高海拔地區隧道沖溝破碎帶施工工藝研究

李方LI Fang

（中鐵十五局集團第二工程有限公司，上海 201713）

0 引言

目前川藏鐵路項目已如火如荼的開始建設，該鐵路對我國西部大開發以及維護西藏地區的安全穩定有著重要意義。該鐵路的建設不但體現了我國越來越雄厚的綜合國力，而且也體現出了我國高超的基建水平。川藏鐵路不同于其他鐵路項目，由于川藏鐵路位于青藏高原斷塊區，構造運動十分強烈，是我國大陸現今地殼構造運動最為強烈的地區，不但地質結構復雜，而且受板塊活動影響，不良地質居多，對工程施工影響很大。在新建川藏鐵路拉薩至林芝段站前工程LLZQ-1B標段香嘎山隧道工程施工中，由于該隧道受區域構造影響，隧道所穿越的地層地質較差且較為復雜，尤其是部分地段位于巖層沖溝破碎帶上，使得圍巖自穩能力極差，若施工不當極易造成塌方或冒頂，不但增加了施工難度，而且對隧道內的人員設備安全及施工質量均造成很大影響。同時由于施工地處青藏高原，高原地區氣候環境對機械設備及施工人員的影響進一步增加了隧道施工的困難及安全風險。為保證隧道施工安全，減少不良地質尤其是沖溝破碎帶所帶來的不利影響，項目部從隧道開挖方法、支護工藝及施工監測等方面進行詳細規劃和嚴格把控，同時對施工機械設備進行改造保證其性能滿足施工需求。通過一系列舉措，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境對機械設備性能的影響，加快了施工進度，提高了機械設備的使用率，降低了施工措施費用。通過現場實際應用，上述舉措在高海拔地區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2478m，全部為單線隧道，隧道最大埋深約335m，設計時速160km/h。隧道進口端257.756m位于R=3000m的右偏曲線上，洞身1797.017m位于直線上，出口端423.227m位于R=2500m右偏曲線上。

隧址區位于青藏高原東南部雅魯藏布江右側，屬于雅魯藏布江寬谷區。線路穿越一小山脊，其屬喜馬拉雅山系，地面高程為3560～3960m，相對高差約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姐德秀組一段（T3j）石英砂巖、粉砂質板巖、碳質娟云板巖、千枚巖，為軟質巖，受區域構造影響，節理裂隙發育，巖體破碎，施工中可能發生塌方風險。其中DK54+500-DK54+670段洞頂地表有縱向沖溝，線路沿著沖溝溝底前行，沖溝坡度為45°，埋深最淺處46m。該處為整個隧道地質最為薄弱地段，由于沖溝與線路方向平行且巖層極為破碎，極易造成隧道塌方或冒頂事故的發生[2]《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》（鐵建設[2007]200號）。

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，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5m，漿液采用水泥漿，注漿后可大大增加巖層之間的凝結力，使得其開挖后自穩能力增加，降低塌方或冒頂發生的風險；拱部采用φ108管棚+φ42小導管超前支護，φ108管棚長35m，環向間距40cm，外插角6～8°，搭接不小于5m；管棚間內插φ42超前小導管，L=3.5m，環向間距50cm，外插角10～15°，縱向搭接不小于1m。采用臺階設臨時仰拱法施工。

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挖輪廓線外5m，縱向注漿范圍30m，搭接5m，壓注水泥漿液，普通區段注漿壓力為1～3MPa，若遇到強富水地段，其注漿壓力可升至為6.0MPa。帷幕注漿加固范圍見圖1。

圖1 帷幕注漿加固范圍示意圖

為減少對破碎巖層的擾動，保證注漿效果滿足施工需求，現場采用分段鉆桿后退式注漿工藝。漿液配合比必須按照實驗參數進行嚴格控制，注漿前對注漿管道系統仔細檢查，確保管路暢通。鉆桿域注漿管路連接牢固，注漿時需緩慢進行，優先注射流動度較好的漿液。注漿量不得小于注漿設計量，并以設計注漿壓力值穩壓2～3min，注漿結束后及時清洗管道，然后關閉進漿閥門，需待漿液初凝后方可進行下一段注漿。

注漿分段長度需根據前方富水量確定，當水量＜10m3/h時，分段長度≤10m，當水量＞10m3/h且＜30m3/h時，注 漿 段 長度≤5m，當水量在>30m3/h時，則不得注漿。詳見圖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熱軋無縫鋼管及鋼花管，用每節3～6m長的熱軋無縫鋼管用絲扣連接而成，絲扣長15cm，鋼花管及鋼管接頭應錯開布置，不得在同一截面內，相鄰鋼管接頭至少錯開1m。鋼管環向間距為40cm。注漿小孔按照梅花形設置，其孔徑為10～16mm，相鄰兩個孔距離為15～20cm，呈梅花形布置，注漿管尾部設置≥10cm的止漿段。為了提高導管的抗彎能力，在導管內增設鋼筋籠，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5cm）對其進行固定連接。

管棚施工前，應加大開挖面并按設計要求施工長管棚導向墻，采用測量儀器對需要預埋的鋼管進行精確放樣定位，并檢查鋼套管的水平傾斜度，在鉆進過程中需按一定頻率對管棚鋼管的傾斜度、鉆進長度進行檢查并形成記錄。管棚注漿參數需由現場實驗確定，嚴格按照現場取得的參數進行漿液配比。注漿結束待漿液初凝后采用砂漿對管道進行填充。管棚注漿順序為先下后上，壓力先小后大。

