乌鞘岭特长隧道施工方案设计

    1 工程概况
    1.1 地理位置
    乌鞘岭特长隧道为兰新线兰武段增建第2线的控制工程。隧道全长20 050 m，为2座单线隧道，2隧道间距40 m，11‰单面下坡，是我国目前已有的以及在建的最长铁路隧道，详见图l。隧道所处地区整体属于祁连山东北部中高山区，隧道进口以南为庄浪河河谷区，隧道出口以北为古浪河及其支流龙沟河河谷区。
    1.2 地层岩性
    本区地层岩性复杂，有火成岩、变质岩、沉积岩3大岩类，并以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露的地层主要有第四系、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。
    1.3 地质构造
    在大地构造单元上隧道地区属于祁连褶皱系，线路横穿祁连褶皱系的北祁连优地槽褶皱带和走廊过渡带2个次级构造单元，褶皱及断裂构造发育，且褶皱形态复杂。乌鞘岭隧道地层受加里东期褶皱带和海西～印丈期褶皱带控制，地层多呈单斜状。
    1.4 断裂构造

          图1 乌鞘岭隧道平面示意图
     隧道断裂构造发育，主要为区域性大断裂，走向基本近EW，呈压性～压扭性，具有切割深、延伸长、规模大的特点，破碎带一般较宽，断层物质主要为断层泥砾和碎裂岩。主要大型断层有：
    (1) 毛毛山南缘断层(F4)。延伸长度约80 km，为逆断层，断层走向近EW，倾向N，倾角40°～60°。断层带物质主要由断层泥砾和碎裂岩组成，松散破碎，破碎带出露宽度200~500 m，隧道通过长度450 m。
    (2) 大柳树沟一黑马圈河断层(F5)。延伸长度大于60 km，为逆断层，断层走向NWW，倾向S，倾角70°左右。断层带物质主要由断层泥砾和碎裂岩组成，较松散破碎，破碎带出露宽度80～260 m，隧道通过长度140 m。
    (3) 毛毛山岭中断层(F6)。延伸长度约48 km，为逆断层，断层走向近EW，倾向N，倾角80°。断层带物质主要由断层泥砾和碎裂岩组成，较松散破碎，破碎带出露宽度40～80 m，隧道通过长度75 m。
    (4) 毛毛山一老虎山断层(F7)。延伸长度约174km，前期为逆断层，后期表现为左旋逆走滑断层，断层走向NWW，倾向S，倾角70°。断层带物质主要由断层泥砾和碎裂岩组成，松散破碎，风化严重，破碎带出露宽度400~800 m，局部大于1 000 m，隧道通过长度785 m。区域地震资料显示全新世以来该断层仍有活动迹象。
    1.5 节理
    岩体受构造作用影响，节理也较发育，主要节理走向为NW及NE，以密闭节理为主，节理面较光滑，延长数米至数十米。
    1.6 水文地质
    预计右线隧道最大总涌水量为9 621.81 m3/d，左线隧道最大总涌水量为6 114.78 m3/d，在断层破碎带有突然涌水的可能。
    1.7 气候
    本段线路位于中温带的干旱气候区，海拔高(2 900～3 600 m)，气候垂直分带性明显，气候寒冷，日温差大，天气多变，冰冻时间长，土壤冻结深度138～200 cm。
    2 施工技术难点
    2.1 F7活动性断层
    F7断层是全新世活动断层，其活动性对隧道工程影响较大，要攻克此项难关，需要建立监测系统研究断层的活动性及活动规律，并通过结构计算、数值模拟分析等手段，提出衬砌结构形式和防震减灾方案。
