兰新第二双线祁连山隧道施工关键技术

王永顺，任少强

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京 100038;2.中铁二十局集团有限公司，陕西西安 710016)

兰新第二双线祁连山隧道施工关键技术

王永顺1，任少强2

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京 100038;2.中铁二十局集团有限公司，陕西西安 710016)

祁连山隧道为高铁大断面长隧道，地处高原，围岩富水软弱破碎，地质条件多变，施工采用“正洞+2座斜井+局部贯通平导”方案，进出口及平导辅助正洞多个作业面平行作业，施工组织管理难度大、安全风险高。施工过程中综合应用了超前地质预报、软弱围岩变形量测及施工安全预警、碎屑流地层注浆加固开挖、反坡施工排水等技术，安全、保质地实现了工期目标，为同类型隧道施工提供了经验。

冻土 富水软弱围岩 长大隧道 施工技术

1 工程概况

兰新二线祁连山隧道全长9.49 km，进口轨面高程3 574 m，位于甘青两省交界处，地处海拔3 500～4 300 m的祁连山中高山区，洞身地表起伏较大，最大埋深达823 m;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。正洞最大涌水量为10.5万m3/d，施工采用“正洞+2座斜井+局部贯通平导”方案。

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 m［1］。

2 施工难点

1)高寒缺氧、环境恶劣

工程地处高原，高寒缺氧，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困难。

2)地质复杂，施工安全风险大

隧址位于冷龙岭褶皱带，褶曲发育，穿越4个向斜、2个背斜，地质条件多变，岩体软弱破碎，地下水发育，进口段穿越F6和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。

3)洞口段防冻害是一大难题

洞口段为高含冰量季节性冻土，为确保工程质量须采取特殊工程措施。

4)涌水量大且单坡排水，反坡施工排水难度大

隧道设计为20‰的单坡，涌水量大，进口及2座斜井工区施工需要反坡排水，施工困难。

5)工期紧，须快速施工

隧道长断面大，环境恶劣，围岩差，涌水量大，工期紧，必须快速施工。

3 施工关键技术

3.1 复杂地质条件隧道施工超前地质预报技术

祁连山为Ⅰ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。

现场建立综合预报系统，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。

物探仪器预报：长距离100～150 m探测以TSP为主，短距离不超过30 m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。

直接预报：采用超长炮孔和水平钻探相结合，长距离采用日本矿研RPD-150C钻机超前水平钻探，预报距离30～50 m，该机配置具有超前地质预报功能的MWD系统，还具有取芯功能;短距离采用超长炮孔，距离5～6 m，外插角45°。

地质编录验证：隧道开挖后，进行地质编录验证，即施工中及时对开挖面上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。

3.2 软弱围岩变形快速量测及施工安全预警技术

3.2.1 软弱围岩变形快速量测技术

控制软弱围岩的变形防止坍塌是确保施工过程安全的关键。围岩变形监控量测采用全站仪无尺量测技术，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φ22螺纹钢筋，按照拱顶1个点、1个台阶1条测线2个点的原则埋点，隧道开挖后6～12 h内读取初始读数。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。

根据量测数据，建立时间—变形曲线，进行分析［2］，当拱顶下沉、水平收敛速率达5 mm/d或位移累计达100 mm时分析原因，根据风险等级(表1)，立即采取加固措施，确保施工安全［3］。

表1 祁连山隧道安全风险控制等级

3.2.2 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识别定位、视频监控、声光报警3个子系统。该系统是在第二代无线射频(RFID)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，同时利用先进的通信、计算机及网络技术将洞外监控室控制系统接入互联网，实现远程视频监控和人员定位查询等功能。

3.3 碎屑流地层施工技术

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。

3.3.1 全周边超前预注浆加固

采用拱墙φ89管棚+φ42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，可采用单排或双排，成孔困难地段采用R32迈式自进式锚杆。单液水泥浆中水泥∶水=1∶1;双液浆中水玻璃∶水泥浆=1∶1(重量比)，注浆压力小导管≥1.5 MPa，管棚≥3 MPa;注浆有效扩散半径≥1.5 m;注浆后加固有效半径为隧道开挖轮廓外4 m。

3.3.2 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10 m，间距1.2 m×1.2 m，梅花形布设。开挖时，保证加固岩盘厚度≥3 m，防止碎屑流冲破岩盘涌出。

3.3.3 开挖工法选择

采用双侧壁导坑法，支护钢架采用H175型钢，间距0.6 m，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0.6 m。

3.4 特长隧道反坡施工排水技术

正洞及斜井工区施工中需要反坡排水，斜井采用分级设置泵站抽水的方法。

1)水泵的选型、配备

2#斜井最大涌水量6万m3/d，配置水泵时采用的最大涌水量为6/0.8=7.5万m3/d，按每天工作20 h工作时间计算，需选用4台流量＞1 080 m3/h的污水泵，按“用二备一”原则，需配备6台泵。水泵要选择潜水排污泵。经市场调查，选取上海凯泉WQ5520-462-300单级泵，额定扬程为 50 m，额定流量为1 040 m3/h，功率220 kW。水泵配置见表2，分级设4个泵站，见图1。

