青藏铁路昆仑山隧道施工技术简介青藏铁路昆仑山隧道属典型高原冻土隧道,高原冻土、高寒缺氧、低气压、低氧分压等客观 因素给隧道修建带来许多困难，但是修建青藏铁路意义重大，这也是对我国修建铁路隧道技 术的一次大考验，经过几年的艰苦奋战，终于把青藏铁路顺利竣工下面从几个方面对青藏 铁路修建进行叙述1 工程概况昆仑山隧道全长1 686 m ,位于青藏高原海拔4600〜4 700 m的连续多年冻土区，多年冻土上 限1. 5〜2. 5 m，下限60〜120 m，起讫里程DK976 + 250〜DK977 + 936隧道地处乱石沟多 年冻土区，以古冰川、现代冰川作用及寒冻风化地貌形态为主，地表石海、石冰川、冰椎与冻 胀丘、融冻泥流与滑坍发育该隧道洞身为三叠系板岩夹片岩，山坡为坡积角砾土、碎石土 洪积碎石土隧道所处地区气候特征是高海拔、高寒缺氧、低气压、低氧分压据现场观测， 隧道进口的大气压只有海平面的57 %、氧分压只有海平面的54 %最高气温23. 7 °C,最低 气温-37. 7 C,平均气温-3. 6 C〜-5. 2 C,昆仑山隧道进口(4 642) 433 86温差可达30 C 年平均降水量220. 9 mm ，年平均蒸发量1 469. 8 mm ，相对湿度为24. 5 %(现场观测) ，最大风 速 23. 0 m/ s。
2 工程难点2. 1 高原冻土昆仑山隧道所处地段多年冻土上限为1. 5〜2. 5 m,下限为60〜120 m为验证隧道结构设计、 防排水措施、支护技术及隔热保温技术的合理性，以指导现场低温早强耐久混凝土支护和隔 热保温层的施工以及动态调整隧道的设计与施工方案,在昆仑山隧道施工过程中进行了7 个 项目的科研攻关2. 2 高海拔、高寒、缺氧 高寒、缺氧、低气压对人机效率的降低影响是严重的,根据相关资料,海拔高度为4 001〜5 000 m 时气候对人机的影响见表 2 2. 3 地质条件差 昆仑山区属于雅合拉达合泽山旋回层,区内岩层挤压褶皱强烈隧道位于两条逆冲断层间的 隆起2. 4 结构复杂、工序繁多隧道采用曲墙带仰拱整体式模筑钢筋混凝土衬 砌、模筑混凝土支护、系统锚杆防水板及隔热层位 于支护与衬砌之间,按“防水板+ 隔热层+ 防水板” 结构形式沿隧道全长全断面铺设防水隔热材料隧 道内设双侧保温水沟,墙脚纵向设＜100 mmPVC 盲 沟通过“三通”及＜50 mm 泄水管将衬砌背后的水 及时排入侧沟隧道衬砌结构形式如图 2 图 2 隧道衬砌结构示意Fig. 2 Tunnel lining structure2. 5 工期紧青藏铁路全线以南山口为起点向拉萨方向单向铺架,全线6 年工期由铺架控制,而昆仑山隧道位于冻土北界,直接控制铺架工期。
因此,必须寒季组织施工3 施工方案由于该隧道的特殊性及工期的紧迫性,采取“长隧短打”原则,即开设进口工作面、出口工作面 以及从1 # 横洞、2 # 横洞向两头开设的四个工作面,共计六个工作面进行施工3. 1 开挖方案 采用全断面或半断面人工风钻钻眼,进行光面爆破开挖,采用立爪扒碴机、梭矿车、电瓶车出 碴并进行双轨道有轨运输3. 2 衬砌方案 衬砌混凝土采用泵送混凝土,衬砌设备采用液压式衬砌台车施工顺序为先做仰拱,再施工边 墙,后做拱部3. 3 通风方案进口、1 #横洞、2 #横洞、出口等处均采用一台37kW的通风机进行压入式通风在掌子 面附近设移动式制氧设备,在机械驾驶舱内设增氧设备,在隧道适当位置的避车洞内设氧吧, 在进口急救中心设高压氧舱,以满足施工人员生理需要和保持旺盛的工作精力3. 4 供电、供水方案 各洞口独立采用高原型的发电机组提供工程用电,并备用发电机以提供备用电源,确保隧道施 工的顺利进行在隧道进口打一口深井,沿青藏公路右侧布设供水干管,保证全隧道的工程用 水4 施工方法4. 1 超前预注浆在软弱围岩段拱部设＜42 超前小导管,加固地层采用台车钻孔,沿孔打入注浆小导管,注浆前 喷射10 cm 厚混凝土封闭掌子面,用拌合机拌制水泥浆,采用注浆泵小导管注浆。
