风火山隧道施工技1.docx
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风火山隧道施工技1.docx
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风火山隧道施工技1
风火山隧道综合施工技术
陈德国毛云辉
(中铁二十局集团公司青藏铁路指挥部青海格尔木)
摘要:
新建青藏铁路风火山隧道地处青藏高原腹地,全长1338m。
隧道通过最高海拔4996m,为世界第一高隧。
气候干燥,变化无常。
气温气压低,春秋季节短,冻结期九月至次年四月份,属多年冻土区隧道。
隧道洞身为少冰、多冰冻土。
由于冻土隧道成熟的施工经验较少,相对来讲,本隧道施工难度较大、科技含量高,试验项目多。
主题词:
冻土隧道施工保温通风供氧热融沉陷
一、工程概况
风火山隧道位于青藏高原腹地,地处可可西里无人区,行走于风火山低高山区,地形起伏较大,地表冲沟较发育。
隧道起址里程DIK1159+000~DIK1160+338,全长1338m。
。
隧道通过最高海拔4996m,相对高差110m,最大埋深100m,为世界第一高隧。
隧道全部处于直线段,除进口300m为4‰的下坡外,余均为14‰的下坡。
山体为单斜山,构造不甚发育,岩层相对较为完整。
风火山隧道年平均气温-5.2℃,极端最低气温-37.7℃,属高原多年冻土区隧道(冻结状态维持二年或二年以上的土层、土壤或岩石)。
隧道洞身全部位于洞岩之中,进出口段含土冰层、饱冰、富冰冻土发育。
多年冻土上限为1.2~1.5m.,年平均地温Tcp<-1℃,处于地温基本稳定区和地温稳定区。
二、明洞施工
风火山隧道进出口明洞拉槽段均分部有含土冰层或厚层地下冰,拉槽开挖时将会改变含土冰层的热交换条件。
由于施工环境条件的影响将导致洞口边仰坡产生一系列热融滑塌,特别是在暖季开挖时,若防护不到位,更易导致地下冰层融化,形成热融泥流滑坍等现象。
本着保护冻土和控制多年冻土局部融化的原则,我们选择在冬季施工,并采取“快开挖、快弃查、快防护”的方针,“分段(10~20m)分层(1.0~1.5m)”开挖,整体防护。
白天覆盖保温棚布加强防护,避免冻土融化。
晚上揭开,加强地基土温度在地中的冷储作用。
1、路堑开挖爆破设计
根据冻土工程地质性质,我们采用浅孔和深孔台阶微震松动爆破技术,选用KBW抗冻防水型乳化炸药分层装药,非电毫秒雷管起爆。
装药量以Q=qabl控制,Q为每孔装药量(㎏),a为孔距(m),b为排距(m),l为钻孔深度,q为单位耗药量(㎏/m3),q值可参考如下:
岩石名称浅孔、深孔爆破值(㎏/m3)
松动加强松动
砂粘土0.30~0.400.60~0.75
泥灰土0.40~0.500.80~1.00
砂页岩0.50~0.651.00~1.20
石灰岩0.60~0.751.10~1.30
当融化深度或不同岩层厚度大于爆破深度的30%时,按不同岩层岩性选取q值。
2、开挖方法
开挖前,先掘除开挖范围内的地表草皮,把草皮放置在附近并加以养护,以备恢复地表之用。
表层季节融化层采用挖掘机挖除,汽车运弃。
永久冻土层(含土冰层)采用风枪钻孔爆破,挖掘机挖装,载重汽车运输。
或采用以推土机松土器开挖为主,(开挖予留边坡厚0.8~1.0m),风枪钻孔为副的施工方法。
同时应用微震光面爆破技术,控制边坡开挖。
ZL40装载机装碴,载重汽车运输。
遮阳保温棚采用桁架式结构,也可采用简易式遮阳棚。
考虑到开挖后边坡融塌影响,桁架立柱距开挖边坡不小于1.5m,同时在高度上要考虑机械操作时的影响。
