高海拔严寒隧道穿越冰水堆积层施工关键控制技术

张小军

（中铁一局集团第四工程有限公司，湖北 咸阳 712000）

1 工程概况

四川甘孜317国道是我国西南地区的重要道路工程，其中雀儿山隧道工程环境复杂，为世界第一高海拔特长公路隧道。相较于常规山岭隧道而言，本工程各处海拔均超4 000m，随之内含有大量现代冰川与古冰川，为典型的高山-极高山冰川地形。资料表明，区域内最高温仅为23.5℃，极端情况下低温为-34.7℃，进出口处含有大量冻土，对应深度155cm、138cm。总体上，工程环境复杂，对工艺水平提出极高要求。雀儿山隧道施工难度较大，主要以崩坡积层、碎石砂层等稳定性偏弱的地质结构为主，块碎石总量约55%，粒径多介于20～2 000mm，存在大量的结晶粗砂，部分区域出现架空现象。经勘察得知，掌子面拱部与左侧地质状况极差，存在明显的地下水渗流现象。受开挖作业的影响，在拱顶与侧壁处出现明显的掉块现象，且部分区域坍塌。隧道穿越地层主要由2部分构成，即第四系（Q）冰水堆积层和燕山期花岗岩，围岩级别以Ⅲ级、Ⅳ级居多。

2 冰水堆积层隧道施工技术

2.1 超前地质预报

高原地区气候反常，昼夜温差较大，冰水堆积层伴随有反复冻融现象，在此影响下围岩逐渐疏松，严重时出现架空现象。在此情形下，加强超前地质预报具有高度现实意义，需准确掌握前方围岩情况，基于地质雷达等方式全面分析后续施工阶段的地质情况，保障所得超前地质预报结果准确性，关于富水与掉块区域，可设置超前探孔做进一步分析。做好超前地质预报工作，监控地质变化、指导现场施工。此外，高原地区施工环境复杂，施工人员需具备专业素质，因此施工前的培训必不可少，且要实行岗位责任制。

现阶段，隧道施工中可行的预报方法种类较多，但需要从工程实况出发，确定合适的方法，此举对于预报结果精确性而言尤为关键。从时间与空间距离层面来看，可划分为2类预报方法，具体分析如下：

1）短期预报。发生于掘进施工作业中，在较短时间内展开现场检测，获得掌子面及其周边区域的地质信息，具体体现在节理产状、岩性等方面，整合所得结果并将其输入计算机软件中，在程序的作用下以自动化的方式分析地质情况，诸如不稳定块体的实际位置、分布特点等，由此做出施工预报。此类方法的特点在于操作便捷，所得结果精度较高，预报距离为5～10m，具有较好的推广价值。

2）中长期预报。从施工现场的地质构造出发，辅以可行的物探手段展开，主要探测区域为掌子面前方较远的地段，从中总结地质构造特点，创建预报模型，实现对全方地质灾害的有效预报[1]。通常而言，此类方法的预测距离均＞10m，以所得结果为准可为施工作业提供指导，选择合适的支护手段，从经济效益这一层面来看，明显优于短期预报。当然，由于预报距离相对较长，且隧道内地质环境复杂，所得结果的精确性相对欠佳，这也是隧道预报中的一大痛点，值得工程人员进一步探讨。

2.2 超前支护

超前预加固需做好2方面工作：（1）针对隧道地表采取预加固措施；（2）针对掌子面前方围岩采取预加固措施，实现对不良地质层的有效处理。

在本工程中，基于φ42mm小导管设置单层超前支护结构，满足拱部120°布设要求；基于φ42mm注浆小导管形成径向系统锚杆体系，长度3.5m，小导管横纵间距一致，均为100cm×80cm。针对上述结构注双液浆，具体为磷酸+水玻璃双浆液注浆。工艺参数主要有：A液（水玻璃∶水）=1∶1，B液（磷酸∶水）=1∶15；A 液∶B 液=1∶1（质量比）；注浆压力：0.3～0.8MPa；水玻璃ρ=1.38g/cm3，磷酸（弱酸）ρ=1.70g/cm3，水ρ=1.00g/cm3。

工程中合理应用超前预加固方法，与围岩状况达到相适应状态，创设安全施工环境，重点关注超前预加固质量，严格控制各环节操作。

2.3 围岩开挖

存在大量冰水堆积漂石土砂层，在此基础上开挖作业后稳定性大幅降低，易引发坍塌事故。为确保工程安全性，需经由环向开挖的方式预留核心土，具体使用到三台阶七步法，此方式可有效减少局部开挖面积，降低对围岩的不良影响，为支护施工提供便捷条件，在核心土作用下可有效支撑掌子面。

此环节施工中，需注重如下几点内容：将核心土进深长度控制在3～5m，以隧道开挖宽度为基准，要求所得核心土宽度为该值的1/3～1/2，且两侧空间至少达到2m；针对核心土上弧形采取开挖处理，高宽均控制在1.5～2.0m，在此基础上随即初喷混凝土，增设钢支撑结构，通过锁脚锚管达到固定效果，并安装钢筋网片、钢支撑连接钢筋，再次喷射混凝土。不同类型的台阶长度存在差异，上台阶3～5m，中台阶5～8m，下台阶8～10m，单个循环上方0.8m处均要增设1榀0.5m钢拱架结构[2]。针对中部两侧展开掘进施工时，要求错开2榀钢拱架，针对下部掘进施工时应错开3榀，完成掘进施工后随即采取初喷支护措施。

