【摘要】由于地理环境复杂，寒冷地区的隧道规模会更大、技术要求更高、气候条件更加恶劣。因此，严寒地区隧道的施工技术方面的研究工作亟需深入开展。结合在建的严寒地区隧道工程施工，对严寒地区隧道施工技术进行探讨研究。介绍严寒地区长隧洞施工中几项关键技术的解决方案，包括冬季施工技术、隧道施工的通风供氧技术、给排水技术和发电供电技术。
【关键词】隧道工程；严寒地区；处置技术；施工技术
随着我国经济总量不断增加，为了更好地使区域平衡发展，我国对交通领域的投资力度每年都不断扩大，特别是随着西部大开发政策的进一步落实，中国的隧道工程己经逐渐向高海拔严寒地区延伸。隧道建设中遇到的越来越多的严寒地区的工程地质和岩土工程问题已引起了国内外科研单位及院校的广泛重视。由于地理环境复杂，寒冷地区的隧道规模会更大、技术要求更高、气候条件更加恶劣。因此，高寒地区隧道的施工技术方面的研究工作亟需深入开展。结合新疆下坂地引水发电隧洞工程，对高寒地区隧道施工技术进行探讨研究。介绍高原严寒地区长隧洞施工中几项关键技术的解决方案，包括冬季施工技术、隧道施工的通风供氧技术、给排水技术和发电供电技术。
1.工程概况
下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，地处喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县班迪尔乡境内。该工程是近年塔里木河流域综合治理中唯一的重点山区水库工程，是以生态补水和春旱供水为主，结合发电的综合性水利枢纽工程。水库总库容8.67亿m3，调节库容6.93亿m3；电站总装机150MW，保证出力35.9MW，年发电量4.644亿KW·h。引水发电洞全长4637m，设计最大流量89.69m3/s，合同施工段落为2+616.889～4+616.889，共2000米。下坂地水利枢纽工程主要气候特点是：冬季寒冷漫长，夏季气候温和，气候的年、日变化显著，日温差高达20℃左右。根据塔什库尔干县气象站1957年～2000年实测资料统计，多年平均气温3.4℃，极端最高气温32.5℃，极端最低气温-39.1℃，多年平均降水量68.9mm ，多年平均蒸发量2272mm。
下坂地水利枢纽工程引水发电洞整个隧洞位于元古界第一岩性段的角闪黑云二长片麻岩及华力西期的片麻状黑云斜长花岗岩中，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，断层及其影响带围岩为Ⅴ类。根据探硐开挖显示的地质特征，结合围岩工程地质分类标准，进行洞室岩体工程地质分段，引水发电洞全长4637m，合同施工段落为2+616.889-4+616.889共2000米，隧洞埋深较大，最大埋深达1380m，地质条件复杂。新疆下坂地引水发电隧洞地处高寒地区，结合寒区隧洞工程的调研分析，隧洞施工存在以下关键技术难题：冬季低温条件下的施工技术、隧道施工的通风供氧技术、给排水技术和发电供电技术。
2.冬季施工技术
严寒地区隧道施工中，寒区一般冬季长达五个月之久，春秋季节较短，年平均气温低，地面稳定冻结日期一般在11月左右，而稳定解冻日期一般要到翌年4月中旬。因此，寒区隧道的冬季施工是严寒地区隧道施工技术关键。
2.1冬季施工方案
（1）施工现场的风水管线采用岩棉、防寒毡进行包裹，包裹时注意要全部包满，并采用铁线绑紧。包裹后在外层采用塑料薄膜封闭。取水口进行加深处理，保障施工供水。
（2）在右线进口明洞位置采用花布、草帘、钢管、防寒毡搭设取暖棚架，暖棚搭设时采用三角支架，搭设牢固。棚架向山坡脚倾斜8～10°，用以方便清理积雪。
棚架高度不低于5.0m，与洞口存在高差的部位与洞门封闭相结合，封闭时预留通气口，通气口1.0*1.0m，做成活帘形式，采用55*2通风机排烟通风，平时关闭，需要通风时打开。
棚架内生火炉加温，棚内火炉计划使用4个，火炉采用油桶自制。
