建設世界上海拔最高的隧道，中國攻克了哪些難關？

出品| 網易新聞學院

作者| 鐵流

　　青藏高原，平均海拔4000米以上，空氣相對稀薄，氣候寒冷，自然條件惡劣，被稱為世界第三極。而在如此惡劣的自然條件下，中國工程師正在建設世界上海拔最高的特長公路隧道——米拉山隧道。

世界海拔最高的特長公路隧道

　　米拉山口海拔5013米，是拉薩到林芝公路線上的一個埡口。所謂埡口，通常指的是群山之中一塊相對平坦且位置較低的地方。所以，在國道318線林芝至拉薩段公路改造工程中決定在米拉山開鑿隧道，隧道一旦打通，拉薩市與林芝市之間的行車時間將縮短一半，大幅改善當地的交通條件。

　　米拉山隧道建設平均海拔達4740米以上，按照雙向四車道一級公路標準建設，左線5727米，右線5720米，是目前世界上海拔最高的特長公路隧道。

米拉山口風景

　　建設過程，施工人員不僅要面臨高寒、高海拔的挑戰，還要面對施工中出現的隧道下沉、涌水等險情。那麼，中國工程師又是怎麼克服這些困難的呢？

川藏線上的14個埡口

人員高原反應：背上氧氣瓶、帶上呼吸面罩施工

　　首先，我想你的第一反應便是高原反應。在平均海拔4740米以上的高原地區施工，一線工人普遍遭遇頭疼胸悶胸悶的情況。

　　所以，施工單位在隧道口設置了高壓氧艙、制氧機供一線工人在休息時吸氧。又通過專用管道把氧氣輸送到隧道施工的第一線。但這並不能有效緩解工人缺氧問題，最後施工團隊不得不採取一個非常土、但卻很實用的辦法：讓工人背著氧氣瓶、帶呼吸面罩在隧道中施工。

（高壓氧倉內休息取暖的工人）

機器「水土不服」：功率下降，故障率上升

　　不僅施工人員會遭遇高原反應，很多施工設備也會「水土不服」。根據經驗，海拔每升高1000米，大氣壓降低10%，內燃機功率損失相對於平原指標下降8%-12%，空氣動力設備功效下降10%-13%。

　　而且由於米拉山口海拔高、氣溫低，機械設備往往會遭遇低溫啟動困難，內燃設備功率損失超過40%，油耗也大幅上升；空氣動力設備效率下降到原來的一半，而且機械故障率是平原地區的2-3倍。

1、效率下降，設備數量來彌補

　　對於功率下降問題，在條件允許的情況下，用電動、風動設備替換內燃機設備。而在空氣動力設備效率減半的情況，就只能增加空氣動力設備的配置，把兩台設備當作一台設備使用，用數量來彌補效率的下降。

2、高分子泵派上用場

　　當然，設備昂貴且數量有限，無法增量配備或者施工空間不允許的時候，一種高分子泵就派上了用場。普通的空氣泵配上了一種特殊的高分子半透膜，唯有氧分子和稀有氣體能透過，占空氣體積超過2/3的氮氣分子則不能透過。這樣的空氣泵提升了氧氣的濃度使燃燒更充分，又避免了攜帶氧氣瓶作業的安全風險，海拔越高這種泵的優點就越突出。

米拉山隧道出口

避免凍害，混凝土要在一定溫度下「養生」

　　米拉山口一年中大雪覆蓋率約佔60%，冬季最低溫度達到零下30攝氏度。嚴寒和低溫容易導致混凝土的體積安定性不良，對水泥水化不利，內外溫差變大，混凝土不易凝結，誘發混凝土產生開裂、酥鬆、剝落等情況。而一旦混凝土發生凍害，對隧道的穩定性會造成很大影響。從長期來看，這些混凝土構築物的穩定性也會差一些。

　　其實，這麼冷不僅是混凝土會發生凍害，即便是在常溫下非常堅固的金屬材料，在零下30攝氏度的環境下，它分子的熱運動也會減弱，柔韌性變差，也就是說金屬變「脆了」。

1、混凝土攪拌要加防凍劑

　　要解決這一問題，在混凝土拌合過程中，就要針對高原高寒地區的氣候特點，加入適量防凍劑等添加劑，提升混凝土的防凍效果。

2、預加熱，想法設法提高溫度

　　在混凝土攪拌前，可以對建築材料進行預加熱，並採用熱水鍋爐加熱拌，這樣可以有效提高混凝土的出料溫度，提升混凝土各方面性能，尤其是對提升水泥水化的速度會有所增益。

3、運輸、澆築過程也得保溫

　　不僅在混凝土攪拌過程中要保持一定溫度，在之後的混凝土運輸、澆築過程中，都必須使混凝土保持一定的溫度。混凝土攪拌運輸車罐外需包裹保溫材料，防治混凝土在運輸過程中溫度降低過快。

　　在混凝土澆築過程中，必須控制環境穩定和澆築速度，最大限度地保留混凝土的溫度，使其澆築完成後最低溫度不得低於5攝氏度。在澆築完成之後，也要對混凝土進行加熱。

4、水灰要配合得當

　　同時混凝土的配合比也必須進行相應的調整，比如砂率不宜過大，採用較多的CA水泥，增大水灰比。骨料也要進行相應的調整，要選用公稱粒徑小，熱膨脹係數小，化學性質穩定的骨料。

