青藏铁路多年冻土区隧道开挖施工工法

青藏铁路多年冻土区隧道开挖施工工法

中铁五局（集团）有限公司

1 前言

高原冻土隧道开挖是一个新的课题，众所周知，爆破效果的好坏主要由以下三个标准来衡定：一是药量控制要好，要能将开挖岩面炸下来，而不允许对轮廓外围的围岩有破坏作用；二是必须保证周边眼有较多的炮眼半孔率；三是半孔间的岩面的平整光滑程度高。而冻土隧道对开挖的要求更高。为优质安全地完成高原冻土隧道的开挖，在科研部门的配合下，通过采取本文介绍的方法，按期、优质地完成了冻土隧道开挖。现将这一过程总结成工法，供同行参考。 2 工法特点

2.1 本工法安全、可靠、无不良影响。 2.2 本工法充分利用了新奥法原理。 2.3 本工法较充分地考虑了冻土围岩的特点。 3 适用范围

本工法适用于高原冻土隧道、坑道，也适用于高海拔、寒冷的非冻土隧道、坑道。 4 工艺原理

冻土区隧道钻眼过程中，钻孔容易冻结，快速施工是开挖这一工序施工的关键。另外，装药及药量控制也是冻土隧道开挖中非常重要的一环。本工法通过介绍在冻土区隧道开挖过程中钻眼、清孔、装药、起爆、找顶等方面的一些经验，为其它冻土隧道的开挖提供借鉴。 5 工艺方法 5.1工艺流程

如下图:

5.2 爆破设计 5.2.1循环进尺

根据围岩特性及围岩的节理发育情况,并根据实际施工中总结出的经验，循环进尺先择3.0m较为合适(以Ⅴ级围岩为例)。 5.2.2爆破设计

根据开挖断面面积、围岩特性、围岩的结构及节理发育程度以及炸药的性能等因素，确定采用垂直楔形掏槽法。 5.2.2.1炮眼数量

根据开挖断面面积、围岩性质、围岩结构及节理发育程度和炸药性能等因素，炮眼数量按下公式计算： N=(q×s)/(η×r)

其中：q—为单位立方米的炸药消耗量 取0.52kg/m s—开挖断面面积 取74m η—炮眼利用率 取0.95

r—每米炮眼长度的装药量 （以Ⅴ级围岩为例，根据冻土围岩的特性及通过试验，取0.35kg/m较为合适。）

N=(0.52×74)/(0.95×0.35)=116(个)(以Ⅴ级围岩为例,面积74 m) 在实际钻眼中共钻眼116个。

根据实际施工经验，在冻土隧道的Ⅴ级围岩中，以上取值较为合适。 5.2.2.2炮眼布置

5.2.2.2.1掏槽眼的布置和数量

（1）掏槽眼是为以后爆破的炮眼开辟临空面，比其它炮眼深20cm为佳，其主要是利用爆破气体挤出粉碎岩石来创造临空面。

掏槽炮眼的数量、距离及炮眼与工作面的夹角主要是根据岩石坚固性系数f而定，f越大，则夹角及炮眼距离越小，炮眼数量越多。在实际施工中，我们对各参数进行了不断的调整，当取炮眼与工作面夹角为70°，两排炮眼距离为0.7m，安排三个炮眼，炮眼数量共为6个时，这样的爆破效果较为理想。掏槽眼布置如图-1所示。

2

2

3

（2）炸药的选择

掏槽眼

扩槽眼

掏槽眼一般都是过量装药，占全眼长的70～90％。当眼深在2.5～3.0m或大于3.0m时，选用爆破力较大且较为常用的2#岩石乳化炸药较为合适。

（3）辅助掏槽

单凭6个掏槽眼是无法创造出较大的临空面，因此在紧靠掏槽眼的四周布设了8个辅助掏槽眼，在掏槽眼全部起爆后紧跟着起爆，利用爆破气体的能量将槽内已破碎岩石再次抛出。 5.2.2.2.2周边眼的布置及装药结构