在明洞基底开挖到位后,清除基地虚碴,迅速用粗颗粒土回填,防止基底冻土融化。
3、边坡防护
为尽量减少施工温度和环境温度对边、仰坡的影响,在边仰坡刷到位后,及时进行锚喷网支护。
锚杆呈梅花型布设,长l=2.5~3.5m,间距0.8~1.0m,采用φ8mm网片,规格15×15cm,喷射砼厚20cm。
.除边、仰坡坡面支护外,还应将喷射砼支护向坡面外地表方向延伸一段。
边坡坡面位置向两侧沿地表方向外延伸不少于0.5m,仰坡坡面位置向后沿地表方向延伸不少于5m。
三、洞口浅埋段施工
隧道进出口段不但埋深浅,(明暗洞交界处埋深〈3m〉,而且地表坡度较缓,设计要求施做R32自进式超前锚杆预注超早强水泥基作为超前支护,环距=0.3m,长l=4.0m。
从明洞拉槽的地质来看,多年冻土上限以下冻土多为层状构造和网状构造。
层状构造一般具有较高的强度,但融化时,强度急剧下降,土常变成流动状态,其主要原因是高寒冰量冻土体慢速冻结时,或土体冻结过程中有外来水源补给时生成的。
网状构造冻土强度较小,融化时下沉很大,其主要原因是由于岩体沿不同方向贯穿的裂隙所致。
考虑到热融沉陷的影响(冻土融化过程中土颗粒产生的移动以填充过剩冰融化排除的空间,产生融化固结,从而引起局部地面的向下运动),我们实际施工时,采用φ80mm、长l=10m的管棚替带R32自进式锚杆进洞,Ⅰ18型钢支护,间距50~60cm,具体施工操作如下:
1、修整拱部成洞面。
根据测量放样,安装第一榀Ⅰ18型钢架。
采用凿岩孔台车钻孔,孔位偏差小于10cm,外偏角小于5。
,然后打入第一排管棚,环距30cm。
管壁设φ10mm注浆孔,间距150mm,梅花型布设,管尾与Ⅰ18型钢架焊接。
封闭掌子面,准备压浆。
采用单液注浆,注浆压力控制为0.5~1.0MPa。
2、采用上下分部台阶法进洞。
在刚支掌及第一排管棚之下沿开挖轮廓线至起拱线位置开挖上导坑。
采取微震光暴技术,循环进尺控制在1.0m左右。
开挖轮廓修整后安装Ⅰ18型钢架。
进行喷射砼封闭岩面(喷射砼时采用液体速凝剂)。
当掘进深度达到2.0m时,打入第二排R32自进式超前锚杆,并注浆固结。
如此反复进行施工,直至完成浅埋地段Ⅵ级围岩的上半断面掘进。
施工中系统锚杆除按设计要求施工外,还应注意将外露锚杆头与Ⅰ18型钢架焊接在一起,若Ⅰ18型钢架支护断面位置内无系统锚杆时,应补加砂浆索脚锚杆,长l=3.0m,(可采用Ф22钢筋),并以锚固剂锚固。
同时在Ⅰ18型钢底脚上沿纵向加补[18型钢,以扩大Ⅰ18型钢底脚支撑应力。
在上断面开挖5~8m后进行下断面开挖。
下断面采取左右跳马口的方式开挖,开挖后立即按设计要求进行支护。
四、洞身施工
1、洞身开挖施工
洞身开挖采用超短台阶和全断面法施工,坚持“短进尺、弱爆破、强支护、快衬砌”的原则,尤其要加强施工监控量测和地质素描工作,以确保施工安全。
根据冻土的工程特性,采取超短台阶法施工时,上断面每循环进尺控制在1.8m以内,在上断面开挖5~8m后进行下断面开挖。
下断面采取左右跳马口的方式开挖,开挖后立即按设计要求进行支护,并要注意钢架接头的联结。
a、钻暴施工
爆破器材优先选用KBW防水抗冻性乳化炸药。
采用液压台车和风动凿岩机相结合进行钻孔。
周边眼采用间隔装药,导暴索起爆;其余炮眼采用连续反向装药,抗冻性非电毫秒雷管起爆。
b、施工运输
风火山隧道地处高原,气压低,空气稀薄,空气中氧气含量低,因此,除洞口段50m范围内采用无轨运输外,其后均采用有轨运输,以降低洞内粉尘浓度。
洞内铺设单线,每200m设一处会车道。
轨道线路坡度同隧道设计坡度相同。
