本书以青藏铁路西格二线新关角隧道高海拔复杂地质环境施工关键技术为基础，针对工程实施过程中面临的技术难题和施工风险，以工程科研项目为依托，通过数值模拟、理论分析、现场监测和工程应用等手段，系统总结了高压富水隧道突涌水机理、浅埋贫水风积砂地层隧道稳定性特征、高原隧道施工机械有害气体排放特性、隧道内火灾烟气及温度分布情况和相应的支护参数、开挖方法、堵排水及通风排烟等技术问题。本书主要内容有绪论、高压富水隧道突水机理及防治技术、浅埋贫水风积砂地层隧道施工技术、断层破碎带处理技术、高海拔隧道长距离施工通风技术、高海拔特长隧道施工机械配套技术、高原特长隧道防灾救援技术、高海拔隧道施工保障方案。

本书全面记录了青藏铁路新关角隧道高海拔复杂地质环境施工成套技术，解决了高海拔隧道面临的诸多难题，丰富和发展了我国隧道建设技术，对今后高海拔、严寒地区特长隧道建设具引领和示范作用。

青藏铁路新关角隧道全长32.645Km，是国内最长的运营交通隧道，也是世界上最长的高原隧道，其海拔在3400～4500m，隧道穿越地段地层断裂构造极为发育，共计通过19个富水断层破碎带，岩溶裂隙发育，最大涌水量32万m3/d，水压力高达2.6MPa，施工自然环境、工程地质条件都极其复杂。 本书全面记录了中铁十六局马栋团队面对高原高寒、宽大断层、坍塌、突涌水等一系列风险和挑战所采取的工程措施，系统总结了所取得的研究成果和施工关键技术。项目相关的科研工作，采用国内外先进科技手段，对该地区高压富水隧道突水、浅埋贫水风积砂地层稳定、断层破碎带变形、长距离施工通风、隧道施工机械配套和特长隧道防灾救援等问题进行了深入研究。经过反复实践验证，最终形成了新关角隧道高海拔复杂地质环境施工成套技术，解决了高海拔隧道面临的诸多难题。 该书不仅涵盖了理论方面的探究，揭示了高压富水隧道施工突涌水机理、富水环境对破碎围岩稳定性的影响规律，建立了突涌水预报方法与机械效率、海拔高度等因素的关系；还有工程实践的大胆创新，提出了高压富水隧道防排水关键技术、研发了浅埋风积砂层四台阶九步开挖法和综合支护体系、提出了高海拔长距离通风技术及隧道施工设备选型配套技术。在此基础上，该书进一步系统总结了高海拔隧道施工保障方案，保证了关角隧道的优质、快速建成，实现了高海拔高水压特长隧道修建技术的较大突破，丰富和发展了我国隧道建设技术，对今后高海拔、严寒地区特长隧道建设具引领和示范作用。

马栋，博士，教授级高工，中铁十六局集团公司副总经理、总工程师。先后参加大秦、京九、朔黄、青藏、宜万、渝怀、广昆铁路等国家重点工程建设，主持朔黄、宜万、广昆、成渝铁路，青藏铁路新关角隧道、青岛胶州湾海底隧道及首都机场T3e-T2航站楼捷运联络线工程等关键技术的应用研究，解决了施工现场诸多关键技术难题，获4项中国土木工程詹天佑奖和7项国家专利以及多项科技成果。获国家科技进步二等奖2项，北京市科技进步二等奖2项。先后获中国铁建先进科技工作者、铁道部重点工程建设功臣，茅以升铁道工程师奖、建造师奖，中国施工企业协会技术创新先进个人等荣誉。

1　绪论 …………………………………………………………………………………………… 11.1　关角隧道建设基本情况 ………………………………………………………………… 1 1.2　工程概况 ………………………………………………………………………………… 3 1.2.1　设计技术指标 ……………………………………………………………………… 3 1.2.2　沿线自然特征 ……………………………………………………………………… 5 1.2.3　水文地质特征 ……………………………………………………………………… 7 1.2.4　隧道施工中的主要地质问题 ……………………………………………………… 7 1.2.5　隧道施工方案 ……………………………………………………………………… 9 1.2.6　工程特点 …………………………………………………………………………… 132　高压富水隧道突水机理及防治技术 ………………………………………………………… 142.1　关角隧道水环境概况 …………………………………………………………………… 14 2.1.1　水文地质概况 ……………………………………………………………………… 14 2.1.2　隧道施工情况及涌水量分析 ……………………………………………………… 15 2.2　关角隧道突涌水机理 …………………………………………………………………… 20 2.2.1　突涌水形式 ………………………………………………………………………… 20 2.2.2　涌水点分布规律 …………………………………………………………………… 21 2.2.3　突涌水水源调查 …………………………………………………………………… 23 2.2.4　突涌水水文地质概念模型 ………………………………………………………… 25 2.2.5　突涌水模式及机理 ………………………………………………………………… 26 2.3　超前地质预报 …………………………………………………………………………… 30 2.3.1　超前地质预报原则及方法 ………………………………………………………… 30 2.3.2　施工地质分级 ……………………………………………………………………… 30 2.3.3　超前地质预报技术 ………………………………………………………………… 31 2.3.4　超前地质预报应用 ………………………………………………………………… 33 2.4　注浆堵水技术 …………………………………………………………………………… 34 2.4.1　顶水注浆 …………………………………………………………………………… 36 2.4.2　帷幕注浆 …………………………………………………………………………… 37 2.4.3　径向注浆 …………………………………………………………………………… 42 2.4.4　注浆材料对比分析 ………………………………………………………………… 45 2.4.5　工程应用 …………………………………………………………………………… 46清样--高海拔复杂地质特长隧道施工关键技术.indd 1 2019/10/14 12:00:13施工关键技术高海拔复杂地质特长隧道 Key Construction Techniques of GUANJIAO Extra-longTunnel in High Altitude Areas II ///2.5　引排水技术 ……………………………………………………………………………… 50 2.5.1　地表引排水 ………………………………………………………………………… 50 2.5.2　反坡排水技术 ……………………………………………………………………… 51 2.6　小结 ……………………………………………………………………………………… 693　浅埋贫水风积砂地层隧道施工技术 ………………………………………………………… 713.1　浅埋贫水风积砂地层隧道稳定性特征 ………………………………………………… 71 3.1.1　砂层地质成因及工程性质 ………………………………………………………… 71 3.1.2　围岩变形特征分析 ………………………………………………………………… 72 3.2　浅埋贫水风积砂隧道开挖方法研究 …………………………………………………… 76 3.2.1　隧道施工方法比选 ………………………………………………………………… 76 3.2.2　施工方法确定 ……………………………………………………………………… 78 3.3　浅埋贫水风积砂隧道施工方案研究 …………………………………………………… 79 3.3.1　三台阶法 …………………………………………………………………………… 79 3.3.2　施工方法优化模拟 ………………………………………………………………… 81 3.3.3　四台阶九步法 ……………………………………………………………………… 82 3.4　改进方案与原方案实测对比分析 ……………………………………………………… 90 3.4.1　浅埋贫水风积砂段隧道监控量测实施方案 ……………………………………… 90 3.4.2　监控量测实施细则 ………………………………………………………………… 94 3.4.3　监控量测结果对比分析 …………………………………………………………… 99 3.5　小结 …………………………………………………………………………………… 1004　断层破碎带处理技术 ……………………………………………………………………… 1024.1　断层破碎带工程特点 ………………………………………………………………… 102 4.1.1　破碎围岩的定义 ………………………………………………………………… 102 4.1.2　断层破碎带围岩力学属性 ……………………………………………………… 102 4.2　断层破碎带隧道支护结构受力特性现场试验研究 ………………………………… 103 4.2.1　概述 ……………………………………………………………………………… 103 4.2.2　试验内容及方法 ………………………………………………………………… 103 4.2.3　试验结果及分析 ………………………………………………………………… 105 4.3　施工方案与支护参数优化 …………………………………………………………… 117 4.3.1　施工方法及工艺 ………………………………………………………………… 118 4.3.2　超前支护及初期支护 …………………………………………………………… 120 4.4　断层破碎带大变形及塌方段整治技术 ……………………………………………… 123 4.4.1　发生塌方的原因 ………………………………………………………………… 123 4.4.2　塌方前的征兆 …………………………………………………………………… 124 4.4.3　浅埋河谷段塌方处理措施 ……………………………………………………… 124 4.4.4　深埋F2-1断层破碎带塌方处理措施 ……………………………………………… 127清样--高海拔复杂地质特长隧道施工关键技术.indd 2 2019/10/14 12:00:13 /// III 目　录4.4.5　塌方处理关键技术 ……………………………………………………………… 131 4.5　富水环境对破碎围岩稳定性的影响 ………………………………………………… 133 4.5.1　概述 ……………………………………………………………………………… 133 