　　在混凝土達到設計強度前，都應該處在一個合適的溫度進行「養生」。

米拉山隧道內部

隧道路基凍脹融沉，極不穩定

　　米拉山隧道公路路基由於高海拔也容易發生凍脹和熱融沉陷。由於土壤和岩層中都有一定水分，溫度降低，水凝結成冰，體積增大，路基就會因膨脹的凍土而拱起，這種現象被稱為凍脹。當溫度升高，凍土融化，體積縮小，路基又會隨之凹陷，這就是熱融沉陷。

　　凍結和融化反覆交替作用，路基會出現翻漿、冒泥、沉降變形現象，變得高低起伏。青藏鐵路的路基就飽受融沉、凍脹和翻漿的損害。

　　除了路基會因溫度變化而受到影響，隧道周圍的岩石也會受其影響——一旦隧道周圍的岩石和凍土因為冷熱交換髮生凍融循環，那可就會造成不堪設想的後果。

高原凍土

保溫！保溫！保溫！

　　因此，除了混凝土需要保溫，整個隧道都需要保溫。

　　要敷設保溫材料使隧道溫度保持恆定，以保障隧道的安全性。保溫材料使洞內與隧道岩石的熱交換減少，從而降低隧道內岩石溫度隨洞外氣溫周期性變化的敏感性，並減緩岩石溫度沿隧道進深各部位變化的差異性。

1、選擇保溫材料

　　在材料選擇上，一般選用導熱係數小於0.03W/（m.K），抗壓強度大於0.3MPa，體積吸水率小於3%，自重大於60kg/m3，彈性模量為7-10MPa，老化壽命長於50年的低毒性材料。

2、鋪設保溫層

　　在保溫層的構建上，一般採用中間隔熱層法、外隔熱層法、雙隔熱層法、離壁式隔熱層法等形式。

3、穩定的熱源

　　在有構建好保溫層之後，還必須提供穩定的熱源以應對自然氣候的變化。不過，提供的熱源還不能太大，過熱的話，凍結層又融化了。同樣也不能太小，還得把握一個「度」。

　　雖然隧道依然還在施工中，但這並不妨礙探討幾種行之有效的做法。

一是在隧道進出口處設置陽光棚。通過吸收太陽能輻射來升高洞口周圍空氣溫度，再通過空氣交換系統將熱空氣帶入隧道，從而為隧道提供熱源。這種做法的最大優勢是節能和廉價，而且特別適合米拉山隧道這樣光照資源比較豐富的高海拔地區。

二是可以使用熱交換管。熱交換管是一根密封的管子，管子的上段是冷凝器，下端為蒸發器，中間為絕熱段，當熱樁下端吸收熱量後，液態物質會轉化為氣態，然後上升至冷凝器，熱量通過冷凝器發散。氣態物質再液化為液態，在重力的作用下流回熱樁下端。通過熱交換管能夠對隧道保持恆溫有促進作用。

青藏鐵路鋪設的熱樁

三是採用半導體電熱帶或導電塑料電熱帶。利用母線之間發熱高分子材料的電路導通使電加熱帶發熱。而當溫度升高到一定量值時，導電通路中斷，電阻上升，自動減少功率輸出；當溫度降到更低時，發熱高分子材料又相應連接起來形成導電通路進行加熱，循環往複。

施工場地猶如水簾洞，如何克服水涌難題？

　　米拉山屬尼洋河水系和拉薩河水系的分水嶺，水量充沛，加上因冰雪消融而產生的水，直接導致施工過程中，隧道的進口和斜井中出現了大量涌水，最大涌水量曾經達到每天38590.76立方米，工人到斜井工作，要穿著雨衣、雨褲、雨鞋才能進入洞內，整個施工場地猶如一個水簾洞。

　　而且，零下30度，涌水水溫還比較低。即便有禦寒衣物、雨衣等隔著，也會快速帶走工人身體熱量，如果要在「水簾洞」里施工，那工人可真的是要「拼了老命了」。

　　一是對工人身體造成影響，二是大量用水還會影響隧道岩層穩定性，「泡水」岩層也會軟化，原本堅硬的土壤和岩層也編的鬆散。如果對涌水處理不當，很可能又發隧道塌方等嚴重事故。

　　而且過大的流水還會對施工組織造成干擾，常見的通信發送和接收設備都對防水性要求不足，尤其是對於耳機之類的設備，進水就很容易導致無法使用，流水聲和設備噪音又影響語言溝通。

先疏後堵，疏堵結合

　　針對涌水，施工單位採用了疏堵結合的辦法。

首先是疏導，依靠泄水洞和泄水孔將隧道內的積水排出去，以降低隧道中的地下水位。同時，對山口地表水引流，以避免地表水直接流入隧道。針對隧道內的積水坑，則用抽水機來解決，在每一個積水坑，都安裝了至少兩台水泵，一台水泵作業，一台備用。

（抽水機在排水）

其次是堵，通過注漿加固減少岩層含水率，減少周圍岩石滲透係數，以限制隧道內岩層的滲水量，並最終實現以注漿加固鬆散岩體堵塞地下水滲流通道，從而達到治理水涌的目的。

　　至於涌水造成的設備進水與溝通不暢的問題，工人們創造性的使用了相片紙和記號筆，畢竟西藏也不便購買大量防水通信設備。

（川藏線公路）

結語

　　米拉山隧道計劃2017年9月底建成通車。老路路基狹窄難以會車，而且山高坡陡，冬季道路結冰後，經常發生嚴重交通事故。該隧道通車後將使拉薩到林芝的車程從原來的8個小時，縮短到3-4各小時。無論是安全性還是便捷性，它都有著巨大的優勢

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編輯| 於冉帝

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