乌鞘岭特长隧道关键技术问题

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摘　要：根据乌鞘岭隧道有关设计和施工问题，提出了一些关键问题的处理意见，欢迎同行批评指正。
　　乌鞘岭隧道是我国正在施工的最长的铁路隧道，本人参加该隧道的部分设计与施工工作，提出一些看法，以求探讨提高之目的。

　

1、 工程概况

　　乌鞘岭隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间,设计为两座单线隧道，隧道长20050m，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，右、左缓和曲线伸入隧道分别为68.84m及127.29m，隧道其余地段均位于直线上，线间距40m，两隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡,右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m，洞身最大埋深1100m左右。隧道左、右线均采用钻爆法施工，右线隧道先期开通。隧道辅助坑道共计15座，其中斜井13座，竖井1座，横洞1座。
　　乌鞘岭隧道地层岩性复杂,沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有,且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩、志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。隧道横穿祁连褶皱系的北祁连伏地褶皱带和走廊过渡带两个次级构造单元, 褶皱及断裂构造发育。主要不良地质为有害气体，湿陷性黄土和膨胀岩。隧道预计最大涌水量为9621.81ｍ3/ｄ，施工中可能发生围岩失稳，突然涌水涌泥、岩爆、热害、含煤层有害气体等地质灾害情况。
　　乌鞘岭共8个施工单位参与施工，分别为中铁一、二、五、隧道局和中铁十二、十六、十七、十八局，各单位对该隧道的施工相当重视，投入了大量的人力、物力，可以说，该隧道的施工现状可以反映中国现在钻爆法施工的真实情况。

2、 设计概况

　　中铁第一勘测设计院对隧道的设计采用了动态设计的办法，根据最新的设计文件即修改预设计文件（2003年6月），可以认为：
　　修改预设计文件是在对乌鞘岭隧道区域作了大量的地勘前期工作，结合兰武线工期要求作出的，正洞的地质情况判断较明确，部分辅助导坑设计，因时间关系缺少前期地勘工作，有待施工中超前地质预报来补充。隧道结构设计充分考虑了洞身不同的地质情况和特殊施工环境，设计了各型衬砌结构类型供施工选用，针对性较强。结构安全度根据有关单位的意见，相对一般结构设计留有较多的余地。
　　根据设计和施工现状，以下分别从正洞、辅助导坑、隧道通风、隧道消防救灾及运营安全、环境保护、施工组织和加快进度、确保安全质量的施工工程措施和施工方法等方面提出看法，详见下文。

2.1　正洞
2.1.1　隧道断面内轮廓在新建时速160km的条件下，根据部建设司建技函【2002】6号和《时速160公里新建铁路线桥隧设计暂行规定》内容（以下暂称“暂规”），采用流线型机车，现隧道的净横断面面积为34.7m2＞34m2（未包括设置救援通道需增加的净空面积），可满足旅客乘车舒适度标准和洞内空气阻力增量不超过明线空气阻力30%的要求；如设置救援通道，则隧道内轮廓应增大。但考虑Ⅰ、Ⅱ线隧道可互为救援通道，为节省投资，暂不设救援通道是合适的。对于内轮廓，我个人意见应一次到位，设计按时速200km/h和开行双层集装箱条件下的隧道限界，正洞工程量不会超过20%，这样可以避免今后高速铁路发展之后的该隧道的滞后性，结合以上两点可以认为该隧道的内轮廓应扩大。
2.1.2　修改预设计文件中，隧道下部外轮廓采用圆顺连接，根据多种地质及地下水情况，修改预设计中采用了多种带仰拱结构衬砌断面，施工中选用非常方便。但各级围岩衬砌断面仰拱均采用同一个曲率欠妥，故建议：在不影响结构安全度的情况下，对Ⅱ、Ⅲ级围岩仰拱可采用减小曲率的优化设计，减少断面的开挖和隧底填充，隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩段全长约9100m，估计可减少开挖约8000m3，减少隧道圬工6000m3，也能提高施工进度，如果侧沟、电缆槽尺寸可以调整，轨下断面还可进一步优化。
2.1.3　第三系泥岩是中等膨胀岩，除施工中采取相应的支护措施外，衬砌结构宜采用有针对性的型式和设计参数，衬砌内净空宜预留适当富余量，必要时根据量测结果，采取钢纤维钢筋砼结构补强措施，衬砌后防排水体系也需作相应调整。
2.1.4　F4、F5、F6、F7断层及其它地下水丰富地段，地下水宜采取以堵为主的措施，减少对环境的影响，各段衬砌结构需根据地下水的静水头高度设计抵抗不同水头高度的抗水压衬砌，并可适当调整衬砌轮廓，抗水压衬砌的长度宜根据地下水下降曲线确定。F7断层为活动断裂带，建议研究采用拼装式衬砌的可能性，以便提高衬砌适应变形的能力，也有利于衬砌结构减少破坏的机率和快速修复，对于穿越F7断层的措施，为抢工期而采取小断面迂回导坑是合适的，但超前支护可用迈式管棚法代替或结合钢花管注浆法，减省工期，而迂回导坑的长度可根据开挖情况而确定。
2.1.5　三叠系含煤地层，除施工中加强通风，加强监测，并按有关规定进行揭煤设计和施工外，同时应按照《铁路瓦斯隧道技术规范》，根据瓦斯地段等级，采取相应的防瓦斯工程措施。如需进行全封闭工程处理，则应对引排水系统和瓦斯引排系统进行特殊设计，防水层改为全封闭的瓦斯隔离层。
2.1.6　由于隧道通过段受地质构造作用，曾发生多次区域性断裂，并派生一系列次级小断层，软质岩在高地应力作用下开挖后洞壁可能出现较大变形。建议开挖时预留足够的变形量，喷锚支护预留湿喷钢纤维砼补强措施，根据围岩量测情况，必要时增设可缩性钢架或增设长锚杆。隧道通过硬质岩地段在节理不发育的完整基岩内开挖洞室，在高地应力作用下有可能发生岩爆现象，设计时宜增加安全防护工程措施。
2.1.7　隧道施工至可能发生突然涌水、涌泥的地段，采取帷幕注浆措施，应采用全断面注浆，止浆盘也按全断面设置，不宜分台阶设置。管棚超前支护地段，大管棚外插角建议采用1～3°，以减少因掉块引起的超挖，终压5MPa也应在施工中根据现场情况调整。为争取工期，Ⅴ级围岩断层破碎影响带段，超前支护可采用国内较先进施工较快捷的φ51自钻式锚杆代替φ80钢管管棚预支护。
2.1.8　隧道超前预加固方案中注浆锚杆或管棚注浆，可以根据地质情况注双液浆，也可注纯水泥浆以减少成本。若钻孔成孔条件好，不出现坍孔，则帷幕注浆孔可只设孔口管，不设15m的长钢管，以提高浆液渗入围岩的渗入量。
2.1.9　隧道复合式衬砌支护参数较强，Ⅱ、Ⅲ级围岩无岩爆地段建议取消钢筋网和拱部系统锚杆，根据需要设置局部锚杆。建议动态设计以优化设计参数为重点，Ⅱ级围岩无须设仰拱。
2.1.10　隧道洞身防排水体系设计已很充分，为确保隧道不渗、不漏、不裂，建议设计细化，强调洞身与横通道及附属工程接口处的防水施工措施，强调EVA卷材焊接工艺。设计中EVA复合防水板厚1cm，对于特长隧道建议厚度宜加厚至1.5mm（公路隧道一般在1.2mm），幅宽宜适当加宽以减少接缝。
2.1.11　Ⅴ级围岩加强段初期支护中格栅或型钢间距0.6～0.7m一榀，喷砼设计厚度不能覆盖钢架，使后续防水层施工困难和难以达到预期目的，建议喷砼厚度采用25cm，二次衬砌模筑砼厚度可适当减薄。

