严寒地区修建铁路高风险隧道综合施工技术

高 峰

(中交隧道工程局有限公司,北京 100102 )

为了解决好严寒地区富水、大塌方、大变形,以及偏压高风险隧道施工难题, 施工、设计等参建单位事前科学论证,事中实践、总结、改进、提高。本文以新建哈尔滨至牡丹江铁路客运专线工程红旗沟隧道为例,介绍在严寒地区修建铁路高风险隧道的基本经验和一些施工关键技术, 如: 防排水、防寒保温、低温混凝土施工等, 解决了施工有关难题。这对在严寒地区修建铁路高风险隧道,具有重要的参考价值。

1 工程概况及地质特点

红旗沟隧道位于黑龙江省牡丹江市辖海林市境内, 隧道设计为单洞双线隧道。施工环境复杂多变,春季多风,夏季短暂且温度炎热,冬季漫长寒冷,依据影铁路工程的气候分区,红旗沟隧道隶属严寒地区,隧道地层最大冻结深度约为1.91m。隧道进出口碎石土具Ⅰ级不冻胀～Ⅲ级冻胀,全风化花岗岩具Ⅲ级冻胀～Ⅳ级强冻胀级。

该隧道洞身DK239+690～DK239+790、DK239+915～DK239+990、DK240+095～DK240+170、DK241+080～DK241+150、DK242+115～DK242+175段物探揭露为破碎带,受结构方面的影响,岩体极破碎严重,风化严重,且具差异性风化,富含地下水,在施工过程中,会引起洞体岩体出现掉块及较大面的塌方和洞体结构大变形及洞内突水,为Ⅴ级围岩地段。进出口段,岩石风化严重局部呈砂土状,岩体破碎,自稳能力差,洞顶、洞壁极有可能出现塌方和大变形,且存在偏压现象。

针对红旗沟隧道的工程特点,在施工过程中必须牢牢把握 “严寒”、“富水”、“软弱围岩”这几个基本特征,实时把控,有针对性地做好现场施工的各项工作。

2 采取的施工关键技术

2.1 “严寒”放工关键技术

2.1.1 适用于严寒条件下的施工机械配套技术

在经过详细的阅读和研究招标文件和现场勘测后,红旗沟隧道被列为本标段的控制性工程,具有施工难度大、施工工期张、技术要求高等特点,施工场地地处严寒地区,施工过程中需具备保温、防寒设计要求,在施工过程中应用大型机械化配套施工技术,依据施工特点投入大型隧道施工专用机械设备,实现隧道掘进施工、隧道支护衬砌施工和隧道辅助施工三条主要工序全机械化作业。为实现机械化快速施工的有效实施,本标段采用先进的机械设备,确保隧道安全施工、质量优良和保证节点工期的目标；机械设备成套配置,可快速形成生产能力；且机械设备配置工作能力明显高于施工进度要求的指标,在机械设备配置前充分考虑设备充裕系数,主要采用的机械设备如下表所示：

序号设备名称规格型号数量额定功率(kW)生产能力1管棚钻机YGL-10013760-150m2砼湿喷机TK96184530m3/h3风动凿岩机YT-2860//4电动空压机LGY-22/7G1213222m3/min5多功能作业台架自制8//6挖掘机CAT41662m37装载机CLG88841543.8m38自卸汽车斯太尔10206/9注浆泵KBY50/704115m3/h10混凝土运输车8m310206/11混凝土输送泵HBT60S619593m3/h12全自动混凝土拌合站HZ120213轴流通风机110kW*24220/

2.1.2 低温混凝土施工技术

(1)通过自行设计的加热系统,对混凝土拌合用水进行加热,保证混凝土出机温度满足TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》冬季混凝土出机温度不宜低于10℃。

(2)掺加外加剂,控制混凝土的配合比,提高混凝土自身的性能。

(3)加强混凝土运输过程中的保温工作,减少热量散失。

以上几种措施的综合使用,保证了混凝土施工质量,达到设计强度要求。

2.2 “富水”放工关键技术

针对隧道“富水”工程特点,防冻涨是施工中要解决的核心问题。低温和水的存在是形成冻涨的基本因素,因此在施工过程中需综合采取防排堵截治水措施。

2.1.1 设置深埋中心水沟

DK238+250～DK239+750、DK241+163～DK242+663段设置双侧保温排水沟及深埋中心水沟。

保温排水沟采用的是双层盖板的结构形式,并在盖板的外圈采用3mm厚橡胶条密封外贴保温。盖板之间采用聚氨酯为保温材料。深埋中心水沟采用直径为800mm且厚度为1200mm的钢筋混凝土预制管。仰拱底部中心设置5cm厚聚氨酯保温板,聚氨酯保温板周围采用EVA防水板包裹并密封。

