硅酸铝板,用2cm宽金属条焊于螺栓顶部,固定两层保温板。

3、待上述两道隔温层施工完毕,经检验合格后,再将厚1. 5cm的玻璃钢板,环向安装在隔温层外,起表面支撑保护和防火作用。安装时,在玻璃钢板和钢带上,每间隔30cm 钻孔,用铆钉锚固定在二次衬砌结构上,最后,用无机粘剂填充接头缝隙,外侧涂抹防火涂 4、施工用水保温

隧道施工用高压水采取洞外高压水池的办法,易出现水池结冰和水管冻死的现象,宜在洞内选择蓄水池,建立由水泵、容罐组成恒压供水系统。 5、高压风管保温

压风站要尽量靠近隧道洞口,高压风管尽量少出现拐角。在弯头和最低处加设一个积水罐和排气阀门,及时排出管内积存的冷凝水。送风完毕后,逐个打开排气阀,吹出管内积水。洞外及进洞200m左右风管要用厚14cm左右石棉保温,外裹4cm厚左右草绳。

6、洞内取暖

在隧道施工中,取暖设备为直径Φ80cm,高1.2m的大铁皮炉,靠近洞口90m范围内每隔15m左右各布置一个,中间每隔50m布置一个炉子必须满足良好的隔烟装置和保温装置。以防止尾气对洞内空气的污染。排烟管道高于设计标高4m处沿隧道侧壁水平通往洞外。铁皮炉子如下图

②、保温材料的选用:

在研究过程中,通过性能和工艺对比,确定的PU硬质聚胺脂保温板导热系数低,材料强度性能优越,加工运输方便,使用效果显著。

干法硅酸铝纤维板阻燃性能较好,起到了保温阻燃的作用,弥补了PU材料阻燃性能不足,玻璃钢起撑托和防火作用,铺设在表面可防止PU和纤维板的脱落、松动,又便于洞内装饰。

通过对隧道结构保温层材料性能检测及施工试验证实,在杨同低温条件下测试有一层和两层保温层混凝土结构背后温度测试结果对比,确认增加保温层,有明显的保温作用。 (1)、洞口防寒隔温门:

在高寒季节,为减少洞外高寒气流长期对隧道内的侵袭,尽量保存围岩地热对结构物的有利效应,在隧道出入口洞门背后,构筑防寒隔温门,再增加一道防寒隔温设施,对于综合防治冻害,保障安全运营,将有积极作用。

防寒隔温,按两扇对称推拉设计,在洞口路面内设钢轨滑道,上部门框内,安装上行定向滑道和吊环。门由槽钢作框架,正背面为薄钢板焊接而成,中间空心部分,用聚氨脂隔温

材料填充,由工厂加工成型,现场安装,预先做好通讯电缆管的埋设与穿线工作,处理好与二次衬砌结构边墙接触面的密封工艺。防寒保温门结构示意图,详见下图。

通过防寒保温门保温效果测试证实,隧道贯通后,在洞口防寒保温门关闭与开放的两种情况下,对洞内气温进行了测试,在白天六个小时的时差内,温差达4℃~6℃,证明防寒保温门的设置是有利的。

此类环境冬令期可分为:期初、期末的“晚秋和早春期”,此段期间内,昼夜分正温和负温,大量的冷能侵入隧道形成积累;期间的“隆冬期”,昼夜均为负温,且夜间温度大大低于白天,全日冷能积累。可设置自动防风保温门,白天交替开启,夜间以关闭为主,能够极大地降低引起隧道围岩冻结的冷储量。 (2)、设置复合保温层和保温出水口。为降低结构混凝土及背部与隧道洞室内冷能的交换,在结构混凝土表面设置复合保温层非常有效。由聚氨酯(PU)等组成的保温层并不能够提供能量,但是可以储存部分能量,同时其较小的导热系数能产生热阻效应,以延缓其保护对象的能量损失。通过反复冻融(正温—负温—正温—负温)循环后,直接测试其导热系数的方法,检测其抗冻融性能,证实效果良好。

防寒泄水洞泄水出口底坡应大于8%,以加速水流速度,防止水温下降而冻结,出口采用干砌片石和废料保温材料混合堆砌,宽度超出水流宽度50~100cm,高度不小于冻结深度。 4.3施工组织 高海拔高寒环境通常给机械带来:功率下降、故障增多和启动困难等影响,在施工组织中应在“以人为本”的前提下,根据“多用机械少用人工,多用电动机械少用内燃机械”的原则进行机械的选型与配套。防排水施工中防寒泄水洞为小型隧道施工组织,其余为专用机具、设备,保温工艺含结构施工和防冻维护两部分。施工用主要机械设备及劳动力组织分别另见表1、表2。

