蘭新第二雙線祁連山隧道施工關鍵技術

王永順，任少強

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100038;2.中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

蘭新第二雙線祁連山隧道施工關鍵技術

王永順1，任少強2

(1.中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100038;2.中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

祁連山隧道為高鐵大斷面長隧道，地處高原，圍巖富水軟弱破碎，地質條件多變，施工采用“正洞+2座斜井+局部貫通平導”方案，進出口及平導輔助正洞多個作業面平行作業，施工組織管理難度大、安全風險高。施工過程中綜合應用了超前地質預報、軟弱圍巖變形量測及施工安全預警、碎屑流地層注漿加固開挖、反坡施工排水等技術，安全、保質地實現了工期目標，為同類型隧道施工提供了經驗。

凍土 富水軟弱圍巖 長大隧道 施工技術

1 工程概況

蘭新二線祁連山隧道全長9.49 km，進口軌面高程3 574 m，位于甘青兩省交界處，地處海拔3 500～4 300 m的祁連山中高山區，洞身地表起伏較大，最大埋深達823 m;由進口到出口為20‰單面下坡，隧址位于祁連山冷龍嶺斷層皺褶帶，工程地質及水文地質條件復雜。正洞最大涌水量為10.5萬m3/d，施工采用“正洞+2座斜井+局部貫通平導”方案。

施工區域位于歐亞大陸腹地，為典型的大陸性季風氣候，年平均氣溫-2.9℃，極端最高氣溫31.7℃，極端最低氣溫-29.6℃，最大凍結深度2.3 m［1］。

2 施工難點

1)高寒缺氧、環境惡劣

工程地處高原，高寒缺氧，導致施工人員身體機能下降，機械設備功率降低，給施工組織帶來了極大困難。

2)地質復雜，施工安全風險大

隧址位于冷龍嶺褶皺帶，褶曲發育，穿越4個向斜、2個背斜，地質條件多變，巖體軟弱破碎，地下水發育，進口段穿越F6和F7區域性斷裂，存在碎屑流地質現象，如此大斷面、大規模穿越碎屑流地層，在隧道建設史上沒有遇到過。

3)洞口段防凍害是一大難題

洞口段為高含冰量季節性凍土，為確保工程質量須采取特殊工程措施。

4)涌水量大且單坡排水，反坡施工排水難度大

隧道設計為20‰的單坡，涌水量大，進口及2座斜井工區施工需要反坡排水，施工困難。

5)工期緊，須快速施工

隧道長斷面大，環境惡劣，圍巖差，涌水量大，工期緊，必須快速施工。

3 施工關鍵技術

3.1 復雜地質條件隧道施工超前地質預報技術

祁連山為Ⅰ級風險隧道，采用A級預報，即多種預報措施相互印證的預報方法。正洞、平導全隧道物探預報貫通。

現場建立綜合預報系統，采用“物探初判、鉆探準判、重大異常地段加密鉆探，地質編錄驗證”的預報模式。

物探儀器預報：長距離100～150 m探測以TSP為主，短距離不超過30 m探測以地質雷達為主;斷層、褶曲發育及巖溶強烈發育地段增加紅外探水。

直接預報：采用超長炮孔和水平鉆探相結合，長距離采用日本礦研RPD-150C鉆機超前水平鉆探，預報距離30～50 m，該機配置具有超前地質預報功能的MWD系統，還具有取芯功能;短距離采用超長炮孔，距離5～6 m，外插角45°。

地質編錄驗證：隧道開挖后，進行地質編錄驗證，即施工中及時對開挖面上的各種地質現象進行測繪和記錄，利用已挖洞段地質情況來預報前方可能出現的不良地質現象。

3.2 軟弱圍巖變形快速量測及施工安全預警技術

3.2.1 軟弱圍巖變形快速量測技術

控制軟弱圍巖的變形防止坍塌是確保施工過程安全的關鍵。圍巖變形監控量測采用全站儀無尺量測技術，隧道開挖后，及時在基巖埋設觀測標，觀測標采用端部貼反射片的φ22螺紋鋼筋，按照拱頂1個點、1個臺階1條測線2個點的原則埋點，隧道開挖后6～12 h內讀取初始讀數。利用固定的工作基點作為參照點，全站儀自由設站連續測設前方觀測標相對于固定工作基點的位移變化值，經過計算取得圍巖的變形信息。

