季节性冻土及富水软弱围岩长大隧道.pptx

一、工程简介 祁连山隧道全长9.49Km，位于甘青两省交界处。进口位于青海省门源县硫磺沟，出口位于甘肃省民乐县小平羌沟，地处海拔35004300m祁连山中高山区，进口轨面高程为3574m；洞身地表起伏较大，最大埋深达823m；由进口到出口为20单面下坡，隧址位于祁连山冷龙岭断层皱褶带，工程地质及水文地质条件复杂，进口段线路以大角度穿越F6、F7断层碎屑流地带；正洞最大涌水量为10.5万m3/d，1#斜井最大涌水量为5000m3/d，2#斜井正常涌水量最大涌水量为6万m3/d，施工采用“正洞+2座斜井+局部平导”方案，正洞为铁路双线断面，斜井采用双车道（76m），平导采用单车道（56m）。施工区域位于欧亚大陆腹地，为典型的大陆性季风气候，年平均气温-2.9，极端最高气温31.7，极端最低气温-29.6，最大冻结深度2.3米。二、施工特点及难点1、高寒缺氧、环境恶劣，施工组织困难 工程地处高原，高寒缺氧，氧气含量仅为内地的65%，导致施工人员身体机能下降，机械设备功率降低，给施工组织带来了极大的困难。2、地质复杂，施工安全风险大 祁连山隧道位于冷龙岭褶皱带，褶曲发育，穿越4个向斜、2个背斜，地下水发育；线路通过二叠系、泥盆系砂岩，志留系板岩，石炭系灰岩、页岩等多套地层，地质多变，岩体软弱破碎，进口段穿越F6、F7区域性断裂，存在碎屑流地质现象。如此大断面、大规模穿越碎屑流地层，在隧道建设史上没有遇到过，无成功经验可供借鉴,碎屑流地层隧道施工技术是必须攻克的难题。3、涌水量大且单坡排水，施工反坡难度大。祁连山隧道为20的单坡隧道，正洞及斜井涌水量大，正洞进口及2座斜井在施工期间需要反坡排水，施工困难。4、快速施工技术难题 该隧较长，工期紧，环境恶劣，围岩差,涌水量大，高原高寒地区富水软弱围岩大断面隧道快速施工技术是必须要解决的难题。三、施工关键技术1、复杂地质条件隧道施工超前地质预报技术 祁连山隧道为级风险隧道，采用A级预报，即多种预报措施相互印证的预报方法。正洞、平导全隧道物探预报贯通。建立综合预报系统，采用“物探初判、钻探准判、重大异常地段加密钻探，地质编录验证”的预报模式。即：以长距离探测TSP为主，短距离探测以地质雷达为主，断层、褶曲发育及岩溶强烈发育地段增加红外探水，物探异常地段用超长炮孔和水平钻探准确判断，开挖后进行地质编录验证。（1）物探仪器预报（2）直接预报 a超前水平钻探 b超长炮孔 c施工地质编录 d地质物探综合分析法 2、碎屑流地层隧道施工技术碎屑流地层主要为断层破碎带角砾含承压水情况下的软弱围岩，开挖后碎屑涌出，造成围岩大变形，甚至大面积坍塌，其特征为变形量大、变形速度快，变形随时间变化的特征明显，极易塌方。如何安全快速穿越碎屑流地层是隧道施工中的一大难题。（1）全周边超前预注浆加固 采用拱墙89管棚+42小导管注水泥浆加固封堵，同时在高位插设排水管，通过泄水释能降压，起到堵排结合的目的。管棚采用长10m、外径89mm、壁厚5mm的钢花管，外插角1015。日本矿研RPD-150C钻机成孔，碎屑流地层成孔困难地段，采用跟管或套管跟进施作管棚。小导管根据碎屑流压力大小，可用单排或双排小导管，单排小导管长3.5m、外径42mm，壁厚3.5mm，外插角1015，风枪钻孔打入，或采用R32迈式自进式锚杆；双层小导管单根长4.0、3.5m，外插角分别为10、40,相邻两环搭接长度不小于1.0m。（2）掌子面设玻璃纤维锚杆加固 掌子面打设玻璃纤维锚杆注浆加固，每一循环长10m，间距1.21.2m梅花布设。开挖时，保证加固岩盘厚度不少于35m，防止碎屑流冲破岩盘涌出。（3）开挖工法选择 开挖工法设计采用双侧壁导坑法，后根据现场实际情况开始采用中隔壁法，后改为三台阶临时仰拱法，施工工艺见图1，施工工序流程见图2。