高海拔嚴寒隧道穿越冰水堆積層施工關鍵控制技術

張小軍

（中鐵一局集團第四工程有限公司，湖北 咸陽 712000）

1 工程概況

四川甘孜317國道是我國西南地區的重要道路工程，其中雀兒山隧道工程環境復雜，為世界第一高海拔特長公路隧道。相較于常規山嶺隧道而言，本工程各處海拔均超4 000m，隨之內含有大量現代冰川與古冰川，為典型的高山-極高山冰川地形。資料表明，區域內最高溫僅為23.5℃，極端情況下低溫為-34.7℃，進出口處含有大量凍土，對應深度155cm、138cm?？傮w上，工程環境復雜，對工藝水平提出極高要求。雀兒山隧道施工難度較大，主要以崩坡積層、碎石砂層等穩定性偏弱的地質結構為主，塊碎石總量約55%，粒徑多介于20～2 000mm，存在大量的結晶粗砂，部分區域出現架空現象。經勘察得知，掌子面拱部與左側地質狀況極差，存在明顯的地下水滲流現象。受開挖作業的影響，在拱頂與側壁處出現明顯的掉塊現象，且部分區域坍塌。隧道穿越地層主要由2部分構成，即第四系（Q）冰水堆積層和燕山期花崗巖，圍巖級別以Ⅲ級、Ⅳ級居多。

2 冰水堆積層隧道施工技術

2.1 超前地質預報

高原地區氣候反常，晝夜溫差較大，冰水堆積層伴隨有反復凍融現象，在此影響下圍巖逐漸疏松，嚴重時出現架空現象。在此情形下，加強超前地質預報具有高度現實意義，需準確掌握前方圍巖情況，基于地質雷達等方式全面分析后續施工階段的地質情況，保障所得超前地質預報結果準確性，關于富水與掉塊區域，可設置超前探孔做進一步分析。做好超前地質預報工作，監控地質變化、指導現場施工。此外，高原地區施工環境復雜，施工人員需具備專業素質，因此施工前的培訓必不可少，且要實行崗位責任制。

現階段，隧道施工中可行的預報方法種類較多，但需要從工程實況出發，確定合適的方法，此舉對于預報結果精確性而言尤為關鍵。從時間與空間距離層面來看，可劃分為2類預報方法，具體分析如下：

1）短期預報。發生于掘進施工作業中，在較短時間內展開現場檢測，獲得掌子面及其周邊區域的地質信息，具體體現在節理產狀、巖性等方面，整合所得結果并將其輸入計算機軟件中，在程序的作用下以自動化的方式分析地質情況，諸如不穩定塊體的實際位置、分布特點等，由此做出施工預報。此類方法的特點在于操作便捷，所得結果精度較高，預報距離為5～10m，具有較好的推廣價值。

2）中長期預報。從施工現場的地質構造出發，輔以可行的物探手段展開，主要探測區域為掌子面前方較遠的地段，從中總結地質構造特點，創建預報模型，實現對全方地質災害的有效預報[1]。通常而言，此類方法的預測距離均＞10m，以所得結果為準可為施工作業提供指導，選擇合適的支護手段，從經濟效益這一層面來看，明顯優于短期預報。當然，由于預報距離相對較長，且隧道內地質環境復雜，所得結果的精確性相對欠佳，這也是隧道預報中的一大痛點，值得工程人員進一步探討。

2.2 超前支護

超前預加固需做好2方面工作：（1）針對隧道地表采取預加固措施；（2）針對掌子面前方圍巖采取預加固措施，實現對不良地質層的有效處理。

在本工程中，基于φ42mm小導管設置單層超前支護結構，滿足拱部120°布設要求；基于φ42mm注漿小導管形成徑向系統錨桿體系，長度3.5m，小導管橫縱間距一致，均為100cm×80cm。針對上述結構注雙液漿，具體為磷酸+水玻璃雙漿液注漿。工藝參數主要有：A液（水玻璃∶水）=1∶1，B液（磷酸∶水）=1∶15；A 液∶B 液=1∶1（質量比）；注漿壓力：0.3～0.8MPa；水玻璃ρ=1.38g/cm3，磷酸（弱酸）ρ=1.70g/cm3，水ρ=1.00g/cm3。

工程中合理應用超前預加固方法，與圍巖狀況達到相適應狀態，創設安全施工環境，重點關注超前預加固質量，嚴格控制各環節操作。

2.3 圍巖開挖

存在大量冰水堆積漂石土砂層，在此基礎上開挖作業后穩定性大幅降低，易引發坍塌事故。為確保工程安全性，需經由環向開挖的方式預留核心土，具體使用到三臺階七步法，此方式可有效減少局部開挖面積，降低對圍巖的不良影響，為支護施工提供便捷條件，在核心土作用下可有效支撐掌子面。

此環節施工中，需注重如下幾點內容：將核心土進深長度控制在3～5m，以隧道開挖寬度為基準，要求所得核心土寬度為該值的1/3～1/2，且兩側空間至少達到2m；針對核心土上弧形采取開挖處理，高寬均控制在1.5～2.0m，在此基礎上隨即初噴混凝土，增設鋼支撐結構，通過鎖腳錨管達到固定效果，并安裝鋼筋網片、鋼支撐連接鋼筋，再次噴射混凝土。不同類型的臺階長度存在差異，上臺階3～5m，中臺階5～8m，下臺階8～10m，單個循環上方0.8m處均要增設1榀0.5m鋼拱架結構[2]。針對中部兩側展開掘進施工時，要求錯開2榀鋼拱架，針對下部掘進施工時應錯開3榀，完成掘進施工后隨即采取初噴支護措施。