根據量測數據，建立時間—變形曲線，進行分析［2］，當拱頂下沉、水平收斂速率達5 mm/d或位移累計達100 mm時分析原因，根據風險等級(表1)，立即采取加固措施，確保施工安全［3］。

表1 祁連山隧道安全風險控制等級

3.2.2 隧道施工安全預警技術

風險隧道安全管理監控系統包含人員識別定位、視頻監控、聲光報警3個子系統。該系統是在第二代無線射頻(RFID)識別技術、無線視頻監控技術的基礎上，集隧道視頻監控、施工人員考勤、區域定位、隧道逃生聲光報警、災后急救、日常管理等功能于一體，同時利用先進的通信、計算機及網絡技術將洞外監控室控制系統接入互聯網，實現遠程視頻監控和人員定位查詢等功能。

3.3 碎屑流地層施工技術

碎屑流地層主要為斷層破碎帶角礫含承壓水情況下的軟弱圍巖，開挖后碎屑涌出，造成圍巖大變形，甚至大面積坍塌，其特征為變形量大、變形速度快，變形隨時間變化的特征明顯，極易塌方。

3.3.1 全周邊超前預注漿加固

采用拱墻φ89管棚+φ42小導管注水泥漿加固封堵，同時在高位插設排水管，通過泄水釋能降壓，起到堵排結合的目的。管棚采用日本礦研RPD-150C鉆機成孔，碎屑流地層成孔困難地段采用跟管或套管跟進施作管棚。小導管根據碎屑流壓力大小，可采用單排或雙排，成孔困難地段采用R32邁式自進式錨桿。單液水泥漿中水泥∶水=1∶1;雙液漿中水玻璃∶水泥漿=1∶1(重量比)，注漿壓力小導管≥1.5 MPa，管棚≥3 MPa;注漿有效擴散半徑≥1.5 m;注漿后加固有效半徑為隧道開挖輪廓外4 m。

3.3.2 掌子面設玻璃纖維錨桿加固

掌子面打設玻璃纖維錨桿注漿加固，每一循環長10 m，間距1.2 m×1.2 m，梅花形布設。開挖時，保證加固巖盤厚度≥3 m，防止碎屑流沖破巖盤涌出。

3.3.3 開挖工法選擇

采用雙側壁導坑法，支護鋼架采用H175型鋼，間距0.6 m，臨時支撐鋼架均采用I18輕型鋼架，每榀鋼架間距與主洞身間距一致，為0.6 m。

3.4 特長隧道反坡施工排水技術

正洞及斜井工區施工中需要反坡排水，斜井采用分級設置泵站抽水的方法。

1)水泵的選型、配備

2#斜井最大涌水量6萬m3/d，配置水泵時采用的最大涌水量為6/0.8=7.5萬m3/d，按每天工作20 h工作時間計算，需選用4臺流量＞1 080 m3/h的污水泵，按“用二備一”原則，需配備6臺泵。水泵要選擇潛水排污泵。經市場調查，選取上海凱泉WQ5520-462-300單級泵，額定揚程為 50 m，額定流量為1 040 m3/h，功率220 kW。水泵配置見表2，分級設4個泵站，見圖1。

表2 2號斜井水泵配置

圖12#斜井反坡排水泵站布置示意(單位：m)

