高寒地区铁路隧道施工技术研究
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摘要：随着我国基础建设事业的高速发展和西部大开发的进一步推进,我国的公路工程、铁路工程和地下工程迅猛发展,尤其我国步入高速铁路快速发展的时期,其大量长大隧道工程落户于西部地区,穿越海拔寒区。高海拔寒区隧道所处的工程地质、气候条件往往比较恶劣,本文通过对隧道施工中通风供氧技术、防冻胀技术、防排水措施、施工机械化等方面的研究,探索一种类似条件下修建高速铁路隧道的技术可行、经济合理、有利环保的隧道施工技术。
关键词：复杂地质；铁路隧道；施工技术；安全管理
中图分类号：TU74文献标识码： A
引言
高寒一般被用来描述由于海拔高或者因为纬度而形成的特别寒冷的气候区,中国属于高寒地区的有黑龙江省北部、青藏高海拔、甘肃、内蒙古部分地区。工程地质和水文地质条件决定了隧道施工技术,但是应考虑隧道开挖跨度、支护类型以及使用功能等因素。高海拔寒区隧道的施工技术有别于平原地区隧道施工技术(如:防冻胀技术、施工过程中的通风供氧、防排水技术及机械化及配套技术等等)。
一、高海拔寒区隧道施工通风供氧技术研究
长大隧道施工时由于通风距离过长以及内燃机械的尾气排放，因此通风降尘是其施工的一个重难点。对于高海拔寒区的长大隧道更是如此，高海拔寒区的低压、低氧、低温更会加剧施工通风的难度，低压、低氧、低温使得内燃机械的燃烧不充分加重了尾气的排放以及施工人员的功效降低，因此在高海拔寒区隧道施工时组织有效合理的通风组织安排可以保证洞内环境处于良好的工作环境，加强供氧技术可以有效的满足施工人员以及机械对于氧气的需要，保证施工人员的体能是高海拔寒区隧道施工时的重难点。
大阪山隧道地处高海拔高寒地区，缺氧比较严重，劳务人员缺乏。并在隧道内，生活区建立多个氧吧，以供缺氧之需。隧道合理有效的通风组织与管理，加强了施工通风，所处地区高寒缺氧，加上隧道长、埋深大，洞内人员和设备多，各种燃油机械耗氧量大，尾汽油烟排放多，致使洞内空气污浊，严重缺氧，虽经全力通风换气，仍达不到正常标准。若工作面施工人员劳动强度过大、劳动时间过长或停电停风，都有可能导致洞内人员因严重缺氧而窒息。
(一)隧道掌子面弥散供氧
弥散供氧只是局部使用在掌子面附近，其主要原理是将氧气以弥掌子面附近，增加掌子面附近的氧气含量。隧道掌子面弥散供氧系统主要由输氧管道、阀门、弥散供氧装置等组成，详见图1。弥散供氧装置主要将氧气以射流雾化的形态从喷孔中喷出，则喷出的氧气射流相互对流，便形成弥散分布。随着隧道掌子面掘进，可以该装置可自行移动跟进。图2为采取弥散供氧方式后，隧道掌子面附近纵深10m局部内的氧气含量分布。据实测数据，掌子面附近l Om段氧气压提高了2.1~3 .2kPa。
图1 隧道掌子面弥散供氧原理图
图2掌子面附近的氧气压分布图
(二)隧道内氧吧供氧
在该隧道掌子面附近的人员不需氧吧供氧，但是远离掌子面的施工人员必须轮换休息，保证工人健康及工作效率，该场所应满足以下要求
①保证持续供氧能力，保证工人可随时吸氧；
②随着施工的不断前进，氧吧应该可以随时移动以满足施工；
③不妨碍隧道施工，并且可以满足较多施工人员同时进行休息。
掌子面弥散供氧方法与便携式供氧方式不同，虽耗氧量大于个人便携式，但其可以解决便携式供氧携带仪器设施的负担，在隧道实际的施工开挖时，只在掌子面附近采用弥散供氧方法进行供氧。
二、高海拔寒区隧道防排水系统
(一)高海拔寒区隧道防排水系统设计原则
高海拔寒区隧道设计防排水系统时应该考虑以下几个方面:
(1)按照“以排为主，防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，根据隧道工程水文地质概况、地理气候气象条件，采取合理的设计方案、施工工艺、达到预防可靠、排水畅通，保证设备与结构的安全性以及列车正常安全运营并达到经济性的目的。
(2)提高二衬混凝土的自防水能力，抗渗等级≥P6，关键时便使用防水混凝土。施工时加入特殊外加剂提高二衬混凝土抗裂防渗能力，提高结构和防水卷材的抗冻作用并做好接缝防水，防止防水卷材因为冻害而发生损害因此要具有一定抗冻性。
(3)当隧道的冻土区域段为富含地下水的破碎带，采取了围岩注浆止水措施外，还应设置防水的保温隔热层。