表2 2号斜井水泵配置

图12#斜井反坡排水泵站布置示意(单位：m)

2)二路电源配备

反坡抽水不能间断，否则会淹井，要求电力供应不能停止，须配置二路备用电源。二路电源可采用地方电力或多台发电机并网发电，优先采用地方电力。

地方电力：隧道进口采用青海省电力，出口采用甘肃省电力，在隧道左侧约5 km有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。

地方电力未接通前，采用了发电机组，即多台发电机并网，发出的400 V电压经升压至10 kV，作为备用电源，用电成本较高。

3)变压器配置

反坡排水工点配备的变压器额定容量要满足泵站水泵同时抽水时用电的需要。

3.5 设置平导长大隧道施工通风技术

平导辅助正洞开设多个工作面，各工作面同时施工作业，对洞内空气污染较大，而隧址处高寒缺氧，施工人员在洞内作业，对作业环境要求更高，因此施工过程中要加强通风，提高洞内掌子面空气质量，保护作业人员身体健康。

3.5.1 采用巷道式通风［4］

1)进口及1#斜井平导工区通风方案(图2)

正洞进口与1#斜井贯通后，在斜井与正洞交叉口安装封闭门，将正洞与斜井隔离;在交叉口斜井处安装轴流通风机，分别向进口工区、1#斜井平导工区及平导掌子面压入式通风，形成1#斜井进新鲜空气，平导及正洞排出污浊空气的巷道式通风。

图2 进口及1#斜井平导工区通风方案

2)出口及2#斜井平导工区通风方案(图3)

图3 出口及2#斜井平导工区通风方案

在隧道出口平导处安装轴流风机，分别向出口平导辅助正洞、2#斜井平导辅助正洞及平导掌子面压入式通风，形成出口平导进新鲜空气，正洞、2#斜井及2#斜井平导排出污浊空气的巷道式通风。

3.5.2 轴流、射流通风机配合作用

采用以轴流通风机压入式通风为主，射流通风机加快空气流动为辅的通风方式。

3.5.3 加强通风系统维护管理

配备专人进行隧道施工通风系统标准化管理，加强洞内环境检测，使得通风设备、通风管维护保养常态化。

3.6 高寒地区隧道洞口段防冻害施工技术

隧址地处高海拔、高纬度严寒地区，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。洞口段采取以下工程措施防冻害：

1)双层保温衬砌

洞口段约1 km采用双层保温衬砌结构，结构形式为：初期支护+模筑支护混凝土30 cm+防水板+保温层5 cm+防水板+二次衬砌。初期支护背后要进行压浆处理，严防背后空洞积水，防止冻害;模筑支护完成后至少1个寒期才能施工二次衬砌。保温衬砌防水隔热保温层采用纵向绷铁线环向安装钢筋支顶法无钉铺设。施工顺序为：施工准备→清理模筑支护混凝土表面→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→根据二衬台车长度，纵向每12 m或9 m一循环，一端在已施工二衬、另一端在模筑支护上打设膨胀螺栓，用紧线器安装钢丝，拱部环向每50 cm一根，边墙环向每100 cm一根，作为保温板安装过程的纵向支撑→在钢丝外侧安装保温板→在钢丝内侧铺设无纺布→无钉铺设第二层防水板(将防水板吊带系在钢丝上)→边铺设保温板及第二层防水板边安装环向钢筋支顶。

2)防寒泄水洞

隧道洞口段设置约1 km防寒泄水洞，采用220 cm×250 cm(高×宽)断面，设置于隧道中线的正下方，洞顶距隧道仰拱底≥5 m。

防寒泄水洞范围内正洞检查井与泄水洞连通，用于排泄正洞的水。泄水洞拱顶插设打孔波纹管，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，Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用预留核心土风镐开挖、Ⅲ级围岩采用风钻钻眼全断面爆破。出渣采用电动立爪扒渣机装渣，小型农用三轮车运输。衬砌采用拱架小钢模，采用φ50通风管压入式通风。

3)初砌结构自防水

提高混凝土衬砌结构自防水能力，抗渗等级不得低于 P12［5-6］。

4)设置保温水沟

洞口1 000 m设置双侧盖板保温侧沟及保温中心水沟。

3.7 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，须投入有效的措施，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，以隔断洞内外的热量交换;洞口100 m范围内设低硫煤火炉升温，确保混凝土浇筑环境温度在0℃以上［7-9］。

