嚴寒地區修建鐵路高風險隧道綜合施工技術

高 峰

(中交隧道工程局有限公司,北京 100102 )

為了解決好嚴寒地區富水、大塌方、大變形,以及偏壓高風險隧道施工難題, 施工、設計等參建單位事前科學論證,事中實踐、總結、改進、提高。本文以新建哈爾濱至牡丹江鐵路客運專線工程紅旗溝隧道為例,介紹在嚴寒地區修建鐵路高風險隧道的基本經驗和一些施工關鍵技術, 如: 防排水、防寒保溫、低溫混凝土施工等, 解決了施工有關難題。這對在嚴寒地區修建鐵路高風險隧道,具有重要的參考價值。

1 工程概況及地質特點

紅旗溝隧道位于黑龍江省牡丹江市轄海林市境內, 隧道設計為單洞雙線隧道。施工環境復雜多變,春季多風,夏季短暫且溫度炎熱,冬季漫長寒冷,依據影鐵路工程的氣候分區,紅旗溝隧道隸屬嚴寒地區,隧道地層最大凍結深度約為1.91m。隧道進出口碎石土具Ⅰ級不凍脹～Ⅲ級凍脹,全風化花崗巖具Ⅲ級凍脹～Ⅳ級強凍脹級。

該隧道洞身DK239+690～DK239+790、DK239+915～DK239+990、DK240+095～DK240+170、DK241+080～DK241+150、DK242+115～DK242+175段物探揭露為破碎帶,受結構方面的影響,巖體極破碎嚴重,風化嚴重,且具差異性風化,富含地下水,在施工過程中,會引起洞體巖體出現掉塊及較大面的塌方和洞體結構大變形及洞內突水,為Ⅴ級圍巖地段。進出口段,巖石風化嚴重局部呈砂土狀,巖體破碎,自穩能力差,洞頂、洞壁極有可能出現塌方和大變形,且存在偏壓現象。

針對紅旗溝隧道的工程特點,在施工過程中必須牢牢把握 “嚴寒”、“富水”、“軟弱圍巖”這幾個基本特征,實時把控,有針對性地做好現場施工的各項工作。

2 采取的施工關鍵技術

2.1 “嚴寒”放工關鍵技術

2.1.1 適用于嚴寒條件下的施工機械配套技術

在經過詳細的閱讀和研究招標文件和現場勘測后,紅旗溝隧道被列為本標段的控制性工程,具有施工難度大、施工工期張、技術要求高等特點,施工場地地處嚴寒地區,施工過程中需具備保溫、防寒設計要求,在施工過程中應用大型機械化配套施工技術,依據施工特點投入大型隧道施工專用機械設備,實現隧道掘進施工、隧道支護襯砌施工和隧道輔助施工三條主要工序全機械化作業。為實現機械化快速施工的有效實施,本標段采用先進的機械設備,確保隧道安全施工、質量優良和保證節點工期的目標；機械設備成套配置,可快速形成生產能力；且機械設備配置工作能力明顯高于施工進度要求的指標,在機械設備配置前充分考慮設備充裕系數,主要采用的機械設備如下表所示：

序號設備名稱規格型號數量額定功率(kW)生產能力1管棚鉆機YGL-10013760-150m2砼濕噴機TK96184530m3/h3風動鑿巖機YT-2860//4電動空壓機LGY-22/7G1213222m3/min5多功能作業臺架自制8//6挖掘機CAT41662m37裝載機CLG88841543.8m38自卸汽車斯太爾10206/9注漿泵KBY50/704115m3/h10混凝土運輸車8m310206/11混凝土輸送泵HBT60S619593m3/h12全自動混凝土拌合站HZ120213軸流通風機110kW*24220/

2.1.2 低溫混凝土施工技術

(1)通過自行設計的加熱系統,對混凝土拌合用水進行加熱,保證混凝土出機溫度滿足TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》冬季混凝土出機溫度不宜低于10℃。

(2)摻加外加劑,控制混凝土的配合比,提高混凝土自身的性能。

(3)加強混凝土運輸過程中的保溫工作,減少熱量散失。

以上幾種措施的綜合使用,保證了混凝土施工質量,達到設計強度要求。

2.2 “富水”放工關鍵技術

針對隧道“富水”工程特點,防凍漲是施工中要解決的核心問題。低溫和水的存在是形成凍漲的基本因素,因此在施工過程中需綜合采取防排堵截治水措施。

2.1.1 設置深埋中心水溝

DK238+250～DK239+750、DK241+163～DK242+663段設置雙側保溫排水溝及深埋中心水溝。

保溫排水溝采用的是雙層蓋板的結構形式,并在蓋板的外圈采用3mm厚橡膠條密封外貼保溫。蓋板之間采用聚氨酯為保溫材料。深埋中心水溝采用直徑為800mm且厚度為1200mm的鋼筋混凝土預制管。仰拱底部中心設置5cm厚聚氨酯保溫板,聚氨酯保溫板周圍采用EVA防水板包裹并密封。

