復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的鐵路隧道施工技術(shù)分析

何喜湘

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)代交通輸業(yè)得到較大的發(fā)展，公路鐵路等建設(shè)項(xiàng)目不斷增多。現(xiàn)代鐵路隧道的建設(shè)中，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境成為影響施工的關(guān)鍵因素之一，系統(tǒng)分析復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的鐵路隧道施工技術(shù)，具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義。文章以鐵路隧道工程為研究對(duì)象，通過復(fù)雜地質(zhì)條件下的具體施工技術(shù)，對(duì)隧道復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下鐵路隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究分析說明。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)；鐵路隧道；施工技術(shù)；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.112

0 前言

在鐵路建設(shè)中，隧道工程是施工中必須面臨的問題，通過鐵路隧道的建設(shè)，可以有效縮短施工路線，優(yōu)化鐵路線路，提高鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)代社會(huì)，隨著鐵路等施工項(xiàng)目工程的增多，特別是山嶺、高原地區(qū)鐵路網(wǎng)的覆蓋，鐵路隧道的施工量也不斷增加，因此復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的鐵路隧道施工項(xiàng)目也急劇增加。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工，地質(zhì)環(huán)境預(yù)測(cè)和對(duì)不良地質(zhì)處置施工技術(shù)是兩大重要因素，通過復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道圍巖的預(yù)測(cè)和不良地質(zhì)的處置分析研究，采用綜合圍巖探測(cè)，形成有效處置措施，確保隧道不良地質(zhì)段施工安全，同時(shí)提高鐵路的建設(shè)質(zhì)量。

1 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道施工的影響

我國(guó)南北跨度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，多種地形、地貌共存，而復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境往往會(huì)對(duì)鐵路施工工程帶來較大的困難，不僅會(huì)增加施工難度，還會(huì)增加施工成本，為了縮短施工路線，提高線路標(biāo)準(zhǔn)，鐵路工程存在很多隧道施工。同時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展較快，現(xiàn)代鐵路網(wǎng)基本成熟，在這種情況下要求建設(shè)四通八達(dá)、縱橫交錯(cuò)的鐵路網(wǎng)。但鐵路隧道一般建立在高山、河谷附近，地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致隧道施工難度不斷增加。

鐵路隧道施工中，經(jīng)常出現(xiàn)多種地質(zhì)問題，如喀斯卡特地質(zhì)隧道施工中，出現(xiàn)巖溶、突泥涌水問題，活動(dòng)斷裂層區(qū)域隧道施工出現(xiàn)高地溫災(zāi)害、斷層破碎帶等情況，還有國(guó)內(nèi)的很多隧道建設(shè)中，出現(xiàn)偏壓、巖爆、瓦斯爆炸等地質(zhì)原因?qū)е碌氖┕栴}，如不能有效處理這些地質(zhì)問題，很容易造成不同程度地人員傷亡、機(jī)械設(shè)備損壞以及人力資源浪費(fèi)，另外，也會(huì)帶來較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，由此可見在鐵路隧道中，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境會(huì)對(duì)施工建設(shè)帶來高難度性，要想解決隧道施工中的問題，就要對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，提高施工技術(shù)水平。

2 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的鐵路隧道施工技術(shù)

隧道施工中，首先要進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，了解地質(zhì)情況，考慮實(shí)際施工的可行性，根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地貌進(jìn)行具體施工。而后在隧道施工中必須開展綜合的地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，準(zhǔn)確了解隧道線路地質(zhì)狀況，通過TSP，超前探孔，紅外探水，炮眼加深，地質(zhì)素描等地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，分析并掌握施工地質(zhì)狀況，對(duì)不良地質(zhì)做出預(yù)判。在開挖支護(hù)成形后，必須進(jìn)行圍巖量測(cè)工作，以便掌握支護(hù)后的圍巖變形情況，防止掌子面后塌方關(guān)門，同時(shí)確定二次襯砌開始的時(shí)間。下面就復(fù)雜不良地質(zhì)狀況下隧道施工各階段技術(shù)措施進(jìn)行說明。

2.1 地質(zhì)勘測(cè)

復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境會(huì)對(duì)隧道施工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，因此做好地質(zhì)勘測(cè)工作極為必要。一般情況下，鐵路隧道的地質(zhì)勘測(cè)由設(shè)計(jì)單位專業(yè)人員負(fù)責(zé)，主要從以下幾方面開展地質(zhì)勘測(cè)工作：