    2.2 软岩地质段施工技术
    本隧道洞身埋深大，地应力相对较高，隧道通过处岩质相对软弱，为三叠系页岩及煤系地层，并含4条断层破碎带，对隧道的稳定性影响较大，开挖后是否产生流变或大变形尚无法确定。
    2.3 平行导坑快速施工和设备配套
    本隧道围岩软硬相间，岩性差异大，且断裂发育。因此，本隧道施工的关键技术在平导超前，探明正洞地质情况，并辅助正洞进行施工，确保工期。但由于地质情况的复杂性，平导施工难度大，进度难以确保。故需对平导超前快速施工和设备配套进行研究。
    2.4 施工通风技术
    乌鞘岭隧道属高海拔地区，地形特点使辅助导坑条件困难，平行导坑独头施工距离长，加之本隧道埋深大，可能会出现高温情况。结合施工降温技术和三叠系地层可能出现的瓦斯情况，为保证施工顺利进行和施工安全，需要进行高海拔地区施工通风研究。
    2.5 隧道结构防排水及技术措施
    乌鞘岭隧道海拔高，冬季寒冷，曾发生挂冰、道床冻害等现象，进行了多次整治。新建特长隧道运营设施多，防水标准要求高，加上本线行车密度大，车速快，使得洞内发生渗漏水或冻害整治难度很大，需对隧道结构防排水及技术措施进行研究。
    2.6 岩爆
    区内断裂构造发育，第四系以来多有活动，应力有所释放。实测地应力最高为32 MPa，且以水平地应力为主。另外，在F4和F7之间的隧道洞身需通过较长的闪长岩、安山岩，岩质坚硬、性脆、贫水、埋深大且地应力值较高，施工中闪长岩、安山岩极易出现岩爆。
    3 施工方案
    本隧道断层带宽、构造裂隙多、节理交错密布，个别地段地下水极为丰富、围岩稳定性差，基于这种特殊地质条件，确定采用以下方案进行施工。
    3.1 掌子面前方地质预报
    采用以TSP-202超前地质预报系统为主的综合超前地质预报技术，及时了解掌子面前方地质状况，根据预报的前方地质变化情况及时调整施工方法及施工组织。
    3.2 开挖施工方法
    本隧道左右线隧道均采用钻爆法从两端相向施工。右线隧道做为正洞，提前贯通和开通；左线隧道为平行导坑辅助右线隧道施工，贯通后扩挖成左线隧道。隧道共设辅助坑道14个，其中，斜井13个，竖井1个。4个正洞洞口、1，2，5，6号斜井、石板沟右线斜井、石头沟右线斜井和大合右线斜井采用无轨运输：3，4，7，8，9，10号斜井采用有轨运输。
    无轨运输：Ⅴ，Ⅵ级围岩采用短台阶开挖，分上下2个台阶，上下台阶长度保持5～6 m，拱部采用7655型风枪开挖，Ⅲ，Ⅳ类围岩地段采用全断面开挖，钻孔采用自制多功能钻孔台车，装运设备采用ITC3 12装载机装碴，VOLVO运输车和阿威林运输车出碴。
    有轨运输：开挖全部采用台阶法施工，上台阶开挖至起拱线，下台阶开挖至隧底。上台阶长度5～6 m，凿岩设备为7655型手持风钻，采用长臂挖掘机扒碴，下台阶采用ZLC-50C和966F装载机装碴，运输采用CDXT-8T型电瓶车牵引6 m3斗车有轨运输。
    3.3 初期支护
    由于地质条件复杂，极易坍塌，需在爆破后及时施做锚、喷、挂网及格栅，尤其在地层破碎地段或构造带地段更需及时采取措施。喷射混凝土采用湿喷，锚杆施工采用锚杆台车钻孔。
    3.4 仰拱施工
    为防止隧道变形，避免围岩失稳，仰拱须在2次衬砌之前施作。拱、墙部初期支护形成后要尽早铺设仰拱，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，为2次衬砌施工的模板台车轨道铺设提供条件，同时，也为洞内运输提供便利。
