高寒、高海拔隧道施工技術研究

趙連梅

摘要：針對高海拔、缺氧、低溫的特殊環境，介紹米拉山隧道機械設備的選型、洞內施工環境、制氧與供氧系統等，通過研究、實踐、總結、改進、提高，獲得了在高海拔高寒地區修建隧道的基本經驗和關鍵施工技術，為我國西部大開發，修建高海拔、高寒地區公路、鐵路隧道提供施工參考和經驗總結。

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.

關鍵詞：高海拔；缺氧；低溫；隧道施工；機械配套；制氧與供氧系統

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

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0101-03

0 引言

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

米拉山隧道出口段屬高原溫帶半干旱季風氣候區，年無霜期約90天左右，年日照時數2813小時，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，境內很容易出現各類自然災害，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，漫長的冬季干燥與風沙相伴，冬春之交，冬季受雪災威脅，隧址區最大凍土深度為140cm。

1 高寒高海拔地區施工機械的選型

1.1 海拔高程對汽車動力的影響

分析西藏自治區公路建設相關課題成果發現，海拔高度每升高一千米，汽車動力便會損失大約11%，隧道出口洞口地面高程為4700m，設備的動力損失約為55%。

1.2 低溫對機械設備的影響

溫度過低對機械設備存在較大的不利影響，包括蓄電設備容易凍壞，使得其負荷過高，甚至無法正常使用；發動機發生凍裂，無法正常工作；設備的潤滑油性能也會因溫度過低變差等，除此之外，溫度過低也會對設備的啟動造成不利影響，客觀上降低了使用率和施工效率。

1.3 缺氧對機械設備的影響

隨著海拔高度的不斷增高，大氣密度和含氧量都會在會逐漸降低，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%，內燃機械中吸入的空氣含量會逐漸減少，空燃比也會因此變化，如此不僅降低了發動機功率，也降低了氣缸內有效壓力。柴油機非增壓裝置下降52%，帶增壓裝置下降40%。為此，對相關機械設備進行了一定改良，改良后的機械設備各項參數均得到了較大改善，包括低溫啟動性能、排放性能、經濟性和動力性等，如圖1所示。

1.4 高原施工機械設備要求

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、大氣壓力都會出現不同程度的下降或減少。因此，高原施工機械應配置更有效的低溫啟動裝置，安裝多級濾清或濕式空氣濾清器，采用風冷增壓型發動機，使用低溫油料和防凍冷卻液，將液壓、液力系統的散熱性和流動性提高；同時在使用高原型施工設備時，為確保設備能夠正常運行，還應采取多項措施，比如增加清洗次數、加大進氣量、強化放電能力、改善啟動時間、增加發動機保養次數、預熱和保溫發動機等。

2 洞內施工環境與高原隧道制氧、供氧系統的應用

2.1 結合米拉山隧道的實際施工現場環境，應堅持“以人為本、保護圍巖、改善洞內施工環境”的技術原則，洞內有害氣體和粉塵等空氣質量應符合國家相關規范標準；施工人員應做好各項防護措施，比如有條件可以呼吸到醫用氧等，確保施工人員在一個符合施工環境標準的地方工作。

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

該套系統的出現讓全部的隧道作業人員既能夠在駐地呼吸到醫用氧，也能夠在隧道作業層呼吸到醫用氧，如圖4所示，自此之后，徹底杜絕了高原病死亡現象，也大大降低了高原病癥發生率。

3 主要施工方法及技術成果

3.1 主要施工原則

在綜合考慮高海拔高寒地區自然環境條件及施工設計規格的基礎上，本著安全、優質、高效、適用、穩妥的原則，確定的基本指導原則如下：

①由于高海拔高寒地區特殊的自然條件限制，在多風、寒冷、缺氧又氣壓低的地區內燃機損耗極大，且極難啟動，因此，在有選擇的情況下盡量選用電動或風動機械，盡量少用內燃機設備。②如圖5所示，盡量用先進的機械化施工代替傳統的人力施工，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境，在洞內應配置相應的通風機械設備。④在長時間低溫的條件下，應采取有效的保溫措施，確保設備能夠正常啟動，保證工程質量不夠影響。⑤應建立科學完善的供暖、防寒、保溫設施，確保即使面臨惡劣的自然條件依然能夠正常施工。

