高黎贡山隧道设计及施工技术初探

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黎贡山隧道设计及施工技术初探

Analysis

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陈馈/CHENKui

(中铁隧道集团隧道设备制造有限公司,河南洛阳471009)

【摘要】新建大瑞铁路高黎贡山隧道地形地质条件复杂,具有高地热、高地应力、高地震烈度、多断层的特

点,工程建设难度极大。针对高黎贡山隧道工程地质、施工设计及施工难点,对施工设计和施工措施进行了探讨。

【关键词】高地热;长大斜井;深竖井;TBM法施工

新建铁路大理至瑞丽线的高黎贡山隧道全线34.531km,是世界第七长大隧道。高黎贡山隧道1

工程地质

地形地质条件极为复杂,具有“三高”(高地热、1.1地形地貌

高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构大瑞铁路高黎贡山越岭段穿越北窄南宽呈南造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质北向展布的高黎贡山山脉南段,隧道进口段接怒条件和活跃的岸坡浅表改造过程)于一体的特江大桥,地形较为陡峻,出口段靠近龙川江,地点;另一方面,大自然的鬼斧神工下所形成的高黎形分布相对较为宽阔。隧道区内地表沟谷纵横,贡山,被誉为“物种基因库、自然博物馆、天然植地形起伏大,山脉、河流相间。地面高程640~

物园、南北动植物交汇的走廊”,工程带来的严峻2

340m,相对高差约1700m,地形起伏大。

挑战是高热带、高埋深多断层及如何实现自然生1.2地层及地质构造

态保护。因此,本工程的建设难度极大。

高黎贡山隧道全长34.53lkm,最大埋深约1

200m,全隧平均埋深约为800m。进口段长度约

12.5km的范围内围岩软硬不均,以沉积岩、变质岩为主;同时分布1l条断层,受构造影响强烈。出口段22km范围内有7套地层,以燕山期花岗岩为主l并分布有8条断层,受构造影响相对轻微。

1.3地温分布

高黎贡山隧道地质条件复杂,该地段工程地质条件具“三高”、“四活跃”集于一体的特征,其中最为突出及决定线路方案的地质条件为高地热。高黎贡山隧道线路位于黄草坝断裂南东盘约3km(龙陵县城以南)~8kin(黄草坝以南)为一相对低温通道走廊内。隧道进口段纵向5.363km,出口段纵向16.688km小于28"C。隧道线路中间段12.44km为岩温异常段,其纵向温度分布为28—

48

万 

方数据2009(02)co瞒佩盯I洲憔cHANlzATl洲

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施工技术群用户篇■曩_

50"C。岩温异常段的温度分布为中间段高,两端较低。其中间段37~50"C的线路长度为0.7km,进口端温度分布为28~37"(3的岩温异常段长度为2.9kin,出口端温度分布为28~37"C的岩温异常段长度为8.88km。1.4导热断裂分布

与线路有密切关系的有3条导热断裂,其中位于进151段12.5kin的线路长度范围内有2条,位于出口段22km的线路长度范围内的有1条,导热断裂附近可能出现局部热水突出。

2钻爆法方案

2.1辅助坑道设置

大瑞铁路是设计目标速度140km/h的单线

铁路,考虑到高黎贡山隧道运营期间防灾救援通

道的功能需求,本隧道辅助坑道采用贯通平导。

因高黎贡山隧道埋深较大,所处区域受地形条件限制,全隧不具备设置横洞的条件;可选斜井方案7个,适宜设置斜井3处,其斜长均超过

000m;可选竖井方案3个,适宜设置竖井2处,

其深度均超过650m。

综合斜井、竖井洞身通过的地层岩性及施工

工期,钻爆法方案设计时推荐采用“贯通平导+2、5、6号斜井+1、3号竖井”的辅助坑道方案。

1)平行导坑为保证隧道长距离施工过程中的运输能力、施工运输组织的灵活、便捷,平导采用有轨运输双车道断面,其断面尺寸为5m

5.15m。

2)斜井设计采用的2号、5号、6号斜井均采用无轨单车道运输。单车道斜井地热处理段通风风管直径要求为1.6m/根,并满足同时布设3根风管的空间要求,拟定的无轨斜井单车道断面内净空为5m×6.6m。斜井每隔约300m设置错车道1处,错车道长30~50m。错车道断面内轮廓为7.Ira×6.3m。

