高海拔地区隧道冲沟破碎带施工工艺研究

李方LI Fang

（中铁十五局集团第二工程有限公司，上海 201713）

0 引言

目前川藏铁路项目已如火如荼的开始建设，该铁路对我国西部大开发以及维护西藏地区的安全稳定有着重要意义。该铁路的建设不但体现了我国越来越雄厚的综合国力，而且也体现出了我国高超的基建水平。川藏铁路不同于其他铁路项目，由于川藏铁路位于青藏高原断块区，构造运动十分强烈，是我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区，不但地质结构复杂，而且受板块活动影响，不良地质居多，对工程施工影响很大。在新建川藏铁路拉萨至林芝段站前工程LLZQ-1B标段香嘎山隧道工程施工中，由于该隧道受区域构造影响，隧道所穿越的地层地质较差且较为复杂，尤其是部分地段位于岩层冲沟破碎带上，使得围岩自稳能力极差，若施工不当极易造成塌方或冒顶，不但增加了施工难度，而且对隧道内的人员设备安全及施工质量均造成很大影响。同时由于施工地处青藏高原，高原地区气候环境对机械设备及施工人员的影响进一步增加了隧道施工的困难及安全风险。为保证隧道施工安全，减少不良地质尤其是冲沟破碎带所带来的不利影响，项目部从隧道开挖方法、支护工艺及施工监测等方面进行详细规划和严格把控，同时对施工机械设备进行改造保证其性能满足施工需求。通过一系列举措，不但使得隧道顺利穿越岩层冲沟破碎带，保证了施工安全，而且也减少了高原环境对机械设备性能的影响，加快了施工进度，提高了机械设备的使用率，降低了施工措施费用。通过现场实际应用，上述举措在高海拔地区隧道冲沟破碎带施工中取得很好的效果。

1 工程概况

香嘎山隧道起讫里程为DK53+572～DK56+050，全长2478m，全部为单线隧道，隧道最大埋深约335m，设计时速160km/h。隧道进口端257.756m位于R=3000m的右偏曲线上，洞身1797.017m位于直线上，出口端423.227m位于R=2500m右偏曲线上。

隧址区位于青藏高原东南部雅鲁藏布江右侧，属于雅鲁藏布江宽谷区。线路穿越一小山脊，其属喜马拉雅山系，地面高程为3560～3960m，相对高差约400m；自然坡度约5°～40°，坡面基岩裸露，有少量灌木。洞身穿越三叠系上统姐德秀组一段（T3j）石英砂岩、粉砂质板岩、碳质娟云板岩、千枚岩，为软质岩，受区域构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，施工中可能发生塌方风险。其中DK54+500-DK54+670段洞顶地表有纵向冲沟，线路沿着冲沟沟底前行，冲沟坡度为45°，埋深最浅处46m。该处为整个隧道地质最为薄弱地段，由于冲沟与线路方向平行且岩层极为破碎，极易造成隧道塌方或冒顶事故的发生[2]《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》（铁建设[2007]200号）。

2 隧道冲沟破碎带施工方案

香嘎山隧道DK54+500-DK54+670段岩层冲沟破碎带，采用全断面帷幕注浆加固地层，注浆加固范围为开挖轮廓线外5m，浆液采用水泥浆，注浆后可大大增加岩层之间的凝结力，使得其开挖后自稳能力增加，降低塌方或冒顶发生的风险；拱部采用φ108管棚+φ42小导管超前支护，φ108管棚长35m，环向间距40cm，外插角6～8°，搭接不小于5m；管棚间内插φ42超前小导管，L=3.5m，环向间距50cm，外插角10～15°，纵向搭接不小于1m。采用台阶设临时仰拱法施工。

2.1 帷幕注浆施工方法及工艺

冲沟破碎带全断面帷幕注浆加固范围开挖轮廓线外5m，纵向注浆范围30m，搭接5m，压注水泥浆液，普通区段注浆压力为1～3MPa，若遇到强富水地段，其注浆压力可升至为6.0MPa。帷幕注浆加固范围见图1。

图1 帷幕注浆加固范围示意图

为减少对破碎岩层的扰动，保证注浆效果满足施工需求，现场采用分段钻杆后退式注浆工艺。浆液配合比必须按照实验参数进行严格控制，注浆前对注浆管道系统仔细检查，确保管路畅通。钻杆域注浆管路连接牢固，注浆时需缓慢进行，优先注射流动度较好的浆液。注浆量不得小于注浆设计量，并以设计注浆压力值稳压2～3min，注浆结束后及时清洗管道，然后关闭进浆阀门，需待浆液初凝后方可进行下一段注浆。

注浆分段长度需根据前方富水量确定，当水量＜10m3/h时，分段长度≤10m，当水量＞10m3/h且＜30m3/h时，注 浆 段 长度≤5m，当水量在>30m3/h时，则不得注浆。详见图2。

图2 后退式注浆工艺流程图

2.2 管棚施工工艺

采用外径108mm、壁厚6mm热轧无缝钢管及钢花管，用每节3～6m长的热轧无缝钢管用丝扣连接而成，丝扣长15cm，钢花管及钢管接头应错开布置，不得在同一截面内，相邻钢管接头至少错开1m。钢管环向间距为40cm。注浆小孔按照梅花形设置，其孔径为10～16mm，相邻两个孔距离为15～20cm，呈梅花形布置，注浆管尾部设置≥10cm的止浆段。为了提高导管的抗弯能力，在导管内增设钢筋笼，钢筋笼主筋共4根，为HRB400Ф18mm钢 筋，采 用Ф42mm，壁厚3.5mm的钢管段（段长5cm）对其进行固定连接。

