风火山隧道穿越地下冰层施工技术

・隧道/地下工程・

风火山隧道穿越地下冰层施工技术

曹鑫锋

(中铁二十局集团公司工程经营部　陕西咸阳　712000)

　　摘　要:重点介绍青藏铁路风火山隧道穿越厚层地下冰层施工中,针对地下冰层易热融滑塌的特点,摸索出一些行之有效的施工技术措施:井挖采用预留光爆层光面爆破,减少装药量,设置保温设施,暖季施工利用夜间通冷风,低温下快速有效封闭围岩,加快模筑混凝土衬砌速度,铺设保温板,加强测温工作等。

关键词:铁路隧道;高原隧道;地下冰层;施工技术

　　中图分类号:U455　　文献标识码:B　　文章编号:10042954(2004)06008902

1　工程概况

(1)明洞施工采用整体遮阳和边仰坡防护措施,防

风火山隧道位于青藏铁路格拉段,是世界上海拔

最高的多年冻土隧道,起讫里程为D1K1159+000～D1K1160+338,全长1338m,轨面高程4905m,山顶海拔高度4996m。隧道最大埋深约100m,最浅覆盖层仅810m。年平均气温-6111℃,极端最高气温2312℃。隧道地质构造特殊,主要为含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土、厚层地下冰,泥岩、砂岩、泥砂岩互层等。洞身处于低温基本稳定区和低温稳定区,隧道洞身通过基岩多为少冰、多冰冻土,基岩风化层厚度一般为8～10m,局部基岩风化层中发育1～215m厚的富冰、饱冰冻土,多年冻土上限一般为115m。根据现场调查,厚层地下冰平均厚度达60cm,最厚处为90cm,冰层晶莹透亮。2　施工方法的研究

止热融滑塌;

(2)隧道内暖季施工,通冷风降温以防热融坍塌;

(3)采用有轨运输,以降低洞内环境温度;(4)隧道开挖后及时喷射混凝土封闭岩面,减少热

量侵入,有效降低冻融圈的形成速度和范围,从而防止融化圈过大造成的热融坍塌,减少结构施工完成后回冻产生冻胀影响;

(5)采用掺抗冻型速凝剂喷射混凝土和低温耐久性混凝土,以解决洞内开挖需要低温防融化,而支护需要高温保强度这一矛盾;

(6)隧道全断面铺设5cm厚隔热保温板,降低隧道内温度升高后对支护外围冰层的影响,避免厚层地下冰反复冻融对结构的破坏,影响运营安全;

(7)进行科学的温度控制,保证施工时对温度的不同环境要求。

具体措施如下。

(1)开挖时采用预留光爆层光面爆破,尽量减少一次装药量,周边眼间隔装药。为避免钻孔至装药时间拉开过长,导致成钻孔后孔内水、石屑冻结而影响装药效果和时间,在施工中,严格要求成孔一个立即用高压风清孔一个,并及时装药。选用KBW型抗冻防水乳化炸药,抗冻型非电毫秒雷管起爆。

(2)明洞开挖时为避免厚层地下冰热融滑坍,采取了以下技术防范措施:①开挖前,搭设明洞遮阳棚(图1),以减少太阳辐射热;在边坡开挖线外侧110m处挖110m×110m×115m坑,用混凝土把立柱(

厚层地下冰在地质学上被认为是极限性不良地质,目前世界上还没有在同类地质条件下开凿隧道的历史,更没有任何经验可以借鉴。厚层地下冰开挖后,若不及时进行防护,会产生热融现象,尤其明洞开挖时,边仰坡失稳,导致热融滑坍、基底泥泞,隧道在暖季开挖,特别是拱部会造成严重掉块现象,甚至导致大小不等的塌方;洞内开挖需要低温防融化,而支护需要高温保强度。隧道运营后,可能会因反复冻融破坏结构,影响运营安全。

为确保隧道安全顺利穿过厚层地下冰层,采取了如下施工方法。

收稿日期:20031217

),男,助理工程师。作者简介:曹鑫锋(1976—

管)埋好,立柱纵向间距210～215m,为了增加立柱强度,在立柱外侧210m处设地锚,用混凝土把地锚埋好,同时用

铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN　2004(6)

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拉的

。

有轨运输,减少了因内燃机械燃烧油料产生高温,有利于控制洞内环境温度。

(6)加快模筑混凝土衬砌速度,确保模筑混凝土衬砌紧跟工作面,这样可避免厚层地下冰因喷射混凝土厚度不足与洞内温度达到热平衡后,厚层地下冰热融圈扩大,破坏围岩的稳定性。

(7)为防止隧道运营后冻胀破坏和厚层地下冰热融圈扩大,在衬砌前全断面铺设5cm厚隔热保温板。隔热保温板的铺设采用常规的无钉挂线工艺。衬砌后经科研单位实测,已浇筑完的二次衬砌混凝土冻岩面热融圈扩大范围为210m左右。