4.5.2　地下水对岩体力学性质的影响 ………………………………………………… 134 4.5.3　工程规范对地下水状态的考虑 ………………………………………………… 137 4.5.4　地下水作用对隧道稳定性影响的数值解 ……………………………………… 139 4.6　小结 …………………………………………………………………………………… 1445　高海拔隧道长距离施工通风技术 ………………………………………………………… 1465.1　高海拔隧道施工工程机械有害气体排放特性 ……………………………………… 146 5.1.1　工程机械有害气体排放测试与数据处理 ……………………………………… 146 5.1.2　工程机械有害气体排放特性 …………………………………………………… 148 5.2　关角隧道施工通风方案 ……………………………………………………………… 151 5.2.1　关角隧道施工通风难点 ………………………………………………………… 151 5.2.2　施工通风设计的原则、依据及参数 ……………………………………………… 152 5.2.3　通风方案 ………………………………………………………………………… 153 5.3　独头巷道压入式风口距掌子面距离 ………………………………………………… 161 5.3.1　二维物理模型 …………………………………………………………………… 161 5.3.2　计算结果 ………………………………………………………………………… 161 5.3.3　隧道三维数值计算 ……………………………………………………………… 174 5.3.4　工作面作业区域流场分析 ……………………………………………………… 179 5.4　射流风机串并联效果对比分析 ……………………………………………………… 180 5.4.1　射流风机串联组合形式分析 …………………………………………………… 180 5.4.2　射流风机并联组合形式分析 …………………………………………………… 185 5.5　通风效果测试 ………………………………………………………………………… 190 5.5.1　通风升温系统 …………………………………………………………………… 190 5.5.2　通风管理 ………………………………………………………………………… 191 5.5.3　测试效果 ………………………………………………………………………… 192 5.6　小结 …………………………………………………………………………………… 1946　高海拔特长隧道施工机械配套技术 ……………………………………………………… 1956.1　影响关角隧道快速施工的因素 ……………………………………………………… 195 6.2　高海拔隧道施工机械效率分析 ……………………………………………………… 196 6.2.1　高海拔环境对机械设备的影响 ………………………………………………… 196 6.2.2　海拔高度对柴油机油耗影响的现场试验研究 ………………………………… 200 6.2.3　关角隧道施工机械作业效率分析 ……………………………………………… 203 6.3　关角隧道施工工效分析及机械配套 ………………………………………………… 210 6.3.1　施工作业系统分析 ……………………………………………………………… 210清样--高海拔复杂地质特长隧道施工关键技术.indd 3 2019/10/14 12:00:13施工关键技术高海拔复杂地质特长隧道 Key Construction Techniques of GUANJIAO Extra-longTunnel in High Altitude Areas IV ///6.3.2　开挖作业线工效分析及机械配套 ……………………………………………… 211 6.3.3　支护作业线工效分析及机械配套 ……………………………………………… 212 6.3.4　出渣作业线机械配套 …………………………………………………………… 214 6.3.5　无砟轨道作业线机械配套 ……………………………………………………… 215 6.4　机械设备的保养及维护 ……………………………………………………………… 217 6.4.1　建立健全组织机构和规章制度 ………………………………………………… 217 6.4.2　超前预测，分类备足 ……………………………………………………………… 217 6.4.3　统筹考虑，合理搭配 ……………………………………………………………… 218 6.4.4　按时保养，及时修理 ……………………………………………………………… 218 6.4.5　重视配属动力设备的维修 ……………………………………………………… 218 6.5　小结 …………………………………………………………………………………… 2187　高海拔特长隧道防灾救援技术 …………………………………………………………… 2197.1　关角隧道火灾烟气及温度分布特征研究 …………………………………………… 219 7.1.1　隧道火灾模型试验方法 ………………………………………………………… 219 7.1.2　试验记录 ………………………………………………………………………… 223 