高海拔地區(qū)隧道沖溝破碎帶施工工藝研究

李方LI Fang

（中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司，上海 201713）

0 引言

目前川藏鐵路項(xiàng)目已如火如荼的開(kāi)始建設(shè)，該鐵路對(duì)我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)以及維護(hù)西藏地區(qū)的安全穩(wěn)定有著重要意義。該鐵路的建設(shè)不但體現(xiàn)了我國(guó)越來(lái)越雄厚的綜合國(guó)力，而且也體現(xiàn)出了我國(guó)高超的基建水平。川藏鐵路不同于其他鐵路項(xiàng)目，由于川藏鐵路位于青藏高原斷塊區(qū)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，是我國(guó)大陸現(xiàn)今地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)，不但地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且受板塊活動(dòng)影響，不良地質(zhì)居多，對(duì)工程施工影響很大。在新建川藏鐵路拉薩至林芝段站前工程LLZQ-1B標(biāo)段香嘎山隧道工程施工中，由于該隧道受區(qū)域構(gòu)造影響，隧道所穿越的地層地質(zhì)較差且較為復(fù)雜，尤其是部分地段位于巖層沖溝破碎帶上，使得圍巖自穩(wěn)能力極差，若施工不當(dāng)極易造成塌方或冒頂，不但增加了施工難度，而且對(duì)隧道內(nèi)的人員設(shè)備安全及施工質(zhì)量均造成很大影響。同時(shí)由于施工地處青藏高原，高原地區(qū)氣候環(huán)境對(duì)機(jī)械設(shè)備及施工人員的影響進(jìn)一步增加了隧道施工的困難及安全風(fēng)險(xiǎn)。為保證隧道施工安全，減少不良地質(zhì)尤其是沖溝破碎帶所帶來(lái)的不利影響，項(xiàng)目部從隧道開(kāi)挖方法、支護(hù)工藝及施工監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃和嚴(yán)格把控，同時(shí)對(duì)施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改造保證其性能滿(mǎn)足施工需求。通過(guò)一系列舉措，不但使得隧道順利穿越巖層沖溝破碎帶，保證了施工安全，而且也減少了高原環(huán)境對(duì)機(jī)械設(shè)備性能的影響，加快了施工進(jìn)度，提高了機(jī)械設(shè)備的使用率，降低了施工措施費(fèi)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，上述舉措在高海拔地區(qū)隧道沖溝破碎帶施工中取得很好的效果。

1 工程概況

香嘎山隧道起訖里程為DK53+572～DK56+050，全長(zhǎng)2478m，全部為單線(xiàn)隧道，隧道最大埋深約335m，設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h。隧道進(jìn)口端257.756m位于R=3000m的右偏曲線(xiàn)上，洞身1797.017m位于直線(xiàn)上，出口端423.227m位于R=2500m右偏曲線(xiàn)上。

隧址區(qū)位于青藏高原東南部雅魯藏布江右側(cè)，屬于雅魯藏布江寬谷區(qū)。線(xiàn)路穿越一小山脊，其屬喜馬拉雅山系，地面高程為3560～3960m，相對(duì)高差約400m；自然坡度約5°～40°，坡面基巖裸露，有少量灌木。洞身穿越三疊系上統(tǒng)姐德秀組一段（T3j）石英砂巖、粉砂質(zhì)板巖、碳質(zhì)娟云板巖、千枚巖，為軟質(zhì)巖，受區(qū)域構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，施工中可能發(fā)生塌方風(fēng)險(xiǎn)。其中DK54+500-DK54+670段洞頂?shù)乇碛锌v向沖溝，線(xiàn)路沿著沖溝溝底前行，沖溝坡度為45°，埋深最淺處46m。該處為整個(gè)隧道地質(zhì)最為薄弱地段，由于沖溝與線(xiàn)路方向平行且?guī)r層極為破碎，極易造成隧道塌方或冒頂事故的發(fā)生[2]《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]200號(hào)）。