4. 2 正洞开挖对于“级围岩采用超短台阶并留核心土开挖法；对于V级围岩采用短台阶法开挖;对于W级 围岩采用全断面开挖4. 3 支护施工 本隧道根据初步设计拟采用模筑混凝土支护,全隧道结合系统中空锚杆采取围岩注浆加固措 施,以减小围岩冻胀力,并根据不同围岩级别设置钢架模筑支护施工工艺与正洞衬砌相同4. 4 隔热保温层施工 本隧道在模筑支护与模筑衬砌之间设5 cm 厚隔热保温层根据施工技术细则规定,保温层使 用型材先在铺设面上安装固结螺栓，间距1〜1. 5 m ,梅花型布置，然后将保温板固定在固结 螺栓上板间用专用胶粘接,层间施外力压紧,进行整体铺设铺好后表面应平顺,不出现起鼓、 松动等现象4. 5 衬砌施工隧道采用曲墙带仰拱整体式模筑钢筋混凝土衬砌，混凝土采用低温早强耐久混凝土隧道W、 V级围岩段采用先施做仰拱、再施做边墙、最后施做拱部的顺序进行衬砌施工"级围岩段 可后施作仰拱本隧道的衬砌作业线采用混凝土搅拌站、轨行式混凝土输送车、混凝土输送 泵、衬砌模板台车等设备配套模式模筑衬砌采用泵送混凝土入模4. 6 防排水施工 遵循“防、排、截、堵、隔热、保温等多道防线综合治理”的原则，确保隧道在施工完成后不 出现漏水和渗水的情况。
5 关键技术5. 1 施工机械化配套技术5. 1. 1 配套原则和模式 针对高原冻土隧道“高、寒、缺氧”等特点，按以下原则进行设备选型配套: ①最大限度地采用 机械化；②不追求单台设备最先进，力求设备间合理匹配；③采用有轨运输；④施工机械要与 施工方法配套，动力选型以电力为主;⑤单机选型上要考虑质量可靠、高效、经济合理、维修 方便,组合配套时要考虑各设备间生产能力要匹配; ⑥选型配套要与进度要求相适应; ⑦既要 考虑高原机械工效降低，设备配备的富余系数又不宜过大关键设备的备用系数一般采用 1.44 ，机械化配套组合模式采用钻爆法+ 常规有轨运输模式5. 1. 2 机械化配套机械化配套设备包括:采用五个钻爆平台人工钻孔;常规有轨运输，铺设双道；LZ120型立爪装 碴机装碴,12 t电瓶车牵引S14D梭式矿车运输;喷锚作业选用TK961型混凝土湿喷机;衬砌 作业采用衬砌台车;洞内采用轨式混凝土输送车和 HBT60A 混凝土输送泵运送和泵送混凝 土;仰拱施工采用自行研制的仰拱作业桥5. 2 隧道施工通风 针对昆仑山隧道海拔高、气压低、寒季极限温度低、昼夜温差大的特点，铁道部特设立《昆 仑山隧道通风技术及施工温度场研究》课题，其关键技术是加温预热通风系统的研制，使洞内 温度场控制在-5 °C〜+ 5 °C之间。
由于工期紧，同时具备制冷和预热功能的风机 研制需要一定周期，施工中采用了两种不同的通风系统和通风技术5. 2. 1 两种通风系统适用阶段(1) 普通通风系统适用于隧道的开挖阶段( - 5C〜 + 5C) 2) 加温预热通风系统适用于寒季隧道衬砌阶段(0C〜+ 10 C)5. 2. 2 通风技术(1) 在寒季( - 10 C〜 - 37 C) 将风机置于洞口保暖大棚内的通风方式，即能确保开挖时- 5 C〜0 C的温度要求2) 在暖季，利用日温差大的特点，采用日最低温度时段通风，可保证开挖段温度控制在+ 5 C 以内但为了保证开挖安全，必须尽快实施湿喷混凝土加系统锚杆支护手段，以封闭围岩，减少 空气与冻土的热交换，延缓冻土冻融圈的扩展速率为保证施工安全，湿喷只是一种临时支护 手段,据观测，破碎的冻土围岩在洞内温度呈正温(+ 5 C以内)，实施了湿喷混凝土支护(厚5 cm) 的条件下，可稳定 5 天以上，施工中据此确定一次模筑混凝土距开挖掌子面可保持 18〜 20 m 的距离5. 2. 3 施工适宜的洞内温度由于昆仑山隧道洞身围岩挤压褶皱强烈 ，节理发育，岩层非常破碎，围岩主要靠裂隙冰的粘接 作用连成整体，一旦洞内环境温度超过0 C,随着融化圈的扩大,融化圈内的围岩就会发生掉 块及坍塌。