2)二路電源配備

反坡抽水不能間斷，否則會淹井，要求電力供應不能停止，須配置二路備用電源。二路電源可采用地方電力或多臺發電機并網發電，優先采用地方電力。

地方電力：隧道進口采用青海省電力，出口采用甘肅省電力，在隧道左側約5 km有引硫濟金引水洞與祁連山隧道并行，在引水洞洞內懸掛電纜，將隧道進口與出口的電力連接起來，相互作為備用電源。

地方電力未接通前，采用了發電機組，即多臺發電機并網，發出的400 V電壓經升壓至10 kV，作為備用電源，用電成本較高。

3)變壓器配置

反坡排水工點配備的變壓器額定容量要滿足泵站水泵同時抽水時用電的需要。

3.5 設置平導長大隧道施工通風技術

平導輔助正洞開設多個工作面，各工作面同時施工作業，對洞內空氣污染較大，而隧址處高寒缺氧，施工人員在洞內作業，對作業環境要求更高，因此施工過程中要加強通風，提高洞內掌子面空氣質量，保護作業人員身體健康。

3.5.1 采用巷道式通風［4］

1)進口及1#斜井平導工區通風方案(圖2)

正洞進口與1#斜井貫通后，在斜井與正洞交叉口安裝封閉門，將正洞與斜井隔離;在交叉口斜井處安裝軸流通風機，分別向進口工區、1#斜井平導工區及平導掌子面壓入式通風，形成1#斜井進新鮮空氣，平導及正洞排出污濁空氣的巷道式通風。

圖2 進口及1#斜井平導工區通風方案

2)出口及2#斜井平導工區通風方案(圖3)

圖3 出口及2#斜井平導工區通風方案

在隧道出口平導處安裝軸流風機，分別向出口平導輔助正洞、2#斜井平導輔助正洞及平導掌子面壓入式通風，形成出口平導進新鮮空氣，正洞、2#斜井及2#斜井平導排出污濁空氣的巷道式通風。

3.5.2 軸流、射流通風機配合作用

采用以軸流通風機壓入式通風為主，射流通風機加快空氣流動為輔的通風方式。

3.5.3 加強通風系統維護管理

配備專人進行隧道施工通風系統標準化管理，加強洞內環境檢測，使得通風設備、通風管維護保養常態化。

3.6 高寒地區隧道洞口段防凍害施工技術

隧址地處高海拔、高緯度嚴寒地區，受到季節性凍融、凍脹作用影響，這種周期性的加載卸載作用將對隧道主體結構尤其是洞口帶的結構造成破壞，進而影響運營期間的安全性及結構的壽命。洞口段采取以下工程措施防凍害：

1)雙層保溫襯砌

洞口段約1 km采用雙層保溫襯砌結構，結構形式為：初期支護+模筑支護混凝土30 cm+防水板+保溫層5 cm+防水板+二次襯砌。初期支護背后要進行壓漿處理，嚴防背后空洞積水，防止凍害;模筑支護完成后至少1個寒期才能施工二次襯砌。保溫襯砌防水隔熱保溫層采用縱向繃鐵線環向安裝鋼筋支頂法無釘鋪設。施工順序為：施工準備→清理模筑支護混凝土表面→安裝盲管→鋪設無紡布→釘設熱塑墊圈、無釘鋪設第一層防水板→根據二襯臺車長度，縱向每12 m或9 m一循環，一端在已施工二襯、另一端在模筑支護上打設膨脹螺栓，用緊線器安裝鋼絲，拱部環向每50 cm一根，邊墻環向每100 cm一根，作為保溫板安裝過程的縱向支撐→在鋼絲外側安裝保溫板→在鋼絲內側鋪設無紡布→無釘鋪設第二層防水板(將防水板吊帶系在鋼絲上)→邊鋪設保溫板及第二層防水板邊安裝環向鋼筋支頂。