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)混凝土施工保温

①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火炉升温，确保料仓内温度不低于15℃。

②上料仓至拌合机之间的输送带采用彩钢板全封闭，输送带底部放置碘钨灯加热。

③原材料加热：拌合水通过锅炉加热后抽入水箱，水温控制在(50±10)℃，砂子温度控制在20℃ ～40℃。

④混凝土罐车包裹保温外套，减少混凝土运输中温度损失，保证混凝土的入模温度不得低于5℃。

3.8 高原高寒地区隧道快速施工技术

3.8.1 充分发挥平导作用，辅助正洞早开、多开工作面，长隧短打，加快工程进度［10］

平导采用德国ITC 312扒渣机装渣，控制断面尺寸，加快进度，平导超前发挥探明地质、排水、通风的作用。平导辅助正洞，物流组织及通风作业受平导断面的制约，仅能满足3个工作面同时平行作业，要精心组织，早开横通道并合理选择位置，见图4。进口段施工安排：①1#斜井平导开挖至2#横通道位置后，增加一支施工队伍，进行2#横通道辅助正洞施工，正洞与3#横通道贯通后，施工队伍调整至4#横通道位置，继续施工正洞;②进口正洞与2#横通道贯通后，施工队伍调整至3#横通道位置，继续施工正洞;③3#和4#横通道辅助正洞平行作业，直至隧道贯通;④平导施工队伍一直施工平导，直至贯通。出口段施组安排与进口段类似，平导辅助正洞早开工作面，一个横通道施工完成后跳跃式安排至下一个继续施工。横通道要尽量选择Ⅱ、Ⅲ级硬岩地段开口。

图4 祁连山隧道总体施组方案

3.8.2 因地制宜合理调整施工工法

由于隧道穿越多套地层，地质条件复杂多变，施工工法要根据水文、地质情况的变化及时调整，尽量缩短工法转换时间。

斜井、平导在Ⅳ，Ⅴ围岩段开挖以微台阶法为主，围岩变为Ⅲ级时可以很快调整为全断面法，微台阶法和全断面法转换的时间较短。正洞Ⅳ、Ⅴ围岩段以三台阶七步开挖法为主，Ⅴ级围岩段岩体软弱破碎、水量大时，拱部辅以大管棚注浆加固，工法可及时调整为三台阶临时仰拱法;当掌子面围岩半幅软、半幅硬时，如果软硬岩体同时开挖，容易造成坍塌，这种地质条件下可在上台阶设竖向支撑，三台阶法可调整为CRD法。这三种工法间转换方便，在实际施工中被广泛采用。

3.8.3 采用新机械、新设备，提高隧道作业机械化程度

高原施工多用机械少用人工，多用电动、风动设备，少用内燃设备。现场采用以下隧道专用设备：日本RPD-150C多功能钻机、意大利CSS-3喷浆机器手、德国ITC 312扒渣机等，并研发了轻型仰拱栈桥、钢拱架提升装备等，由于大量采用了先进的工装、设备，极大地提高了工程进度。

3.8.4 组建专业化注浆队伍

富水软弱围岩隧道，一定要有专业化注浆队伍，保证注浆加固效果。通过专家指导和摸索实践，祁连山隧道组建了一支过硬的专业化注浆队伍，并配置了专用钻孔、注浆设备。

3.8.5 细化工艺，实行按工序考核激励措施，缩短工序时长，减少各工序衔接时间

根据施工工法，细化工艺，明确各工序作业时长，在规定工序时长内完成任务的工班、作业人员给予奖励，完不成的给予处罚。通过奖励机制，缩短各工序衔接及作业时间，从而加快工程进度。

4 结语

祁连山隧道作为世界高铁海拔最高的隧道之一，是兰新二线甘青段的头号重点控制工程，集各种水文、地质难题于一身，高寒缺氧，环境恶劣。从2010年2月份开工以来，攻克了一个个技术难题，安全保质地于2014年1月顺利贯通，工期提前了1个多月，其施工技术为同类型隧道施工提供了宝贵经验。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线施工图祁连山隧道设计图［Z］.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京：中国铁道出版社，2007.

［3］中华人民共和国铁道部.铁建设［2010］120号 关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知［Z］.北京：中华人民共和国铁道部，2010.

［4］徐士良.特长隧道通风竖井设计与施工技术［J］.铁道建筑，2012(1)：80-82.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10204—2002 铁路隧道施工规范［S］.北京：中国铁道出版社，2002.

［7］中华人民共和国铁道部.铁建［2010］241号 高速铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京：中国铁道出版社，2010.

［8］孙德方，杨新安.泾县隧道斜井进正洞施工技术［J］.铁道建筑，2012(9)：64-66.

［9］何春保，曹朝晖，张兆彬.不良地质状况下华蓥山隧道施工技术［J］.铁道建筑，2014(2)：63-66.

［10］苏会锋，刘维宁，彭智勇.北京地铁6号线朝阳门站导洞暗挖施工数值模拟研究［J］.铁道建筑，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

(责任审编 葛全红)

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.11

1003-1995(2014)10-0042-05

2014-03-20;

2014-07-15

王永顺(1970— )，男，陕西渭南人，教授级高级工程师。