（1）周边眼的作用

周边眼是沿开挖断面周边布置的炮眼，其目的是爆破出完整开挖轮廓。在光爆之中，周边眼炮孔间距、装药系数直接影响到整个断面开挖对岩石结构的稳定。

（2）周边眼炮眼间距（E） ①、周边眼参数的确定

据光爆参数的确定原则，炮眼壁上产生的冲击压力不应大于处于体积应力状态下岩石的抗压强度，而应大于岩石的极限抗拉强度。

即：[б]pEL

式中： [б]p—岩体的极限抗拉强度(kg/cm2) [б]c—岩体的极限抗压强度(kg/cm2)

d---炮眼直径(cm) E—周边眼间距(cm) K—孔距系数

一般K=10∽16，根据试验，K=13最佳值，则E=50cm。 ②、光面层厚度W

据光爆理论，沿周边眼孔连线形成贯通裂缝，确保壁面光滑，光爆层脱离原岩体，并防止反射波作用下产生超挖，故在理论上，W=(10∽20)d。通过施工中试验得知，W=18.4d=18.4×3.8=70cm最佳。

③、炮眼密集系数K

炮眼密集系数：K=E/W=50/70=0.71 ④、装药集中度q

据现场实际经验，取q=70g/m。在装药结构上，因装药量少，每孔仅为212g,全部装在底部或全部采用间隔装药均会出现台阶，光爆效果不佳；若采用导爆索又可能因∮25mm药卷与导爆索接触不良而出现部分药卷拒爆现象，并且费用相对更大。为此，全部采用非电雷管装药，并将装药结构调整为以下两种，底药反向起爆，外部药卷正向起爆，并将该两种方法隔孔采用，其装药结构如图（-2）、图（-3）。周边眼的装药，根据多次试验后，将其装药集中度调整为q=106g/m,其装药结构如图（-4）。

5.2.2.2.3药卷直径的选择

图-2

图

-3

在施工过程中，采用炮眼直径D=38mm，根据间隙效应范围：1.12〈D/d〈3.71，决定周边眼采用∮25mm药卷，其余炮眼采用∮32mm药卷。

经过对上述参数的反复试验，综合分析制出炮眼装药数量表（表-1）、爆破条件及参数表（表-2）、爆破设计图（以V级围岩为例）（图-5）。

表-1 炮 眼 装 药 数 量 表

图-5 V级围岩爆破设计图

表-2 爆破条件及参数表

注：①、拱部周边眼分（1）、（2）两种方法间隔装药；

②、边墙周边眼为间隔装药（如图-3）； ③、其余炮眼均为连续装药。

5.3工艺措施 5.3.1测量放样

根据爆破设计，绘出开挖中线、水平和断面轮廓线并准确标出炮眼位置。 5.3.2钻眼

钻眼精度的高低，是控制超、欠挖的重要因素，钻眼精度包括开孔位置、炮眼垂直度、孔底平面和周

边眼外插角等，钻眼时，必须对位准确，并掌握好钻眼方向。钻孔做到平顺、整齐。钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并作好记录，有不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后才可装药起爆。 5.3.3清孔

由于冻土围岩的特殊性，水易冻结，因此，在每打完一个炮孔后，立即用高压风清孔，将孔内石粉、水等清除，以防止炮孔被冻结。 5.3.4装药起爆

按照设计要求,进行装药。炮眼堵塞是影响爆破质量的重要因素，所有装药的炮眼均应堵塞炮泥，周边眼的堵塞长度不小于50cm。其余炮眼的堵塞长度不小于20cm。采用非电毫秒雷管起爆。 5.3.5运输出碴

采用有轨运输的方式，轨距为762mm或600mm。立爪装碴机装碴，电瓶车、梭矿出碴。 5.3.6辅助措施 5.3.6.1通风措施

在各施工洞口均采用一台37KW的通风机进行压入式通风。在掌子面附近设移动式制氧设备，并在各洞口设氧吧。对于洞内的作业人员，每人配备一个重1.5kg的背负式氧气瓶，以保证施工人员的供氧问题。 5.3.6.2供水措施