(8)加强测温工作,进行科学有效的温控工作。首先根据施工安排提出不同阶段、不同时间施工时的温

图1　遮阳棚示意(单位:mm)

　

(3)隧道暖季施工的关键是利用夜间通冷风,降低

洞内环境温度。根据风火山地区昼夜温差比较大的特

征,每天从20:00时至次日上午9:00时利用110kW轴流风机给洞内连续不间断送冷风,以达到降低洞内环境温度的目的,确保厚层地下冰处于稳定状态。通过多次测温试验,采取降温措施后洞温控制在最高+5℃,有利于冰层地段施工。

(4)低温下快速有效封闭,减少热量侵入。开挖爆破后,经过试验摸索,结合多年喷混凝土施工经验,采用喷射混凝土(许多专家和设计人员认为无法喷到零度以下的岩面上)及时封闭岩面,防止围岩热融坍塌。原设计初期支护为模筑混凝土,开挖后围岩暴露时间长,出现热融坍塌。为解决这一实际难题,根据多年冻土区地温为负温、环境温度极低这一情况对混凝土施工采取措施。现场证明,抗冻型速凝剂液态型稍好于固态型。曾选用国内多家抗冻型速凝剂,效果均不理想,后将各种速凝剂进行混合配比试验,研究出一种效果较好的配方用于施工,结果墙部回弹率控制在20%以内,拱部控制在30%以内;最主要的是,有效降低了可施工温度下限。经过与测温调节同步的反复喷混凝土封闭试验,最终找到了既可保证厚层地下冰裸露面不融化、又能使加温后的混凝土在喷护时快速凝固而不脱落的临界温度,即-3～+3℃。据此在开挖爆破后,先喷混凝土3～5cm厚封闭岩面,使厚层地下冰与洞内空气完全隔离,减少厚层地下冰暴露时间,防止热融发生,有效地保证了洞内施工人员及隧道的安全与稳定。

(5)为了降低洞内环境温度,减少暖季白天通风时间,避免厚层地下冰产生热融现象,洞内出碴进料采用90

度要求。比如开挖时的温度值,光爆时的温度值,喷射混凝土时的温度值,衬砌时的温度值。再根据施工进度的安排求出对这些不同的温度值的需求地段和相应时间,据此进行洞内温度的调节和控制,并根据施工实际进行调节,以保证不同温度值的科学合理性和施工对温度的要求在时间和地点上的科学性,从而保证工程质量。具体实施时配备足够的供暖和降温制冷设备,派专职试验员负责温度测试。对洞内拱顶、拱腰、墙角等处环境温度,模板顶部、拱腰、底部温度,混凝土的入模温度,混凝土养生温度,洞外环境温度,砂石料温度,砂石料棚内温度等与混凝土质量相关项目每隔2h测温1次,随时掌握与开挖施工和混凝土质量相关项目的温度情况,发现哪个环节出现问题,及时进行温度调节,并随时进行加强处理,以确保工程施工的质量。

(9)施工安排中要“快、慢”结合,突出一个“快”字。“快”就是工序衔接快,施工速度快。尤其是在光爆时和光爆后喷射混凝土进行初期支护时,施工动作快了可以减少热量对围岩的侵入,减少施工温度对冻土的影响,有效降低冻融圈的形成速度和范围,从而防止融化圈过大造成的热融坍塌,减少结构施工完成后回冻产生冻胀影响,提高了施工安全度,能够保证施工质量,同时能加快施工进度。“慢”是指施工时在不影响前面工序施工质量的情况下,后道工序的施工条件达到时,才能继续施工,不能盲目快干。比如初期支护完成并成功进行了保温隔热措施后进行混凝土衬砌时,必须确保混凝土在施工时的温度达到要求时才能进行,并必须保证混凝土在等强期的温度、湿度达到要求,不能急于求成。3　结语

通过以上综合技术措施,保证了厚层地下冰的基铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN　2004(6)

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八米塬隧道下穿既有铁路安全施工技术

孙建平

(郑州铁路局建设管理中心　陕西西安　710054)

　　摘　要:为保证宝兰二线八米塬隧道出口段安全穿过既有运营铁路,施工中采取整体架空既有铁路、洞内大管棚超前支护、正台阶分步开挖、强支护、衬砌紧跟施工的方法,安全、顺利完成下穿隧道施工。