(4)对于隧道地表的沟谷、坑洼积水，宜采用疏导、铺砌和填平等措施，对于隧道外的废弃坑孔应采取填实措施，防止地表水下渗危害隧道的安全。
(5)隧道底部有涌水时，两层衬砌间的防水板应采取封闭式。
(6)当地下水化学成分比较特殊时，应根据不同的侵蚀类型，对于衬砌混凝土以及注浆中的添加剂采用相应的。
(7)明洞段设置抗低温的贴壁式防水层。
(8)防止因隧道排水而造成水资源流失，而破坏隧道周围的生态环境。
(1)高速铁路隧道防水
隧道防水采取的措施主要有围岩注浆堵水，初喷混凝土防渗，设置防水层，施工缝、变形缝防水，二衬混凝土自防水，衬砌背后回填注浆等。
1)围岩注浆堵水
围岩注浆堵水是将一定配合比的浆液，采用某种方式注入富含地下水或者破碎围岩中，通过固结地层可以提高围岩密实度，降低地下水渗透作用，从而起到较好的止水效果。至于采用什么浆液和配比，要根据隧道不同工程地质环境，来选定防水堵漏材料、选择添加不同的外加剂（如果需要快速凝固的一般加上早强剂），按配合比参数要求配制拌好浆液。其中水泥浆拌好后用1×1mm网筛过滤，放入叶片立式搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀，提高堵水效果。
2)喷射混凝土防渗
喷射混凝土可以起到很好的防水作用，但未被国内外隧道界广泛接受。国际隧协对于初期支护喷射混凝土做了广泛的研究，指出很多因素会影响其防水的作用，例如对于暴露于有侵蚀性的物质的地下水环境中，必须采用特殊措施，如添加硅粉或钢纤维、采用低水化热水泥等，提高其防渗性能，才能使其发挥出较好的防水功能。一般情况下，加固和修复用的喷射混凝土最低强度C20，并应比被加固结构混凝土等级高1~2等级，通常采用C25标号喷射混凝土。
3)防水层
目前国内修建大量的山岭隧道，多设计复合式衬砌结构，其防排水措施的核心就是防水层。防水层材料是不透水表面光滑的高分子卷材，其不仅起到了良好的防水作用，而且很好的了初支与二衬的接触面，降低了两者间的约束应力，降低了二衬混凝土产生裂缝的可能性。防水层一般由两部分组成，防水板和缓冲垫层。缓冲垫层可以防止静力穿刺基层。根据围岩性质以及水文地质情况可分为全包、半包、局部防水形式。隧道在长期的运营中，因为自然外界条件的变化，特别是隧道修建引起的水文的变化造成地下水的运移发生变化。根据一些隧道的实测资料，如果二衬漏水其会随着时间的推移发生变化。在处理堵漏时，水流可能在二衬外侧发生串流，整治处理工作难度将会加大。因此在防水设计时就采用分区防水。其原理为:在复合衬砌防水中，假设防水板在施工出现损害，为了缩小漏水范围，则用分舱的方式将防水区分出一段段的区域，在施工缝上设置背贴式止水带并与防水板焊接分区。
4)施工缝、变形缝防水
施工缝是施工中产生的冷接缝，是隧道中最易发生渗漏的地方。在衬砌施工时如果对于处理不好，会引起衬砌裂缝及漏水，影响隧道的运营。在隧道使用中防止不均沉降以及温度或混凝土收缩引起裂缝，都会设置沉降缝和伸缩缝。这通称为变形缝，漏水采取的措施主要为止水条或止水带，通过多年的工程实例经验表明，在高海拔寒区隧道采用止水条或者止水带亦能满足耐低温要求，如采用中埋式CB型止水带或CP型止水带均可以满足要求。
5)防水混凝土
隧道二衬结构既要外力荷载，也要起到一定防水作用，最后一道防水线，因此还要具有一定的抗渗性。混凝土抗渗等级设计与深度有关系，小于8米一般设计P6，8－14米深的基坑一般设计P8，深度大于14米基坑要P10，深度大于20米要设计P12。一般情况C25-C30标号混凝土能到P6，C35标号混凝土能到P8，为了确保可以再高一个标号，如P6的可以用C30-C35。施工时掺入少量的外加剂，配制而成的具有一定抗渗能力的防水混凝土。
(2)高速铁路隧道主要排水工程系统
隧道排水系统主要由环向、纵横向排水盲管、侧沟、中央排水管(沟)部分组成的排水体系，其排水系统详见图3。
1)排水盲管
环向排水盲管主要设置于围岩与初支间、初支与防水板。为地下水提供通道排到纵向排水管。一般选用Φ50mm软式透水管。盲管的设置间距根据施工时地下水的发育情况而定，通常间距≤1Om。纵向排水盲管也是位于防水板与初支间，其通常设置于衬砌底部。当前施工常用的管道为Φ80~150mm的弹簧排水盲管或者带孔透水管。其可以将上部环向排水管等排下来的水通过横向排水管排到侧沟。横向排水管将侧沟的水排到中央排水沟。