支护钢架采用H175型钢，间距0.6m，临时支撑钢架均采用I18轻型钢架，每榀钢架间距与主洞身间距一致，为0.6m。（4）开挖后径向补浆加固 对于周边预注浆局部加固效果不好地段，开挖后采取径向注浆加固。在隧道全断面径向布置42小导管或R32迈式自进式锚杆，长度4m、间距1.21.2m，梅花形布设，注水泥浆或双液浆。（5）注浆要求 单液水泥浆配比：水泥：水=1:1；双液浆配比：水玻璃：水泥浆=1:1（重量比），注浆压力不小3MPa；注浆有效扩散半径不小1.5m；径向注浆后加固有效半径：隧道开挖轮廓外4m。3、特长隧道反坡施工排水技术 祁连山隧道地下水类型主要第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水，地下水赋存于基岩构造节理和风化节理裂隙中，接受大气降水和冰雪融水的入渗补给，由于地表植被发育且山上常年积雪，所以地下水的入渗补给量充沛，而且两座斜井分别位于祁连山主脊的上、下游，地下水还接受来自祁连山主脊方向的地下径流补给，综合这些因素造成正洞及斜井涌水量大，施工中需要反坡排水，而且抽水量较大。斜井反坡排水采用分级设置泵站抽水的方法，根据预测的涌水量，每座泵站配置相应数量的大功率水泵，同时配套相应的抽水管道，通过泵站分级提升，将水抽排出洞外。（1）1#斜井排水方案 1#斜井施工期间预测最大涌水量:2万 m3/d，配置水泵时采用的最大涌水量为:2/0.8=2.5m3/d,按一天工作20小时工作时间计算.需选用2台流量600m3/h和1台流量200m3/h的水泵，(2*600+200)*20=28000m3/d，方能满足排水要求。目前国内外最可靠的水泵品牌有：丹麦格兰富、日本荏蒝、上海凯泉、上海东方等，经过经济比选，采用上海凯泉单级潜水排污泵，型号为WQ2520-629A-250单级泵，扬程30m、流量600m3/h、功率90kw，同时配备上海凯泉WQ200-30-37单级泵，扬程为30m、流量200m3/h、功率37kw。水泵配置详见表1，水泵同时使用时电机功率合计672kw。泵站泵站潜水泵潜水泵1 1号泵站号泵站2 2号泵站号泵站3 3号泵站号泵站设计水量设计水量(m(m3 3/d)/d)24002400200002000020000200002000020000型号型号WQ2210-WQ2210-413-80413-80WQ200-WQ200-30-3730-37WQ2520-WQ2520-629A-250629A-250WQ200-WQ200-30-3730-37WQ2520-WQ2520-629-250629-250WQ200-WQ200-30-3730-37WQ2520-WQ2520-629-250629-250使用台数（台）使用台数（台）3 31 12 21 12 21 12 2备用台数（台）备用台数（台）2 21 11 11 11 11 11 1流量（流量（m m3 3/h/h）100100200200600600200200600600200200600600扬程（扬程（m m）1414303030303030333331313333电机功率（电机功率（kwkw）7 7373790903737909037379090管道管道DN350DN350（道）（道）/2 22 22 2 泵站设置：斜井段设3个泵站，见图3，1号站至洞口斜长180m，1号站至2号及2号站至3号间隔210m，沿隧道左侧采用350钢管设置排水主管道2条，泵站设置截流槽，将泵站上游的水汇合截至泵站内。在开挖掘进至下一泵站前，泵站之间设置3个临时积水仓，内设WQ2210-413-80水泵2台，1用1备。13号泵站积水池尺寸：根据WQ2520-629-250水泵自动耦合式安装图，泵站高度为底板以下3.5m，底板以上2.5m；沿斜井纵向长度为4.0m；宽度为3.0m。