根据当地地表水及地下水的情况，可采取打深井引地下水或用地表水，沿线路布设供水管，解决施工用水。由于青藏高原气温低，水管易冻结，在必要时也可采用水车运输的方式。另在洞口设加热设施对施工用水进行加热，才可保证正常的施工。 5.3.6.3供电措施

由于青藏高原无现有电可利用。各洞口可独立采用高原型的发电机组提供工程用电。并备用发电机作为备用电源，确保隧道施工的顺利进行。 6 机械设备

主要机械配备表(一个工作面)

7、劳动力组织 如下表：

8 质量措施

1）钻眼未严格按钻爆设计布置的炮眼图进行钻眼，掏槽眼间距不准、不平行、误差过大，周边眼外插角过大，且不平行。

2）装药不能严格按设计进行，特别是周边眼中的其外部药卷与底部药卷距离不能很好控制，从而造成边墙出现局部小台阶。

3）局部炮眼炮泥堵塞不实，造成爆炸气体从炮眼口冲出，爆炸力量利用不充分，从而直接影响到爆破效果。

为解决上述问题，提高光爆效果，必须采用以下措施：

（1）、测量放线要准确。要求轮廓线位误差在5cm以内;另外周边眼、掏槽眼及隧道中线必须画出，以利于钻孔人员比照操作。

（2）、钻孔人员应把握好钻孔角度，特别是掏槽眼和周边眼的钻孔角度和深度。

（3）、炮眼装药严格按设计进行并加强堵塞，堵塞长度不得小于炮眼直径的10倍，尤其是要加强周边眼和内圈眼装药量的控制。

9 安全措施

（1）所有进入隧道施工的人员，必须按规定佩带好安全防护用品，遵章守纪，听从指挥。 （2）钻眼人员到达工作地点时，应首先检查工作面是否处于安全状态，如支护、顶板及两帮是否牢固，如有松动的岩石，应立即加以支护或处理。

（3）严禁在残眼中继续钻眼。 （4）不得在工作面拆卸修理凿岩设备。 （5）装药后到点炮间隔时间不应过久。

（6）进行爆破时，所有人员必须撤至不受有害气体、振动及飞石伤害的警戒区外，并设置安全警戒，其安全警戒的距离应遵守下列规定：（a）独头坑道内不小于100m；（b）相邻的上下导坑不小于200m。

（7）爆破后需检查：（a）有无瞎炮及可疑现象;（b）有无残余炸药或雷管。如发现瞎炮，必须由原爆破人员按规定进行处理。 10 效益分析

经爆破后，隧道断面成型好，减少了处理超欠挖的工作量，防止坍方，确保了工期。本工法配套技术成熟，施工较为简便。同时能充分运用系统工程理论，优化劳动组织，提高劳动生产率，因而经济社会效益良好。 11 工程实例

青藏铁路昆仑山隧道位于青海省境内昆仑山北麓乱石沟西侧高山中，是当今世界最长的高原连续多年冻土铁路隧道，全长1686m，位于海拔4500~4800m的连续多年冻土区内。以古冰川、现代冰川作用及冰冻风化地貌形态为主。地表植被发育，覆盖率40%，隧道洞身为三叠系板岩夹片岩，因构造相当发育，加之长期受冰冻风化的影响，从而围岩裂隙发育，裂隙中充满裂隙冰，裂隙冰最厚达10cm。岩石性质分别为IV、V、VI级。经爆破后统计分析，开挖轮廓线平整光滑，拱部炮眼半孔痕迹率达到75%以上，拱部平均线形超挖值为7.9cm，最大超挖值为12cm；边墙炮眼半孔痕迹率为65%以上，平均线形超挖值为16.4cm，最大超挖值为20cm，其位置主要位于起拱线至其下部2.0m范围内。

