用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法.pdf

本发明公开了一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，该方法包括洞口开挖和边仰坡防护，浅埋洞口多年冻土跟管管棚施工，浅埋洞身段冻土开挖与支护和冻土段洞身衬砌；在冻土段洞口开挖前，于仰坡顶5m外和边坡顶2m外按照“前截后捻”的形式设置保温盲沟和挡水捻；冻土洞口段采用正台阶法分层分段开挖支护，洞口采用超前大管棚预加固，暗洞浅埋段采用矿山法施工，三台阶七步工法开挖，采用喷射C30低温早强钢纤维混凝土和一次衬砌模筑C30低温早强混凝土双层初期支护结构，二次衬砌模筑C45混凝土。该方法能够解决成洞困难，降低施工成本，缩短施工工期等。

1.  一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：该方法包括洞口开挖和边仰坡防护，浅埋洞口多年冻土跟管管棚施工，浅埋洞身段冻土开挖与支护和冻土段洞身衬砌；在冻土段洞口开挖前，于仰坡顶5m外和边坡顶2m外按照“前截后捻”的形式设置保温盲沟和挡水捻；冻土洞口段采用正台阶法分层分段开挖支护，洞口采用超前大管棚预加固，暗洞浅埋段采用矿山法施工，三台阶七步工法开挖，采用喷射C30低温早强钢纤维混凝土和一次衬砌模筑C30低温早强混凝土双层初期支护结构，二次衬砌模筑C45混凝土。

2.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土段路堑段边坡按照“分层分段开挖”，对边坡喷射混凝土后及时喷射PU聚氨酯泡沫。

3.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土边坡封闭后，沿边坡自上而下按设计要求间距钻设自进式锚杆，挂设网片后喷射低温早强C30混凝土联合防护。

4.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土边坡利用自进式锚杆外露20cm端头支撑受力，沿边坡自下而上分层堆码袋装颗粒土。

5.  根据权利要求4所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在袋装颗粒土上防晒网，防晒网是一种黑色聚乙烯土工合成织物，与袋装颗粒土配合使用，加强对冻土边坡的隔热防护效果。

6.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土边坡临时隔热防护施工完成后，采取C25片石混凝土挡土墙对边坡脚进行刚性防护，形成永久保温挡墙。

7.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土段明洞开挖后进行大管棚超前预支护施工前，在明洞段上部空间采用钢桁架弧棚，形成临时隔热防护措施。

8.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在冻土浅埋洞口设置跟管管棚，该跟管管棚为长管棚施工套管跟进工法。

9.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：冻土段暗洞的初期支护采用低温早强钢纤维混凝土。

10.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：冻土段暗洞的第二层初期支护采用低温早强C30混凝土，形成一次衬砌模筑衬砌（7）。

11.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：设置综合排水系统，该系统具体构造为：通过环向6m/道φ100 mm半圆排水管导入拱脚全隧通长埋设的φ160 mm半壁打孔波纹管内，每20m/道三通连接导入仰拱下预埋的φ160 mm横向导水管（3），进入隧底φ400 mm中心排水管（5）内,再通过冻土段100m/道设置的连接竖井（4）进入两隧之间的防寒泄水洞（2）的横洞内，最后汇流进入防寒泄水洞（2）排出至洞外冲沟内。

12.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法其特征在于：在暗洞冻土段设置一次模筑衬砌（7）和二次模筑衬砌（9），一次模筑衬砌（7）与二次模筑衬砌（9）之间设置防水保温层（8），按照“无纺土工布+防水板+聚胺脂保温板+防水板”的复合式防水保温结构设计，施工期间隔断外界温度对冻融圈的二次影响。

13.  根据权利要求12所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：暗洞冻土段第二次衬砌采用50cm厚衬砌C45高性能混凝土，抗冻等级F300、抗渗等级S10，整个衬砌空间加大30cm作为冻土段整个设计年限内的富余变形量，形成二次衬砌模筑衬砌（9）。