主要施工机械设备表 表1 序号 1 2 3 4 5 6 机械名称 衬砌台车 变压器 搅拌机 配料机 挖掘机 装载机 单位 台 台 台 台 台 台 数量 2 2 2 2 2 4 规格型号 9米全断面液压 630KVA JS1000 PL1200 CAT320 ZLC50 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 自卸汽车 污水泵 发电机 电动空压机 凿岩机 风镐 通风机 砼输送车 砼输送泵 砼湿式喷射机 注浆泵 电焊机 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 8 10 2 6 48 16 2 4 2 4 4 8 东风 200KW 6台20 m/min YT—24 2DT65-10 五十菱 HBT—50 GSPA-4A ZJB-3 30KW 3 主要劳动力组织 表2 项 目 掘进组 运输组 喷锚组 砼衬砌组 12人 20人 26人 挂防水板、台车就位、砼泵送、灌注、捣固 5 环境文物保护

进入21世纪以来,环境保护成为重要的话题,保护脆弱的生态环境,更是愈加重要。 1.少进行或不进行洞口刷坡作业,维持生态平衡及山体地表稳定,保持水土。积极恢复生态,增加腐植土、绿地面积,有计划条状移植草皮。

2.保护野生动物,严禁猎杀、惊动并尽量做到施工为其迁徙、正常生活让道。保护草场,实施用地整体规划。

3.实行清洁生产,进行有计划弃碴和垃圾处理,不覆盖植被,不堵塞河道。

4.防治大气污染,多利用电能少用燃料,减少有毒有害气体排放。在施工工地发掘的所有化石、钱币、有价值的物品或文物、古建筑结构以及有地质或考古价值的其他遗物等均为国家财产。按国家文物管理的有关规定采取合理的保护措施,防止任何人员移动或损坏上述物品。一旦发现上述物品,立即向监理报告所发现的情况,并按监理的指示做好保护工作。 6 安全质量措施 6.1安全措施

1.架上工作人员严格遵守空中作业操作规程。 2.司钻、司炉人员按有关规定执行。 3.各项工作均配有专职安全人员。

构件 合计 机械保障组 加工组 (人数) 10人 钢拱架、格栅、锚杆、超前支护等构件。 20人 供风、供水、供电、通风、机械修理加工、道路养护、洞内保暖等 108人 隧道五队 20人 钻孔装洞内喷装碴运担负主要 药爆破、锚、挂输、衬砌施工任务 超前支网、拱砼运输 护钻孔 架 4.严格遵守高原高寒施工的有关人员防护的规定。 5.严肃劳动纪律,严格遵守各种作业规程。 6.2质量标准

1.环向排水板、纵向汇水盲沟、竖向泄水孔及防寒泄水洞必须有效连接,汇、泄水通畅。 2.竖向钻孔位置偏差+10cm,角度偏差≤5o。

3.防水层材料的厚度、拉伸强度、柔韧性、抗渗性耐久性等指标必须经过严格检验。 4.防水层施工必须进行工艺试验,防水板施工要求无漏、焦损、脱焊和破损现象。 5.防水层应有一定的垂度,下道工序施工时不得绷紧和受损。 6.混凝土应严格配料和拌和,其入模温度≥5℃。 7.保温层的材料必须经过相关的性能检验,并符合要求。 8.保温层施工表面平顺、连接紧密、变形缝位置正确。 7 效益分析 7.1社会效益

1.采用以防排相结合的防水技术,施工与结构相结合的保温技术成功地解决了高原高寒隧道的冻害问题,确保工程建设的成功。

2.防冻胀工法的研究填补了施工领域的空白,对西部大开发的建设具有一定指导意义。 3.防冻胀工法的研究为我单位在施工领域的拓展树立了良好的信誉。 7.2经济效益

1.防冻胀技术的综合运用,成功避免了如在西北中国家投资的浪费。 2.成功地运用防风保温门节约了能源消耗,省去了外部热源。

参考文献:

[1] 隧道施工要点集 关宝树 北京: 人民交通出版社,2007 [2] 特长隧道建设工程技术 —重庆万开高速公路铁峰山隧道工程 北京: 人民交通出版社,2007 [3] TB10204-2002 铁路隧道施工规范

[4] 铁路工程设计技术手册—隧道[M] —中国科学院兰州冰川冻土研究所 北京: 中国铁道出版社,1995 [5] 青藏冻土研究论文集[C] —中国科学院兰州冰川冻土研究所 北京: 科学技术出版社,1983

作者简介:杨成伟(1982年6月)、男、助理工程师、大学本科、2006年7月、参加过青藏铁路高寒高海拔冻土隧道的施工,武汉工程大学、土木工程、湖北十堰、13545550438

作者简介:叶恒梅(1983年11月)、女、讲师、大学本科、2006年7月、从事隧道的教学,