本工程于2001年9月12日正式开始开挖，至2002年9月26开挖结束，比计划工期提前了3个月。

（执笔：刘振江 胡种新）

青藏铁路多年冻土区隧道开挖施工工法

中铁五局（集团）有限公司

1 前言

高原冻土隧道开挖是一个新的课题，众所周知，爆破效果的好坏主要由以下三个标准来衡定：一是药量控制要好，要能将开挖岩面炸下来，而不允许对轮廓外围的围岩有破坏作用；二是必须保证周边眼有较多的炮眼半孔率；三是半孔间的岩面的平整光滑程度高。而冻土隧道对开挖的要求更高。为优质安全地完成高原冻土隧道的开挖，在科研部门的配合下，通过采取本文介绍的方法，按期、优质地完成了冻土隧道开挖。现将这一过程总结成工法，供同行参考。 2 工法特点

2.1 本工法安全、可靠、无不良影响。 2.2 本工法充分利用了新奥法原理。 2.3 本工法较充分地考虑了冻土围岩的特点。 3 适用范围

本工法适用于高原冻土隧道、坑道，也适用于高海拔、寒冷的非冻土隧道、坑道。 4 工艺原理

冻土区隧道钻眼过程中，钻孔容易冻结，快速施工是开挖这一工序施工的关键。另外，装药及药量控制也是冻土隧道开挖中非常重要的一环。本工法通过介绍在冻土区隧道开挖过程中钻眼、清孔、装药、起爆、找顶等方面的一些经验，为其它冻土隧道的开挖提供借鉴。 5 工艺方法 5.1工艺流程

如下图:

5.2 爆破设计 5.2.1循环进尺

根据围岩特性及围岩的节理发育情况,并根据实际施工中总结出的经验，循环进尺先择3.0m较为合适(以Ⅴ级围岩为例)。 5.2.2爆破设计

根据开挖断面面积、围岩特性、围岩的结构及节理发育程度以及炸药的性能等因素，确定采用垂直楔形掏槽法。 5.2.2.1炮眼数量

根据开挖断面面积、围岩性质、围岩结构及节理发育程度和炸药性能等因素，炮眼数量按下公式计算： N=(q×s)/(η×r)

其中：q—为单位立方米的炸药消耗量 取0.52kg/m s—开挖断面面积 取74m η—炮眼利用率 取0.95

r—每米炮眼长度的装药量 （以Ⅴ级围岩为例，根据冻土围岩的特性及通过试验，取0.35kg/m较为合适。）

N=(0.52×74)/(0.95×0.35)=116(个)(以Ⅴ级围岩为例,面积74 m) 在实际钻眼中共钻眼116个。

根据实际施工经验，在冻土隧道的Ⅴ级围岩中，以上取值较为合适。 5.2.2.2炮眼布置

5.2.2.2.1掏槽眼的布置和数量

（1）掏槽眼是为以后爆破的炮眼开辟临空面，比其它炮眼深20cm为佳，其主要是利用爆破气体挤出粉碎岩石来创造临空面。

掏槽炮眼的数量、距离及炮眼与工作面的夹角主要是根据岩石坚固性系数f而定，f越大，则夹角及炮眼距离越小，炮眼数量越多。在实际施工中，我们对各参数进行了不断的调整，当取炮眼与工作面夹角为70°，两排炮眼距离为0.7m，安排三个炮眼，炮眼数量共为6个时，这样的爆破效果较为理想。掏槽眼布置如图-1所示。

2

2

3

（2）炸药的选择

掏槽眼

扩槽眼

掏槽眼一般都是过量装药，占全眼长的70～90％。当眼深在2.5～3.0m或大于3.0m时，选用爆破力较大且较为常用的2#岩石乳化炸药较为合适。

（3）辅助掏槽

单凭6个掏槽眼是无法创造出较大的临空面，因此在紧靠掏槽眼的四周布设了8个辅助掏槽眼，在掏槽眼全部起爆后紧跟着起爆，利用爆破气体的能量将槽内已破碎岩石再次抛出。 5.2.2.2.2周边眼的布置及装药结构

