摘要：结合兰新客专祁连山隧道施工实践，介绍了高原严寒地区隧道洞口段边仰坡施工、进洞施工、季节性冻土、富水段及断层破碎带施工等技术难题及解决办法，为今后类似工程提供借鉴。
关键词：高原 寒区 隧道 洞口段 进洞
Cold Area Tunnel Portal Section of Comprehensive Construction Technology
GUO Zeyang
(China Railway 20 Bureau Group Co., Ltd. Chongqing，410000)
Abstract：In combination with an guest designed qilian mountain tunnel construction practice, this paper introduces the plateau cold area tunnel entrance section of the scope of slope construction, into the cave, seasonal frozen soil, rich water and fault fracture zone construction and other technical problems and solutions, and provide reference for future similar projects.
Keywords：Plateau； Cold region；Tnnel； The mouth of the cave segmen； Into the hole
1?工程概况
兰新客专祁连山隧道为双线隧道，开挖断面为150m2~170m2，全长9490m，起讫里程为DK335+660~DK345+150，全隧线路纵坡-2%，隧址区位于青藏高原东北缘青海省和甘肃省交界处，地处祁连山中山区，海拔平均高度3500m~4300m，洞身经过地带地形起伏较大，“V”型侵蚀谷分布密集，沟床表层堆积有大量卵石、漂石和沙砾，沟脑部分多为冰川漂砾，块石发育。全年降雪周期长，气候寒冷，年平均气温1.8℃，极端最低气温-31.5℃；地温-2~15℃，最大冻结深度230cm。洞口段主要不良地质为松散堆积体、季节性冻土、破碎带断层和富水等，是目前世界海拔第二的高铁隧道，也是全线的I级高风险隧道[1]。
2高原寒区隧道洞口段进洞施工技术
2.1边仰坡处理
洞口段边仰坡及明洞开挖前，首先通过测量测出开挖范围，根据开挖范围后施做天沟、边沟等截水沟，保证地表排水通畅，有效地避免地表水冲刷坡面引起失稳。洞口边坡、仰坡和明洞开挖采用自上而下台阶式逐层开挖，并进行人工修坡，防止超挖，同时减少对洞口附近相邻地段的扰动影响；同时，为防止临界面坍塌失稳，按照“边开挖、边支护”方式组织施工，以对开挖暴露的边仰坡及时施作挂网锚喷防护，降低围岩暴露而风化，确保边仰坡的稳定，锚喷完毕后，采用1:1水泥浆对坡体进行注浆加固。施工中务必注意统筹兼顾，充分考虑，遵循“永、临结合，一次到位”的原则进行洞口段排水方案实施。
2.2超前支护
祁连山隧道开挖跨度大、洞口埋深较浅，围岩软弱、破碎、富水，洞口段覆盖着大量的堆积土和砂砾石，同时洞口区位于断层破碎带上。传统的超前支护方式（超前小导管或超前注浆锚杆）已难以保证进洞是安全和顺利，因此，在隧道进洞前采用大管棚的超前支护措施进行加固后方可进洞开挖和支护[2]。
大管棚超前支护措施为：在拱部140°范围内打设直径Φ108mm的大管棚，单根长30m，环向间距40cm。管棚施做前施工导向墙，预埋导向孔，进而保证施做角度。其中导向墙沿开挖初支径向施做，纵向长度2m，厚50cm；为保证大管棚入岩及注浆效果，大管棚采用无缝钢管冲击钻孔成钢花管，在前端制作为三角锥形；同时，为防止浆液前冲而不能达到径向注浆加固的效果，溢浆孔采用梅花形布置，孔径Φ=8mm，纵向间距15cm，环向单圈4孔，为杜绝漏浆在管棚尾部5m范围内不钻孔；防止管棚顶进过程中管身开裂，在末端焊接直径为Φ=86mm的环形箍筋加固；为保证管棚刚度，在管棚内部设置加劲钢筋笼[3]。
管棚施作的主要程序：导向墙施作→导向管预埋→钻机平台修整→孔位放样→钻孔（清孔）→管棚管安装→钻机撤离→管尾法兰安装→注浆→封孔。考虑到祁连山隧道地处高原、严寒和缺氧的恶劣施工环境，以及施工人员的作业功效低下现状，管棚施作设备应采用高效快速、操作简便、灵活实用、可靠性高的钻机设备，现场经过认真比较采用了日本RPD-150c型多功能钻机。