图3高铁隧道横向断面排水系统示意图
2)侧沟
侧沟主要是将汇集并沉淀上部排下来的地下水，引到中央排水沟。
3)中央排水沟
中央排水沟的主要作用就是将汇集并排出上部所有排水系统排下来的水，同时混迹道床顶部积水，疏干底板积水。一般通过拼接预制的带孔混凝土管段而成，而且纵向一定距离必须设置检查井。中央排水沟布置如图4所示。
图4中央排水沟构造示意图
4)缓冲排水层
缓冲垫层设置在防水板背面，不仅可以排一定的水，而且可防止静力穿刺破坏防水板。其设计要求如下:
其厚度适中，其质量密度≥300g/m3；具有良好的导水性；具有良好的柔性以适应初支的变形；具有良好的抗腐蚀性，能抵抗特殊化学成分地下水的侵蚀。
初支施工完成后局部涌水的排水措施：
隧道个别地段或初期支护的某一段涌水量较大时，为了确保将涌水及时排出，必须增强该位置的排水能力，以保证隧道防排水的要求。涌水部位可设置“Ω”形弹簧排水半管引排地下水。为扩大集水范围，在不影响围岩和引起堵塞的前提下，可在排水管内向围岩钻一些集水孔。对于松散围岩(指砂层、土质或破碎松散围岩等)，如采用集中排水，易造成颗粒流失，降低围岩的稳定性，影响衬砌安全，故此类围岩不宜采取集中排水。图5为初喷后局部涌水处理示意图。
图5 为初喷后局部涌水处理示意图
三、隧道机械设备配套技术
由于大阪山隧道正洞洞身处于海拔3000m以上。在此条件下，施工组织具有比较的挑战性，主要由于工人身体机能、机械设备功率都会下降很多。因此必须减少施工人员的劳动时间提高隧道的机械化施工程度，在缺氧的条件下尽量配备电动力的机械设备。
在该隧道施工的过程中必须发挥技术及装备优势，组织配套的高效率机械化施工作业，提高施工生产效率，加快工程施工进度。为了减少机械设备排放的废气污染洞内空气，选择污染小的施工机械设备，尽量选用电动设备。施工人员缩短工时、轮休等措施降低劳动强度，提高机械化水平，机械设备的选型与配套和施工方案密切相关。在隧道施工时选用以凿岩多功能台架、多臂电驱动凿岩机、TIC挖装机、喷射机组、小松装载机、衬砌模板台车、移动仰拱栈桥、重载运输等为主要特征的大型机械设备配套，组成开挖、出渣、支护、衬砌等机械化作业线的有机配合，达到快速施工。
四、隧道抗防冻技术研究
(一)洞口段防冻技术
隧道常见的冻害为:衬砌漏水、挂冰，道床结冰，以及冻胀引起的道床隆起影响正常行车，并给维修养护造成极大困难。该隧道为第III类冻胀类型，冻害主要发生在距离洞口一定纵深的范围内，隧道围岩发生冻害的基本因素有水、温度条件，因此防冻胀时应主要考虑防排水、保温隔热、辅助加热措施。①治水:洞口及洞身渗水围岩段帷幕注浆堵水。②隔热保温措施:保温层有贴壁式、内嵌式以及设置于二衬与初支直接形式，该隧道采取了直接敷衬砌表面的贴壁式；洞口设屏蔽门，白天打开，晚上关闭。只向洞内输送热量而阻断冷空气进入。③加热、洞口外设置一段加热明洞，可采用钢网架结构上敷阳光板结构，长度100~200m为宜，利用大棚的温室效应加热洞口外空气，再利用车辆活塞风作用向洞内送热风，白天亦阻断冷风的进入。
(二)保温隔热技术
通过国内外广泛调研究，目前，国内外常用保温材料有PE(聚氨酯)、EPS(聚苯乙烯)及无机纤维喷涂保温，PE(聚氨酯)保温材料保温效果好，导热系数为0.03w/m.k，但是造价高；EPS(聚苯乙烯)经济性好但是保温效果较差，但由于隧道为永久性地下建筑，工程质量的保证是关键的，综合比较，采用PE(聚氨酯)较EPS (聚苯乙烯)作为隔热保温材料要好。与PE相比无机纤维喷涂保温效果略差，其导热系数也略高一点点，但无机纤维喷涂具有PE(聚氨酯)所不具备的明显的优势，因此该隧道最后采用了PE(聚氨酯)保温材料。
结语
高寒地区隧道址区的地理气象环境决定其施工难点，地区极为恶劣寒冷的环境下，其隧道的防冻胀施工技术是其中一个关键点；高海拔的低压缺氧以及长度达15km的隧道也决定了隧道的施工通风以及供氧技术也是保证施工质量、施工进度以及施工人员安全的关键技术；隧道里程富水区较多而且处于寒区因为其防排水系统也是其施工以及防冻胀的一个难点；由于高海拔寒区低氧低压的特殊情况，因为如何有效的进行施工机械化设备选型以及配套技术是保证在施工工期内顺利并保证施工质量的一项重要措施。
参考文献
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