14.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：暗洞冻土段采用福利凯保温板和FL纤维防火板形成一种保温防火复合式结构，即采用45mm厚福利凯保温板+6mmFL纤维防火板的复合结构。

15.  根据权利要求1所述的一种用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，其特征在于：在暗洞衬砌后，通过在暗洞浅埋段地表按一定间距设置热棒，利用太阳能反光板作为能量源，通过上部设置的冷凝器和下部设置的蒸发器之间的温差形成一种汽液两相对流循环，将地基土中的热量不断散发出去而使土体冷却。

用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法
技术领域
本发明涉及一种高原寒冷地区多年冻土特长公路隧道施工方法。
背景技术
高寒地区隧道洞口一般发育较大面积和深度的多年冻土，其温度、厚度受海拨高度的控制。根据对现有G214线多年冻土路段观测试验资料的研究分析：该区段多年冻土冻土上限埋深一般在1.4~1.8m，地温在-0.3℃~-1.5℃，具有冻土地温高、退化速率快、对热干扰更敏感、冻土热稳定性更差等特点，具有强烈的垂直地带性。多年冻土冻结时抗压强度很高不易爆破，并且钻孔后容易回冻，外界环境温度升高后冻土发生融化呈软塑状强度较低，易发生热融沉陷引起地面下沉甚至坍塌对支护施工极为不利，成洞极为困难。
通过借鉴我局昆仑山高寒（海拨4780米）单线铁路隧道冻土处治成功经验，洞口段开挖支护安排在寒季施工，为保证边坡锚喷支护C25混凝土强度和暗洞浅埋段模筑混凝土不至冻伤损坏，通过在洞口外的边坡上搭设钢管满堂支架外挂简易军用棉被（保温）和彩条布（防雨雪），来确保混凝土强度能满足设计要求，保证施工质量安全。而鄂拉山隧道为双车道设计，洞口段处于长段落（超过200m）的多年冻土水草地内，冻土上限为1.4~1.8m下限35~56m，明洞处边坡按照1:1.5设计坡率放坡开挖最大宽度45米最大开挖深度15m，搭设满堂钢管支架成本较大，并且业主要求鄂拉山隧道必须在夏季进洞，冬季来临前实现进洞施工100m成洞，达到冬季保温条件后整个冬季不停工。
因此研究一种解决长段落连续多年冻土大跨度双线特长公路隧道夏季进洞施工技术已经显得势在必行。
发明内容
本发明要要解决的技术问题是：提供一种价格低廉、施工简单、受力合理、安全可靠的用于高寒多年冻土特长公路隧道夏季进洞施工方法，以克服现有技术成洞困难、施工成本高等不足。
本发明所采用的技术方案为：该方法包括洞口开挖和边仰坡防护，浅埋洞口多年冻土跟管管棚施工，浅埋洞身段冻土开挖与支护和冻土段洞身衬砌；在冻土段洞口开挖前，于仰坡顶5m外和边坡顶2m外按照“前截后捻”的形式设置保温盲沟和挡水捻；冻土洞口段采用正台阶法分层分段开挖支护，洞口采用超前大管棚预加固，暗洞浅埋段采用矿山法施工，三台阶七步工法（上台阶预留核心土）开挖，采用喷射C30低温早强钢纤维混凝土和一次衬砌模筑C30低温早强混凝土双层初期支护结构，二次衬砌模筑C45混凝土。
在冻土段路堑段边坡按照“分层分段开挖”，对边坡喷射混凝土后及时进行喷射PU聚氨酯泡沫，对喷射混凝土进行保温养护，以保证冻土边坡开挖面快速封闭，从而达到减缓冻土融化速度。