（1）周边眼的作用

周边眼是沿开挖断面周边布置的炮眼，其目的是爆破出完整开挖轮廓。在光爆之中，周边眼炮孔间距、装药系数直接影响到整个断面开挖对岩石结构的稳定。

（2）周边眼炮眼间距（E） ①、周边眼参数的确定

据光爆参数的确定原则，炮眼壁上产生的冲击压力不应大于处于体积应力状态下岩石的抗压强度，而应大于岩石的极限抗拉强度。

即：[б]pEL

式中： [б]p—岩体的极限抗拉强度(kg/cm2) [б]c—岩体的极限抗压强度(kg/cm2)

d---炮眼直径(cm) E—周边眼间距(cm) K—孔距系数

一般K=10∽16，根据试验，K=13最佳值，则E=50cm。 ②、光面层厚度W

据光爆理论，沿周边眼孔连线形成贯通裂缝，确保壁面光滑，光爆层脱离原岩体，并防止反射波作用下产生超挖，故在理论上，W=(10∽20)d。通过施工中试验得知，W=18.4d=18.4×3.8=70cm最佳。

③、炮眼密集系数K

炮眼密集系数：K=E/W=50/70=0.71 ④、装药集中度q

据现场实际经验，取q=70g/m。在装药结构上，因装药量少，每孔仅为212g,全部装在底部或全部采用间隔装药均会出现台阶，光爆效果不佳；若采用导爆索又可能因∮25mm药卷与导爆索接触不良而出现部分药卷拒爆现象，并且费用相对更大。为此，全部采用非电雷管装药，并将装药结构调整为以下两种，底药反向起爆，外部药卷正向起爆，并将该两种方法隔孔采用，其装药结构如图（-2）、图（-3）。周边眼的装药，根据多次试验后，将其装药集中度调整为q=106g/m,其装药结构如图（-4）。

5.2.2.2.3药卷直径的选择

图-2

图

-3

在施工过程中，采用炮眼直径D=38mm，根据间隙效应范围：1.12〈D/d〈3.71，决定周边眼采用∮25mm药卷，其余炮眼采用∮32mm药卷。

经过对上述参数的反复试验，综合分析制出炮眼装药数量表（表-1）、爆破条件及参数表（表-2）、爆破设计图（以V级围岩为例）（图-5）。

表-1 炮 眼 装 药 数 量 表

图-5 V级围岩爆破设计图

表-2 爆破条件及参数表

注：①、拱部周边眼分（1）、（2）两种方法间隔装药；

②、边墙周边眼为间隔装药（如图-3）； ③、其余炮眼均为连续装药。

5.3工艺措施 5.3.1测量放样

根据爆破设计，绘出开挖中线、水平和断面轮廓线并准确标出炮眼位置。 5.3.2钻眼

钻眼精度的高低，是控制超、欠挖的重要因素，钻眼精度包括开孔位置、炮眼垂直度、孔底平面和周

边眼外插角等，钻眼时，必须对位准确，并掌握好钻眼方向。钻孔做到平顺、整齐。钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并作好记录，有不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后才可装药起爆。 5.3.3清孔

由于冻土围岩的特殊性，水易冻结，因此，在每打完一个炮孔后，立即用高压风清孔，将孔内石粉、水等清除，以防止炮孔被冻结。 5.3.4装药起爆

按照设计要求,进行装药。炮眼堵塞是影响爆破质量的重要因素，所有装药的炮眼均应堵塞炮泥，周边眼的堵塞长度不小于50cm。其余炮眼的堵塞长度不小于20cm。采用非电毫秒雷管起爆。 5.3.5运输出碴

采用有轨运输的方式，轨距为762mm或600mm。立爪装碴机装碴，电瓶车、梭矿出碴。 5.3.6辅助措施 5.3.6.1通风措施

在各施工洞口均采用一台37KW的通风机进行压入式通风。在掌子面附近设移动式制氧设备，并在各洞口设氧吧。对于洞内的作业人员，每人配备一个重1.5kg的背负式氧气瓶，以保证施工人员的供氧问题。 5.3.6.2供水措施