2.2　辅助导坑
2.2.1　乌鞘岭隧道辅助导坑位置的选择考虑了隧道地形、地质情况，考虑施工工期的要求，考虑通风、排水、防汛及弃碴等多种因素，但部分斜井洞口边仰坡开挖高度较高，不利于洞口稳定，同时也对环境造成较大破坏，比较突出的有3、6、8、10、12号斜井，洞口处于碎石土或覆土之中，边仰坡高达20多米，1：0.75的坡率有待研究。其中3、5号斜井为兼作运营通风洞，洞口结构同样需考虑满足防震、防冻和国防要求，衬砌结构应加强，以保证服务期间的可靠度。
2.2.2　根据现场情况，许多辅助导坑的现有断面尺寸难以满足大型运输车辆长距离施工的需要，建议适当加大断面尺寸，同时对衬砌、支护适当加强，以满足快速施工的需要。长斜井的快速施工要求错车道适当加密，如日本东北新干线八甲田隧道（26.455km）折纸工区斜井长1330m，约100m长就有一个扩大断面，可以供参考比较。
2.2.3　洞内施工期间的水仓开挖时宜增设锚喷支护。另外，7、8、9号斜井位于富水区，临时支护喷砼中可添加微纤维，封闭毛洞壁、增加抗渗性，改善施工作业环境，加快进度。
2.2.4　大台竖井井深515m，考虑施工安全因素，其施工支护必须加强，Ⅴ级围岩段喷射砼厚度宜覆盖钢架厚度，井底马头门、井底车场与平导连接处不仅应力集中，且受力复杂，需有衬砌支护加强措施。
2.2.5　斜井的施工安全问题：
　　本隧道几个控制工期的施工工区均是采用长斜井施工方案，如3#、5#、6#、7#、8#、9#、10#。施工中如下几个方面需予以充分的重视：①可能涌水、涌泥；②瓦斯溢出；③施工排水；④施工通风；⑤运输能力。对于可能产生涌水、涌泥的地段，可以采用超前探测、超前预注浆堵水措施，尽量用“以堵为主”的治水方案；对有可能发生瓦斯溢出的地段，施工时应加强监测，加强通风；在地质超前探测已确认有煤层瓦斯地段，该工区按瓦斯隧道的相关规定处理；2000m以上的长斜井，在我国铁路建设中是极少见的，无轨运输重车长距离上坡所产生的废烟、废气对坑道的污染会相当严重，施工通风应能满足规范允许的坑道施工环境要求。同时要有足够的备用设备和零配件，以保证通风系统的正常运行。为保证施工的顺利进行，施工用电也至关重要，在斜井口需配置保证不停电的备用电源和足够的功率；为加快施工进度，斜井进入正洞后，可能承担多个工作面的运输任务，无轨运输的单车道斜井断面，其运输能力明显不足。因此，斜井断面可以适当加大。

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