3)竖井高黎贡山隧道设置竖井条件较差,采用的l号竖井深847.3Im、3号竖井深662.03m,竖井在地热处理段通风管直径要求为1.8m/根,考虑同时布设3根风管l并考虑竖井提升容器、水电等管线布置,拟定的竖井开挖直径为8.7m。

万 

方数据bonstruction

Technique

2.2施工组织

进出口工区除正洞开辟工作面外,平导按照开辟1个正洞掌子面+1平导掌子面的方式组织施工,平导尽量超前,采用巷道式通风。

斜井、竖井工区除1号竖井工区按照开辟2个平导掌子面+1个正洞掌子面的方式组织施工外,其余斜井、竖井工区均按照开辟2个平导掌子面的方式组织施工,以便尽快贯通平导,改善施工通风条件。在与其他工区平导贯通之前,采用独头压入式通风。

钻爆法根据推荐采用的辅助坑道,全隧道共

分为七个施工工区,即进口工区、出口工区、2号、5号、6号斜井工区,1号、3号竖井工区。

采用钻爆法施工方案时,施工通风难度较大的是:l号竖井工区最长独头通风长度为4

758m,

3号竖井工区最长独头通风长度为5490m;5号斜井工区最长独头通风长度为5026m,6号斜井工区最长独头通风长度为5123m。各施工工区中独头长度最长的为3号竖井工区,为5490m,且该工区部分地段受高地温影响。

因目前国内尚无钻爆法施工正洞的独头通风长度达到5500m的成功经验,加之又有热害对隧道施工环境的危害。因此,有必要对该隧道长距离施工通风及隧道热害处理技术进行专题研究。

TBM选型

考虑到出口段21.868km隧道穿越地层中,

花岗岩长度占16.8kin,占段落长度的74.3%,V、IV,III、II级围岩长度分别为4088m,4955m,

7785m、5

040m,占该段隧道长度的比例分别为:

18.69%、22.66%、35.60%、23.05‰地质围岩

条件相对较好,岩层的自稳能力较强,只需进行锚网喷支护,局部进行钢架支护,大多数地段支护工作较简单,宜开敞式TBM施工。在考虑TBM设备配置时,应重点考虑超前地质预报的能力和本工程选用开敞式TBM具有以下优点:不易卡住盾体,方便人工处理,支护方式多样化,处建筑机械化2∞9(02)49

3进口钻爆法.出口TBM法方案

3.1

排涌水的能力。

理特殊或没有预计到的地质风险能力更强;相对

啊用户篇)))施工技术

UOn吼rII堋On

Technique

护盾式TBM,其购置成本和施工成本较低。3.2辅助坑道设置

综合斜井、竖井洞身通过的地层岩性及施工组织安排,进口段钻爆法+出口段TBM法施工方案推荐采用。贯通平导+2号斜井+1号竖井”的辅助坑道方案。3.3出口段施工方案比选

出口段可采用的方案有四种:①出口正洞大TBM施工+平导钻爆法,②出口正洞钻爆法+平导小TBM施工,③出口正洞大TBM施工+平导d、TBM施工l④出口正洞小TBM施工+平导小TBM施工。

出口正洞大TBM+平导钻爆法、出口正洞钻爆法+平导小TBM两种施工组织方案所需贯通工期均在90个月之上,超过了纯钻爆法推荐方案的68.3个月,因此不宜采用。

出口正洞大TBM+出口平导/J',TBM方案的施工工期约65.5月,工期较短,且未采用钻爆法扩挖,施工环境较好。

出口正洞小TBM+出口平导小TBM方案,工期约84个月,工期较长,且钻爆法扩挖时施工环境不好。

结合以往TBM施工经验和本工程工期较紧的实际情况,出口段宜采用“出口正洞大TBM+平导小TBM”的方案较为有利。原因如下:

1)在TBM掘进施工期间,应尽可能减少其

他工序对TBM施工的干扰和影响,以充分发挥

TBM快速掘进施工优势,在采用“出口正洞大TBM+平导d',TBM”施工时,出口正洞可实现同步衬砌施工,对确保总工期具有可靠的技术保障,有效规避长距离独头施工的工期风险;同时,平导小TBM超前出口正洞大TBM,可对出口正洞大TBM前方地质进行预报或提前进行加固处理,可有效规避出口正洞大TBM长距离独头施工风险;出口段两TBM隧道间可实现巷道式通风,有效解决长距离独头施工通风难题。

2)若采用“出口正洞和平导均小TBM”方案,则在TBM掘进期间,无法同步进行出口正洞的钻爆法扩挖,只有待TBM掘进完成后才能开始出口正洞的钻爆法扩挖施工,这样出口正洞的工

万 

50方数据2∞9(02)ooN趼H盯I洲睫cH州IzATI渊期将无法满足要求;在出口正洞的钻爆法扩挖期间,也无法实现多工作面的扩挖和衬砌同步施工;因受条件限制,对于不良地质段的扩挖处理无法实现平行作业,将在很大程度上限制扩挖施工进度,存在工期风险。

3)若采用“出VI正洞大TBM+平导钻爆法”方案,在施工中后期将出现TBM超前平导,对长距离TBM独头施工风险控制和施工通风不利,无

法实现平导对地质的超前探测和提前处理TBM施工段的不良地质段。

国外施工实例证明,对于硬岩TBM工程,先用d',TBM打导洞,再用钻法扩挖是不经济、不安全和效率低的,特别是09m以下直径的长隧道尤其如此。09m以下直径隧道采用正洞小TBM方案从成本上也与大TBM方案相当。因此,正洞大TBM+平导小TBM的方案较好,隧道施工一次到位。同时,TBM施工时建议采用连续皮带机出碴,因运输距离长,进料供给宜采用架线电力/电瓶两用机车牵引。3.4施工组织

根据进口段钻爆法+出口段TBM的施工方案推荐采用的辅助坑道,全隧道共分为四个施工工区,即进1:1钻爆法工区、2号斜井钻爆法工区,l号竖井钻爆法工区、出口正洞(平导)TBM施工工区。

由于高黎贡山隧道的岩温异常段主要分布在钻爆法施工工区,钻爆法施工工区仍存在通风降温、机械制冷的问题,但相对较全隧均采用钻爆

法时难度稍小一些。其中2号斜井工区的最长独

头通风长度为4299m,1号竖井工区最长独头长度为4

303m。

4施工方案比选

从自然生态保护来看,应尽量采用TBM法施工,只有在TBM法不适用时,才考虑采用钻爆法施工方案;因为钻爆法施工时增加了斜井和竖井数量,不利于生态环境的保护。因此,高黎贡山隧道宜采用“进口钻爆法+出口TBM法”方案。

从施工成本来看,长大隧道采用钻爆法方案

不经济,为增加作业面必须增加斜井和竖井数量,

施工技术鲋用户篇■■■一o

2、5、6号斜井长度分别为3

9llm,4000m、

150m,累计长度达11.06km,l、3号竖井深度

分别为847.31m、662.03m,深竖井施工相当困难。而采用出口TBM法施工减少了辅助坑道的数量,因此,宜选用“进口钻爆法+出口TBM法”方案。

5施工重难点

5.1特长隧道长距离施工通风及防尘技术

斜井、竖井工区,其独头通风长度均较长,且存在大高差问题,竖井洞口地处2000m左右的高海拔地区,空气较为稀薄,其洞内人员作业及通风防尘除湿所用风量相对较大,其施工通风方式至关重要。