图3 1#号斜井反坡排水泵站布置示意图(2)2#斜井排水方案 2#斜井施工期间预测最大涌水量：6万m3/d，配置水泵时采用的最大涌水量为：6/0.8=7.5 m3/d，选取上海凯泉WQ5520-462-300单级泵，额定扬程为50m，额定流量QE为1040m3/h，功率220kw；水泵配置详见表2，水泵同时使用时电机功率合计3705kw。斜井段设4个泵站,图4。泵站泵站潜水泵潜水泵1号泵站号泵站2号泵站号泵站3号泵站号泵站4号泵站号泵站设计水量设计水量(m3 3/d)2400070000700007000070000型号型号QW200-30-37WQ5520-462-300WQ5520-462-300WQ5520-462-300WQ5520-462-300使用台数（台）使用台数（台）54444其中备用（台）其中备用（台）22222流量（流量（m3 3/h）2001040104010401040扬程（扬程（m）3050505050电机功率（电机功率（kw）37220220220220管道管道DN400(道道)/1111管道管道DN300(道道)/2222（3）供电设施配备 变压器配置：反坡排水工点配备的变压器，要考虑设置的水泵同时抽水时用电的情况。由于采用大功率水泵，水泵同时抽水时，负荷较大，造成配备的变压器额定容量较大。采用大功率水泵，造成线路负荷较大，线损较大，要求尽早高压进洞。备用电源的配置 施工期间，反坡抽水不能间断，否则会造成涌水淹井，要求电力供应不能停止，因此需配置备用电源。a.二路电源 祁连山隧道进口采用青海省电力，而出口采用甘肃省电力，隧道左侧约5Km的引硫济金引水洞与祁连山隧道并行，在引水洞洞内悬挂电缆，将隧道进口与出口的电力连接起来，相互作为备用电源。b.发电机组 采用多台发电机并网发电，发电机发出的400v电压，经升压变压器及机械闭锁隔离开关，升压至10kv，作为备用电源。3 3、长大设置平导隧道施工通风技术、长大设置平导隧道施工通风技术 隧址地处高原，高寒缺氧、环境恶劣，对作业人员身体健康有较大影响，如果洞内施工作业环境较差，会严重影响作业人员的身体健康。要改善洞内的作业环境，必须加强施工通风，确保通风效果，尤其设置平导，开设多个工作面的情况下，施工通风是一大技术难题。经现场反复研究，采取以下通风技术：（1）配备大功率的通风机；（2）采用巷道式通风 正洞进口与1#斜井与贯通后，将进口及斜井洞口的2台轴流风机移至斜井正洞交叉处，在正洞交叉口安装2台射流风机向洞外吹风，另在斜井交叉口安装2台射流风机向洞内吹风，形成由1#斜井进新鲜空气，正洞出污蚀空气的巷道式通风，见图5。图5 巷道式通风 （3）平导设多个工作面，采用平导“吊顶”的通风方式，用彩钢瓦将平导隔成上、下风道，上风道行走新鲜空气，下风道行走污浊空气，见图6。当平道开设新工作面时，在隔离的上风道设轴流风机通风，见图7.图6 平导“吊顶”断面示意图 图7 平导设多个工作面通风工况图 5、高寒地区隧道洞口段防冻害施工技术 祁连山隧道地处高海拔、高纬度严寒地区，寒冷地区修建隧道工程，会受到季节性冻融、冻胀作用影响，这种周期性的加载卸载作用将对隧道主体结构尤其是洞口带的结构造成破坏，进而影响运营期间的安全性及结构的寿命。(1)洞口段采取的防冻害措施 1）提高混凝土衬砌结构自防水能力，抗渗等级不得低于P12；2）洞口1000m设置双侧盖板保温侧沟及保温中心水沟；3）洞口设置1Km左右的防寒泄水洞；4）进口段位于浅埋及F6断层破碎带，采取了防冻害加强工程措施：进口段1.8Km采取双层保温衬砌结构，结构形式即：初喷混凝土+模筑支护混凝土30cm+防水板+保温层5cm+防水板+二次衬砌，模筑支护完成后至少1个寒期后才能施工二次衬砌；进口段1.8Km范围内的初期支护背后进行压浆处理，严防背后积水，防止冻害。