高海拔嚴(yán)寒隧道穿越冰水堆積層施工關(guān)鍵控制技術(shù)

張小軍

（中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 咸陽 712000）

1 工程概況

四川甘孜317國道是我國西南地區(qū)的重要道路工程，其中雀兒山隧道工程環(huán)境復(fù)雜，為世界第一高海拔特長公路隧道。相較于常規(guī)山嶺隧道而言，本工程各處海拔均超4 000m，隨之內(nèi)含有大量現(xiàn)代冰川與古冰川，為典型的高山-極高山冰川地形。資料表明，區(qū)域內(nèi)最高溫僅為23.5℃，極端情況下低溫為-34.7℃，進(jìn)出口處含有大量凍土，對應(yīng)深度155cm、138cm?？傮w上，工程環(huán)境復(fù)雜，對工藝水平提出極高要求。雀兒山隧道施工難度較大，主要以崩坡積層、碎石砂層等穩(wěn)定性偏弱的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，塊碎石總量約55%，粒徑多介于20～2 000mm，存在大量的結(jié)晶粗砂，部分區(qū)域出現(xiàn)架空現(xiàn)象。經(jīng)勘察得知，掌子面拱部與左側(cè)地質(zhì)狀況極差，存在明顯的地下水滲流現(xiàn)象。受開挖作業(yè)的影響，在拱頂與側(cè)壁處出現(xiàn)明顯的掉塊現(xiàn)象，且部分區(qū)域坍塌。隧道穿越地層主要由2部分構(gòu)成，即第四系（Q）冰水堆積層和燕山期花崗巖，圍巖級別以Ⅲ級、Ⅳ級居多。

2 冰水堆積層隧道施工技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

高原地區(qū)氣候反常，晝夜溫差較大，冰水堆積層伴隨有反復(fù)凍融現(xiàn)象，在此影響下圍巖逐漸疏松，嚴(yán)重時出現(xiàn)架空現(xiàn)象。在此情形下，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報具有高度現(xiàn)實意義，需準(zhǔn)確掌握前方圍巖情況，基于地質(zhì)雷達(dá)等方式全面分析后續(xù)施工階段的地質(zhì)情況，保障所得超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確性，關(guān)于富水與掉塊區(qū)域，可設(shè)置超前探孔做進(jìn)一步分析。做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，監(jiān)控地質(zhì)變化、指導(dǎo)現(xiàn)場施工。此外，高原地區(qū)施工環(huán)境復(fù)雜，施工人員需具備專業(yè)素質(zhì)，因此施工前的培訓(xùn)必不可少，且要實行崗位責(zé)任制。

現(xiàn)階段，隧道施工中可行的預(yù)報方法種類較多，但需要從工程實況出發(fā)，確定合適的方法，此舉對于預(yù)報結(jié)果精確性而言尤為關(guān)鍵。從時間與空間距離層面來看，可劃分為2類預(yù)報方法，具體分析如下：

1）短期預(yù)報。發(fā)生于掘進(jìn)施工作業(yè)中，在較短時間內(nèi)展開現(xiàn)場檢測，獲得掌子面及其周邊區(qū)域的地質(zhì)信息，具體體現(xiàn)在節(jié)理產(chǎn)狀、巖性等方面，整合所得結(jié)果并將其輸入計算機(jī)軟件中，在程序的作用下以自動化的方式分析地質(zhì)情況，諸如不穩(wěn)定塊體的實際位置、分布特點(diǎn)等，由此做出施工預(yù)報。此類方法的特點(diǎn)在于操作便捷，所得結(jié)果精度較高，預(yù)報距離為5～10m，具有較好的推廣價值。

2）中長期預(yù)報。從施工現(xiàn)場的地質(zhì)構(gòu)造出發(fā)，輔以可行的物探手段展開，主要探測區(qū)域為掌子面前方較遠(yuǎn)的地段，從中總結(jié)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，創(chuàng)建預(yù)報模型，實現(xiàn)對全方地質(zhì)災(zāi)害的有效預(yù)報[1]。通常而言，此類方法的預(yù)測距離均＞10m，以所得結(jié)果為準(zhǔn)可為施工作業(yè)提供指導(dǎo)，選擇合適的支護(hù)手段，從經(jīng)濟(jì)效益這一層面來看，明顯優(yōu)于短期預(yù)報。當(dāng)然，由于預(yù)報距離相對較長，且隧道內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，所得結(jié)果的精確性相對欠佳，這也是隧道預(yù)報中的一大痛點(diǎn)，值得工程人員進(jìn)一步探討。

2.2 超前支護(hù)

超前預(yù)加固需做好2方面工作：（1）針對隧道地表采取預(yù)加固措施；（2）針對掌子面前方圍巖采取預(yù)加固措施，實現(xiàn)對不良地質(zhì)層的有效處理。