洞口1000m范围内,除DK238+325～DK238+650、DK242+490～DK242+638段全环设置保温层外,其余地段环向盲沟外侧设置幅宽2m的保温层(双层防水板+5cm厚聚氨酯保温板)。在隧道两侧边墙墙脚外侧(水沟底30cm以上)设置外包土工布的Φ100打孔波纹管透水盲管,环、纵向盲管通过隧底Φ100PVC管横向导水管引入中心深埋排水管,横向导水管间距与环向透水盲管相同。横向导水管放置于20cm×20cm(宽×深)的碎石盲沟内。

2.1.2 注浆堵水

隧道洞口段1000m范围内的Ⅲ～Ⅴ级围岩地段,在拱墙范围初期支护背后采取防寒径向注浆填充围岩裂隙、封堵地下水,达到不渗水状态。隧道贯穿围岩节理裂隙发育、富水断层,地下水水量丰富及地层敏感地段,在施工过程中可采取超前小导管注浆和开挖后径向注浆等施工堵水措施,减少施工中造成的地下水流失。在隧道开挖后,如发现局部渗水现场明显,在集中引排可能造成环境破坏时,可采取局部注浆的方法进行渗水封堵。

2.1.3 隧道施工防水

隧道二次衬砌与初期支护之间边墙部位和拱部采用厚度为1.5mmEVA防水板。初期支护与防水板之间加铺400g/m2无纺布。在二次衬砌的拱部预留注浆花管和排气管,间距为12m,待衬砌混凝土达到设计要求强度后,方可进行充填注浆施工。

2.1.4 施工排水方案

根据现场开挖施工情况,隧道的进出口基本上为顺坡排水的方式,施工过程中只需在隧道的两侧开挖排水沟,利用自然坡度将污水排至处理池,污水在处理后方可排放。

当隧道反坡施工时则采用反坡排水,在洞内的一侧加设一个集水坑,集水坑间距约400m左右,集水坑与集水坑之间采用水泵接力抽水,直至排到污水排至净化池,经处理后排放。

在施工中需准备足够的抽水设备及与管道,以防止发生突水现象。当突水情况发生后,除启用全部排水设备设备外,同时还要将水管和高压风切断管,并将其改装为临时排水设施。

2.2 “软弱围岩”施工关键技术

2.2.1 隧道进出洞方法

隧道进出洞由于地质情况较差,拱部采用Φ108×6mm热轧无缝钢管超前大管棚注浆预支护,初期支护采用型钢钢架加强,钢管采用丝扣联接。大管棚长进口40m,出口40m,按环向布置,环向间距40cm。导向墙采用C20混凝土,截面尺寸1m×1m。为保证大管棚施工精度,导向墙内设3榀I18轻型工字钢架,钢架外缘设Φ140×5mm导向钢管。注浆采用水泥浆液,水灰比为1∶1(重量比),注浆压力：0.5～2.0MPa。

2.2.2 合理预留变形量

在确定开挖断面时,除应满足隧道净空和结构尺寸外,预留适当的预留变形量。该隧道洞身Ⅴ级围岩、进出口地段,在实际施工中,预留变形量调整为30cm,既保证二衬厚度,又节约造价。

2.2.3 洞身软弱围岩开挖方法

隧道洞身Ⅴ级围岩岩体破碎、呈碎石状松散结构,表覆粉土、粗角砾土采用三台阶临时横撑法；软弱围岩地段采用微震光面爆破技术等控制爆破开挖,以减轻对围岩的扰动和破坏。

3 结语

在严寒地区修建铁路高风险隧道,细致的现场调查工作是进行科学的施工组织的前提。必须客观、深入了解隧道的工程地质和水文地质情况,必须紧紧把握“严寒”、“富水”、“软弱围岩”这几个基本特征,有针对性地做好施工的各项工作。

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