(2)高原高寒地区保温衬砌防水隔热保温层无钉铺设技术 保温衬砌防水隔热保温层是在模筑支护砼与二衬钢筋砼之间设有两层防水布夹一层保温板组成的防水保温层，是防止暖季漏水、寒季挂冰，排水系统冻结以及衬砌混凝土冻胀开裂、酥碎、剥落，减少冻胀病害的重要因素。采用绷铁线法无钉铺设，即：纵向每12m一循环，一端在已施工二衬、一端在模筑支护上打设膨胀螺栓，紧靠模筑支护混凝土面，用紧线器安装钢丝，拱部环向间距每50cm一根，边墙环向间距每100cm一根作为保温板安装过程的纵向支撑，保温板安装一段，及时安装环向钢筋，作为保温板的环向支撑，随后安装第二层土工布及防水板，采用防水板背后的吊带将土工布、防水板绑扎在拉好的钢丝上，实现无钉铺设。防水板采用渗膜热合机双焊缝焊接，保温板采用5cm厚的聚氨酯板，用聚氨酯粘合材料胶合连接。施工顺序为：施工准备清理模筑支护砼表面安装盲管铺设无纺布钉设热塑垫圈、无钉铺设第一层防水板一端在已施工二衬、一端在模筑支护上打设膨胀螺栓、绷钢丝铺设保温板安装环向钢筋支顶铺设无纺布无钉铺设第二层防水板 (3)防寒泄水洞 隧道洞口段设置1000m防寒泄水洞，通过泄水洞排除洞内和洞口段周边围岩的水，是“堵排并重，防冻保温”原则排水、防冻害的关键。防寒泄水洞采用220250cm（高宽）断面，设置于隧道中线的正下方，洞顶距隧道仰拱底不小于5m，其洞口设于正洞洞口一侧，通过设置曲线，绕至正洞正下方。防寒泄水洞范围内正洞检查井每隔125m在检查井下方设1根40cmPVC波纹管与泄水洞联通，用于排泄正洞的水；泄水洞拱顶每隔100150cm，打设长6001000cm80泄水打孔波纹管，用于排泄周边围岩的水；泄水洞设保温出水口。防寒泄水洞断面较小，级、级围岩采用预留核心土风镐开挖、级围岩采用风钻钻眼全断面爆破；出碴采用电动立爪扒渣机装碴，小型农用三轮车运输，衬砌采用拱架小钢模衬砌，50通风管压入式通风。6、高寒地区隧道施工保温防寒技术 祁连山施工区域，每年只有7、8月份不下雪，寒冷季节较长，最低温度-29.6，冬期施工时间长，砼施工保温是必须解决的难题，须投入强大的冬施措施，确保冬期施工质量。(1)隧道洞口保温 隧道洞口安装双层保温防寒门,以隔断洞内、外热量交换;洞口100m范围内设低硫煤火炉升温；确保砼浇筑环境温度在0以上。(2)排水、供风管道采用保温材料包裹保温；(3)钢筋加工棚大门采用棉帘，内设火炉升温。(4)砼施工保温 拌合站原材料料仓大门及拌合楼全部封闭,采用大功率卧式锅炉循环供暖,料仓内采取地暖加热料源,并安装风机散热,同时,根据温度情况和实际面积加设升温火炉，确保料仓内温度不低于15。上料仓至拌合机之间的输送带实行彩钢板全封闭，输送带底部放置碘钨灯加热。拌合用水加热：拌合水通过用锅炉加热后抽入水箱，水温控制在5010，砂子温度控制在2040。混凝土罐车包裹保温外套，减少砼运输中温度损失，保证砼的入模温度不得低于5。7、高原高寒地区隧道快速施工技术 (1)针对复杂多变地质，选择适宜的施工工法祁连山隧道穿越多套地层，地质复杂多变，围岩软弱而且富水，如何选择适宜围岩情况的施工工法，并能及时根据围岩变化情况很快调整、转换。较常采用三台阶七步法、三台阶临时仰拱法、上台阶设中隔壁的三台阶法，部分地质困难段采用双侧壁导坑法、CD、CRD法。常用工法中，地质较好、水量较小的级围岩地段采用三台阶七步法；岩体软弱破碎、水量大的级围岩地段采用三台阶临时仰拱法；掌子面为半幅软、半幅硬的地质情况时，软硬岩体同时开挖，容易造成围岩丧失自稳能力、变形较大而坍塌，这种情况下，采用上台阶设中隔壁的三台阶法，即：在上台阶核心土上支撑型钢喷混凝土形成中隔壁，较硬地质半幅先施工，较软地质半幅可分成多个台阶开挖支护，每个台阶高度2m左右，但硬地质半幅超前长度不大于15m。这三种工法之间转换十分容易，遇到地质较差、变形较大的围岩，只需要在三台七步法的上台阶及中台阶加设临时仰拱，变形量即可得到控制，工法即转为三台阶临时仰拱法；遇到半幅软，半幅硬的地质时，在三台阶七步法上台阶可及时加设中隔壁，转化工法。