关键词:铁路隧道;下穿既有铁路;施工技术

　　中图分类号:U45911;U45514　　文献标识码:B　　文章编号:10042954(2004)06009102

1　概述

(2)隧道下穿既有铁路段采用大管棚超前支护,上

八米塬隧道为宝兰铁路增建二线工程项目,位于陕西省宝鸡县凤阁岭乡的渭河北岸,起讫里程为

DK1344+700～DK1345+706,全长1006m。隧道出口端下穿既有陇海线,隧道中线与既有铁路中心线夹角约42°,下穿段拱顶高程与既有线路肩高程相差约212m。隧道通过地层主要为第四系上更新统风化黏质黄土,中更新统卵石土、漂石土、碎裂花岗岩及碎裂片岩,隧道下穿既有线段地质条件较差,为Ⅵ级围岩。

隧道下穿既有线段围岩软弱且浅埋,自承能力极差,同时受运营列车振动的影响,造成洞身开挖后围岩的稳定性更差,为此必须采取较为稳妥的施工方法,确保隧道的施工安全;隧道在既有线下穿过,施工中必须严格控制地表沉降,确保既有铁路运营安全。2　施工方案的确定

半断面预留核心土环形开挖、下半断面左右半部前后

错开开挖,隧道开挖后及时施作锚喷支护,并辅以钢拱架支护,衬砌紧跟开挖面。

(3)施工中要加强监控量测,地表沉降测点要加密,量测频率要加大,并根据量测结果及时指导施工。3　施工方法

311　既有线路架空加固

既有陇海线日平均通过列车45对,隧道下穿既有铁路段地质条件差且覆盖层薄,为确保既有线运营及

隧道施工安全,经比选,决定采用如下施工方案。

(1)采用人工挖孔桩作支点,纵梁、横梁辅以扣轨,整体架空既有铁路,一方面减小隧道施工对既有铁路的不利影响,另一方面减轻列车通过时产生的振动对隧道施工安全带来的危害。

收稿日期:20031215

),男,工程师,1992年毕业于兰州铁道学院。作者简介:孙建平(1971—

由于既有铁路路肩高程与新建隧道拱顶高程相差

只有212m,为了确保既有铁路的结构、运营和隧道施工安全,既有线路架空加固必须在隧道施工进入该段之前完成。

(1)既有线路架空加固设计

根据现场实际情况和可利用的器材,整体架空22m既有铁路的线路。纵梁采用D型施工便梁,两端支撑在人工挖孔桩上,并将横梁与纵梁联结为整体,扣轨扣住既有铁路枕木,使既有铁路所承受的载荷通过便梁托换至挖孔桩(图1)。力的传递过程为:列车荷载→钢轨→横梁→D型纵梁→挖孔桩支墩→地基。

既有线路架空加固纵梁采用2根D24型施工便梁,施工便梁每端设1根挖孔桩。根据现场实际情况,且考虑到挖孔时人工作业空间,挖孔桩直径选用

作用在单根挖孔桩桩顶内力为

N=[(5×220×21+92×1615×参考文献:

[1]　吴应明.高原多年冻土隧道施工技术[J].铁道标准设计,2003(1):

5～8.

[2]　刘万奇.高寒多年冻土隧道施工保温技术[J].铁道标准设计,2003

(10):62～64.

本稳定,克服了厚层地下冰给施工带来的种种困难,目前已安全顺利通过厚层地下冰段施工。只是在采用喷

混凝土快速封闭冰层施工中,喷混凝土一定要在“临界温度”时由熟练的喷射手快速喷射,并不断送入冷风防止热融圈扩大。

铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN　2004(6)

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RAILWAYSTANDARDDESIGN

No.6,2004AbstractsandKeywords

DesignofLhasaRiverExtraLargeBridgeonQinghai2TibetRailway

WangZhen,LiFengqin,WangZhaohu

Abstract　LhasaRiverExtraLargeBridgeisasymbolicprojectofQinghai2TibetRailwayfeaturingfivespans(36+72+108+72+36)mthreesteeltubulararch2escontinuousgirdercompositestructure.Anintroductionisgiventodesignofthemainbridgeandconstructionmethodadopted.Keywords　Qinghai2TibetRailway,continuousgirder,steeltubularconcretearch,bridgedesign,constructionmethod

DynamicPropertyandThree2dimensionalEarthquakeResponseofthePow2erStationBridgeoverXin’anjiangRiver

FengShuo,XiangYiqiang,HuangZhiyi,WangJinfeng

Abstract　Ananalysiswasmadeofcausesforsurfacecracksduetotemperature

stress,andthepossibilityofpenetrationcracksduetotemperaturedifference.Measureswereraisedforpreventionofsurfacecracks.Keywords　Qinghai2TibetRailway,severecoldarea,concrete,microcrackDesignCharacteristicsofBeipanjiangRiverBridgeonShuibaiRailway

ChenKejian

Abstract　ANSYSwasusedtoestablishafiniteelementmodelofthebox2shaped

concretearchbridgewithtwoequalspans,andananalysisofdynamicpropertywaspreformed,andmeasuredimpulsedatawasusedtoverifytheanalysisresult.Responsespectrummethodandtime2historymethodwasusedforanalysisoflongi2tudinal,transversal,andverticalearthquakeresponse.Keywords　highwaybridge,box2shapedarchbridge,modalanalysis,responsespectrum,earthquakewave,time2historyresponse