据施工实践 ，围岩破碎、整体性差的冻土隧道开挖段施工环境温度宜控制在 - 5 C〜0 C内，这个温度在寒季易控制;在暖季环境温度必须控制在+ 5 C内，同时对围岩及时 进行喷锚临时支护，保证施工安全5. 2. 4 通风监测结果根据现场监测结果，发现一些新的特点:(1) 独头掘进施工，通风条件差，洞内尤其是掌子面和衬砌施工段温度高，多为正温2) 由于洞外太阳辐射大，在自然通风下，洞内温度会上升，尤其是拱部围岩表面温度常处于正 温，这加剧了冻土的热融，频繁出现掉块3) 需把洞内开挖段围岩表面温度控制在0 C以下，防止热融、掉块，这要求通风机要有制冷 能力，对原部科研项目的通风方案提出了新的要求5. 3 防排水结构和隔热保温层施工 防排水结构和隔热保温层是昆仑山隧道设计中的特殊和关键结构，施工中必须严格按照施工 工艺和标准进行，以确保工程质量5. 3. 1 防水、隔热保温层(1) 防水、隔热保温层材料的性能和用途材料名称规 格用 途PU聚 氨酯板 厚5 cm; 导热系数＜0. 03 W/ m2 . k ; 抗压强度＞3kg/ cm2 ;体积吸水率三3 % 隔热保温复合防水板 纵向拉伸强度＞1. 5MPa ; 断裂伸长率＞200 % , - 35 °C无裂纹；抗渗性:24小时无渗透； 膜厚＞1. 0 mm 防水 树脂胶OP型模筑支护与防水板和保温板之间的粘贴聚氨酯 粘结剂 MDI 型 密度1 200 kg/ m3 ; 粘结强度0. 2 MPa 保温板接缝粘 接(2) 施工方法 复合防水板采用粘贴工艺,隔热保温材料由工厂预制成型;洞内拼装决定采用 OP 树脂胶作为 防水板与混凝土之间、防水板与保温板之间的粘结剂,每一层粘结采用双面涂胶,待风干后粘 结。
PU板间采用MDI聚氨脂改性粘合剂粘结,接缝接触面采用双面涂胶PVC板间采用 搭接,搭接长10 cm搭接缝用热焊机进行热焊处理，并用焊枪融化固体胶进行胶结补强5. 3. 2 施工缝、伸缩缝环向施工缝在浇筑新混凝土前涂刷2mm厚的WJ界面粘接剂,在衬砌截面中间布置遇水膨 胀止水条,水平施工缝不设水泥基界面剂及止水条,但在浇筑新混凝土前要清理接合面,以保 证结合面密实伸缩缝在洞口段300 m范围内结合施工缝设置，间距20〜25 m在设置衬砌 伸缩缝的隧道断面处,模筑钢筋混凝土衬砌中间铺设橡胶止水带,在靠近支护一侧衬砌外侧布 置 100 mm 遇水膨胀橡胶止水条,其余缝隙用渣油麻筋或浸油木板充填5. 4 隧道仰拱作业桥技术 施作仰拱对掘进干扰大一直是国内隧道钻爆法施工中未解决的一大难题,但由于施工中研制 了隧道仰拱作业桥才使这一难题得到彻底解决仰拱作业桥参数及施工过程如下:(1) 仰拱作业桥全长27. 55 m ,宽3. 2m ,重24 t ,能通过重载运输车辆和三臂轮式凿岩台车,一 次施工长度8. 5〜10 m2) 施工中仰拱开挖一次到位,浇筑一次衬砌和二次衬砌仰拱至水沟底下5 cm 处3) 利用钻眼时间移动仰拱作业桥,平行作业。
5. 5 湿喷混凝土支护技术由于高原冻土隧道中湿喷混凝土支护没有成熟的技术,通过与中铁西南院组成的联合攻关组 进行的室内试验和现场试验,得出了以下结论:(1) 通过对水和砂加热，使混凝土拌合物温度达到25 C左右，可以满足喷混凝土对和易性以及 速凝的要求2) 为了满足混凝土速凝要求,需要对速凝剂进行加热,并同时保证混合时混凝土拌合物温度 在10 C左右,初凝时间可达3 min，但终凝时间较长,一般为10〜20 min，基本可以满足要求3) 通过对几种防冻剂的对比试验,选择确定了防冻剂品种及掺量,其低温条件下的温度发展 满足要求4) 两种砂率(55 %和60 %) 均可满足强度要求,施工中采用砂率为60 %5) 为降低回弹和控制喷层裂纹,在喷射混凝土中添加聚丙烯纤维此项技术被成功地应用于 隧道开挖后的临时支护,确保了施工安全,保证了各工序间的平行作业5. 6 低温注浆堵水昆仑山隧道DK977 + 600〜+ 660段埋深较浅，最薄处为2. 8 m由于 该段处于沟谷,地形低洼,两侧山坡及沟床上游融化层范围的水向该处汇集 ,并通过冻土融化 层———隧道融化圈这个通道 ，在上游侧隧道拱腰部位出现渗漏水 ，现场量测涌水量 Q =200〜400 m3/ d。
