高寒、高海拔隧道施工技術(shù)研究

趙連梅

摘要：針對(duì)高海拔、缺氧、低溫的特殊環(huán)境，介紹米拉山隧道機(jī)械設(shè)備的選型、洞內(nèi)施工環(huán)境、制氧與供氧系統(tǒng)等，通過研究、實(shí)踐、總結(jié)、改進(jìn)、提高，獲得了在高海拔高寒地區(qū)修建隧道的基本經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵施工技術(shù)，為我國(guó)西部大開發(fā)，修建高海拔、高寒地區(qū)公路、鐵路隧道提供施工參考和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

Abstract： In view of the special environment of high altitude， hypoxia and low temperature， this paper introduces the selection of mechanical equipment， construction environment， oxygen production and oxygen supply system of Mira Mountain Tunnel， which is improved through research， practice， summary， improvement. The basic experience and key construction technology of tunnel construction in high altitude and cold area are obtained， which provides reference and experience for the development of western China and the construction of highway and railway tunnel in high altitude and cold area.

關(guān)鍵詞：高海拔；缺氧；低溫；隧道施工；機(jī)械配套；制氧與供氧系統(tǒng)

Key words： high altitude；hypoxia；low temperature；tunnel construction；mechanical matching；oxygen production and oxygen supply system

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）10-0101-03

0 引言

米拉山隧道所在地位于工布江達(dá)縣與拉薩市墨竹工卡縣相界境內(nèi)，是目前世界上在建海拔最高的公路隧道，米拉山隧道出口設(shè)計(jì)高程約4774m，采用分離式隧道，測(cè)設(shè)線間距約40m；左線長(zhǎng)5727m，最大埋深約375m；右線長(zhǎng)5720m，最大埋深約391m。隧址區(qū)接近5000m海拔，大氣中只有11%的氧分壓，氧含量也只有平原地區(qū)的一半，人員在其中生存十分艱難，隧道施工作業(yè)更是困難重重。

米拉山隧道出口段屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年無(wú)霜期約90天左右，年日照時(shí)數(shù)2813小時(shí)，年降水量515mm，每年的六至九月是其降水量比較集中的月份，受到地理原因的影響，境內(nèi)很容易出現(xiàn)各類自然災(zāi)害，春秋之季多早、晚霜害，夏季常遭雷雨和冰雹襲擊，干旱與洪澇極易成災(zāi)，漫長(zhǎng)的冬季干燥與風(fēng)沙相伴，冬春之交，冬季受雪災(zāi)威脅，隧址區(qū)最大凍土深度為140cm。

1 高寒高海拔地區(qū)施工機(jī)械的選型

1.1 海拔高程對(duì)汽車動(dòng)力的影響

分析西藏自治區(qū)公路建設(shè)相關(guān)課題成果發(fā)現(xiàn)，海拔高度每升高一千米，汽車動(dòng)力便會(huì)損失大約11%，隧道出口洞口地面高程為4700m，設(shè)備的動(dòng)力損失約為55%。

1.2 低溫對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

溫度過低對(duì)機(jī)械設(shè)備存在較大的不利影響，包括蓄電設(shè)備容易凍壞，使得其負(fù)荷過高，甚至無(wú)法正常使用；發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生凍裂，無(wú)法正常工作；設(shè)備的潤(rùn)滑油性能也會(huì)因溫度過低變差等，除此之外，溫度過低也會(huì)對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)造成不利影響，客觀上降低了使用率和施工效率。

1.3 缺氧對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

隨著海拔高度的不斷增高，大氣密度和含氧量都會(huì)在會(huì)逐漸降低，米拉山隧道海拔4700m，冬季氧氣含量約為平原的50%，氧分壓只有11%，內(nèi)燃機(jī)械中吸入的空氣含量會(huì)逐漸減少，空燃比也會(huì)因此變化，如此不僅降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，也降低了氣缸內(nèi)有效壓力。柴油機(jī)非增壓裝置下降52%，帶增壓裝置下降40%。為此，對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了一定改良，改良后的機(jī)械設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)均得到了較大改善，包括低溫啟動(dòng)性能、排放性能、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等，如圖1所示。