2 隧道沖溝破碎帶施工方案

香嘎山隧道DK54+500-DK54+670段巖層沖溝破碎帶，采用全斷面帷幕注漿加固地層，注漿加固范圍為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5m，漿液采用水泥漿，注漿后可大大增加巖層之間的凝結(jié)力，使得其開(kāi)挖后自穩(wěn)能力增加，降低塌方或冒頂發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；拱部采用φ108管棚+φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，φ108管棚長(zhǎng)35m，環(huán)向間距40cm，外插角6～8°，搭接不小于5m；管棚間內(nèi)插φ42超前小導(dǎo)管，L=3.5m，環(huán)向間距50cm，外插角10～15°，縱向搭接不小于1m。采用臺(tái)階設(shè)臨時(shí)仰拱法施工。

2.1 帷幕注漿施工方法及工藝

沖溝破碎帶全斷面帷幕注漿加固范圍開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5m，縱向注漿范圍30m，搭接5m，壓注水泥漿液，普通區(qū)段注漿壓力為1～3MPa，若遇到強(qiáng)富水地段，其注漿壓力可升至為6.0MPa。帷幕注漿加固范圍見(jiàn)圖1。

圖1 帷幕注漿加固范圍示意圖

為減少對(duì)破碎巖層的擾動(dòng)，保證注漿效果滿(mǎn)足施工需求，現(xiàn)場(chǎng)采用分段鉆桿后退式注漿工藝。漿液配合比必須按照實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，注漿前對(duì)注漿管道系統(tǒng)仔細(xì)檢查，確保管路暢通。鉆桿域注漿管路連接牢固，注漿時(shí)需緩慢進(jìn)行，優(yōu)先注射流動(dòng)度較好的漿液。注漿量不得小于注漿設(shè)計(jì)量，并以設(shè)計(jì)注漿壓力值穩(wěn)壓2～3min，注漿結(jié)束后及時(shí)清洗管道，然后關(guān)閉進(jìn)漿閥門(mén)，需待漿液初凝后方可進(jìn)行下一段注漿。

注漿分段長(zhǎng)度需根據(jù)前方富水量確定，當(dāng)水量＜10m3/h時(shí)，分段長(zhǎng)度≤10m，當(dāng)水量＞10m3/h且＜30m3/h時(shí)，注 漿 段 長(zhǎng)度≤5m，當(dāng)水量在>30m3/h時(shí)，則不得注漿。詳見(jiàn)圖2。

圖2 后退式注漿工藝流程圖

2.2 管棚施工工藝

采用外徑108mm、壁厚6mm熱軋無(wú)縫鋼管及鋼花管，用每節(jié)3～6m長(zhǎng)的熱軋無(wú)縫鋼管用絲扣連接而成，絲扣長(zhǎng)15cm，鋼花管及鋼管接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)布置，不得在同一截面內(nèi)，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開(kāi)1m。鋼管環(huán)向間距為40cm。注漿小孔按照梅花形設(shè)置，其孔徑為10～16mm，相鄰兩個(gè)孔距離為15～20cm，呈梅花形布置，注漿管尾部設(shè)置≥10cm的止?jié){段。為了提高導(dǎo)管的抗彎能力，在導(dǎo)管內(nèi)增設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠主筋共4根，為HRB400Ф18mm鋼 筋，采 用Ф42mm，壁厚3.5mm的鋼管段（段長(zhǎng)5cm）對(duì)其進(jìn)行固定連接。