自进式锚杆是在冻土边坡封闭后沿边坡自上则下按设计要求间距钻设，挂设网片后喷射低温早强C30混凝土联合防护。
袋装颗粒土是在冻土边坡利用自进式锚杆外露20cm端头支撑受力，沿边坡自下而上分层堆码袋装颗粒土，以减缓冻土层融化速度。
防晒网是一种黑色聚乙烯土工合成织物，覆盖于袋装颗粒土上与其配合使用，进一步加强对冻土边坡隔热防护效果。
保温挡墙是在冻土边坡临时隔热防护施工完成后，采取C25片石混凝土挡土墙对边坡脚进行刚性防护作为永久防护措施。
钢桁架弧棚是冻土段明洞开挖后进行大管棚超前预支护施工前，采取的明洞段上部空间的临时隔热防护措施，以减缓明洞段边仰坡冻土融化速度，为管棚施工争取时间创造条件。
跟管管棚是在多年冻土浅埋洞口采取的一种长管棚施工套管跟进创新工法。
低温早强钢纤维混凝土是一种为解决多年冻土段暗洞初期支护的特殊配合比设计，目的是实现冻土段快速支护尽早形成强度增强对围岩支撑的能力，降低初期支护混凝土凝结时产生的水化热对初支背后的冻融圈影响，尽量减小初期支护的沉降变形。
一次衬砌模筑衬砌7是暗洞冻土段的第二层初期支护模筑低温早强C30混凝土作为第一层支护的补强设计，在第一层初支变形较大不能收敛甚至有可能失效的情况下及时施作第二层初期支护，以确保施工安全。
综合排水系统是为了排出暗洞冻土融化圈产生的渗水，不至淤积于初支背后产生冻胀破坏。通过环向6m/道φ100mm半圆排水管导入拱脚全隧通长埋设的φ160 mm半壁打孔波纹管内，每20m/道三通连接导入仰拱下预埋的横向导水管，进入隧底φ400mm中心排水管内,再通过冻土段100m/道设置的连接竖井4进入两隧之间的防寒泄水洞的横洞内，最后汇流进入防寒泄水洞排出至洞外冲沟内。综合排水系统施工质量直接影响隧道的使用年限。
防水保温层设置于暗洞冻土段一次模筑衬砌与二次模筑衬砌之间，按照“无纺土工布+防水板+聚胺脂保温板+防水板”的复合式防水保温结构设计，施工期间隔断外界温度对冻融圈的二次影响，保证冻土段已经融化扩大的冻融圈能够在2~3年内回冻。
二次衬砌模筑衬砌9是暗洞冻土段二次模筑衬砌采用50cm厚衬砌C45高性能混凝土（抗冻等级F300、抗渗等级S10），整个衬砌空间（建筑限界）加大30cm作为冻土段整个设计年限内的富余变形量。
福利凯保温板和FL纤维防火板是暗洞冻土段采用的一种保温防火复合式结构（45mm厚福利凯保温板+6mmFL纤维防火板），在零下20度甚至极端零下40度气温状态下，冻土段二次衬砌混凝土不至受冻破坏，提高隧道使用年限。
热棒是多年冻土暗洞衬砌后为使因施工扰动影响导致冻融圈扩大部分尽快回冻，通过在暗洞浅埋段地表按一定间距设置热棒，利用太阳能接收板作为能量源，通过上部设置的冷凝器（散热片）和下部设置的蒸发器（液体工质）之间的温差形成一种汽液两相对流循环，将地基土中的热量不断散发出去而使土体冷却。
本发明具有如下技术优势：
1、多年冻土排水系统施工按照“防冻必先治水”的原则，在多年冻土段路堑开挖前，于洞口段边仰坡外按照“前截后捻”的形式设置保温盲沟和挡水捻，地表上肉眼能见的水流通过挡水捻拦截后往下渗入保温盲沟，通过盲沟底部设置的土工模（二布一膜）阻断后经过透水碎石层向地势低洼处渗流，目的是防止继续下渗进入冻土融化圈。同时为了排出暗洞冻土融化圈产生的渗水，不至淤积于初支背后产生冻胀破坏，通过环向6m/道φ100mm半圆排水管、纵向φ160mm半壁打孔波纹管、横向φ160mm导水管三通连接进入隧底φ400mm中心排水涵管内,通过连接竖井进入两隧之间的防寒泄水洞的横洞内，最后汇流进入防寒泄水洞排出至洞外冲沟内。综合排水系统的设计和施工直接关系到多年冻土隧道的使用寿命。