在本工程中，基于φ42mm小導(dǎo)管設(shè)置單層超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，滿足拱部120°布設(shè)要求；基于φ42mm注漿小導(dǎo)管形成徑向系統(tǒng)錨桿體系，長度3.5m，小導(dǎo)管橫縱間距一致，均為100cm×80cm。針對上述結(jié)構(gòu)注雙液漿，具體為磷酸+水玻璃雙漿液注漿。工藝參數(shù)主要有：A液（水玻璃∶水）=1∶1，B液（磷酸∶水）=1∶15；A 液∶B 液=1∶1（質(zhì)量比）；注漿壓力：0.3～0.8MPa；水玻璃ρ=1.38g/cm3，磷酸（弱酸）ρ=1.70g/cm3，水ρ=1.00g/cm3。

工程中合理應(yīng)用超前預(yù)加固方法，與圍巖狀況達(dá)到相適應(yīng)狀態(tài)，創(chuàng)設(shè)安全施工環(huán)境，重點(diǎn)關(guān)注超前預(yù)加固質(zhì)量，嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)操作。

2.3 圍巖開挖

存在大量冰水堆積漂石土砂層，在此基礎(chǔ)上開挖作業(yè)后穩(wěn)定性大幅降低，易引發(fā)坍塌事故。為確保工程安全性，需經(jīng)由環(huán)向開挖的方式預(yù)留核心土，具體使用到三臺階七步法，此方式可有效減少局部開挖面積，降低對圍巖的不良影響，為支護(hù)施工提供便捷條件，在核心土作用下可有效支撐掌子面。

此環(huán)節(jié)施工中，需注重如下幾點(diǎn)內(nèi)容：將核心土進(jìn)深長度控制在3～5m，以隧道開挖寬度為基準(zhǔn)，要求所得核心土寬度為該值的1/3～1/2，且兩側(cè)空間至少達(dá)到2m；針對核心土上弧形采取開挖處理，高寬均控制在1.5～2.0m，在此基礎(chǔ)上隨即初噴混凝土，增設(shè)鋼支撐結(jié)構(gòu)，通過鎖腳錨管達(dá)到固定效果，并安裝鋼筋網(wǎng)片、鋼支撐連接鋼筋，再次噴射混凝土。不同類型的臺階長度存在差異，上臺階3～5m，中臺階5～8m，下臺階8～10m，單個循環(huán)上方0.8m處均要增設(shè)1榀0.5m鋼拱架結(jié)構(gòu)[2]。針對中部兩側(cè)展開掘進(jìn)施工時，要求錯開2榀鋼拱架，針對下部掘進(jìn)施工時應(yīng)錯開3榀，完成掘進(jìn)施工后隨即采取初噴支護(hù)措施。

2.4 初期支護(hù)

初期支護(hù)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容如下：

1）結(jié)束隧道開挖后隨即初噴混凝土，在較短時間內(nèi)封閉巖面，有效避免圍巖松動圈擴(kuò)大的問題，初噴厚度達(dá)4cm。若出現(xiàn)超挖現(xiàn)象或部分區(qū)域滲水明顯，需做好初噴前的準(zhǔn)備措施，即掛設(shè)鋼筋網(wǎng)與引水管，在此基礎(chǔ)上方可展開初噴作業(yè)。

2017年4月20日3:00～6:00在某油田注水系統(tǒng)下游用戶反映納濾系統(tǒng)調(diào)試過程中入口保安濾器5 μm、壓差高1 MPa，拆檢發(fā)現(xiàn)濾芯有較大藻類味道，沒發(fā)現(xiàn)什么明顯的堵塞物，疑似有點(diǎn)像藻類和生物堵塞。說明上游水質(zhì)可能變差。當(dāng)天V30測試為9 L。

2）選用高精度鋼拱架，經(jīng)由試拼且達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)后即可批量生產(chǎn)。安裝過程中，以現(xiàn)場控制點(diǎn)為基準(zhǔn)遵循逐榀安裝的原則，密切分析安裝垂直度、標(biāo)高以及螺栓連接效果。

3）以圍巖地質(zhì)情況為基準(zhǔn)，需在鋼拱架底部增設(shè)槽鋼擴(kuò)大基礎(chǔ)，確保拱架具備優(yōu)良的受力能力，各拱架落腳處均要增設(shè)2根鎖腳錨管，以緩解拱架下沉問題。

4）考慮到冰水堆積體圍巖飽水問題，宜選用φ42mm小導(dǎo)管注漿方式，提升圍巖自穩(wěn)能力。

2.5 防排水

在冰水堆積層中施工作業(yè)，需有效提升防排水效果。通過小導(dǎo)管注漿的方式，可有效隔絕地下水，避免其進(jìn)入到注漿固結(jié)層中，此舉可消除地下水大面積漫流問題，有效控制初支凍結(jié)范圍。利用環(huán)向排水管，可將地下水匯聚至中央排水管中，與此同時敷設(shè)防水板，能夠有效阻隔地下水。除此之外，二次襯砌表面有必要敷設(shè)保溫板，避免出現(xiàn)初支與二次襯砌的凍結(jié)現(xiàn)象。

