成蘭鐵路隧道建造關鍵技術與實踐

鮮 國， 印建文

(成蘭鐵路有限責任公司， 四川 成都 610072)

1 工程意義

成蘭鐵路位于四川、甘肅兩省境內，處于地震高發區，是世界矚目的5·12汶川大地震災后恢復重建公益性交通基礎設施建設項目，建成后可形成一條綠色生命救援通道，對于改善災區交通運輸條件，促進沿線社會經濟發展有著積極作用。成蘭鐵路向北連通歐亞大陸橋，同時與寶成鐵路相連，和川青鐵路、川藏鐵路共同構成溝通西北與西南及華南沿海的區際干線鐵路通道。成蘭鐵路的開工建設，飽含著藏、羌、回、漢4個民族的夢想，它的建設將徹底改變“阿壩州乃至川西北地區無鐵路”的歷史，有力地推進四川交通樞紐建設以及阿壩州跨越發展和長治久安的步伐，具有重大的政治意義及經濟意義。

2 工程概況

2.1 線路概況

成蘭鐵路起于成都，經廣漢、什邡、綿竹、茂縣、松潘至九寨溝，向北延伸連接蘭渝鐵路的哈達鋪站，線路正線長457.6 km，四川境內377.8 km，甘肅境內79.8 km。線路平面布置如圖1所示。成蘭鐵路作為四川西部第一條鐵路，黨中央、國務院、國家各部委、四川省委和政府都極為關注，鑒于項目復雜的地質條件和敏感的區域環境，按照國家發改委“優化設計，試驗先行，逐步推開”的要求，2013年10月，中國鐵路總公司同意以試驗段方式先行開工成蘭鐵路成都至川主寺段工程建設。

圖1 成蘭鐵路平面示意圖

成都至川主寺試驗段(簡稱“成川段”)位于四川省境內，全長275.8 km。線路進入龍門山后主要以隧道形式通過，總計17座175.5 km， 20 km以上隧道3座，10～20 km隧道4座，5～10 km隧道5座，5 km以下隧道5座。平安隧道長28.4 km，是我國目前西南山區已貫通的最長鐵路隧道；云屯堡隧道長22.9 km，是我國目前最長的雙線鐵路隧道。隧道平均長度大于10 km，最大埋深1 720 m，為目前國內在建鐵路規模最大的“長大深埋隧道群”。

2.2 工程地質

2.2.1 地質條件極為復雜

成蘭鐵路橫穿2個地震活動帶(龍門山、西秦嶺地震活動構造區)，通過3大構造體系(龍門山褶皺斷裂帶、松潘甘孜褶皺構造帶、西秦嶺褶皺構造帶)，途經4大地貌地質單元(成都平原區、岷江白龍江高山峽谷區、松潘高原丘陵區、西秦嶺黃土邊緣區)。

線路通過地震動峰值加速度為0.30g區域的長度為106 km、0.20g區域的長度為280 km，區域內地震活動非常強烈。穿越區域70%的巖體為極其破碎的千枚巖、板巖、碳質板巖、片巖，最大現場實測地應力達33 MPa，高地應力突出，帶來的問題復雜多變。同時，線路區域內活動斷裂帶、斷層破碎帶、瓦斯、硫化氫、滑坡、巖堆、泥石流、危巖落石、巖溶等不良地質問題異常突出活躍。

2.2.2 區域環境極為敏感

成蘭鐵路線路位于岷山山系和西秦嶺邊緣，區域環境具有原始、獨特、敏感、脆弱等特點，是我國和全球生物多樣性最豐富的地區，也是全球生態熱點地區之一。因此，工程建設與環境保護的和諧并重是本線建設又一關鍵。