管棚安装采用了套管技术，即在套管作业时，将内杆和外杆同步、同时钻进至设计钻深度，然后撤出内杆和内刀头，为防止孔壁坍塌，留下外杆起到支撑岩壁的作用，再缓慢安装管棚管，最后撤出外杆和外刀头；超前大管棚安装完成后，在管口预埋注浆接头，然后利用速凝支座砂浆迅速封口，同时锚喷混凝土封闭作业面，待锚喷混凝土达到设计强度后立即利用注浆泵对管棚进行注浆作业。注浆顺序按照“先下再上、先两侧后中间”的顺序进行，待浆液强度达到设计值100%后方可开挖。
2.3洞身开挖
针对洞口段围岩松散、破碎的特性，洞身开挖采用三台阶七步法，如图1所示。其基本模式为弧形导坑开挖预留核心土，分三台阶七步进行开挖，其各部的开挖、支护应沿隧道呈纵向错开的方式平行向前推进；在台阶法开挖的模式上，采用预留核心土、左右错开的方式，能更好地保证掌子面的稳定，当地质情况发生变化时，能灵活地、及时地转换开挖方法，调整施工顺序，如可以向三台阶法、三台阶临时仰拱法、全断面法等快速过渡。
图1 三台阶七步法开挖示意图
2.4初期支护
系统锚杆采用的中空注浆锚杆，锚杆长4m，纵环向间距为1m×1m，采用钻头直径为Φ=40mm的风钻钻孔。成孔后，对空提采用高压风清孔，然后人工中空锚杆，再用速凝支座砂浆对孔口进行封堵，注浆压力控制在0.5MPa~1.0MPa范围内；通过试验发现，浆液扩散半径越大，围岩加固效果越明显，尤其是对裂隙较发育的松散地质具有很好地加固效果。此外，为保证钢拱架与围岩更好的连接，可将锚杆的末端与拱架焊接牢靠。
洞口段初期支护采用全断面Ⅰ22a型钢钢拱架，间距50cm/榀，?8mm双层钢筋网片，网格间距20cm×20cm，湿喷C30纤维混凝土。喷射混凝土设备采用意大利CIFACSS3机械喷射手，该设备机械手臂架和喷嘴动作灵活，能够适应不同的工况和不同的喷射角度，能更完美贴合喷射面，同时喷嘴动作速度能够通过臂架上的节流阀进行调解，以适应不同操作手的操作习惯。设备采用无线遥控，能够在较远距离内进行作业，既能改善作业人员的工作环境，又能够进入隧道围岩条件恶劣的地方进行作业，避免工作人员直接接触危险的工作环境，保证了施工人员的安全，输出量平均30m3/h。通过机械喷射手的使用，不但大大提高了施工效率，而且施工质量得到了进一步的提升；同时，也大大减少了辅助施工人员数量、降低了作业人员的劳动强度和很大程度地改善了施工作业环境。
2.5仰拱施工
隧底开挖后，及时进行基底清理和设计深度复核，验收合格后立即进行初喷混凝土进行基面封闭，初喷厚度一般为5cm，初喷混凝土凝固后立即进行隧底钢架封闭成环并复喷至原设计厚度，然后进行分层施做仰拱和仰拱填充层混凝土。仰拱填充中预埋排水圆管涵务必按照设计施做到位，并固定牢固，防止混凝土浇筑过程中横向移位或上浮导致堵塞管涵。
基于洞口段围岩软弱的特性，隧底开挖一次不宜过大；为保证隧底开挖后车辆机械能顺利通过开挖段，仰拱施做采用液压自行式仰拱栈桥。
2.6二次衬砌
二次衬砌混凝土灌注采用洞外集中强制拌和、混凝土输送罐车运输、轨道自动行走液压起臂整体模板衬砌台车、混凝土输送泵车灌注的方法进行。首先按照“先中线后标高”的原则将模板台车准确定位，然后按照图纸准确安装接触网预埋耐候钢、预留综合洞室位置，再安装排气及注浆管，最后进行止水带和堵头模板安装工作。
混凝土泵送灌注时，应对称、分层、连续浇筑，为防止不对称出现偏位、跑模和浮模现象发生，单层浇筑厚度宜控制在50cm以内；振捣采用插入式振捣棒配合附着式振捣器进行。根据以往经验，拱顶混凝土容易出现振捣不密实、灌注不满等现象，需要对拱顶部位进行灌注混凝土和注浆作业。
2.7施工保温
洞口段开挖、支护一般选取在夏季，如若冬季施工时，需对洞口段采取保温措施，一般在洞口段搭设保温棚，在棚内设置煤炉或暖气片供热。
3高原寒区隧道洞口段防寒保温技术
3.1防排水处理
隧道渗漏水是一种常见的隧道病害，但是要其彻底整治难度非常大，因此，隧道施工过程中务必做好防排水处理，尤其是洞口段附近水文地质复杂，更应加强防排水工作。主要分为两个方面：一个是堵水防水工作，二个是排水工作。过程中，不但要注意防水层的安装质量的同时，更要加强其施工缝和变形缝位置的防堵水质量，对拱部存在不密实部位进行填充混凝土和注浆进行堵水[4]。隧道初支施做阶段，水量较小时可以采取堵水措施，若水量较大宜采取排水措施，应适当加密环向盲管安装密度，在纵向盲管位置多设置泄水孔，以便将衬砌背后的水引入洞内侧沟排出洞外，同时在隧道进、出口1.5km范围内的正下方内设置防寒泄水洞，洞外设保温出水口。
3.2洞口段防冻害施工技术