正线仰拱已施工段采用140槽钢、钢枕或直接以道钉固定于仰拱面上,仰拱未施工地段采用15×15cm木枕。
以挖掘机、装载机或电动扒碴机装碴,索矿车出碴。
在用挖掘机、装载机出碴时应加大洞内通风和供养。
2、施工支护
隧道支护是由中孔锚杆、格栅钢架和模筑砼支护组成的一种联合受力结构。
岩体开挖后,为减少岩体外露时间,可先喷5cm砼封闭岩面(砼中加液体速凝剂、防冻剂),然后迅速施做中孔锚杆、格栅钢架和模筑砼支护。
模筑砼支护采用整体台架定位,小模板拼装。
同时加强砼振捣,以确保拆模后支护砼表面的平整度,为防水板铺设提供较好的基面。
3、防排水施工
由于多年冻土区隧道特殊的冻胀危害,我们遵循“防、截、排、堵,以防为主,防排结合、多道防线,综合治理”的原则,加强洞内、洞外防排水保温系统的施工。
同时加强“三缝”结构防水,确保衬砌无渗漏。
(1)、洞内防排水
a、洞内设双侧保温水沟,沿墙脚纵向设φ100mmPVC的盲管。
隧道环向设φ50mm的透水盲管。
小边墙处设φ50mmPVC横向泄水管,间距5~10m。
b、在模筑砼支护与模筑砼之间,全断面铺设双层复合防水板。
复合防水板间布设5cm厚的聚氨酯保温板。
同时现场储备充足的灭火器材,防止钢筋焊接时火花引起的防水板燃烧。
c、隧道衬砌采用低温早强防水砼,并优选砼配合比,加强施工工艺控制,最大限度地提高砼自防水能力。
d、隧道衬砌每20~30m设一道伸缩缝。
伸缩缝处设微橡胶止水带,并在靠近防水板侧设2×10cm膨胀止水条,其于部分铺设侵油木板。
施工缝中截面处布设2×3cm的微膨胀止水条,并涂刷WJ水泥基界面粘结剂,以加强新旧砼的粘结(注意界面应保持湿润洁净状态),确保隧道衬砌不渗漏。
(2)、洞外防排水
a、明洞顶部布设横向截水沟,并与路堑边坡顺接,以拦截地表水,同时可防止在明洞拉槽范围内造成地表漫流。
b、明洞衬砌时先在拱顶施做甲种防水层,再铺设隔热保温层和外贴式防水层,并用粗颗粒土或卵砾石土快速回填。
顶部在回填料碾平压实后,先铺设复合防水板,再施做胶泥防水层.
c、在隧道出口处布设洞外保温检查井和深埋保温水沟,将洞内保温水沟内的水排至地表适当的沟内。
4、衬砌施工
风火山隧道处于青藏高原冰雪型气候,年平均气温-5.2℃,极端最地气温-37.7℃,冻结期长达240天以上。
一般砼在低温环境下,砼水化反应速度很慢,甚至停止,难以在规定的时间内使砼达到预期强度,并且负温会造成砼内部结构的损坏,降低其最终强度,因此,为确保砼施工强度和抗渗、抗冻等指标,经讨论研究,采用负温砼施工技术,并且在砼施工时相对设计再提高砼标号。
外加剂为中铁西北科学研究院研制的WQDZ-3低温早强减水剂。
(1)、将预加热的粗细骨料和水泥均匀拌和后加入水拌和,水温宜控制在40℃~60℃之间。
(2)、砼运输过程中,为减少热量损失,确保砼入模温度,在砼运输车上加装5cm隔热保温板。
可采用木板、聚氨酯保温板或棉帆布。
(3)、以HBT60-7-75ZAG型高压砼输送泵压送砼。
砼入模温度宜控制在5℃~10℃之间。
(4)、砼浇注后在局部空间位置加温养护,以利砼强度的生成。
5、施工保温
由于较低的年平均气温(-5.2℃)和极端低气温(最低气温-37.7℃),故在隧道施工中必须考虑针对不同情况、不同位置而采取不同的保温措施。
(1)、洞外原材料保温
要确保砼拌和温度,必须对砂石料及拌和水进行加热保温。
我们在洞外建立一座25×15×5M的砂石料保温棚。
保温棚两侧设置暖气片,通入热蒸汽加热砂石料,蒸汽温度控制在150~170℃,以确保砂石温度控制在0℃以上。
同时在水罐中通入蒸汽管加热拌和水。
(2)、施工机具保温