管棚施工前，應(yīng)加大開(kāi)挖面并按設(shè)計(jì)要求施工長(zhǎng)管棚導(dǎo)向墻，采用測(cè)量?jī)x器對(duì)需要預(yù)埋的鋼管進(jìn)行精確放樣定位，并檢查鋼套管的水平傾斜度，在鉆進(jìn)過(guò)程中需按一定頻率對(duì)管棚鋼管的傾斜度、鉆進(jìn)長(zhǎng)度進(jìn)行檢查并形成記錄。管棚注漿參數(shù)需由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定，嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)取得的參數(shù)進(jìn)行漿液配比。注漿結(jié)束待漿液初凝后采用砂漿對(duì)管道進(jìn)行填充。管棚注漿順序?yàn)橄认潞笊?，壓力先小后大?/p>

2.3 超前小導(dǎo)管注漿

為進(jìn)一步減少破碎圍巖對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，該隧道沖溝破碎帶地段拱部采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，超前小導(dǎo)管采用外徑42mm熱軋無(wú)縫鋼花管，單根長(zhǎng)度3.5m，壁厚3.5mm。導(dǎo)管沿隧道拱部均勻布設(shè)，相鄰管道之間距離為40cm，相鄰管道之間搭接≥1.0m。超前小導(dǎo)管必須先穿過(guò)鋼拱架，其端部與鋼拱架焊件固定。

2.4 沖溝破碎帶開(kāi)挖

本隧道沖溝破碎帶開(kāi)挖采用臺(tái)階法分部開(kāi)挖。氣退式鑿巖機(jī)鉆眼，塑料導(dǎo)爆管非電起爆系統(tǒng)、毫秒微差有序起爆，爆破方式采用光面爆破已最大限度減少超挖，爆破后采用挖機(jī)配合自卸汽車(chē)運(yùn)輸渣石。采用臺(tái)階法開(kāi)挖施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循“先排水、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的基本原則[1]《客貨共線(xiàn)鐵路隧道施工技術(shù)指南》（Q/CR 9653-2017）。及時(shí)對(duì)開(kāi)挖面噴射混凝土進(jìn)行封閉處理，并及時(shí)對(duì)周邊進(jìn)行支護(hù)。主要施工順序?yàn)椋撼爸ёo(hù)→開(kāi)挖上臺(tái)階→上臺(tái)階形成支護(hù)→開(kāi)挖下臺(tái)階→下臺(tái)階形成支護(hù)→開(kāi)挖仰拱→填充仰拱→完成二次襯砌。有鋼架時(shí)下臺(tái)階必須單側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。詳見(jiàn)圖3。

圖3 臺(tái)階法施工示意圖

2.5 監(jiān)控量測(cè)措施

由于該隧道沖溝破碎帶圍巖自穩(wěn)性極差，經(jīng)預(yù)注漿及徑向錨桿施做后其自穩(wěn)能力隨有改善，但受技術(shù)條件、施工工藝等方面限制，其穩(wěn)定性也未處于完全可控狀態(tài)，因此對(duì)該段的監(jiān)控監(jiān)測(cè)措施必須有針對(duì)性的實(shí)施。破碎沖溝段量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)的布置個(gè)數(shù)應(yīng)適當(dāng)加密，施工地段每個(gè)量測(cè)斷面處設(shè)置一個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)，四個(gè)水平凈空收斂測(cè)點(diǎn)[3]《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR9218-2015）。詳見(jiàn)圖4。

圖4 臺(tái)階法施工段拱頂下沉及凈空量測(cè)的測(cè)線(xiàn)布置示意圖

通過(guò)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，對(duì)其動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，判斷其狀態(tài)是否安全，同時(shí)對(duì)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠性進(jìn)行預(yù)估，從而通過(guò)監(jiān)控量測(cè)對(duì)下一步施工進(jìn)行指導(dǎo)。

