高寒、高海拔隧道施工技术研究

2018-04-04赵连梅

价值工程 2018年10期

赵连梅

摘要：针对高海拔、缺氧、低温的特殊环境，介绍米拉山隧道机械设备的选型、洞内施工环境、制氧与供氧系统等，通过研究、实践、总结、改进、提高，获得了在高海拔高寒地区修建隧道的基本经验和关键施工技术，为我国西部大开发，修建高海拔、高寒地区公路、铁路隧道提供施工参考和经验总结。

Abstract： In view of the special environment of high altitude， hypoxia and low temperature， this paper introduces the selection of mechanical equipment， construction environment， oxygen production and oxygen supply system of Mira Mountain Tunnel， which is improved through research， practice， summary， improvement. The basic experience and key construction technology of tunnel construction in high altitude and cold area are obtained， which provides reference and experience for the development of western China and the construction of highway and railway tunnel in high altitude and cold area.

关键词：高海拔；缺氧；低温；隧道施工；机械配套；制氧与供氧系统

Key words： high altitude；hypoxia；low temperature；tunnel construction；mechanical matching；oxygen production and oxygen supply system

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0101-03

0 引言

米拉山隧道所在地位于工布江达县与拉萨市墨竹工卡县相界境内，是目前世界上在建海拔最高的公路隧道，米拉山隧道出口设计高程约4774m，采用分离式隧道，测设线间距约40m；左线长5727m，最大埋深约375m；右线长5720m，最大埋深约391m。隧址区接近5000m海拔，大气中只有11%的氧分压，氧含量也只有平原地区的一半，人员在其中生存十分艰难，隧道施工作业更是困难重重。

米拉山隧道出口段属高原温带半干旱季风气候区，年无霜期约90天左右，年日照时数2813小时，年降水量515mm，每年的六至九月是其降水量比较集中的月份，受到地理原因的影响，境内很容易出现各类自然灾害，春秋之季多早、晚霜害，夏季常遭雷雨和冰雹袭击，干旱与洪涝极易成灾，漫长的冬季干燥与风沙相伴，冬春之交，冬季受雪灾威胁，隧址区最大冻土深度为140cm。

1 高寒高海拔地区施工机械的选型

1.1 海拔高程对汽车動力的影响

分析西藏自治区公路建设相关课题成果发现，海拔高度每升高一千米，汽车动力便会损失大约11%，隧道出口洞口地面高程为4700m，设备的动力损失约为55%。

1.2 低温对机械设备的影响

温度过低对机械设备存在较大的不利影响，包括蓄电设备容易冻坏，使得其负荷过高，甚至无法正常使用；发动机发生冻裂，无法正常工作；设备的润滑油性能也会因温度过低变差等，除此之外，温度过低也会对设备的启动造成不利影响，客观上降低了使用率和施工效率。

1.3 缺氧对机械设备的影响

随着海拔高度的不断增高，大气密度和含氧量都会在会逐渐降低，米拉山隧道海拔4700m，冬季氧气含量约为平原的50%，氧分压只有11%，内燃机械中吸入的空气含量会逐渐减少，空燃比也会因此变化，如此不仅降低了发动机功率，也降低了气缸内有效压力。柴油机非增压装置下降52%，带增压装置下降40%。为此，对相关机械设备进行了一定改良，改良后的机械设备各项参数均得到了较大改善，包括低温启动性能、排放性能、经济性和动力性等，如图1所示。

1.4 高原施工机械设备要求

海拔和大气压力、含氧量、空气密度、气温都呈反比的关系，随着海拔的不断升高，气温、空气密度、含氧量、大气压力都会出现不同程度的下降或减少。因此，高原施工机械应配置更有效的低温启动装置，安装多级滤清或湿式空气滤清器，采用风冷增压型发动机，使用低温油料和防冻冷却液，将液压、液力系统的散热性和流动性提高；同时在使用高原型施工设备时，为确保设备能够正常运行，还应采取多项措施，比如增加清洗次数、加大进气量、强化放电能力、改善启动时间、增加发动机保养次数、预热和保温发动机等。

2 洞内施工环境与高原隧道制氧、供氧系统的应用

2.1 结合米拉山隧道的实际施工现场环境，应坚持“以人为本、保护围岩、改善洞内施工环境”的技术原则，洞内有害气体和粉尘等空气质量应符合国家相关规范标准；施工人员应做好各项防护措施，比如有条件可以呼吸到医用氧等，确保施工人员在一个符合施工环境标准的地方工作。

2.2 在高原低气压稀薄空气条件下，隧道洞口采用制氧机制氧（如图2），在连续施工通风的开放环境下，采用背负氧气瓶和洞内弥漫式供氧组成供氧系统（如图3）。

該套系统的出现让全部的隧道作业人员既能够在驻地呼吸到医用氧，也能够在隧道作业层呼吸到医用氧，如图4所示，自此之后，彻底杜绝了高原病死亡现象，也大大降低了高原病症发生率。