（3）洞口采用帆布、草帘、花布、防寒毡、钢筋、钢管进行封闭。在洞口部位延洞身断面整体封闭，上部预留通风口。洞口封闭为双层，里层采用格栅钢架支立压住封闭物品。里外层均采用活帘或设置铁门，平时关闭，通车时开启。封闭若采用对开门式，要设置人行小门。
（4）在集中拌和站进行砂石骨料的储存，施工前运输至暖棚内进行热溶，达到温度后使用。存储材料数量要提前做好计划，上报项目部审核。
（5）在集中拌和站进行砂石骨料的储存，施工前运输至暖棚内进行热溶，达到温度后使用。
（6）施工便道的积雪采用装载机进行清理。
（7）空压机房采用砖砌封闭，预留通过门及通风口即可。循环用水设置在空压机房外侧，顶部要进行棚盖。
（8）冬季的钢筋加工棚采用帆布进行四周封闭，钢筋原材在加工前进入棚内预暖，若棚内温度低于-20°时不得加工。
2.2冬季施工的安全措施
（1）在进入冬季前对所有机械设备做全面的维修和保养，作好油路、水路的管理工作，结合机械设备的换季保养，及时更换相应牌号的润滑油；对使用防冻液的机械设备确保防冻液符合当地防冻要求；未使用防冻液的机械设备要采取相应的防冻措施（采取停机后排放冷却水或进入暖棚车间内）
（2）各种车辆使用的燃油，要根据环境气温选择相应的型号，冷车起步时，要先低速运行一段路程后再逐步提高车速。
（3）冬季车辆启动发动机前，严禁用明火对既有燃油系统进行预热，以防止发生火灾。
（4）冰雪天行车，汽车要设置防滑链；司机在出车前检查确认车辆的制动装置是否达到良好状态，不满足要求时不得出车，遇有六级以上大风、大雪大雾不良气候时停止运行。
（5）严格执行定机定人制度，机械保管人员要坚守岗位，看管好设备，并作好相应的记录。
（6）防煤气中毒措施：冬季采用煤炉、暖棚等保暖方案，保证房屋有通风口，施工现场和营区必须指派专人进行巡查，建立严格的值班制度，值班电话24小时畅通，并与县120急救中心建立协作关系，以便出现事故后及时抢救。
（7）营区及工地采用火炉进行保暖，必须24小时有专人看护火炉，要防止明火造成火灾，并备有足量的灭火器材、防火砂等。同时要注意通风，防止煤气中毒事件发生。
3.严寒隧道冬季施工通风技术
合理的送风系统和通风系统设计方案，可以有效解决严寒地区长隧洞的通风供氧问题，通过通风系统的合理配置，能极大改善严寒隧洞的施工环境，提高施工效率。
3.1 送风系统设计
首先，在现有风机基础上，新增一台串联在通风管路之中的接力风机。接力风机我们选择风量较大多级变速的节能风机，既可适应不同施工阶段的需求，也可避免电能的虚耗和大风机启动时风压较高而设置长距离的硬管，实现了大风机、大风管的合理匹配。
1）接力风机选型：设备选型关系到整个方案的成败，是通风系统运行好坏的基本保证。在立足现有、国产设备的基础上，采用山西产SDF（C）No12.5型轴流式风机，其功率为110KW×2，双级高速风量达2912m3/min，全压5355Pa。它具有空气流动性能好、效率高、节省能量、噪音低、结构紧凑、安装方便等特点。
2）主风机选型：SDF-NO.12.5型对旋式轴流通风机，设计风量4800m3/min，全压3000Pa，电动机功率2×135kW，双级调速。
采用串联接力方案，作为主风机，该风机完全能够胜任需求，因此依旧采用该风机作为主风机。
3）主通风管路：即由主风机至接力风机之间管路，主要采用（2.5m的高强抗拉低漏风率的正压风管。当系统风压≥3000Pa时，在靠近风机的30m，采用2mm铁皮自行卷压制作的硬通风管，以消除气锤作用减少风阻。在靠近接力风机端（50～100m）位置，为避免接力风机的吸力负压损伤软风管；计划在机口50～100m，根据风压大小设2mm镀锌铁皮制作的硬风管，管路套接箍带加强，玻璃胶密封。
4）接力通风管路：由接力风机至施工掌子面，采用直径Ф1.8m的PVC增强塑纤布正压风管，为减少管路漏风，每节软风管的长度计划订做为50m加长型。