7.1.3　试验结果分析 …………………………………………………………………… 226 7.1.4　火灾时隧道内温度场纵向分布规律 …………………………………………… 227 7.2　救援通道施工技术 …………………………………………………………………… 229 7.2.1　施工难点分析 …………………………………………………………………… 230 7.2.2　主要施工技术 …………………………………………………………………… 231 7.2.3　工程实际效果 …………………………………………………………………… 233 7.3　隧道救援技术 ………………………………………………………………………… 233 7.3.1　灾前预防措施 …………………………………………………………………… 233 7.3.2　关角隧道定点救援方案 ………………………………………………………… 234 7.3.3　消防与灭火 ……………………………………………………………………… 250 7.4　小结 …………………………………………………………………………………… 2528　高海拔隧道施工保障方案 ………………………………………………………………… 2548.1　高海拔隧道冬季施工防寒保温方案 ………………………………………………… 254 8.1.1　二次衬砌混凝土集中拌和站防寒保温方案 …………………………………… 254 8.1.2　喷射混凝土拌和站防寒保温方案 ……………………………………………… 255 8.1.3　洞内及洞口防寒保温方案 ……………………………………………………… 255 8.1.4　洞外供水、排水管路防寒保温方案 ……………………………………………… 256 8.1.5　钢材加工防寒保温方案 ………………………………………………………… 256 8.1.6　空压机防寒保温方案 …………………………………………………………… 256 8.1.7　施工机械防寒保温方案 ………………………………………………………… 256 8.1.8　生活区防寒保温方案 …………………………………………………………… 256清样--高海拔复杂地质特长隧道施工关键技术.indd 4 2019/10/14 12:00:13 /// V 目　录8.1.9　施工人员进出洞防寒保温方案 ………………………………………………… 256 8.1.10　混凝土施工防寒保温方案 ……………………………………………………… 257 8.1.11　冬季施工设备保证措施 ………………………………………………………… 257 8.1.12　质量保证措施 …………………………………………………………………… 257 8.1.13　安全保证措施 …………………………………………………………………… 258 8.2　高海拔隧道的弃渣与环保方案 ……………………………………………………… 258 8.2.1　弃渣场防护措施原则 …………………………………………………………… 258 8.2.2　经验分析 ………………………………………………………………………… 259 8.2.3　其他环保措施 …………………………………………………………………… 260 8.3　水环境施工人工、机械降效影响 …………………………………………………… 260 8.3.1　水环境施工对开挖的影响 ……………………………………………………… 261 8.3.2　水环境施工对出渣的影响 ……………………………………………………… 261 8.3.3　水环境施工对初期支护的影响 ………………………………………………… 261 8.3.4　水环境施工对喷射混凝土的影响 ……………………………………………… 261 8.3.5　水环境施工对建设资金的影响 ………………………………………………… 263 8.4　局部高水压力作用下衬砌结构的合理设计 ………………………………………… 264 8.4.1　衬砌水压力现场试验 …………………………………………………………… 264 8.4.2　提高衬砌安全系数措施 ………………………………………………………… 266 8.4.3　局部水压作用下的优化设计 …………………………………………………… 268 8.5　皮带运输系统的应用 ………………………………………………………………… 269 8.5.1　传统有轨和无轨运输方式存在的共同问题 …………………………………… 270 8.5.2　关角隧道皮带运输方案 ………………………………………………………… 270 8.6　增设泄水洞的设计与施工 …………………………………………………………… 272 8.6.1　新关角隧道设置泄水洞的必要性 ……………………………………………… 273 8.6.2　泄水洞与隧道正洞相对高差的选择 …………………………………………… 273 8.6.3　泄水洞相对隧道正洞平面位置的比选 ………………………………………… 274 8.6.4　泄水洞起点和出口位置的确定 ………………………………………………… 275 8.6.5　施工建议 ………………………………………………………………………… 276参考文献 ………………………………………………………………………………………… 278