3 施工機(jī)械設(shè)備改進(jìn)措施

3.1 高原環(huán)境對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

高原特殊大氣條件的影響，造成機(jī)械設(shè)備功率及儀器儀表性能降低，從而對(duì)整個(gè)機(jī)械設(shè)備的工作效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、密封元器件的耐久性均產(chǎn)生較大影響。由于海拔越高氣壓越低，使得內(nèi)燃機(jī)設(shè)備做功功率降低，尤其是以汽油機(jī)為動(dòng)力的設(shè)備，受高海拔的影響，汽油揮發(fā)更加迅速，空氣與燃料混合比變化較大，從而造成進(jìn)氣壓力大大降低，使得燃料燃燒度降低，輸出功率不足，而且還造成機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期處于超負(fù)荷狀態(tài)工作，加之該地區(qū)風(fēng)沙較大，對(duì)機(jī)械設(shè)備齒輪氣缸等易磨損部件傷害加大。由于高海拔地區(qū)設(shè)備進(jìn)氣量不足，機(jī)械設(shè)備散熱效率較低，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求。因此為保證高海拔地區(qū)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，需從其吸氣工作、防風(fēng)防沙、燃油使用等方面進(jìn)行特殊考慮，同時(shí)對(duì)駕駛室的密封性等進(jìn)行加強(qiáng)，保證作業(yè)人員的身心健康。

3.2 施工設(shè)備改造方案

為保證柴油機(jī)械設(shè)備的功率輸出，需加大其排放量及進(jìn)氣量，必要時(shí)采用渦輪增加技術(shù)，渦輪增壓器優(yōu)先選擇專(zhuān)用的高原型增壓器，并進(jìn)行良好的增壓匹配。采用增壓空氣中間冷卻方式對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行散熱，可以有效提高增壓柴油機(jī)功率和降低熱負(fù)荷。另外加大水泵風(fēng)扇的流量，增加水箱的散熱面積，采用封閉式加壓冷卻系。采用特殊的防凍液來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫冷卻。采用雙管路機(jī)油散熱器也可有效地降低機(jī)油溫度。

在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前，向缸內(nèi)噴注啟動(dòng)液，使得發(fā)動(dòng)機(jī)首先通過(guò)低燃點(diǎn)燃料啟動(dòng)后再迅速帶動(dòng)活塞造成燃料油的燃燒。對(duì)于液力傳動(dòng)機(jī)械而言，因低溫啟動(dòng)阻力大，因而對(duì)啟動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)作相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)。

4 施工注意事項(xiàng)

①做好隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，尤其在破碎沖溝段及其他地質(zhì)較差淺埋段需指派專(zhuān)人觀測(cè)地面變化有無(wú)沉降，確保施工的安全[4]《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB10304-2009）。②根據(jù)巖層性質(zhì)選擇合理的開(kāi)挖方式，爆破必須采用淺孔控制爆破，爆破后需對(duì)周邊加強(qiáng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及前方地質(zhì)狀態(tài)對(duì)爆破參數(shù)及時(shí)調(diào)整，確保施工安全。③采取TSP203、紅外探水、超長(zhǎng)水平鉆、超長(zhǎng)炮眼、地質(zhì)雷達(dá)及地質(zhì)素描等手段早期對(duì)隧道作業(yè)面前方進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測(cè)，及時(shí)處理分析數(shù)據(jù)，做到及早預(yù)防，提前采取防范措施。④當(dāng)遭遇陰雨天氣時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表施工影響范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)洞內(nèi)地下水出露狀況，支護(hù)結(jié)構(gòu)可觀察到的變形情況，危石情況等進(jìn)行觀察記錄。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖方法、支護(hù)工藝及施工監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃和嚴(yán)格把控，同時(shí)對(duì)施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改造，不但使得隧道順利穿越巖層沖溝破碎帶，保證了施工安全，而且也減少了高原環(huán)境對(duì)機(jī)械設(shè)備性能的影響，加快了施工進(jìn)度，提高了機(jī)械設(shè)備的使用率，降低了施工措施費(fèi)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，上述舉措在高海拔地區(qū)隧道沖溝破碎帶施工中取得很好的效果，也為后續(xù)類(lèi)似施工提供了借鑒和參考。