2、多年冻土路堑开挖支护施工按照“防融必先降温”的原则，按照“分层分段开挖，开挖一段防护一段”组织施工，在洞口段边坡采取临时隔热防护（PU聚胺脂泡沫、袋装颗粒土、防晒网、锚网喷、遮阳棚）和永久防护 (保温挡墙、边坡回贴草皮生态防护、超前大管棚预加固)的措施相结合，临时支护的目的是做好隔热降温减缓冻土融化速度，为永久支护施工争取时间创造条件。
3、多年冻土暗洞浅埋段施工按照“快速开挖、快速支护、快速衬砌”的原则，即开挖后立即喷射20~30cm厚C30低温早强钢纤维混凝土，在初期支护结构变形数据未收敛前就模筑20cm厚C30低温早强混凝土，通过添加剂使混凝土达到低温早强，减少冻土融化，待模筑混凝土达到规定强度后，拆除模板，挂设土工布、防水板、保温板、防水板，进行第二次模筑衬砌。按照三台阶七步工法严格控制开挖、支护、一次衬砌、二次衬砌的施工步距，必要时对初期支护实施一次衬砌跳衬作业，保证施工质量和安全。
4、多年冻土段暗洞施工期间和通车运营期间按照“防热防冻都必须控温”的原则，通过在一次衬砌和二次衬砌之间设置聚胺脂保温板将施工期间人为因素引起的外界环境温度变化与冻融圈隔离来防止冻融圈继续扩大；通过在二次衬砌表面安装福利凯保温板和FL纤维防火板将隧道贯通后洞内急剧下降的环境温度与二次衬砌混凝土隔离来防止混凝土被冻伤，同时为防止洞内火灾事故导致福利凯保温板燃烧损坏在其表面增加防火板进行双层保险；通过在暗洞浅埋冻土段地表施工热棒，使施工过程中已经受到影响扩大的融化圈尽快回冻和通车运营后地表土体的热量尽快散发，尽量使多年冻土段恢复到原始状态下的冻土上下限，最终提高多年冻土隧道的使用年限。
5、鄂拉山隧道浅埋段所处的环境温度主要受大气温度影响，变化幅度大，同时施工造成的热融圈（围岩活动层）接近或与多年冻土上限重叠，冻结层上水易向洞周汇集。在隧道施工过程中，热棒可对多年冻土区隧道浅埋段围岩进行“主动冷却”防护，减少或避免冻融循环对隧道支护结构可能造成的破坏。施工完成后，又可对预防隧道极易出现衬砌开裂、漏水、挂冰等冻融破坏现象。
附图说明
图1为多年冻土暗洞综合排水系统典型断面图；
图2为多年冻土暗洞衬砌结构图。
图中：1-正洞，2-防寒泄水洞，3-横向导水管，4-竖井，5-中心排水管，6-C30钢纤维喷射混凝土，7-一次模筑衬砌，8-防水保温层，9-二次模筑衬砌。
具体实施方式
本发明的实施例：本发明的多年冻土施工“控温”技术方案实施内容如下：
1、洞口开挖和边仰坡防护。
按照“分层、分段开挖，边开挖、边防护，开挖一段，防护一段”的原则组织施工，施工过程中采取“控温隔热临时防护措施”减缓冻土融化为支护施工争取时间，支护上采取“永临结合”的防护措施保证洞口施工安全。具体施工顺序为：
（1）采取正台阶法开挖，弱爆破松动（少打眼少装药避免钻孔内回冻），辅以挖掘机（带破碎锤）进行开挖和出碴。
（2）通过在洞口搭设遮阳棚，边仰坡铺设砂袋覆盖黑色遮阳网进行隔热降温，边坡脚设置片石混凝土保温挡墙，避免冻土边坡热融滑塌。