施工机具设备全部停放在保温棚内,并以蒸汽管片加热保温。
设备启动时采用热风机或喷灯进行加温,保证正常启动。
同时注意机械停放时要将水排空,启动前重新加入热水
(3)、明洞开挖保温
为防止边坡的热融滑塌,如前述,我们在其开挖范围内设置遮阳棚及土工布等进行临时防护保温,减少外部热源引起的地表热交换的改变。
(4)、明洞衬砌保温
搭设保温棚架,棉帆布覆盖。
在进出口处设置可移动式棉帘幕,减少热对流。
棚内采用两台热风机配合暖气片保温。
衬砌混凝土养护时,外表面铺设彩条布、电热罩及棉被。
同时注意电线的绝缘。
(5)、洞身开挖保温
为减少冻土融化,保护围岩的天然承载力,洞身开挖后及时施作模筑支护结构,在围岩外层形成保护层,维护围岩原有的热平衡,减少洞内温度向围岩扩散。
在隧道进风排烟系统中,直接加温预热冷空气。
我们采用SDTK-100高原型通风空调机组,该机组需与蒸汽管道加热配合使用,控制洞内施工环境温度在-5℃~+5℃之间,特别时在靠近开挖面处。
若洞内温度过高时需采用通风制冷设备控制施工环境温度。
(6)、洞身混凝土施工保温
首先在洞口设置保温棉帘棚,阻止洞内外冷空气对流。
其次在洞内布设暖风机和蒸汽管片加热保温。
再次是将混凝土运输车及输送管道进行隔热保温,确保混凝土的入模温度和养护温度。
(7)、洞内施工用风及供、排水系统保温
洞内外风水管均采用保温材料裹缚,(如防寒海绵),并架空布设。
对于施工用风,我们采用750HH内燃空压机和压缩空气储罐以及ф100mm钢管向工作面供风。
为确保管道供风顺畅,在洞口管道最低位置设置一排水阀,每班工作结速后及时排净管内积水,以防管内水蒸汽冷凝造成积水冻结。
对于施工用水,采用蒸汽锅炉加热,以满足风枪钻眼时对水温的要求,确保施工用水不被冻结。
在每班工作结速后必须及时排除管内积水,以防管内积水冻胀破坏。
6、施工通风及风、水、电供应
结合高原空气稀薄、含氧量较低的特点,我们选择大容量、低能耗、高效率的通风机,采用接头密封的ф100mm软制通风管,压入式通风。
为充分满足洞内施工人员所需要的新鲜富氧空气,我们与北京科技大学热能工程系联合开发了20~30型PSA制氧设备,对施工作业人员采用便携式吸氧和氧仓吸氧及洞内你弥慢式供氧。
洞内施工高压风采用6台750HH内燃空压机ф100mm通风钢管向工作面供风,其中进出口各3台,风包2台。
每50m设一个闸阀,以便控制和维修。
通风钢管每50~60m加设一个三通接头备用。
管道前端至开挖工作面距离保持在30m左右,并用高压软管接分风管。
分部开挖时通往各工作面的软管长度不宜大于50m,与分风器联结的胶皮管长度不宜大于10m。
洞内工作面采用风压供水系统或80m扬程离心泵,可同时满足6台风枪施工。
高压水管选用ф100mm钢管。
根据施工装备及附属用电的需要,结合高原严重缺氧的实际情况,施工用电采用6台250KWA的柴油发电机组并机运行供电。
五、几点体会
1、由于隧道位于高原冻土区,氧含量较低(11%),气候条件恶劣,劳动能力较小,应尽量采用配套机械化施工技术。
同时加强洞内工作面弥慢式供氧,人员额定工作时间不大于4时/天。
2、加强原材料保温和洞内施工保温,确保砼入模温度和养护温度。
3、由于高原施工能耗的降低,机械配备功率应倍考虑。
4、原材料加热保温设备可采用不小于2t的蒸汽锅炉,洞内局部范围内的温度加热控制可采用热风机,其特优点是比较灵活、方便,缺点是会产生一些烟尘。
5、要加强洞内监控量测,及时反馈信息,确保施工安全。
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