首先，根據(jù)中國(guó)地貌圖對(duì)當(dāng)?shù)氐氖┕さ刭|(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并著重分析可能出現(xiàn)的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害或意外事故，事先準(zhǔn)備測(cè)量?jī)x器，制定簡(jiǎn)略方案，對(duì)當(dāng)?shù)厮淼澜ㄔO(shè)的實(shí)際情況進(jìn)行可行性分析；其次根據(jù)區(qū)域地形地貌進(jìn)行地質(zhì)探孔布置并打設(shè)地質(zhì)探孔，通過直觀的地質(zhì)探孔芯樣進(jìn)行判斷隧道線形范圍內(nèi)地質(zhì)狀況；最后根據(jù)綜合分析，先確定隧道施工范圍內(nèi)的破碎帶、巖溶、涌水量、軟弱圍巖等不良地質(zhì)范圍，確定隧道涌水量，而后綜合確定隧道里程范圍內(nèi)的圍巖級(jí)別，形成設(shè)計(jì)地質(zhì)資料。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.2.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的

主要是為了探明地質(zhì)問題，為隧道施工或者施工設(shè)計(jì)變更提供參考數(shù)據(jù)；降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率，提高施工安全性；為編制竣工文件提供地質(zhì)資料。

2.2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作內(nèi)容

主要預(yù)報(bào)斷層界面和的基本情況、山體巖溶的發(fā)育情況、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展詳情以及含稅構(gòu)造層的情況，具體包括位置、規(guī)模以及性質(zhì)。

2.2.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的設(shè)計(jì)上，綜合應(yīng)用長(zhǎng)短結(jié)合、上下對(duì)照、定性與定量相結(jié)合方法，依據(jù)多方法、多頻次相互印證的原則，以此來提高預(yù)報(bào)方案的精確度。在方案設(shè)計(jì)上，要考慮隧道施工當(dāng)?shù)氐牡貙訋r性和水文地質(zhì)，并給分析隧道設(shè)計(jì)方案的可行性，完善預(yù)報(bào)方案。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的設(shè)計(jì)要堅(jiān)持因地制宜的原則，隨時(shí)根據(jù)異常段落進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，以宏觀預(yù)報(bào)指導(dǎo)微觀預(yù)報(bào)，長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)指導(dǎo)中短距離預(yù)報(bào)。針對(duì)隧道內(nèi)部可穿越型的的溶巖地層段，依據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件以及施工方案進(jìn)行合理處理。

2.2.4 地質(zhì)預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)

（1）斷層破碎帶及巖石接觸帶預(yù)報(bào)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)素描，確定斷層破碎帶的大致范圍，以公里作為里程單位。實(shí)際上，隧道施工中，很多斷層破碎帶隱于地表下，因此其實(shí)際數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于預(yù)期，所以在實(shí)際隧道施工中，要輔助于TSP和時(shí)域瞬變電磁法，依據(jù)預(yù)報(bào)內(nèi)容，來觀察掌子面前方圍巖的強(qiáng)度、完整性、富水性以及形態(tài)變化，判斷隧道施工中可能出現(xiàn)斷層的位置，應(yīng)用超前鉆孔法進(jìn)行猜想驗(yàn)證，若符合則要依據(jù)斷裂詳情制定處理措施。

（2）巖溶預(yù)報(bào)。巖溶預(yù)報(bào)方法與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法一致。

①以國(guó)家已有本地區(qū)的地質(zhì)和工程地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，然后輔助于工程地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)繪，將隧道施工地帶的地質(zhì)條件、水文條件進(jìn)行歸納整理，在此基礎(chǔ)上判斷該區(qū)域巖溶發(fā)育的規(guī)律，從而開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

在巖溶地質(zhì)的預(yù)報(bào)上，還可以根據(jù)褶皺、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、陡傾角可溶性巖、質(zhì)純層厚可溶性巖層等位置與形狀，應(yīng)用地表與地下相關(guān)性進(jìn)行分析，判斷山體中溶洞、暗河的具體位置。

②根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)條件，應(yīng)用彈性波反射法完成區(qū)域的長(zhǎng)、中長(zhǎng)距離探測(cè)，根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)分析巖層斷裂帶的位置、規(guī)模，以及巖溶層的基本形態(tài)；其次，在定性探測(cè)巖溶水的預(yù)報(bào)上，可以應(yīng)用時(shí)域瞬變電磁探測(cè)、紅外探測(cè)方法進(jìn)行探測(cè)工作；最后，在巖溶詳情的探測(cè)上，可以利用地質(zhì)雷達(dá)完成短距離的地質(zhì)勘測(cè)。

（3）涌水、突泥預(yù)報(bào)。以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合超前鉆孔法和多種物探手段綜合分析預(yù)報(bào)隧道施工地段的涌水、突泥情況，主要預(yù)報(bào)其位置、規(guī)模、物質(zhì)組成、水量、水壓以及危害程度；根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果在可能發(fā)生涌水、突泥的地段進(jìn)行超前鉆探，設(shè)置防突裝置，降低地質(zhì)事故的發(fā)生率，提高隧道施工的安全性。