3.2 主要技術成果

3.2.1 低溫混凝土施工技術

為提高混凝土的出料溫度，應對原材料采取預加熱措施。由于米拉山高寒地區特殊的自然環境條件對混凝土施工存在較大影響，為保證最終的施工質量符合相關規范標準，在不斷探索和革新的研究中總結出一套低溫混凝土施工技術，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，做好洞內及運輸期間的保溫工作。②為提高混凝土自身性能，可適當添加外加劑，控制好混凝土配合比。③為更有利于混凝土強度的生成，混凝土澆筑后做局部空間加溫、養護和模板增加導熱系數低的保溫材料。

通過實施上述幾項措施，不僅能夠確保混凝土施工質量，使其強度符合標準，還能夠實現內實外美，有利于隧道創優。

3.2.2 防寒保溫系統施工技術

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、高壓風管等管道上，如此可有效解決管道凍裂等問題，降低了嚴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，為盡量保存圍巖地熱對結構物的有利效應，減少洞外高寒氣流長期對隧道內的侵襲，應在隧道口構筑防寒隔熱門，能夠有效預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稱對拉設計，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行填充。

②地暖拌合站。

在設計拌合站時，應該增加地暖系統，通過合理設計和優化布局，可以在高原冬季寒冷的情況下，通過地暖系統和運輸車的保溫措施，保證砼生產過程中和運輸過程中的質量，從而最終保證其施工質量。

③保溫材料的鋪設方式。

在修建完成的隧道中，在二次襯砌表面鋪設保溫材料達到保溫效果，隧道中氣溫分布不均，距隧道的中心越近，氣溫升高，相應的保溫材料厚度減小。基于ANSYS模擬計算表明：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氣象資料，確定隧道凍害發生區域，對病害區域明確劃分，確保采取科學的保溫措施，免于隧道凍害。選材指標見表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。

根據表1及數值對比可知：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溫區域擴大。并且保溫材料厚度的增加，圍巖凍結的深度呈減小趨勢；保溫層同一厚度時，靠近中心處，凍融圈范圍將越小。

3.2.3 施工機械設備配套原則

在高原、缺氧、低溫、高寒的條件下，隧道施工機械設備配套原則為：①少用舊設備，多用新設備；②少用非增壓設備，選用增壓設備；③少選小型設備，選用大型設備；④少選內燃設備，多選風動、電動設備；⑤拒絕容易出故障的落后設備，選用進口、合資、國內組裝的先進設備。

4 結語

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊環境條件下，通過對米拉山隧道工程施工及一系列的分析研究，對施工機械設備的選型和配套使用、制氧機供氧系統、混凝土施工保溫等進行了初步的探討，總結了一定的經驗，為高原、缺氧地區隧道施工提供了一些技術方法和手段。同時，通過對設備的選型、配套、維修、保養，提高了高原地區設備的利用率，降低了機械設備的故障率，減少了勞動力的使用數量和強度，取得了較好的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

[1]吳煥通.隧道施工及組織管理指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]戴強民.公路施工機械[M].北京：人民交通出版社，2007

[3]溫少芳.凍土隧道施工通風模糊控制系統的研究[J].鐵道工程學報，2006（8）：67-69.

[4]吳應明.高原多年凍土隧道施工技術[J].鐵道標準設計，2003（3）：5-8.

[5]田俊峰，楊更社，徐江，劉慧.寒區隧道襯砌厚度及凍害防治措施探討[J].地下空間與工程學報，2007，3（7）：1372-1377.

[6]張扯道，等.高海拔及嚴寒地區隧道防凍設計探討[J].現代隧道技術，2004，3（41）：1-6.

[7]耿珂.凍融循環對寒區隧道結構凍脹力的影響[J].冰川凍土，2013，35（4）：913-919.