(2)采用新机械、设备并积极开展装备创新工作，提高隧道作业机械化程度 在高原施工，多采用机械、设备作业，少使用人工，多选电动、风动设备，少用内燃设备。现场配备以下隧道专用设备：1）日本RPD-150C多功能钻机 2）意大利CSS-3喷浆机器手 3）德国ITC 312JTC312扒渣机 4）研发轻型仰拱栈桥、钢拱架提升装备。(3)细化工艺，减少各工序作业时间和衔接时间 根据施工工法，细化工艺，明确各工序作业时间，如正洞级围岩三台阶七步法工序时长及资源配备表3，在规定工序时间完成作业任务的人员，给予奖励，完不成的，给予处罚，通过奖励机制，减少各工序作业时间，使各工序之间衔接紧密。8、软弱围岩变形快速量测及隧道施工安全预警技术 (1)软弱围岩变形快速量测技术 控制软弱围岩的变形是确保施工过程安全的关键。软弱围岩开挖后的变形是徐变，变形到一定数值才会塌方，有一个过程。要求在隧道开挖后，要及时、准确的量测围岩变形量，对于变形量超标的围岩及时采取加固措施，防止坍方。如何快速、准确量测围岩变形量？控变防塌，十分重要。1)全钻仪无尺量测技术 隧道开挖后，及时在基岩埋设观测标,观测标采用端部贴反射片的22螺纹钢筋，按照拱顶1个点、1个台阶1条测线2各点的原则埋点，利用固定的工作基点作为参照点，全站仪自由设站连续测设前方观测标相对于固定工作基点的位移变化值，经过计算取得围岩的变形信息。当拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，暂停掘进,分析原因,立即采取加固措施,确保施工安全。2）基于图像识别的隧道围岩变形量测技术 隧道开挖后，及时在基岩埋设观测标，观测标采用端部贴小灯泡的22螺纹钢筋，埋设后以数码相机捕捉的标记光点第一张图像为原始图像，随后连续拍摄标记点图像作为被测图像，通过无线网桥，将图像传送给计算机，利用图像数字处理技术，根据被测图像标记点与原始图像标记点之间的像素距离，计算出被测标记点随时间位移变化量，从而取得围岩的变形信息。全站仪无尺法优缺点：测量精度高，通过坐标法计算变形量，可实现对围岩三维变形监测，但采用人工操作，数据采集周期长，需要人工处理数据，速度慢，是目前成熟的技术。基于图像识别的隧道围岩变形量测技术优缺点：测量精度与数码相机的像素有直接关系，只能对围岩进行二维变形监测，通过网络传输数据、计算机处理数据，可实现量测的自动、快速、连续、及时并可起到及时预警的目的。是项目与长安大学联合正在共同开发的科研项目。(2)软弱围岩变形快速量测及隧道施工安全预警技术风险隧道安全管理监控系统包含人员定位识别定位、视频监控、声光报警三个子系统。在第二代无线射频识别技术、无线视频监控技术的基础上，集隧道视频监控、施工人员考勤、区域定位、隧道逃生声光报警、灾后急救、日常管理等功能于一体，同时结合先进的通信、计算机及网络技术将洞外监控室控制系统接入互联网。视频监控子系统和人员定位识别系统通过在隧道内安装摄像机和人员定位读卡器等，详尽掌握人员进出情况和现场施工状况，再通过无线网桥将数据传输至洞外监控室，进行监控和备份，同时可通过网络上传。声光报警子系统是在洞内设置声光报警装置，当事故发生时，洞内安全员或洞外值班人员通过手持无线报警机向洞内发出报警逃生信号，提示人员迅速撤离现场，洞内同步启动紧急照明灯，为施工人员指明逃生方向；同时，救援人员也可根据人员定位系统所提供的数据，迅速掌握洞内人员的位置情况，及时采取相应救援措施，提高应急救援工作效率。四、结束语 祁连山隧道作为兰新铁路甘青段的头号重点控制工程，集各种技术难题于一身，而且高寒缺氧，环境恶劣。从2010年2月份上场以来，广大员工不怕艰难，攻克了一个个技术难题，为祁连隧道按期竣工创造了条件。有些施工技术，还需要继续努力，在下步的施工中进一步总结和完善。