（4）高地應(yīng)力預(yù)報(bào)。確定隧道高地應(yīng)力地段，應(yīng)用TSP探測(cè)技術(shù)預(yù)報(bào)該地段圍巖的強(qiáng)度，依據(jù)掌子面地質(zhì)素描來確定山體圍巖的級(jí)別、硬度及變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定容易發(fā)生“巖爆”的軟巖地段，在這一過程中，可以通過超前鉆孔來探測(cè)驗(yàn)證。

2.3 施工技術(shù)

在鐵路隧道施工中，還要重視施工技術(shù)的應(yīng)用，要根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境或地質(zhì)要求，選擇合適的隧道施工技術(shù)，做到因地制宜，提高隧道施工的質(zhì)量與工作效率，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，提高隧道施工的經(jīng)濟(jì)效益。不同地質(zhì)條件下的隧道施工都有不同的注意事項(xiàng)，綜合來看，隧道施工技術(shù)主要表現(xiàn)以以下幾方面。

2.3.1 預(yù)加固處理技術(shù)

加固處理技術(shù)包括洞內(nèi)加固和洞外加固，兩種加固技術(shù)的要求以及具體施工都存在較大的不同。預(yù)加固處理一般采用注漿進(jìn)行加固，在實(shí)際施工中，要確定合適的加固處理方案。

在隧道挖掘中，可以實(shí)施地表注漿加固暗挖方案，可以對(duì)地質(zhì)較軟或者是上體破壞嚴(yán)重的隧道地表進(jìn)行注漿固結(jié)，爾后進(jìn)行隧道暗挖，這種預(yù)加固化處理方式可以提高隧道外圍的自身承載力，改善巖體的物理性質(zhì)，提高開挖的安全性，并且也可以防止地表水滲透到軟圍巖中，提高施工的安全性。

注漿加固處理包括鋼管樁注漿以及帷幕注漿等注漿方式，每一種注漿的時(shí)間、注漿順序等都存在差異，在注漿過程中要關(guān)注注漿要點(diǎn)，及時(shí)做好注漿準(zhǔn)備工作。

注漿需要設(shè)計(jì)注漿孔，注漿操作的過程中要嚴(yán)格按照操作工藝要求進(jìn)行注漿，確保各種物質(zhì)（水泥：水玻璃：水：緩凝劑=1：1：2：0.02）的比例正常，提高注漿質(zhì)量，縮短注漿時(shí)間。

2.3.2 超前支護(hù)技術(shù)

超前支護(hù)技術(shù)主要是發(fā)揮超前注漿導(dǎo)管以及懸臂支護(hù)能力，通過控制小導(dǎo)管來進(jìn)行支護(hù)準(zhǔn)備工作，完成支護(hù)防加固的要求，并且在在隧道拱形開挖過程中，超前支護(hù)技術(shù)以外廓襯砌，減少對(duì)后續(xù)施工的影響；超前支護(hù)包含超前小管棚、超前大管棚，施工中應(yīng)控制管棚的外插角，注漿量，確保超前支護(hù)效果。

3 應(yīng)用實(shí)例

以青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道為應(yīng)用實(shí)例，該隧道全長(zhǎng)32.645公里，位居我國(guó)已運(yùn)營(yíng)鐵路隧道的第一位。設(shè)計(jì)為單線雙洞，線間距40米，采用鉆爆法施工，共有10座輔助施工斜井。隧道地處青藏高原東北緣，洞（井）口海拔在3400～3800米之間，自然環(huán)境極為惡劣，高寒、干旱、缺氧、常冬無夏，極端最低氣溫-36℃。關(guān)角隧道地層包含有沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三種，各巖層之間的構(gòu)造比較復(fù)雜，出現(xiàn)不同的斷層共計(jì)17條，特別是二郎洞斷裂帶（F3）為區(qū)域性深大斷裂，長(zhǎng)達(dá)2355米，施工難度大，存在軟弱圍巖大變形、突水涌水、圍巖失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。隧道主要不良地質(zhì)有洞口淺埋和基底細(xì)砂土，斷層及其破碎帶、巖溶、突涌水、高地應(yīng)力等。

關(guān)角隧道施工中通過綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)，查明隧道地質(zhì)情況，不良地質(zhì)段施工采用注漿和超前加固等措施，圓滿完成了施工任務(wù)。

4 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滿足現(xiàn)代運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展需求，要重視現(xiàn)代鐵路隧道的建設(shè)。在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行的隧道施工工程，要根據(jù)地質(zhì)要求選擇合適的施工技術(shù)，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照隧道施工要求靈活運(yùn)用施工技術(shù)，從多方面、多層次的分析復(fù)雜地質(zhì)因素，以此來提高隧道施工的質(zhì)量和施工安全性，實(shí)現(xiàn)完善我國(guó)的交通網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)。

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