1)施工通风方式与风流方向

各工区平导

与正洞、斜竖井贯通前,采用各自独立的压入式通风方式,贯通后采用巷道式通风。主风流方向为平导进新风,正洞,斜井排污风,与竖井贯通后视自然条件,可由竖井排污风、其他洞口进新风。

平导进风有利于平导快速掘进和提高射流风机效率,因各斜井长度在3

000-4

000m范围,斜

井内采用无轨运输,重车上坡出碴,尾气和粉尘污染会很严重,因而斜井井身不能作为进风通道。

2)其他可选用的通风方式斜井井下有轨运输方式出碴,井下正洞与平导内可采用混合式通风方式,保障开挖面和大部分已施工段隧道内为新风,能使大部分区段有较好的空气质量。混合式通风的现场管理难度较大,要控制好各点的

风机供风量,避免产生污风循环。斜井和竖井工

区还可采用单斜井双正洞通风模式,在井下采用射流巷道式通风。

3)斜井开挖断面

斜井开挖断面要充分考

虑施工通风需要和处理高地温风量加大问题。斜井断面考虑能通过三路01.8m通风管的空间,通风管吊挂有10~15cm的吊环悬挂距离,还应考虑20~30cm的安全保护距离。斜井开挖断面宜在高7m、宽5.6m。

4)施工除尘

除尘是保障通风效果的重要

方法,井下施工主要污染物为炮烟和喷混凝土粉

万 

方数据UonstructionTechnique

尘。减少粉尘发生量是最经济合理的措施,还要考虑机械设备除尘,粉尘处理可采用袋式或干式除尘等多种方案。

5)高地温高地温对巷道式通风的风流温度影响很大,需采取降温措施控制风流温度,必要时使用制冷机强制降温。

6)通风管通风管的百米漏风系数取1%,

使用30~50m节长的管路,并避免对管路破坏,加强现场管理以减少漏风量。高地温隧道施工的通风管宜采用双层隔热风管,隔热层厚度对隔热效果尤为重要,需要进一步深入以研究确定合理厚度。

7)通风机通风机串联工作管理难度大,有多种多级对旋的通风机产品可供选用。所选通风机按最长独头通风距离6000m计算,通风机供风量1900m3/rain,出风口风量1030m3/rain,能满足风量要求。

8)射流风机布置射流风机布置要适应自然风流的方向以达到节能的目的。斜井、竖井的井口标高高于正洞标高,自然风流多为上流,射

流风机布置要充分利用自然风压。

9)风速正洞风速不宜低于0.15m/s,平导不宜低于0.25m/s。

5.2长大斜井及深竖井综合配套技术

采用进口钻爆法出口TBM法施工时,辅助坑道除贯通平导外,采用2号斜井(391lm)+1号竖井(深847.31m)方案。

如此规模的深竖井在国内铁路建设中是首次遇到,且1号竖井工区处于预测温度为28~3712有轻微地热危害的区域内。出口采用TBM施工时,l号竖井工区承担3620m正洞施工及3904m平导施工。因此,需对竖井的提升能力及进料能

力等综合配套服务体系进行研究。主要研究内容包括竖井断面尺寸,提升能力、排水能力、井内及井外机械设备配置、竖井混凝土的搅拌与运输等的研究。

斜井工区包括运输模式、断面尺寸、排水系统配置等的研究。

5.3高地热隧道施工技术

地热的形成按热源分地球地幔对流、火山岩

建筑机械化2∞9(舵)51

霸用户篇)))施工技术

50nstructionTechniqui

浆热源及放射性元素的裂变热源三大类。其中,对隧道工程造成施工影响的,主要是火山热源和放射性元素的裂变热源。高黎贡山的地热属于火山热源。火山热源是地下的岩浆集中处的热能而产生热水,这种热水(泉水)成为热源又将热供给周围的岩层。当隧道或地下工程穿过这种岩层,就发生高温、高热的现象。在高地温地段隧道施工的主要措施如下。