根据当地地表水及地下水的情况，可采取打深井引地下水或用地表水，沿线路布设供水管，解决施工用水。由于青藏高原气温低，水管易冻结，在必要时也可采用水车运输的方式。另在洞口设加热设施对施工用水进行加热，才可保证正常的施工。 5.3.6.3供电措施

由于青藏高原无现有电可利用。各洞口可独立采用高原型的发电机组提供工程用电。并备用发电机作为备用电源，确保隧道施工的顺利进行。 6 机械设备

主要机械配备表(一个工作面)

7、劳动力组织 如下表：

8 质量措施

1）钻眼未严格按钻爆设计布置的炮眼图进行钻眼，掏槽眼间距不准、不平行、误差过大，周边眼外插角过大，且不平行。

2）装药不能严格按设计进行，特别是周边眼中的其外部药卷与底部药卷距离不能很好控制，从而造成边墙出现局部小台阶。

3）局部炮眼炮泥堵塞不实，造成爆炸气体从炮眼口冲出，爆炸力量利用不充分，从而直接影响到爆破效果。

为解决上述问题，提高光爆效果，必须采用以下措施：

（1）、测量放线要准确。要求轮廓线位误差在5cm以内;另外周边眼、掏槽眼及隧道中线必须画出，以利于钻孔人员比照操作。

（2）、钻孔人员应把握好钻孔角度，特别是掏槽眼和周边眼的钻孔角度和深度。

（3）、炮眼装药严格按设计进行并加强堵塞，堵塞长度不得小于炮眼直径的10倍，尤其是要加强周边眼和内圈眼装药量的控制。

9 安全措施

（1）所有进入隧道施工的人员，必须按规定佩带好安全防护用品，遵章守纪，听从指挥。 （2）钻眼人员到达工作地点时，应首先检查工作面是否处于安全状态，如支护、顶板及两帮是否牢固，如有松动的岩石，应立即加以支护或处理。

（3）严禁在残眼中继续钻眼。 （4）不得在工作面拆卸修理凿岩设备。 （5）装药后到点炮间隔时间不应过久。

（6）进行爆破时，所有人员必须撤至不受有害气体、振动及飞石伤害的警戒区外，并设置安全警戒，其安全警戒的距离应遵守下列规定：（a）独头坑道内不小于100m；（b）相邻的上下导坑不小于200m。

（7）爆破后需检查：（a）有无瞎炮及可疑现象;（b）有无残余炸药或雷管。如发现瞎炮，必须由原爆破人员按规定进行处理。 10 效益分析

经爆破后，隧道断面成型好，减少了处理超欠挖的工作量，防止坍方，确保了工期。本工法配套技术成熟，施工较为简便。同时能充分运用系统工程理论，优化劳动组织，提高劳动生产率，因而经济社会效益良好。 11 工程实例

青藏铁路昆仑山隧道位于青海省境内昆仑山北麓乱石沟西侧高山中，是当今世界最长的高原连续多年冻土铁路隧道，全长1686m，位于海拔4500~4800m的连续多年冻土区内。以古冰川、现代冰川作用及冰冻风化地貌形态为主。地表植被发育，覆盖率40%，隧道洞身为三叠系板岩夹片岩，因构造相当发育，加之长期受冰冻风化的影响，从而围岩裂隙发育，裂隙中充满裂隙冰，裂隙冰最厚达10cm。岩石性质分别为IV、V、VI级。经爆破后统计分析，开挖轮廓线平整光滑，拱部炮眼半孔痕迹率达到75%以上，拱部平均线形超挖值为7.9cm，最大超挖值为12cm；边墙炮眼半孔痕迹率为65%以上，平均线形超挖值为16.4cm，最大超挖值为20cm，其位置主要位于起拱线至其下部2.0m范围内。

本工程于2001年9月12日正式开始开挖，至2002年9月26开挖结束，比计划工期提前了3个月。

（执笔：刘振江 胡种新）