高原冻土层小断面隧道开挖技术研究

高原冻土层小断面隧道开挖技术研究

李国胜

中铁十局集团第二工程有限公司 河南 郑州 450000

摘要：随着我国不断发展强大，西部大开发是发展的趋势之一。西部高原地区的小断面隧道也在不断建设。而高原地区的冻土层施工一直是高海拔地区隧道施工的难点。高海拔地区具有独特的高寒缺氧冻土特征，在这种特殊的气候和围岩条件下修建变截面小断面隧道更是难上加难，遇到的是全新的技术课题。基于此，研究中结合高原隧道项目，对影响高原冻土层隧道的影响因素及常规开挖方法的弊端进行理论分析，重点阐述科学合理的高原冻土层小断面隧道开挖方法，旨在为高海拔冻土层小断面隧道施工人员提供一些帮助。

关键词：高原冻土层；小断面隧道；小型掘进机；隧道开挖

引言：由于高原冻土层不稳定的特性，小断面隧道开挖的合理性、科学性直接影响到隧道工程施工的整体质量及施工进度，为防止和预防爆破作业对高原冻土层小断面隧道开挖造成的弊端，缩短施工工期，保证施工质量，高原冻土层小断面隧道开挖技术的科学性、合理性、创新性至关重要。由此，本文探究高原冻土层小断面隧道开挖方法是非常有必要的。

正文：

一、高原隧道工程概况

高原隧道项目位于西藏自治区阿里地区，隧道跨度为3.5m跨和4m跨两种截面，隧道长度为200m，属于典型的小断面隧道。

本工程所处地区昆仑山系高山峻岭，终年有积雪，海拔在5200-5600m之间，属于高寒气候，自然环境恶劣、社会依托差、有效施工期短、资源匮乏。

全年气温较为低下，年平均气温-15℃；而日夜温差达到20℃-25℃之间。每年10月-次年5月为冬季，温度低，极端低温零下35摄氏度，不利于施工。每年5月-9月为夏季，平均气温10摄氏度左右，气温适宜，有利于施工。该地区地质普遍为冻土层，施工较为困难。

二、高原冻土层的工程特性

高原冻土层的工程特性主要包括含冰性、力学性质、冻胀性及泥结性。

1.高原冻土层的含冰性

高原冻土层的冰来源于两个方面，一是地表积雪融化，高原地区每年10月至来年5月为寒冬季节，雪量较大，积雪深度达1m厚，每年6月至9月为夏季，雨水较多，随着温度升高，积雪融化，雨水及雪水下渗至地表以下，温度降低后土壤中雪水结冰，与土壤融合，形成冻土。二是地下泉水，地下水汇合，不断向周边土壤渗透，地下温度较低，结冰后形成冻土。

2.高原冻土层的力学性质

冻土的强度与变形特性取决于冻土层中的冻冰，其力学性质主要由胶结冰决定，而胶结冰的强度随着温度的升高而降低。高原冻土层的强度受气温、附加压力以及外力扰动的改变而发生很大变化：①当气温下降时，冻土的强度随之升高；②冻土的强度受外围压力的影响很大，冻土的强度是随着外围压力的升高而升高，随着外围压力的降低而降低，在冻土层隧道开挖过程中，拱顶处于悬空状态，外围压力不变，拱顶冻土的强度随之降低；③当受到升温影响，对冻土的扰动越大冻土的强度越低，甚至有塌方的危险。

3.高原冻土层的冻胀性

在高海拔多年冻土地区，当温度降低到土体的冻结温度以下时，土中的水分就会结冰，并填充土颗粒间隙，冻土体积一般会增大至原来的9%，当土中水的体积膨胀到足以引起土体颗粒间的相对位移时就会引起土的冻胀。

4.高原冻土层开挖完成后的泥结性

高原冻土层由土体和冻冰组成，开挖完成后，由于温度升高，冻土易结泥饼，流动性较差，隧道掌子面开挖完成后，较为泥泞，施工环境较差，对出渣造成一定的困难。

根据高原冻土层的以上这些特性，若采用常规性的爆破作业对高原冻土层小断面隧道开挖施工，势必对冻土层造成较大的破坏，从而导致隧道塌方、隧道空洞、断面超挖的问题出现。

三、高原冻土层小断面隧道常规开挖方法的弊病

现在我国隧道开挖所采取的普遍常规开挖方法为爆破作业，爆破作业开挖方法适用范围一般为地质条件较好及围岩强度较高的隧道，因围岩强度较高，爆破作业对地质的破坏性较小。而高原冻土层小断面隧道地质较为脆弱，受到多方面影响，爆破作业开挖对冻土层隧道影响较大。

1.爆破作业对冻土层小断面隧道扰动较大

根据高原冻土层的特性，冻土的凝结力较弱，若采用爆破作业对冻土层隧道进行施工，势必对冻土层产生较大影响，爆破作业施工完成后，隧道拱顶处于一短时间的悬空状态，加上高原施工处于夏季，温度升高，冻土层冰层融化，会造成隧道塌方的隐患。