管棚施工前，应加大开挖面并按设计要求施工长管棚导向墙，采用测量仪器对需要预埋的钢管进行精确放样定位，并检查钢套管的水平倾斜度，在钻进过程中需按一定频率对管棚钢管的倾斜度、钻进长度进行检查并形成记录。管棚注浆参数需由现场实验确定，严格按照现场取得的参数进行浆液配比。注浆结束待浆液初凝后采用砂浆对管道进行填充。管棚注浆顺序为先下后上，压力先小后大。

2.3 超前小导管注浆

为进一步减少破碎围岩对隧道开挖的影响，该隧道冲沟破碎带地段拱部采用超前小导管支护，超前小导管采用外径42mm热轧无缝钢花管，单根长度3.5m，壁厚3.5mm。导管沿隧道拱部均匀布设，相邻管道之间距离为40cm，相邻管道之间搭接≥1.0m。超前小导管必须先穿过钢拱架，其端部与钢拱架焊件固定。

2.4 冲沟破碎带开挖

本隧道冲沟破碎带开挖采用台阶法分部开挖。气退式凿岩机钻眼，塑料导爆管非电起爆系统、毫秒微差有序起爆，爆破方式采用光面爆破已最大限度减少超挖，爆破后采用挖机配合自卸汽车运输渣石。采用台阶法开挖施工中应严格遵循“先排水、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的基本原则[1]《客货共线铁路隧道施工技术指南》（Q/CR 9653-2017）。及时对开挖面喷射混凝土进行封闭处理，并及时对周边进行支护。主要施工顺序为：超前支护→开挖上台阶→上台阶形成支护→开挖下台阶→下台阶形成支护→开挖仰拱→填充仰拱→完成二次衬砌。有钢架时下台阶必须单侧错开开挖。详见图3。

图3 台阶法施工示意图

2.5 监控量测措施

由于该隧道冲沟破碎带围岩自稳性极差，经预注浆及径向锚杆施做后其自稳能力随有改善，但受技术条件、施工工艺等方面限制，其稳定性也未处于完全可控状态，因此对该段的监控监测措施必须有针对性的实施。破碎冲沟段量测断面测点的布置个数应适当加密，施工地段每个量测断面处设置一个拱顶下沉测点，四个水平净空收敛测点[3]《铁路隧道监控量测技术规范》（Q/CR9218-2015）。详见图4。

图4 台阶法施工段拱顶下沉及净空量测的测线布置示意图

通过对围岩及支护结构的监测，对其动态进行实时把控，判断其状态是否安全，同时对围岩稳定性及支护结构的安全可靠性进行预估，从而通过监控量测对下一步施工进行指导。

3 施工机械设备改进措施

3.1 高原环境对机械设备的影响

高原特殊大气条件的影响，造成机械设备功率及仪器仪表性能降低，从而对整个机械设备的工作效率、运行稳定性、密封元器件的耐久性均产生较大影响。由于海拔越高气压越低，使得内燃机设备做功功率降低，尤其是以汽油机为动力的设备，受高海拔的影响，汽油挥发更加迅速，空气与燃料混合比变化较大，从而造成进气压力大大降低，使得燃料燃烧度降低，输出功率不足，而且还造成机械设备长期处于超负荷状态工作，加之该地区风沙较大，对机械设备齿轮气缸等易磨损部件伤害加大。由于高海拔地区设备进气量不足，机械设备散热效率较低，传统的冷却系统无法满足散热需求。因此为保证高海拔地区机械设备的正常运行，需从其吸气工作、防风防沙、燃油使用等方面进行特殊考虑，同时对驾驶室的密封性等进行加强，保证作业人员的身心健康。

3.2 施工设备改造方案

为保证柴油机械设备的功率输出，需加大其排放量及进气量，必要时采用涡轮增加技术，涡轮增压器优先选择专用的高原型增压器，并进行良好的增压匹配。采用增压空气中间冷却方式对机械设备进行散热，可以有效提高增压柴油机功率和降低热负荷。另外加大水泵风扇的流量，增加水箱的散热面积，采用封闭式加压冷却系。采用特殊的防冻液来实现高温冷却。采用双管路机油散热器也可有效地降低机油温度。

在启动发动机之前，向缸内喷注启动液，使得发动机首先通过低燃点燃料启动后再迅速带动活塞造成燃料油的燃烧。对于液力传动机械而言，因低温启动阻力大，因而对启动马达机构的强度应作相应的补强。

4 施工注意事项

①做好隧道地质超前预报工作，尤其在破碎冲沟段及其他地质较差浅埋段需指派专人观测地面变化有无沉降，确保施工的安全[4]《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）。②根据岩层性质选择合理的开挖方式，爆破必须采用浅孔控制爆破，爆破后需对周边加强监控监测频率，根据监测结果及前方地质状态对爆破参数及时调整，确保施工安全。③采取TSP203、红外探水、超长水平钻、超长炮眼、地质雷达及地质素描等手段早期对隧道作业面前方进行地质超前预测，及时处理分析数据，做到及早预防，提前采取防范措施。④当遭遇阴雨天气时，应加强对地表施工影响范围内的沉降监测，同时对洞内地下水出露状况，支护结构可观察到的变形情况，危石情况等进行观察记录。

5 结束语

通过对隧道开挖方法、支护工艺及施工监测等方面进行详细规划和严格把控，同时对施工机械设备进行改造，不但使得隧道顺利穿越岩层冲沟破碎带，保证了施工安全，而且也减少了高原环境对机械设备性能的影响，加快了施工进度，提高了机械设备的使用率，降低了施工措施费用。通过现场实际应用，上述举措在高海拔地区隧道冲沟破碎带施工中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。