5）寒季加温预热措施：采取加温预热通风措施，将风机置于洞口保温大棚内，确保寒季开挖时满足施工规范所规定的温度要求。
3.2 抽风系统设计
首先，取消现有的射流风机，改用抽风机。接力风机选择多级变速的节能风机，既可适应不同施工阶段的需求，也可避免电能的虚耗和大风机启动时风压较高而设置长距离的硬管，实现了的合理匹配。抽风机设计风量2285m3/min，全压1200Pa，电动机功率2×75kW，双级调速。抽风管路主要采用（1.8m高强抗拉低漏风率的正压风管。
3.3 增氧辅助措施
隧道洞口氧气含量为14.5%左右，仅为正常氧气含量的70%，随着隧道独头掘进长度的加大，洞内氧气含量更低。因此，研究适合于洞内作业的有效增氧补氧措施对保障作业人员的身体健康，加快施工进度有直接意义，对高原缺氧地区工程施工具有普遍的指導意义。
施工中采用两种增氧补氧措施：①个人补氧。采用个人补氧措施，每人配备一个便携式氧气袋，背在身上或洞内集中管理，在洞内氧气浓度较低时或在洞内定期使用，改善洞内作业人员的缺氧状况。②膜富氧法移动式氧吧洞内补氧。将高温工业窑炉的膜富氧技术应用于高原隧洞洞内创建移动式氧吧，改善高原隧洞作业职工的缺氧。膜富氧法的技术原理是空气透过高分子膜富氧装置时氧的透过速度比氮大，因而透过高分子膜富氧装置后的空气中氧的含量较以前有一定程度的提高。
3.4 冬季施工中可移动式螺杆式空气压缩机的应用
严寒地区隧道施工中，寒区一般冬季长达五个月之久，春秋季节较短，年平均气温低，地面稳定冻结日期一般在11月左右，而稳定解冻日期一般要到翌年4月中旬。因此，寒区隧道的冬季施工是严寒地区隧道施工技术关键。隧道喷射混凝土和锚杆施工需要空压机提供动力，隧道施工常规作法是在洞口建立统一空压机供风站进行施工供风，对建于严寒地区的隧道而言，因冬季寒冷而漫长，水冷空压机需要建立厂棚且采取采暖保温措施，运营投入较大且工作效率季节影响大。采用风冷的螺杆式空气压缩机，安装在移动平台上，随掌子面的施工向前移动。该方法有效利用了隧道冬季洞内温度高，好保温的特点。且螺杆式空压机具有工作可靠性高、运行平稳、噪声低、对周围环境污染小、无基础、操作简单、维修方便等特点，因此适用于寒冷地区隧道的冬季施工。操作要点：
（1）螺杆式空气压缩机最低压力止回阀使分离罐中的压力保持在0.4～0.5MPa，从而保证向螺杆空压机中供油，并润滑螺杆机轴承；
（2）螺杆式空气压缩机需要装装配PLC工业电脑控制的自动保护和自动调节，工作过程中可以根据给定的压力和温度进行自动保护及调节，以便实现无人值守运转；
（3）空压机的检修与维护保养，应在确保电源已经切断，整个空压机系统里的压缩空气都已放空的情况下方可进行；空压机绝对不可反转，以免损坏空压机；
（4）空压机不能在断油缺油的情况下使用，应经常检查油位；
（5）空压机不允许在高于铭牌规定的排气压力下工作；空压机在经过一定时间运行后应检查机箱内传动带是否松弛，确保张紧后方可开机；
（6）在空压机排气管路上，在靠近空压机的地方应安装一个手动截止阀，以便维护空压机。
4.结 论
以严寒地区隧道工程为依托为依托，针对严寒地区深埋隧洞在施工过程中的关键技术问题进行了研究，包括冬季施工、隧道施工的通风供氧、给排水、发电供电和施工监测等技术问题。通过科研和施工实践，对严寒地区深埋隧洞的施工技术及工艺进行了较为全面的研究和探索，提出了一套完善的冬季施工工艺和施工监测体系；引入了一套使用于严寒地区隧洞的通风增氧技术；利用高压风加压供水方案很好解决了给水问题；利用自发电供电技术有效解决了偏远地区隧洞工程的发电工作。研究成果和施工的一些成功经验为同类隧道的设计与施工积累了大量宝贵的数据和经验，为有效解决严寒地区长隧洞施工中诸多难题提供了一些技术方法和手段，为类似条件下的隧道修建提供技术指导。
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