（3）边坡锚网喷支护采用自进式锚杆代替砂浆锚杆施工，自进式锚杆具有钻、注、锚一体化的功能，可解决塌孔问题并保证复杂地质条件下的注浆效果，使边仰坡得到及时的防护。
（4）边坡二次刷坡回填腐植土后回贴草皮生态防护。
2、浅埋洞口多年冻土跟管管棚施工。
在地质钻机钻杆前端加装偏心钻具扩孔同步带进钢管套的钻进技术，用孔径φ125mm钻杆带进孔径φ133mm套管，其最前端加装导向钻头，后续管棚之间采用丝扣进行连接，利用水平定向钻机将棚管打入土体中。在钻进过程中，依据导向钻头内置的定位传感器传出的角度信号，对钻进角度进行调节，使管棚按设计轨迹钻进。当套管带进至设计深度后，撤回定向传感器和钻杆，用夹具夹住套管通过液压千斤顶（50t）顶在导向墙混凝土上形成反推力向外逐节退出套管。
3、浅埋洞身段冻土开挖与支护。
采用“三台阶七步流水法”开挖，浅埋冻土段为防止掌子面溜坍上台阶开挖时预留核心土，严格控制开挖步距，仰拱填充和一次衬砌紧跟，必要时实施一次衬砌跳衬作业，二次衬砌混凝土稳步跟进。
采用低温早强钢纤维混凝土喷射支护，在混凝土中掺入防冻剂，使配成的混凝土在规定的低温条件下，不仅不会遭到破坏，而且能通过一段较长时间的低温硬化，使强度继续增长到能抵抗冰冻作用的抗冻临界强度。待转入正温养护后，强度能迅速增长到设计强度，具有早强、耐低温和耐久性好的特点。
4、冻土段洞身衬砌。
冻土段由于含土冰层、冻岩裂隙冰较发育，在一次模筑衬砌7与二次模筑衬砌9之间设置防水保温层8，按“无纺土工布+防水板+聚胺脂保温板+防水板”（即“无纺土工布+1mm防水板+聚胺指保温板+1.5mm防水板”）的结构设置，沿隧道冻土段全长全断面铺设，将二次衬砌以内人为因素造成的气温变化与永久冻土层隔离开。
（1）一次衬砌
仰拱和填充施作完毕后，进行初期支护断面净空测量和初支背后脱空检查处理后，安装环向φ100mm半圆排水管，绑扎一次衬砌钢筋，铺设纵向φ160mmHPE排水管，纵环向排水管三通连接导入横向导水管3进入仰拱下中心排水管5内，通过连接竖井4进入防寒泄水洞2横洞内将左右洞汇流后的水集中排出洞外。排水系统施作完毕后一次衬砌6m台车就位，关端头模，泵送低温早强混凝土入模，插入式振捣器振捣密实，混凝土入模温度控制在+5~+8℃，尽量减少影响围岩融化圈。模筑混凝土达到C30混凝土设计强度的70%以上，利用预埋的注浆管向初支背后压注水泥浆，回填支护与围岩间的空隙密实，避免冻害隐患。
（2）防水层及隔热保温层施工
防水层和保温材料性能必须达到设计和规范要求。施工顺序为：仰拱、拱墙土工布→拱墙防水板→聚胺脂保温板→防水板。“三缝”防水层施工：环向施工缝间设置遇水膨胀止水条，沉降伸缩中间设置橡胶止水带，注浆后预留孔槽采用快封水泥处理。
（3）二次衬砌
二次衬砌钢筋安装完毕后，利用整体式台车拱墙成型一次衬砌，一次浇筑长度为12m。混凝土采用集中搅拌站拌合，罐车运输混凝土，HBT60输送泵泵送入模，插入式振捣器配合台车附着式振捣器振捣密实。
5、保温防火复合结构安装
暗洞冻土段二次衬砌施工完后，在二次模筑衬砌9的表面安装一种保温防火复合式结构（45mm厚福利凯保温板+6mmFL纤维防火板），福利凯保温板保证在零下20度甚至极端零下40度气温状态下，冻土段二次衬砌混凝土不至受冻破坏，从而提高隧道使用年限。纤维防火板为防止洞内火灾事故导致福利凯保温板燃烧损坏在其表面增加防火板进行双层保险。