1.4 高原施工機(jī)械設(shè)備要求

海拔和大氣壓力、含氧量、空氣密度、氣溫都呈反比的關(guān)系，隨著海拔的不斷升高，氣溫、空氣密度、含氧量、大氣壓力都會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降或減少。因此，高原施工機(jī)械應(yīng)配置更有效的低溫啟動(dòng)裝置，安裝多級(jí)濾清或濕式空氣濾清器，采用風(fēng)冷增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)，使用低溫油料和防凍冷卻液，將液壓、液力系統(tǒng)的散熱性和流動(dòng)性提高；同時(shí)在使用高原型施工設(shè)備時(shí)，為確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行，還應(yīng)采取多項(xiàng)措施，比如增加清洗次數(shù)、加大進(jìn)氣量、強(qiáng)化放電能力、改善啟動(dòng)時(shí)間、增加發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)次數(shù)、預(yù)熱和保溫發(fā)動(dòng)機(jī)等。

2 洞內(nèi)施工環(huán)境與高原隧道制氧、供氧系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 結(jié)合米拉山隧道的實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，應(yīng)堅(jiān)持“以人為本、保護(hù)圍巖、改善洞內(nèi)施工環(huán)境”的技術(shù)原則，洞內(nèi)有害氣體和粉塵等空氣質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；施工人員應(yīng)做好各項(xiàng)防護(hù)措施，比如有條件可以呼吸到醫(yī)用氧等，確保施工人員在一個(gè)符合施工環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的地方工作。

2.2 在高原低氣壓稀薄空氣條件下，隧道洞口采用制氧機(jī)制氧（如圖2），在連續(xù)施工通風(fēng)的開放環(huán)境下，采用背負(fù)氧氣瓶和洞內(nèi)彌漫式供氧組成供氧系統(tǒng)（如圖3）。

該套系統(tǒng)的出現(xiàn)讓全部的隧道作業(yè)人員既能夠在駐地呼吸到醫(yī)用氧，也能夠在隧道作業(yè)層呼吸到醫(yī)用氧，如圖4所示，自此之后，徹底杜絕了高原病死亡現(xiàn)象，也大大降低了高原病癥發(fā)生率。

3 主要施工方法及技術(shù)成果

3.1 主要施工原則

在綜合考慮高海拔高寒地區(qū)自然環(huán)境條件及施工設(shè)計(jì)規(guī)格的基礎(chǔ)上，本著安全、優(yōu)質(zhì)、高效、適用、穩(wěn)妥的原則，確定的基本指導(dǎo)原則如下：

①由于高海拔高寒地區(qū)特殊的自然條件限制，在多風(fēng)、寒冷、缺氧又氣壓低的地區(qū)內(nèi)燃機(jī)損耗極大，且極難啟動(dòng)，因此，在有選擇的情況下盡量選用電動(dòng)或風(fēng)動(dòng)機(jī)械，盡量少用內(nèi)燃機(jī)設(shè)備。②如圖5所示，盡量用先進(jìn)的機(jī)械化施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力施工，不僅效率更高，而且施工安全性更高。③為盡量改善工作面的空氣環(huán)境，在洞內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備。④在長(zhǎng)時(shí)間低溫的條件下，應(yīng)采取有效的保溫措施，確保設(shè)備能夠正常啟動(dòng)，保證工程質(zhì)量不夠影響。⑤應(yīng)建立科學(xué)完善的供暖、防寒、保溫設(shè)施，確保即使面臨惡劣的自然條件依然能夠正常施工。

3.2 主要技術(shù)成果

3.2.1 低溫混凝土施工技術(shù)

為提高混凝土的出料溫度，應(yīng)對(duì)原材料采取預(yù)加熱措施。由于米拉山高寒地區(qū)特殊的自然環(huán)境條件對(duì)混凝土施工存在較大影響，為保證最終的施工質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在不斷探索和革新的研究中總結(jié)出一套低溫混凝土施工技術(shù)，不僅使過去施工中遇到的問題迎刃而解，還能夠確保隧道的正常施工，具體措施如下：①盡量降低熱量損失，做好洞內(nèi)及運(yùn)輸期間的保溫工作。②為提高混凝土自身性能，可適當(dāng)添加外加劑，控制好混凝土配合比。③為更有利于混凝土強(qiáng)度的生成，混凝土澆筑后做局部空間加溫、養(yǎng)護(hù)和模板增加導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料。