祁连山地区严寒高冷，季节性冻土在地下水的作用下往复产生季节性冻胀和冻融变化作用，造成周期性的加载、卸载作用，是将对隧道主体结构造成破坏，从而危及隧道结构的安全性和使用寿命。
为防治高原寒区隧道洞口段产生冻害，现场采取了三个方面的综合技术措施予以应对。主要为：
（1）由于进口段海拔相对较高，且处于浅埋及破碎带上，在进口段1800m范围内衬砌结构采用双层保温衬砌；
（2）隧道洞口段1000m范围内均设置保温中心水沟和保温侧沟；
（3）隧道洞口段范围内，在正洞底部下方设置长1500m的防寒泄水洞。
3.2.1双层防水保温防寒衬砌
双层防水保温防寒衬砌结构形式为：初支喷设混凝土+模筑支护30cm+防水保温隔热层（分离式防水板+保温层5cm+防水板）+二次衬砌，防水板及保温隔热层位于模筑支护与二次衬砌之间，沿隧道全断面铺设。防水保温层结构如图2所示，防寒保温层施做如图3所示。
3.2.2防寒保温水沟
防寒保温水沟主要技术措施有保温盖板、侧沟伴热电缆和中心水沟防寒保温[5]。
（1）双侧保温盖板+侧沟伴热电缆
为防止隧道两侧侧沟寒季流水冻结，在隧道洞口1000m范围内设置防寒保温水沟，其中保温侧沟上方设置双层盖板，在盖板夹层间设置保温材料进行填充；洞口段2000m范围内的侧沟设置伴热电缆对流水加热，其中洞口1600m范围内采取自动温控，远离洞口端400m段采用人工控制。电伴热电缆加热原理为电阻通电加热，利用焦耳热对流水、结冰和空气加热；温控自动控制是由温度和湿度控制器通过洞口所测试温度及湿度结果，自动调节是否对伴热线的通电、断电。
图3 防寒保温层现场施工图
（2）中心水管防寒保温
隧道两侧侧沟排水通过横向导水盲管引入中心水管，横向盲管间距30m。为保证拱墙背后排水通畅，不产生水的积压膨胀力，现场可适当加密环向排水管、泄水孔，对纵向盲管可以扩径加粗，然后由洞口端较低侧保温暗沟排向洞外。
中心水管防寒保温结构即为在水管外表包裹一层厚度为6cm的保温结构。由内向外分别为保温层、防潮层和保护层三部分组成，其中保温层采用具有良好绝热效果的聚乙烯泡沫板，接缝处包扎密实、无间隙；防潮层采用厚薄均匀、完整严密、无缺陷的锡箔纸，注意搭接长度。
3.2.3防寒泄水洞
防寒泄水洞沿隧道正洞中线正下方设置，纵向长1500m，隧底距泄水洞拱顶岩盘厚度不宜小于5m，坡度设置外低内高，保证水流正常排出，不积水、不掩洞体；为防止洞口端结冰冻害水体不能正常排出，在泄水洞洞口位置设置保温采光暖棚。
防寒泄水洞横断面尺寸为220cm×250cm（高×宽），泄水洞拱墙径向安装直径φ=80mm打孔波纹管，孔长6m～10m，纵环向间距1m×1m，梅花形布置，用于排泄周边围岩的地下水。每隔250m设置一处横通道，横通道与正洞线路垂直，且与综合洞室上下连接，并预留检查洞和检查梯。为保证正洞与泄水洞相连通，在横通道正上方对应位置的正洞侧沟和中心水沟检查井内，各设1根直径φ=400mm的泄水竖孔，及时引排正洞内地下水至泄水洞，经泄水洞洞口段保温出水口流出洞外，确保冬季水不结冰[6]。
4结论
（1）本隧道进洞施工，合理选择大管棚超前支护与三台阶七步法开挖相结合的进洞施工方法，确保了进洞安全；洞口段开挖支护一般选取在夏季施工，如若冬季施工时，应对洞口段设置保温防寒措施。
（2）在本隧道进、出口进洞施工中，应充分选取先进的施工设备，如选用日本生产的RPD-150型多功能钻、意大利生产的CIFACSS3机械喷射手等在进洞超前支护的大管棚施工和初期支护的喷射混凝土施工中克服了高原严寒缺氧的恶劣环境、降低了工人的劳动强度、提高了功效、并保证了施工质量。
（3）通过采取超前辅助措施，可减少洞口的开挖，降低了对生态环境的破坏程度，符合环保的要求。
（4）通过工程实践，在高寒地区脆弱的生态环境区域修筑隧道，洞口段应采取防冻害综合技术措施，遵循“堵排并重，防冻保温”措施，能有效解决季节性冻土对隧道洞口段围岩冻融循环破坏衬砌结构的难题，保证工程质量。
参考文献
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[5]黄苛,欧阳波,杨润霞.高海拔高寒地区富水隧道防排水施工技术研究[J].青海交通科技：2017(3):122-126.
[6]谢江胜.高原季节性冻土地区隧道施工防寒保温技术[J].铁道建筑技术2015(9):22-26.
论文作者:郭泽阳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/3
标签：洞口论文; 隧道论文; 混凝土论文; 围岩论文; 作业论文; 范围内论文; 超前论文; 《建筑学研究前沿》2018年第5期论文;