2)防寒泄水洞

隧道洞口段設置約1 km防寒泄水洞，采用220 cm×250 cm(高×寬)斷面，設置于隧道中線的正下方，洞頂距隧道仰拱底≥5 m。

防寒泄水洞范圍內正洞檢查井與泄水洞連通，用于排泄正洞的水。泄水洞拱頂插設打孔波紋管，用于排泄周邊圍巖的水。泄水洞設保溫出水口。

防寒泄水洞斷面較小，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖采用預留核心土風鎬開挖、Ⅲ級圍巖采用風鉆鉆眼全斷面爆破。出渣采用電動立爪扒渣機裝渣，小型農用三輪車運輸。襯砌采用拱架小鋼模，采用φ50通風管壓入式通風。

3)初砌結構自防水

提高混凝土襯砌結構自防水能力，抗滲等級不得低于 P12［5-6］。

4)設置保溫水溝

洞口1 000 m設置雙側蓋板保溫側溝及保溫中心水溝。

3.7 高寒地區隧道施工保溫防寒技術

祁連山施工區域每年只有7，8月份不下雪，寒冷季節較長，須投入有效的措施，確保冬期施工質量。

1)隧道洞口保溫

隧道洞口安裝雙層保溫防寒門，以隔斷洞內外的熱量交換;洞口100 m范圍內設低硫煤火爐升溫，確保混凝土澆筑環境溫度在0℃以上［7-9］。

2)排水、供風管道采用保溫材料包裹保溫。

3)鋼筋加工棚大門采用棉簾，內設火爐升溫。

4)混凝土施工保溫

①拌合站原材料料倉大門及拌合樓全部封閉，采用大功率臥式鍋爐循環供暖，料倉內采取地暖加熱料源，并安裝風機散熱;同時，根據溫度情況和實際面積加設火爐升溫，確保料倉內溫度不低于15℃。

②上料倉至拌合機之間的輸送帶采用彩鋼板全封閉，輸送帶底部放置碘鎢燈加熱。

③原材料加熱：拌合水通過鍋爐加熱后抽入水箱，水溫控制在(50±10)℃，砂子溫度控制在20℃ ～40℃。

④混凝土罐車包裹保溫外套，減少混凝土運輸中溫度損失，保證混凝土的入模溫度不得低于5℃。

3.8 高原高寒地區隧道快速施工技術

3.8.1 充分發揮平導作用，輔助正洞早開、多開工作面，長隧短打，加快工程進度［10］

平導采用德國ITC 312扒渣機裝渣，控制斷面尺寸，加快進度，平導超前發揮探明地質、排水、通風的作用。平導輔助正洞，物流組織及通風作業受平導斷面的制約，僅能滿足3個工作面同時平行作業，要精心組織，早開橫通道并合理選擇位置，見圖4。進口段施工安排：①1#斜井平導開挖至2#橫通道位置后，增加一支施工隊伍，進行2#橫通道輔助正洞施工，正洞與3#橫通道貫通后，施工隊伍調整至4#橫通道位置，繼續施工正洞;②進口正洞與2#橫通道貫通后，施工隊伍調整至3#橫通道位置，繼續施工正洞;③3#和4#橫通道輔助正洞平行作業，直至隧道貫通;④平導施工隊伍一直施工平導，直至貫通。出口段施組安排與進口段類似，平導輔助正洞早開工作面，一個橫通道施工完成后跳躍式安排至下一個繼續施工。橫通道要盡量選擇Ⅱ、Ⅲ級硬巖地段開口。

圖4 祁連山隧道總體施組方案

3.8.2 因地制宜合理調整施工工法

由于隧道穿越多套地層，地質條件復雜多變，施工工法要根據水文、地質情況的變化及時調整，盡量縮短工法轉換時間。

斜井、平導在Ⅳ，Ⅴ圍巖段開挖以微臺階法為主，圍巖變為Ⅲ級時可以很快調整為全斷面法，微臺階法和全斷面法轉換的時間較短。正洞Ⅳ、Ⅴ圍巖段以三臺階七步開挖法為主，Ⅴ級圍巖段巖體軟弱破碎、水量大時，拱部輔以大管棚注漿加固，工法可及時調整為三臺階臨時仰拱法;當掌子面圍巖半幅軟、半幅硬時，如果軟硬巖體同時開挖，容易造成坍塌，這種地質條件下可在上臺階設豎向支撐，三臺階法可調整為CRD法。這三種工法間轉換方便，在實際施工中被廣泛采用。