洞口1000m范圍內,除DK238+325～DK238+650、DK242+490～DK242+638段全環設置保溫層外,其余地段環向盲溝外側設置幅寬2m的保溫層(雙層防水板+5cm厚聚氨酯保溫板)。在隧道兩側邊墻墻腳外側(水溝底30cm以上)設置外包土工布的Φ100打孔波紋管透水盲管,環、縱向盲管通過隧底Φ100PVC管橫向導水管引入中心深埋排水管,橫向導水管間距與環向透水盲管相同。橫向導水管放置于20cm×20cm(寬×深)的碎石盲溝內。

2.1.2 注漿堵水

隧道洞口段1000m范圍內的Ⅲ～Ⅴ級圍巖地段,在拱墻范圍初期支護背后采取防寒徑向注漿填充圍巖裂隙、封堵地下水,達到不滲水狀態。隧道貫穿圍巖節理裂隙發育、富水斷層,地下水水量豐富及地層敏感地段,在施工過程中可采取超前小導管注漿和開挖后徑向注漿等施工堵水措施,減少施工中造成的地下水流失。在隧道開挖后,如發現局部滲水現場明顯,在集中引排可能造成環境破壞時,可采取局部注漿的方法進行滲水封堵。

2.1.3 隧道施工防水

隧道二次襯砌與初期支護之間邊墻部位和拱部采用厚度為1.5mmEVA防水板。初期支護與防水板之間加鋪400g/m2無紡布。在二次襯砌的拱部預留注漿花管和排氣管,間距為12m,待襯砌混凝土達到設計要求強度后,方可進行充填注漿施工。

2.1.4 施工排水方案

根據現場開挖施工情況,隧道的進出口基本上為順坡排水的方式,施工過程中只需在隧道的兩側開挖排水溝,利用自然坡度將污水排至處理池,污水在處理后方可排放。

當隧道反坡施工時則采用反坡排水,在洞內的一側加設一個集水坑,集水坑間距約400m左右,集水坑與集水坑之間采用水泵接力抽水,直至排到污水排至凈化池,經處理后排放。

在施工中需準備足夠的抽水設備及與管道,以防止發生突水現象。當突水情況發生后,除啟用全部排水設備設備外,同時還要將水管和高壓風切斷管,并將其改裝為臨時排水設施。

2.2 “軟弱圍巖”施工關鍵技術

2.2.1 隧道進出洞方法

隧道進出洞由于地質情況較差,拱部采用Φ108×6mm熱軋無縫鋼管超前大管棚注漿預支護,初期支護采用型鋼鋼架加強,鋼管采用絲扣聯接。大管棚長進口40m,出口40m,按環向布置,環向間距40cm。導向墻采用C20混凝土,截面尺寸1m×1m。為保證大管棚施工精度,導向墻內設3榀I18輕型工字鋼架,鋼架外緣設Φ140×5mm導向鋼管。注漿采用水泥漿液,水灰比為1∶1(重量比),注漿壓力：0.5～2.0MPa。

2.2.2 合理預留變形量

在確定開挖斷面時,除應滿足隧道凈空和結構尺寸外,預留適當的預留變形量。該隧道洞身Ⅴ級圍巖、進出口地段,在實際施工中,預留變形量調整為30cm,既保證二襯厚度,又節約造價。

2.2.3 洞身軟弱圍巖開挖方法

隧道洞身Ⅴ級圍巖巖體破碎、呈碎石狀松散結構,表覆粉土、粗角礫土采用三臺階臨時橫撐法；軟弱圍巖地段采用微震光面爆破技術等控制爆破開挖,以減輕對圍巖的擾動和破壞。

3 結語

在嚴寒地區修建鐵路高風險隧道,細致的現場調查工作是進行科學的施工組織的前提。必須客觀、深入了解隧道的工程地質和水文地質情況,必須緊緊把握“嚴寒”、“富水”、“軟弱圍巖”這幾個基本特征,有針對性地做好施工的各項工作。

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