2.4 初期支護

初期支護環節的主要內容如下：

1）結束隧道開挖后隨即初噴混凝土，在較短時間內封閉巖面，有效避免圍巖松動圈擴大的問題，初噴厚度達4cm。若出現超挖現象或部分區域滲水明顯，需做好初噴前的準備措施，即掛設鋼筋網與引水管，在此基礎上方可展開初噴作業。

2017年4月20日3:00～6:00在某油田注水系統下游用戶反映納濾系統調試過程中入口保安濾器5 μm、壓差高1 MPa，拆檢發現濾芯有較大藻類味道，沒發現什么明顯的堵塞物，疑似有點像藻類和生物堵塞。說明上游水質可能變差。當天V30測試為9 L。

2）選用高精度鋼拱架，經由試拼且達到工程標準后即可批量生產。安裝過程中，以現場控制點為基準遵循逐榀安裝的原則，密切分析安裝垂直度、標高以及螺栓連接效果。

3）以圍巖地質情況為基準，需在鋼拱架底部增設槽鋼擴大基礎，確保拱架具備優良的受力能力，各拱架落腳處均要增設2根鎖腳錨管，以緩解拱架下沉問題。

4）考慮到冰水堆積體圍巖飽水問題，宜選用φ42mm小導管注漿方式，提升圍巖自穩能力。

2.5 防排水

在冰水堆積層中施工作業，需有效提升防排水效果。通過小導管注漿的方式，可有效隔絕地下水，避免其進入到注漿固結層中，此舉可消除地下水大面積漫流問題，有效控制初支凍結范圍。利用環向排水管，可將地下水匯聚至中央排水管中，與此同時敷設防水板，能夠有效阻隔地下水。除此之外，二次襯砌表面有必要敷設保溫板，避免出現初支與二次襯砌的凍結現象。

2.6 監控量測

全面確保施工質量的關鍵在于監控量測工作，從而有效預測險情，此舉是創設安全施工環境的“眼睛”。針對冰水堆積層地形，其施工環境尤為復雜，必須得到精確監控量測數據的支持，由此選定可行開挖工法，合理調節支護等環節的施工參數，為隧道施工創設有利條件。在開挖以及支護過程中，均要做好監控量測工作。

1）關于拱頂下沉與收斂量，二者的量測起始讀數需盡可能在3～6h結束，其余部分需在開挖結束且經過12h內開展，但必須在24h之前結束。

2）結束地基的處理且做仰拱施工作業后，在其頂面橫斷面增設3個測點，要求縱向以10m為間隔設置1排，適配高精度水準儀有效觀測沉降情況，以工程實際情況為準，確定合適的測量周期。

3）針對淺埋段地表下沉現象展開量測工作時，應與拱頂下沉量測設置在相同橫斷面，并合理設置觀測點。

2.7 襯砌施工

隧道施工復雜度較高，在高海拔嚴寒的影響下，尤其是穿越冰水堆積層時，更需要注重對襯砌的保護，以免受到高寒環境的損傷。施工中，二次襯砌混凝土材料尤為關鍵，以高性能防凍抗裂型材料為宜，向其中摻入適量纖維素以提升材料的抗開裂性能，通過增加適量防凍劑的方式增強材料的防凍能力，結束二次襯砌施工后需為之增設保溫層。

2.7.2 施工措施

受氣溫條件影響，不利于混凝土整體強度，且削弱了混凝土耐久性，易引發表面裂紋?；诖?，結束仰拱施工后隨即使用土工布以及帆布加以覆蓋，并在洞口處設置帆布簾，選取工作狀態穩定的電熱絲置于洞內達到升溫效果，使其恢復至平原溫度狀態。

2.8 施工組織

2.8.1 人員配置

施工現場為典型的高海拔地區，在此環境下施工作業必然會對效率造成影響，經分析得知，人工功效明顯下降，僅為平原地區的一半。為滿足安全施工的要求，適當縮減單班次施工時間，給施工人員足夠的休息空間，并配備大量的供氧設施，以便應對突發情況。

2.8.2 機械配置

相比于平原地區的施工作業而言，在高海拔環境下機械設備的性能也有所下降，機械功率僅為60%左右。但為了不影響施工效率，需引入一定數量的機械設備，且各自的運行性能需得到保障。

3 工程施工優勢分析

實踐表明，本文所述施工技術在實際工程項目應用中具有以下優勢：

1）雀兒山隧道進出口區域施工環境苛刻，有超過200m的冰水堆積層段，基于環向開挖方式預留足量核心土，并實行三臺階七步法，單個工作日進度1.18m，持續施工月進度可到35.5m，在整個高海拔地質環境中具有典范性意義，關鍵技術具有可參考價值。

2）采取科學開挖方式持續施工，輔以超前支護手段，各區段的監控量測工作有序展開?；趯M出口地段的分析得知，地表沉降最大處6.2cm，收斂變形最大值5.2cm，隧道偏壓、拱頂下沉等都得到有效控制，均在工程許可范圍內。

3）在高海拔施工環境中，基于對冰水堆積層的隧道施工工藝研究，深入了解冰水堆積層地質情況，提出了具有適用性的支護方法，確保工程整體質量，彰顯出優良效益性。

4 結語

綜上所述，從冰水堆積層的實際情況出發，為之探討可行的施工方案，有效整合人員、設備等各項施工要素，提升彼此的均衡性，并對工程中的關鍵技術加以分析，探討了高海拔高寒地區隧道穿越冰水堆積層段施工工法，其具有一定的指導意義，可為后續復雜環境下的隧道施工提供技術指導。