施工中堵水措施如下：(1)洞内采用R32自进式锚杆全断面注浆堵水，拱墙锚杆长3. 5 m，间距1. 0 m x1. 0 m ;仰拱锚杆长4. 0 m，间距0. 8 m x0. 8 m注浆分两 次进行,第一次注水泥浆,第二次注 GRM 水泥基浆液2) 注浆参数水灰比为0. 7〜1. 0 ;扩散半径为1. 0 m ;初凝时间为20 min (外掺剂2 %〜3 %，自然低温水); 注浆终压1. 5〜2 MPa3) 注意事项① 因渗水结冰堵塞花管孔眼导致注浆困难的可能性较大，因此低温条件下注浆最好先进行压 水现代隧道技术试验如花管孔眼被冰堵塞，应压入热水使冰融化后再进行注浆② 封堵明显涌水处的注浆，应对浆液调凝,以使浆液在较短时间内凝结而达到堵水的目的5. 7 低温早强耐久混凝土由于青藏铁路所处的特殊地理、气候环境，要求混凝土具有抗冻 性、抗渗性、耐腐蚀性、耐碱骨料反应性、耐磨性、抗碳化性、抗裂性、抗氯离子渗透性 抗风化、体积稳定性等耐久性指标隧道混凝土设计采用低温早强耐久性混凝土，通过试验 后，采用了如下措施:(1) 掺用由课题组试制的DZ系列外加剂，掺量为水泥用量的10 %2) 尽量少用水泥，最大水胶比小于 0. 4 。
3) 掺用适量的活性掺合料，选用针片状少的骨料4) 采用合理的生产工艺及养护制度，采用混凝土集中拌和生产、搅拌车运输及泵送入模，通 过对拌合料的加热和对运输机械的保温，确保混凝土的入模温度控制在+ 5 °C〜+ 10 €之 间浇注后的混凝土保湿、保温养护不少于14 天5. 8 隧道供氧及健康监测为防止高原缺氧和过度疲劳诱发重症高原病，保证施工人员的身体健康，采取了如下措施:(1) 采用6 小时工作制，按每天四班制并按1. 3富余系数配备施工人员2) 配备1. 5 kg 重的背负式氧气瓶，补充作业过程中的氧需求3) 在洞口设氧吧，规定作业人员进出隧道必须在氧吧进行氧疗宿舍采用弥漫式供氧，增加 宿舍空气中的氧分压4) 规定作业人员每月进行一次高压氧舱的氧疗，每半月下格尔木(海拔2 832 m) 进行一次习 服5) 在洞口设急救中心，格尔木设康复中心6) 对洞内氧分压、湿度、温度、大气压力、巷道风速、粉尘、CO、CO2等进行监测，据监 测结果采取相应保障措施5. 9 地质雷达检测为了在施作防水保温层前确保一次模筑混凝土支护背后填充密实，避免 冻害隐患，在施工过程中采用地质雷达检测技术，并严格依照压浆—检测—再压浆工序进行作 业。
6. 隧道施工中部分作业流程图简介超前锚杆施工作业流程图施工准备&结束一1宾口贲四址理*11I1十田彳吴訂克岸哼恵标〒T亠衍越*4逬土馬栓査机具爭I」位V」这走匚昆:蹇土酉匕匕乂匕质里检千呑格*中空注浆锚杆施工作业流程图&故臣-土2述H屢粵2幻妄忑匪二直上床兰乱江2孔口圭?、狂鶴*」乞逗釀包A百交结坪忆_得茅d11j妄慕昱想Q寂入昜坪国痔吕」；K些梃*」补掘址恐“防水板施工作业流程图监控量测作业及信息反馈流程图7.总结青藏铁路昆仑山隧道地处高原严重缺氧、严寒和多年冻土的自然环境，在世界尚属首例，这 不仅对多年冻土隧道施工技术本身、设备效率及利用率，而且对人员健康及生命安全提出了 严峻挑战由于在施工过程中开展了科研攻关，解决了高原、冻土隧道施工的关键技术问题, 同时由于这些技术的运用确保了昆仑山隧道于2003年2月13日安全、优质竣工，确保了青藏 铁路铺轨工期的要求高速铁路隧道学院：力学与工程学院班级：工力一班姓名：彭云强学号：20104290。