2.3 超前小導管注漿

為進一步減少破碎圍巖對隧道開挖的影響，該隧道沖溝破碎帶地段拱部采用超前小導管支護，超前小導管采用外徑42mm熱軋無縫鋼花管，單根長度3.5m，壁厚3.5mm。導管沿隧道拱部均勻布設，相鄰管道之間距離為40cm，相鄰管道之間搭接≥1.0m。超前小導管必須先穿過鋼拱架，其端部與鋼拱架焊件固定。

2.4 沖溝破碎帶開挖

本隧道沖溝破碎帶開挖采用臺階法分部開挖。氣退式鑿巖機鉆眼，塑料導爆管非電起爆系統、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，爆破后采用挖機配合自卸汽車運輸渣石。采用臺階法開挖施工中應嚴格遵循“先排水、嚴注漿、短開挖、強支護、勤量測、早封閉”的基本原則[1]《客貨共線鐵路隧道施工技術指南》（Q/CR 9653-2017）。及時對開挖面噴射混凝土進行封閉處理，并及時對周邊進行支護。主要施工順序為：超前支護→開挖上臺階→上臺階形成支護→開挖下臺階→下臺階形成支護→開挖仰拱→填充仰拱→完成二次襯砌。有鋼架時下臺階必須單側錯開開挖。詳見圖3。

圖3 臺階法施工示意圖

2.5 監控量測措施

由于該隧道沖溝破碎帶圍巖自穩性極差，經預注漿及徑向錨桿施做后其自穩能力隨有改善，但受技術條件、施工工藝等方面限制，其穩定性也未處于完全可控狀態，因此對該段的監控監測措施必須有針對性的實施。破碎沖溝段量測斷面測點的布置個數應適當加密，施工地段每個量測斷面處設置一個拱頂下沉測點，四個水平凈空收斂測點[3]《鐵路隧道監控量測技術規范》（Q/CR9218-2015）。詳見圖4。

圖4 臺階法施工段拱頂下沉及凈空量測的測線布置示意圖

通過對圍巖及支護結構的監測，對其動態進行實時把控，判斷其狀態是否安全，同時對圍巖穩定性及支護結構的安全可靠性進行預估，從而通過監控量測對下一步施工進行指導。

3 施工機械設備改進措施

3.1 高原環境對機械設備的影響

高原特殊大氣條件的影響，造成機械設備功率及儀器儀表性能降低，從而對整個機械設備的工作效率、運行穩定性、密封元器件的耐久性均產生較大影響。由于海拔越高氣壓越低，使得內燃機設備做功功率降低，尤其是以汽油機為動力的設備，受高海拔的影響，汽油揮發更加迅速，空氣與燃料混合比變化較大，從而造成進氣壓力大大降低，使得燃料燃燒度降低，輸出功率不足，而且還造成機械設備長期處于超負荷狀態工作，加之該地區風沙較大，對機械設備齒輪氣缸等易磨損部件傷害加大。由于高海拔地區設備進氣量不足，機械設備散熱效率較低，傳統的冷卻系統無法滿足散熱需求。因此為保證高海拔地區機械設備的正常運行，需從其吸氣工作、防風防沙、燃油使用等方面進行特殊考慮，同時對駕駛室的密封性等進行加強，保證作業人員的身心健康。

3.2 施工設備改造方案

為保證柴油機械設備的功率輸出，需加大其排放量及進氣量，必要時采用渦輪增加技術，渦輪增壓器優先選擇專用的高原型增壓器，并進行良好的增壓匹配。采用增壓空氣中間冷卻方式對機械設備進行散熱，可以有效提高增壓柴油機功率和降低熱負荷。另外加大水泵風扇的流量，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實現高溫冷卻。采用雙管路機油散熱器也可有效地降低機油溫度。

在啟動發動機之前，向缸內噴注啟動液，使得發動機首先通過低燃點燃料啟動后再迅速帶動活塞造成燃料油的燃燒。對于液力傳動機械而言，因低溫啟動阻力大，因而對啟動馬達機構的強度應作相應的補強。

4 施工注意事項

①做好隧道地質超前預報工作，尤其在破碎沖溝段及其他地質較差淺埋段需指派專人觀測地面變化有無沉降，確保施工的安全[4]《鐵路隧道工程施工安全技術規程》（TB10304-2009）。②根據巖層性質選擇合理的開挖方式，爆破必須采用淺孔控制爆破，爆破后需對周邊加強監控監測頻率，根據監測結果及前方地質狀態對爆破參數及時調整，確保施工安全。③采取TSP203、紅外探水、超長水平鉆、超長炮眼、地質雷達及地質素描等手段早期對隧道作業面前方進行地質超前預測，及時處理分析數據，做到及早預防，提前采取防范措施。④當遭遇陰雨天氣時，應加強對地表施工影響范圍內的沉降監測，同時對洞內地下水出露狀況，支護結構可觀察到的變形情況，危石情況等進行觀察記錄。

5 結束語

通過對隧道開挖方法、支護工藝及施工監測等方面進行詳細規劃和嚴格把控，同時對施工機械設備進行改造，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境對機械設備性能的影響，加快了施工進度，提高了機械設備的使用率，降低了施工措施費用。通過現場實際應用，上述舉措在高海拔地區隧道沖溝破碎帶施工中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。