2.4 初期支护

初期支护环节的主要内容如下：

1）结束隧道开挖后随即初喷混凝土，在较短时间内封闭岩面，有效避免围岩松动圈扩大的问题，初喷厚度达4cm。若出现超挖现象或部分区域渗水明显，需做好初喷前的准备措施，即挂设钢筋网与引水管，在此基础上方可展开初喷作业。

2017年4月20日3:00～6:00在某油田注水系统下游用户反映纳滤系统调试过程中入口保安滤器5 μm、压差高1 MPa，拆检发现滤芯有较大藻类味道，没发现什么明显的堵塞物，疑似有点像藻类和生物堵塞。说明上游水质可能变差。当天V30测试为9 L。

2）选用高精度钢拱架，经由试拼且达到工程标准后即可批量生产。安装过程中，以现场控制点为基准遵循逐榀安装的原则，密切分析安装垂直度、标高以及螺栓连接效果。

3）以围岩地质情况为基准，需在钢拱架底部增设槽钢扩大基础，确保拱架具备优良的受力能力，各拱架落脚处均要增设2根锁脚锚管，以缓解拱架下沉问题。

4）考虑到冰水堆积体围岩饱水问题，宜选用φ42mm小导管注浆方式，提升围岩自稳能力。

2.5 防排水

在冰水堆积层中施工作业，需有效提升防排水效果。通过小导管注浆的方式，可有效隔绝地下水，避免其进入到注浆固结层中，此举可消除地下水大面积漫流问题，有效控制初支冻结范围。利用环向排水管，可将地下水汇聚至中央排水管中，与此同时敷设防水板，能够有效阻隔地下水。除此之外，二次衬砌表面有必要敷设保温板，避免出现初支与二次衬砌的冻结现象。

2.6 监控量测

全面确保施工质量的关键在于监控量测工作，从而有效预测险情，此举是创设安全施工环境的“眼睛”。针对冰水堆积层地形，其施工环境尤为复杂，必须得到精确监控量测数据的支持，由此选定可行开挖工法，合理调节支护等环节的施工参数，为隧道施工创设有利条件。在开挖以及支护过程中，均要做好监控量测工作。

1）关于拱顶下沉与收敛量，二者的量测起始读数需尽可能在3～6h结束，其余部分需在开挖结束且经过12h内开展，但必须在24h之前结束。

2）结束地基的处理且做仰拱施工作业后，在其顶面横断面增设3个测点，要求纵向以10m为间隔设置1排，适配高精度水准仪有效观测沉降情况，以工程实际情况为准，确定合适的测量周期。

3）针对浅埋段地表下沉现象展开量测工作时，应与拱顶下沉量测设置在相同横断面，并合理设置观测点。

2.7 衬砌施工

隧道施工复杂度较高，在高海拔严寒的影响下，尤其是穿越冰水堆积层时，更需要注重对衬砌的保护，以免受到高寒环境的损伤。施工中，二次衬砌混凝土材料尤为关键，以高性能防冻抗裂型材料为宜，向其中掺入适量纤维素以提升材料的抗开裂性能，通过增加适量防冻剂的方式增强材料的防冻能力，结束二次衬砌施工后需为之增设保温层。

2.7.2 施工措施

受气温条件影响，不利于混凝土整体强度，且削弱了混凝土耐久性，易引发表面裂纹。基于此，结束仰拱施工后随即使用土工布以及帆布加以覆盖，并在洞口处设置帆布帘，选取工作状态稳定的电热丝置于洞内达到升温效果，使其恢复至平原温度状态。

2.8 施工组织

2.8.1 人员配置

施工现场为典型的高海拔地区，在此环境下施工作业必然会对效率造成影响，经分析得知，人工功效明显下降，仅为平原地区的一半。为满足安全施工的要求，适当缩减单班次施工时间，给施工人员足够的休息空间，并配备大量的供氧设施，以便应对突发情况。

2.8.2 机械配置

相比于平原地区的施工作业而言，在高海拔环境下机械设备的性能也有所下降，机械功率仅为60%左右。但为了不影响施工效率，需引入一定数量的机械设备，且各自的运行性能需得到保障。

3 工程施工优势分析

实践表明，本文所述施工技术在实际工程项目应用中具有以下优势：

1）雀儿山隧道进出口区域施工环境苛刻，有超过200m的冰水堆积层段，基于环向开挖方式预留足量核心土，并实行三台阶七步法，单个工作日进度1.18m，持续施工月进度可到35.5m，在整个高海拔地质环境中具有典范性意义，关键技术具有可参考价值。

2）采取科学开挖方式持续施工，辅以超前支护手段，各区段的监控量测工作有序展开。基于对进出口地段的分析得知，地表沉降最大处6.2cm，收敛变形最大值5.2cm，隧道偏压、拱顶下沉等都得到有效控制，均在工程许可范围内。

3）在高海拔施工环境中，基于对冰水堆积层的隧道施工工艺研究，深入了解冰水堆积层地质情况，提出了具有适用性的支护方法，确保工程整体质量，彰显出优良效益性。

4 结语

综上所述，从冰水堆积层的实际情况出发，为之探讨可行的施工方案，有效整合人员、设备等各项施工要素，提升彼此的均衡性，并对工程中的关键技术加以分析，探讨了高海拔高寒地区隧道穿越冰水堆积层段施工工法，其具有一定的指导意义，可为后续复杂环境下的隧道施工提供技术指导。