3 主要施工方法及技术成果

3.1 主要施工原则

在综合考虑高海拔高寒地区自然环境条件及施工设计规格的基础上，本着安全、优质、高效、适用、稳妥的原则，确定的基本指导原则如下：

①由于高海拔高寒地区特殊的自然条件限制，在多风、寒冷、缺氧又气压低的地区内燃机损耗极大，且极难启动，因此，在有选择的情况下尽量选用电动或风动机械，尽量少用内燃机设备。②如图5所示，尽量用先进的机械化施工代替传统的人力施工，不仅效率更高，而且施工安全性更高。③为尽量改善工作面的空气环境，在洞内应配置相应的通风机械设备。④在长时间低温的条件下，应采取有效的保温措施，确保设备能够正常启动，保证工程质量不够影响。⑤应建立科学完善的供暖、防寒、保温设施，确保即使面临恶劣的自然条件依然能够正常施工。

3.2 主要技术成果

3.2.1 低温混凝土施工技术

为提高混凝土的出料温度，应对原材料采取预加热措施。由于米拉山高寒地区特殊的自然环境条件对混凝土施工存在较大影响，为保证最终的施工质量符合相关规范标准，在不断探索和革新的研究中总结出一套低温混凝土施工技术，不仅使过去施工中遇到的问题迎刃而解，还能够确保隧道的正常施工，具体措施如下：①尽量降低热量损失，做好洞内及运输期间的保温工作。②为提高混凝土自身性能，可适当添加外加剂，控制好混凝土配合比。③为更有利于混凝土强度的生成，混凝土浇筑后做局部空间加温、养护和模板增加导热系数低的保温材料。

通过实施上述几项措施，不仅能够确保混凝土施工质量，使其强度符合标准，还能够实现内实外美，有利于隧道创优。

3.2.2 防寒保温系统施工技术

为确保施工能够开展，我们探索了一套防寒保温施工措施，将外包加热管包裹在生活用水管、排水管路、高压风管等管道上，如此可有效解决管道冻裂等问题，降低了严寒条件下的施工困难，确保了隧道的正常施工。

①洞口防寒隔热门。

在高寒季节，为尽量保存围岩地热对结构物的有利效应，减少洞外高寒气流长期对隧道内的侵袭，应在隧道口构筑防寒隔热门，能够有效预防冻害及确保隧道的正常安全施工。防寒隔热门按两扇门对称对拉设计，门由槽钢做框架，正背面为薄钢板焊接而成，中间空心部分，用聚氨酯隔热材料进行填充。

②地暖拌合站。

在设计拌合站时，应该增加地暖系统，通过合理设计和优化布局，可以在高原冬季寒冷的情况下，通过地暖系统和运输车的保温措施，保证砼生产过程中和运输过程中的质量，从而最终保证其施工质量。

③保温材料的铺设方式。

在修建完成的隧道中，在二次衬砌表面铺设保温材料达到保温效果，隧道中气温分布不均，距隧道的中心越近，气温升高，相应的保温材料厚度减小。基于ANSYS模拟计算表明：不同断面里程处保温材料厚度不同。充分查阅西藏米拉山地区气象资料，确定隧道冻害发生区域，对病害区域明确划分，确保采取科学的保温措施，免于隧道冻害。选材指标见表1。

研究洞口处（0～50m），洞中（250～300m）以及洞中（450～500m）位置处的温度值，如图6所示。

根据表1及数值对比可知：隧道里程逐渐增加，围岩的冻融圈范围逐渐缩小；靠近中心，冻融圈范围越小。表明：保温层可显著阻止负温区域扩大。并且保温材料厚度的增加，围岩冻结的深度呈减小趋势；保温层同一厚度时，靠近中心处，冻融圈范围将越小。

3.2.3 施工机械设备配套原则

在高原、缺氧、低温、高寒的条件下，隧道施工机械设备配套原则为：①少用旧设备，多用新设备；②少用非增压设备，选用增压设备；③少选小型设备，选用大型设备；④少选内燃设备，多选风动、电动设备；⑤拒绝容易出故障的落后设备，选用进口、合资、国内组装的先进设备。

4 结语

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊环境条件下，通过对米拉山隧道工程施工及一系列的分析研究，对施工机械设备的选型和配套使用、制氧机供氧系统、混凝土施工保温等进行了初步的探讨，总结了一定的经验，为高原、缺氧地区隧道施工提供了一些技术方法和手段。同时，通过对设备的选型、配套、维修、保养，提高了高原地区设备的利用率，降低了机械设备的故障率，减少了劳动力的使用数量和强度，取得了较好的社会效益和经济效益。