通過實(shí)施上述幾項(xiàng)措施，不僅能夠確保混凝土施工質(zhì)量，使其強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)實(shí)外美，有利于隧道創(chuàng)優(yōu)。

3.2.2 防寒保溫系統(tǒng)施工技術(shù)

為確保施工能夠開展，我們探索了一套防寒保溫施工措施，將外包加熱管包裹在生活用水管、排水管路、高壓風(fēng)管等管道上，如此可有效解決管道凍裂等問題，降低了嚴(yán)寒條件下的施工困難，確保了隧道的正常施工。

①洞口防寒隔熱門。

在高寒季節(jié)，為盡量保存圍巖地?zé)釋?duì)結(jié)構(gòu)物的有利效應(yīng)，減少洞外高寒氣流長(zhǎng)期對(duì)隧道內(nèi)的侵襲，應(yīng)在隧道口構(gòu)筑防寒隔熱門，能夠有效預(yù)防凍害及確保隧道的正常安全施工。防寒隔熱門按兩扇門對(duì)稱對(duì)拉設(shè)計(jì)，門由槽鋼做框架，正背面為薄鋼板焊接而成，中間空心部分，用聚氨酯隔熱材料進(jìn)行填充。

②地暖拌合站。

在設(shè)計(jì)拌合站時(shí)，應(yīng)該增加地暖系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局，可以在高原冬季寒冷的情況下，通過地暖系統(tǒng)和運(yùn)輸車的保溫措施，保證砼生產(chǎn)過程中和運(yùn)輸過程中的質(zhì)量，從而最終保證其施工質(zhì)量。

③保溫材料的鋪設(shè)方式。

在修建完成的隧道中，在二次襯砌表面鋪設(shè)保溫材料達(dá)到保溫效果，隧道中氣溫分布不均，距隧道的中心越近，氣溫升高，相應(yīng)的保溫材料厚度減小?；贏NSYS模擬計(jì)算表明：不同斷面里程處保溫材料厚度不同。充分查閱西藏米拉山地區(qū)氣象資料，確定隧道凍害發(fā)生區(qū)域，對(duì)病害區(qū)域明確劃分，確保采取科學(xué)的保溫措施，免于隧道凍害。選材指標(biāo)見表1。

研究洞口處（0～50m），洞中（250～300m）以及洞中（450～500m）位置處的溫度值，如圖6所示。

根據(jù)表1及數(shù)值對(duì)比可知：隧道里程逐漸增加，圍巖的凍融圈范圍逐漸縮小；靠近中心，凍融圈范圍越小。表明：保溫層可顯著阻止負(fù)溫區(qū)域擴(kuò)大。并且保溫材料厚度的增加，圍巖凍結(jié)的深度呈減小趨勢(shì)；保溫層同一厚度時(shí)，靠近中心處，凍融圈范圍將越小。

3.2.3 施工機(jī)械設(shè)備配套原則

在高原、缺氧、低溫、高寒的條件下，隧道施工機(jī)械設(shè)備配套原則為：①少用舊設(shè)備，多用新設(shè)備；②少用非增壓設(shè)備，選用增壓設(shè)備；③少選小型設(shè)備，選用大型設(shè)備；④少選內(nèi)燃設(shè)備，多選風(fēng)動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備；⑤拒絕容易出故障的落后設(shè)備，選用進(jìn)口、合資、國(guó)內(nèi)組裝的先進(jìn)設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊環(huán)境條件下，通過對(duì)米拉山隧道工程施工及一系列的分析研究，對(duì)施工機(jī)械設(shè)備的選型和配套使用、制氧機(jī)供氧系統(tǒng)、混凝土施工保溫等進(jìn)行了初步的探討，總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)，為高原、缺氧地區(qū)隧道施工提供了一些技術(shù)方法和手段。同時(shí)，通過對(duì)設(shè)備的選型、配套、維修、保養(yǎng)，提高了高原地區(qū)設(shè)備的利用率，降低了機(jī)械設(shè)備的故障率，減少了勞動(dòng)力的使用數(shù)量和強(qiáng)度，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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