3.8.3 采用新機械、新設備，提高隧道作業機械化程度

高原施工多用機械少用人工，多用電動、風動設備，少用內燃設備。現場采用以下隧道專用設備：日本RPD-150C多功能鉆機、意大利CSS-3噴漿機器手、德國ITC 312扒渣機等，并研發了輕型仰拱棧橋、鋼拱架提升裝備等，由于大量采用了先進的工裝、設備，極大地提高了工程進度。

3.8.4 組建專業化注漿隊伍

富水軟弱圍巖隧道，一定要有專業化注漿隊伍，保證注漿加固效果。通過專家指導和摸索實踐，祁連山隧道組建了一支過硬的專業化注漿隊伍，并配置了專用鉆孔、注漿設備。

3.8.5 細化工藝，實行按工序考核激勵措施，縮短工序時長，減少各工序銜接時間

根據施工工法，細化工藝，明確各工序作業時長，在規定工序時長內完成任務的工班、作業人員給予獎勵，完不成的給予處罰。通過獎勵機制，縮短各工序銜接及作業時間，從而加快工程進度。

4 結語

祁連山隧道作為世界高鐵海拔最高的隧道之一，是蘭新二線甘青段的頭號重點控制工程，集各種水文、地質難題于一身，高寒缺氧，環境惡劣。從2010年2月份開工以來，攻克了一個個技術難題，安全保質地于2014年1月順利貫通，工期提前了1個多月，其施工技術為同類型隧道施工提供了寶貴經驗。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線施工圖祁連山隧道設計圖［Z］.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2010］120號 關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知［Z］.北京：中華人民共和國鐵道部，2010.

［4］徐士良.特長隧道通風豎井設計與施工技術［J］.鐵道建筑，2012(1)：80-82.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10204—2002 鐵路隧道施工規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［7］中華人民共和國鐵道部.鐵建［2010］241號 高速鐵路隧道工程施工技術指南［S］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［8］孫德方，楊新安.涇縣隧道斜井進正洞施工技術［J］.鐵道建筑，2012(9)：64-66.

［9］何春保，曹朝暉，張兆彬.不良地質狀況下華鎣山隧道施工技術［J］.鐵道建筑，2014(2)：63-66.

［10］蘇會鋒，劉維寧，彭智勇.北京地鐵6號線朝陽門站導洞暗挖施工數值模擬研究［J］.鐵道建筑，2011(9)：62-65.

Key technology in Qilianshan tunnel construction on Lanzhou-Xinjiang second railway line

WANG Yongshun1，REN Shaoqiang2
(1.Engineering Management Center of China Railway Corporation，Beijing 100038，China;2.China Railway 20th Bureau Group Corporation，Xi'an Shaanxi 710016，China)

Qilian Mountain Tunnel is a long tunnel with large section of high speed railway locating at plateau，which has watery surrounding rock and is weak with varied geological conditions.This paper adopted the main tunnel+two inclined shafts+local cutting through parallel scheme，characterized by several parallel working of entrance/exit and parallel assisting main tunnel，which has difficult construction organization and high safety risk.The construction process used several key technologies including advance geological forecast，deformation measurement of weak surrounding rock and construction safety warning，grouting reinforcement and excavation of debris flow formation，reverse slope construction for drainage，which achieved the project goal safely and effectively and provides a valuable reference for similar tunnel construction.

Permafrost;Watery soft surrounding rock;Long tunnel;Construction technology

(責任審編 葛全紅)

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.11

1003-1995(2014)10-0042-05

2014-03-20;

2014-07-15

王永順(1970— )，男，陜西渭南人，教授級高級工程師。