1)隧道内气温标准

为保证隧道施工人员

进行正常安全生产,铁道部规定隧道内气温不宜高于28℃l交通部规定隧道内气温不宜高于30℃1日本规定隧道内温度应低于37"C。

2)降温措施为达到规定的标准,在施工中一般采取通风和洒水及通风与洒水相结合的措施。地温较高时,可采用大型通风设备予以降温。地温很高时,在正洞开挖工作面前方的一段距离,利用平导超前钻探,如有热水涌出,可在平导内增建降水、排水设施和排水钻孔,以降低正洞的水位。如正洞施工中仍有热水涌出时,可采用水玻璃水泥系药液注浆,以发挥截水及稳定围岩的作用。

3)高温地段的衬砌混凝土在高温的岩体及喷混凝土上浇筑二次衬砌混凝土时,即使厚度

再薄,水化热也不易逸出。由于混凝土里面和表

面的温差,在早龄期有可能存在裂缝。因此,对二次混凝土衬砌防止裂缝,应采取下述措施:

①为了防止高温时的强度降低,应选定合适的水灰比,并考虑到对温泉水的耐久性,宜采用高炉矿渣水泥(分离粉碎型水泥)。混凝土配合比和掺合剂应进行试验后优选。

②在防水板和混凝土衬砌之间设置隔热材料,隔断从岩体传播来的热量,使混凝土内的温度应力降低。

③将衬砌混凝土的浇筑长度适当缩短。④用防水板和无纺布组合成缓冲材料,由于与喷混凝土隔离,因此,混凝土衬砌的收缩可不受到约束。

⑤在两拱角延长方向设置裂缝诱发缝。4)加强健康管理根据坑道内的高温程度、劳动强度和劳动效率,确定劳动工时,合理安排

万 

5方数据2

a嘲(蛇)coN卿u盯I洲睢cH州IzATI洲高温作业时间,以确保施工人员的健康和安全。除采用降温措施外,还应注意中暑症的防治工作。有高血压、心脏病的患者,由于高温作业有引起症状恶化之虞;在高温作业时,易发生维生素、水分、盐类的不足,对此需进行充分的补充。为恢

复疲劳,在适温适湿的环境下休息,或充分地进

行卧床休息。5.4超前探测技术

超前探测在平导隧道施工中进行,不仅为平

导隧道的掘进作超前地质勘探,同时也为正洞铁路隧道作超前地质勘探和地层加固,平导隧道在施工中起着超前导洞的作用。

在平导隧道工作面前作超前探测,以确定潜在的大量涌水地段的位置。

在正洞铁路隧道掘进之前,由平导隧道向正洞铁路隧道拱部范围进行侧向探测,通常作取芯钻探并作压水透水性试验,以验证岩层质量与涌水量。超前探测钻机在平导隧道工作面稍稍偏上部位钻入,并向侧面达到正洞铁路隧道的位置,一旦查明确定有不稳定的高渗透性地带时,在正洞铁路隧道的掘进机到达前,使用速凝水泥浆进行超前注浆加固。

6结束语

高黎贡山隧道的最大难点是高地热和高埋深多断层,建议进一步优化隧道设计方案,采用以隧定桥的设计思路,将线路适当抬高,这样,可降低竖井深度,降低隧道的施工难度和施工造价。并应进一步研究进口段采用TBM施工的可行性,宜在全线尽量采用TBM法施工,这样,可取消斜井和竖井,从而最大限度地保护自然生态环境;同时应进一步对地质进行详勘,特别是深竖井位置探明地质非常重要;辅助坑道的设置应进一步优化,以满足总工期和通风要求。

(编辑吴学松)

[oo图分类号】Tu621;U455.43[文献标识码】B

[文章编号】1001-1366(2009)02--43048-06[收稿日期]Z拍08-12—16

高黎贡山隧道设计及施工技术初探

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

陈馈

中铁隧道集团隧道设备制造有限公司,河南,洛阳,471009建筑机械化

CONSTRUCTION MECHANIZATION2009,30(2)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jzjxh200902015.aspx


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