2.6 監(jiān)控量測

全面確保施工質(zhì)量的關(guān)鍵在于監(jiān)控量測工作，從而有效預(yù)測險情，此舉是創(chuàng)設(shè)安全施工環(huán)境的“眼睛”。針對冰水堆積層地形，其施工環(huán)境尤為復(fù)雜，必須得到精確監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的支持，由此選定可行開挖工法，合理調(diào)節(jié)支護(hù)等環(huán)節(jié)的施工參數(shù)，為隧道施工創(chuàng)設(shè)有利條件。在開挖以及支護(hù)過程中，均要做好監(jiān)控量測工作。

1）關(guān)于拱頂下沉與收斂量，二者的量測起始讀數(shù)需盡可能在3～6h結(jié)束，其余部分需在開挖結(jié)束且經(jīng)過12h內(nèi)開展，但必須在24h之前結(jié)束。

2）結(jié)束地基的處理且做仰拱施工作業(yè)后，在其頂面橫斷面增設(shè)3個測點(diǎn)，要求縱向以10m為間隔設(shè)置1排，適配高精度水準(zhǔn)儀有效觀測沉降情況，以工程實際情況為準(zhǔn)，確定合適的測量周期。

3）針對淺埋段地表下沉現(xiàn)象展開量測工作時，應(yīng)與拱頂下沉量測設(shè)置在相同橫斷面，并合理設(shè)置觀測點(diǎn)。

2.7 襯砌施工

隧道施工復(fù)雜度較高，在高海拔嚴(yán)寒的影響下，尤其是穿越冰水堆積層時，更需要注重對襯砌的保護(hù)，以免受到高寒環(huán)境的損傷。施工中，二次襯砌混凝土材料尤為關(guān)鍵，以高性能防凍抗裂型材料為宜，向其中摻入適量纖維素以提升材料的抗開裂性能，通過增加適量防凍劑的方式增強(qiáng)材料的防凍能力，結(jié)束二次襯砌施工后需為之增設(shè)保溫層。

2.7.2 施工措施

受氣溫條件影響，不利于混凝土整體強(qiáng)度，且削弱了混凝土耐久性，易引發(fā)表面裂紋?；诖?，結(jié)束仰拱施工后隨即使用土工布以及帆布加以覆蓋，并在洞口處設(shè)置帆布簾，選取工作狀態(tài)穩(wěn)定的電熱絲置于洞內(nèi)達(dá)到升溫效果，使其恢復(fù)至平原溫度狀態(tài)。

2.8 施工組織

2.8.1 人員配置

施工現(xiàn)場為典型的高海拔地區(qū)，在此環(huán)境下施工作業(yè)必然會對效率造成影響，經(jīng)分析得知，人工功效明顯下降，僅為平原地區(qū)的一半。為滿足安全施工的要求，適當(dāng)縮減單班次施工時間，給施工人員足夠的休息空間，并配備大量的供氧設(shè)施，以便應(yīng)對突發(fā)情況。

2.8.2 機(jī)械配置

相比于平原地區(qū)的施工作業(yè)而言，在高海拔環(huán)境下機(jī)械設(shè)備的性能也有所下降，機(jī)械功率僅為60%左右。但為了不影響施工效率，需引入一定數(shù)量的機(jī)械設(shè)備，且各自的運(yùn)行性能需得到保障。

3 工程施工優(yōu)勢分析

實踐表明，本文所述施工技術(shù)在實際工程項目應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢：

1）雀兒山隧道進(jìn)出口區(qū)域施工環(huán)境苛刻，有超過200m的冰水堆積層段，基于環(huán)向開挖方式預(yù)留足量核心土，并實行三臺階七步法，單個工作日進(jìn)度1.18m，持續(xù)施工月進(jìn)度可到35.5m，在整個高海拔地質(zhì)環(huán)境中具有典范性意義，關(guān)鍵技術(shù)具有可參考價值。

2）采取科學(xué)開挖方式持續(xù)施工，輔以超前支護(hù)手段，各區(qū)段的監(jiān)控量測工作有序展開?；趯M(jìn)出口地段的分析得知，地表沉降最大處6.2cm，收斂變形最大值5.2cm，隧道偏壓、拱頂下沉等都得到有效控制，均在工程許可范圍內(nèi)。

3）在高海拔施工環(huán)境中，基于對冰水堆積層的隧道施工工藝研究，深入了解冰水堆積層地質(zhì)情況，提出了具有適用性的支護(hù)方法，確保工程整體質(zhì)量，彰顯出優(yōu)良效益性。

4 結(jié)語

綜上所述，從冰水堆積層的實際情況出發(fā)，為之探討可行的施工方案，有效整合人員、設(shè)備等各項施工要素，提升彼此的均衡性，并對工程中的關(guān)鍵技術(shù)加以分析，探討了高海拔高寒地區(qū)隧道穿越冰水堆積層段施工工法，其具有一定的指導(dǎo)意義，可為后續(xù)復(fù)雜環(huán)境下的隧道施工提供技術(shù)指導(dǎo)。