2.冻土层小断面隧道爆破作业断面不规则

由于爆破作业对冻土层小断面隧道扰动较大，加上扰动后对冻土层结构产生破换，爆破断面较设计断面大，加上温度升高冻土层脱落，形成超挖现象，初级支护需加大混凝土的喷射，造成资源浪费，成本增加。

3.爆破作业造成空洞现象

爆破作业后冻土层塌方严重，墙身及拱顶形成较大空洞，由于各种原因，初级支护不及时，初级支护完成后，拱顶形成较大空洞，随着后期空洞顶部冻土不断坍塌，对主体结构造成严重破坏。

4.爆破作业所用炸药为危险品，安全隐患较大

常规的爆破作业所采用的多为乳化炸药，由于高原地区没有乳化炸药，乳化炸药从内地经过多道手续审批采购后，运送至施工现场，并进行专人管理。由于手续复杂，所经办的人手较多，而且从内地到高原地区路途遥远，高海拔地区气候干燥，乳化炸药的运送及存储都有一定的危险性，中途一旦存在管理漏洞，就有引爆的可能，并且现在施工的小断面隧道多位于边境，乳化炸药管控极其严格，所以采用乳化炸药对隧道爆破存在较大的安全隐患及弊端。 

四、小型掘进机对高原冻土层小断面隧道开挖的优势

1、小型掘进机自身特点

小型掘进机小巧轻便，非常适合小断面隧道开挖，该设备为新型切割机构，配备圆锥台形切割头，双螺旋线截齿排布，布置合理，破岩能力较强；该设备具有智能电控及保护功能，同时配有软启动、遥控功能，在施工围岩较差的掌子面开挖时，可遥控指挥，安全性较高，且选配除尘风机，在小断面施工时可有效改善工作环境；该小型掘进机机械臂可180度旋转，即使隧道中有侧洞，也可轻易开挖。

悬臂式小型掘进机图例

2、小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖扰动较小

小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖施工原理为转动圆锥台形切割头，在开挖过程中，切割头转速可达80转每秒，小型掘进机利用开挖机头自身的转速对隧道掌子面开挖的同时，对机身周围的冻土层有一定的挤压，使冻土层中冰与土体挤压至一体，加固了冻土层的稳定性，即使开挖完成后隧道拱顶有一段时间的悬空状态，隧道拱顶出现土体塌方的可能性较小。小断面隧道长度较短，最短的为76m，最长的为176m，小型掘进机后方联接传送带，掘进机后的渣料通过传送带掉落于隧道口部的出渣车中，避免出渣车进入隧道，减少了机械进出隧道对冻土层的扰动。

小型掘进机工作图例

3.小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖断面超欠挖控制较好

采用小型掘进机施工，超欠挖控制较好，开挖轮廓成型效果好，节约喷射砼材料，提高施工进度，喷射砼与岩面密贴，控制了围岩的二次变形，节省衬砌费用。

4.小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖安全系数较高

相对于常规的爆破开挖作业，小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖采用全机械作业，有专业的机械操作人员控制，机械运送到施工现场后进行拼装，然后进行施工作业，危险性较低，相对于乳化炸药爆破作业，安全系数较高。

5.小型掘进机可协助加快初级支护

小断面隧道施工时，掘进机掘进隧道施工完成后，可使用切割部上方的临时支护平台及托架器进行立架、喷浆施工，避免更换设备进出隧道，即节约工期有提高了机械使用效率，节约成本。

6.小型掘进机可加强开挖掌子面除尘效果，改善施工环境

小型掘进机具有机载除尘风机，处理风量为800m³/min，主要用于30 m²以下的断面。采取轴流风机压入新鲜风至掌子面后方约5m处，配合掘进机上的除尘器处理掌子面持续产生的粉尘，改善掌子面施工环境。

7.小型掘进机可循环使用

常规的爆破开挖作业采用乳化炸药，属于消耗品，一次性使用完成后不可再利用，且乳化炸药价格较贵，从内地的运送至高原，成本较高。而小型掘进机可重复施工，工程结束后可调配至其他项目，高海拔冻土层土质较为松软，对机械磨损较小，循环使用次数较多，从而降低损耗，节约成本。

五、结束语

高原冻土层小断面隧道开挖是高原冻土地区隧道建设较为棘手的问题，如果按照常规爆破作业施工，势必会破坏冻土层的稳定性，之前很多高原隧道项目都是前车之鉴。在高原冻土层隧道施工前，工作人员应掌握该地区冻土层的结构及特性，结合现场施工条件及现有施工水平，再采用小型掘进机对冻土层小断面隧道开挖，利用其科学性、合理性、创新性，制定出完善合理的方案，保证小断面隧道冻土层的稳定性和安全性，既节约了施工成本，又保证了施工质量及施工工期。

参考文献：

[1]刘铁银，冻土工程特性及其冻土地基施工方法[J].施工方法，2010（02）:134-135.

[2]丁靖康.韩龙武.李永强.贾海峰，青藏铁路多年冻土工程特性与冻土工程[J].施工研究，2005（02）:328-332.

[3]江亦元.高原多年冻土隧道施工技术及工艺实验研究[J].施工技术研究，2005（02）:78-85.

[4]全国矿山机械标准化委员会.隧道掘进机选型方案[J].施工机械研究，2017（02）:7-10。

1