    3.5 施工通风
    通风采用压入式通风，洞内风管采用φ1.5 m的DSR高强度通风软管，斜井与正洞交口段采用自制镀锌铁皮三通管，向2个掌子面送风。
    3.6 2次衬砌
    衬砌采用先仰拱、后上部的施工顺序。采用自制衬砌台车，大模板施工。洞外拌合采用混凝土拌合，混凝土运输设备选用FV3 l 3Jml型混凝土搅拌运输车，灌注混凝土采用11840混凝土输送泵直接输入台车内。
    3.7 有轨运输斜井提升及组织
    斜井进入正洞后，2个工作面洞内装碴采用ZLC-50C型和966F装载机，分别负责进出口2个工作面的装碴作业，提升设备采用ZJK-2-5/30X型9 t矿用绞车提升矿斗车至斜井口上面栈桥处，通过设立的自动侧翻装置向碴仓卸碴。洞内运碴采用CDXT-8T型电瓶车牵引8 m3矿斗车运碴。
    4 特殊地质条件施工方案
    由于本隧道特殊的地质条件，施工中极可能出现围岩失稳、突然涌水、涌泥、岩爆、高地温、瓦斯等地质灾害，根据特殊的地质灾害，可采用相应的施工方案。
    4.1 软岩流变施工方案
    隧道通过段地应力较高，埋深大，三叠系上统的页岩及断层破碎带在施工中有产生流变或较大变形的可能性。施工中需加强监控量测，加密量测断面和量测频率，根据量测信息，采取相应的工程措施。
    4.2 断层破碎带施工方案
    隧道通过4条区域性断层，断层破碎带松软破碎、含水，其自稳能力差，尤其是F7断层，其破碎带极其破碎，且以断层泥砾为主，容易发生坍塌。施工应采用超前自进式注浆锚杆加固围岩和加强初期支护等手段，并及时完成2次衬砌。
    4.3 泥岩地层施工方案
    第三系砂砾岩夹泥岩地段，岩体成岩差，结构相对疏松，自稳能力差，扰动易坍塌，泥岩具膨胀性，易发生围岩失稳。施工时应按设计及时完成初期支护，确保施工安全。
    4.4 涌水、涌泥处理
    隧道通过各断层破碎带、安山岩、板岩地段，由于构造裂隙水较发育，地下水循环较快，施工中有可能产生突然涌水。在通过断层泥砾带、含泥质地层的影响带时有可能产生突然涌泥现象。施工过程中，要依靠地质超前预报作出判断，根据涌水、涌泥量的大小和泥砂含量，提前封堵和疏排。同时，应做好应急准备，一旦发生涌水、涌泥，要尽快安装设施，迅速排出，确保安全。
    4.5 岩爆处理
    对埋深较大安山岩和岭脊花岗闪长岩地段，由于其岩质坚硬，干燥无水，易发生岩爆，当施工进入该段时，应安排专门人员进行检测，听到异常声响，应立即撤离施工人员和机械设备。施工时，应做好光面爆破，使洞壁平顺光滑，防止应力集中。对岩质坚硬、干燥无水的地段，可采取向新爆破的岩面喷洒水的措施，以增加岩面的湿度，降低围岩的脆性，减弱岩爆。同时，应及时施作喷锚支护措施封闭岩面，而且，施工人员应配备简易防护设备。
    4.6 高地温处理
    岭脊地段隧道最大埋深处原岩温度低于28℃，不会出现由高地温引起的热害问题，但高温仍然存在，施工中应加强施工通风，以防止施工环境温度过高。
    5 结束语
    本隧道为我国最长的铁路隧道，许多领域开创了国内新纪录。结合施工方法，需要对寒冷与严寒地区隧道结构防排水技术、高地应力条件下软质围岩衬砌结构研究、关键技术的信息研究、活动断层带衬砌结构研究、平导快速施工技术和设备配套、施工通风、信息化设计动态管理及超前预报等科技难题进行研究和突破，以保证顺利施工及运营安全，并推进我国铁路长大隧道修建技术的发展。