DesignandComputationoftheBridgedGutterforShenzhenReservoir

HeXiaobin

Abstract　ThemainbridgeofBeipanjiangRiverBridgefeatures236mupperloadingsteeltubularconcretearch.Anintroductionisgiventotheuniquetech2nologyusedlikegussetplateconnectingtop,bottomchordtubeandwebmember,theЖ2shapedtransversebracingforarchrib,rigidframepierbearing,andΠ2shapedreinforcedconcreterigidframe,etc,andtosuchdesignsasswingingbodyconstruction,ballhingeforswinging,concretepouringsequenceinsidearchrib,andswinginghingefortemporaryuseatthefootofarch,etc.Keywords　BeipanjiangRiverBridge,railwaybridge,archbridge,steeltubularconcrete,structuraldesign,swingingbodyconstruction

AnalysisoftheReliabilityofSurfaceDeformationofShieldTunnelBasedonNumericalSimulation

SongKezhi,WangMengshu

Abstract　ThebridgedgutterforShenzhenReservoiristhelargestsurfacestruc2tureofthewatersupplynetworkinShenzhen.Prestressingtechnologywasusedtoincreasethelongitudinalspanoftheboxconcretegutterandtoimproveitscrack2proofandseepage2proofperformance.Anintroductionisgiventothedesignofthegutterandcomputationofstaticforce.Keywords　prestress,boxgutter,design,computation,ShenzhenReservoirDynamicAnalysisoftheSinglePylonCable2stayedYintanBridgeoverYel2lowRiver

LiuLan

Abstract　Thepaperpointsout,basedontheanalysisofcausesforgroundsur2facedeformationinducedbyshieldtunnel,thattheparameteroftunnelrockandshieldexcavationwillcausedisturbancetorockmasswithgreatrandomness,thusresultintheuncertaintyofsurfacedeformation.ANSYSfiniteelementprogramwasusedfornumericalsimulationtesttoobtaindeformationdata,andonthebasisofwhich,primaryimpactelementwasdefinedrandominputvariate,andsurfacedeformationwasdefinedrandomoutputvariate.Monte2Carlomethodwasusedtosimulatethestatisticsofsurfacedeformation,andacomputationofprobabilityoffailureanddegreeofreliabilitywasconducted.Keywords　shield,surfacedeformation,random,degreeofreliabilityConstructionofFenghuoshanTunnelPassingUndergroundIceLayer

CaoXinfeng

Abstract　Anoverallcomputationandanalysiswasmadeofthepylon,andthe

impactofmaingirderlongitudinalandtransverseelasticconfinementonthedy2namicpropertyandearthquakeresponseofthemainbridge,includingestablish2mentofcomputationmodel,computationofdynamicproperty,andanalysisofearthquakeresponse.Computationresultindicatedthatelasticconfinementforop2erationandthefloatsystemforearthquakehavehighaseismicperformance.Keywords　singlepyloncable2stayedbridge,floatsystem,elasticconfinement,dynamicanalysis

DesignLoadofRailwayFerryTrestleBridgeovertheSea

LiXiaojiang,YanGuiping

Abstract　Anintroductionisgiventoeffectivemeasuresagainstthedeepunder2

groundicelayer,whicheasilythawsandcollapseswhenheated.Suchmeasuresinclude,smoothblastwithlesschargevolume,heatinsulation,coldairventila2tioninsummer,rapidandeffectivesealingofsurroundingrock,acceleratingtheliningoftunnel,installationofheat2insulatingslab,andmonitoringoftempera2ture,etc.Keywords　railwaytunnel,plateautunnel,undergroundicelayer,constructiontechnology

DesignofCable2stayedSteelStructureCanopy

LiHongbiao,YuYang

Abstract　Railwayferrytrestlebridgeovertheseaoperatesunderspecialcondi2tionsandbearstheeffectoftide,wind,rain,andwave,etc.Thespecialfunc2tionandstructureofthebridgereceivesspecialactionforce.Thecomputationmethodoftheforce,classificationofload,andprinciplesforloadcombinationwasputforward.Keywords　railwayferry,trestlebridge,load,designCausesforEarlyStageCracksontheSurfaceofConcreteStructureatSe2vereColdAreaandPreventativeMeasures

Abstract　Ananalysiswasmadeoftheselectionofinitialtensionalforceofthecable2stayedcanopy,theforce2bearingcharacteristics,andthedesignofrelevantmembersandnodaljoints.Arationalforcestructurewasobtained.Keywords　steelstructurecanopy,cable2stayedsystem,initialstress,displace2ment