2.2.3 交通通訊條件極為惡劣

成蘭鐵路溝谷相對高差多在1 000 m以上。部分艱難復雜工點無路、無基站、無信號，同時線路約有30 km穿越熱摩柯無人區，工程施工條件艱苦，建設管理難度極大。

3 工程重難點

1)洞內地震破碎斷裂帶、突水、高瓦斯、硫化氫、高地溫、軟巖大變形、巖爆等風險變化莫測，施工安全風險高。

2)高地應力在不同構造、巖層的反映形式不同，增加了隧道穿越活動斷裂帶的工程措施及施工技術的難度。

3)關于活動斷裂和一般斷裂帶的安全結構儲備形式及長期觀測方案，目前尚無成熟的經驗及技術可以借鑒。

4)洞口橋隧緊連，不良地質地段高陡邊坡的治理難度大，后期運營風險高。

5)區域內地質條件極度復雜，對工程地質和巖土工程的關系認知難度大，影響處置措施的準確制定。

6)區域環境極為敏感、脆弱，環保要求高。

4 關鍵技術與實踐

針對工程推進異常艱難的實際，結合本線“穿越地震區、環保區、長大深埋隧道群”的特點，為有效解決工程推進中的各種技術難題，確保鐵路建設和運營安全，以國內已有的、成熟的技術成果為依托，尊重科學，通過集成、完善、創新，為成蘭鐵路建設安全有序推進提供了有力支撐。

4.1 結合成蘭鐵路軟巖大變形的特點，集成了一套有效的隧道軟巖大變形控制技術

成蘭鐵路成川段隧道軟巖長度約106 km，占隧道總長的60%，軟巖多為千枚巖、板巖、碳質板巖、碳質頁巖及其夾層，施工圖階段預測大變形段長達30 km以上，高地應力軟巖大變形問題突出。

從成蘭線軟巖工程特性及變形機制、大變形判定、設計方法、支護參數、大變形施工控制技術等方面總結、凝練，形成的主要關鍵技術如下。

4.1.1 加深地質工作

強調必須進一步查清開挖后隧區地應力，探明隧道圍巖松動圈及巖層方向，為措施制定提供基礎數據。

4.1.2 主動進行控制

提出以優化結構輪廓、加強支護措施、盡量保護圍巖的原則進行控制。

4.1.3 強化錨桿施工

圖2 錨桿施工專用設備Fig. 2 Special equipment for installing anchor rod

強調錨桿施工效率及作用發揮的及時性，提出“長短結合”的控制方式： 以快速施作短錨桿形成的加固圈對初期變形發展先行控制，后續施作長錨桿形成支護-圍巖共同承載圈對塑性變形再次控制，建立了“長短結合的錨桿群體系”，達到控制變形的目的。

為強化錨桿施工達到標準化作業，聯合廠家結合現場圍巖條件、施工工法等研發了錨桿施工專用設備，解決了全斷面、臺階法及三臺階等工況下的錨桿施工，實現了錨桿、鋼架的及時、快速、高質量施作。錨桿施工設備及現場施工如圖2和圖3所示。

(a) 拱部系統錨桿 (b) 上臺階錨桿 (c) 中臺階錨桿

圖3錨桿施工

Fig. 3 Anchor rod construction

4.1.4 加強工法配套

為實現主動控制，必須需要相應的工法配合。采用大臺階施工，盡可能減少鋼架接頭等工序銜接薄弱環節，盡快封閉成環。采用下臺階帶仰拱一次成型施工，初期支護盡快封閉形成整體。

4.1.5 二次襯砌施作時機

采用數值模擬、現場監測、統計分析的方法，對二次襯砌施作時機進行研究，得到不同等級大變形隧道二次襯砌合理施作時機。根據現有研究成果，針對單線、雙線的輕微、中等、嚴重、極嚴重等級的大變形推薦二次襯砌施作時機，如表1所示。

表1 大變形地段推薦二次襯砌施作時機

基于上述研究成果在楊家坪隧道進行現場試驗，驗證了二次襯砌參數及施作時機的合理性，并已在全線推廣應用。

4.2 探索形成了隧道穿越活動斷裂帶的工程措施

成蘭鐵路成川段共計穿越6條活動斷裂，均屬逆沖兼走滑型，發震能力在7級以上，預測位錯量在80 cm以上，隧道穿越活動斷裂帶以不同的地質構造巖層揭示為依據，工程措施制定以隧道結構適應活動斷裂的位錯變形為主要原則。關鍵技術主要包括： 1)隧道凈空預留30 cm補強空間。2)活動斷裂核部及兩端影響帶(核部向外延伸50 m )采用大剛度圓形襯砌結構。3)采用節段設計，設置10 cm和15 cm的寬變形縫，如圖4所示，并采用特殊結構的止水帶及變形縫設計以達到防排水效果。4)將軌道結構形式由無砟軌道調整為有砟軌道以適應微變形。5)施工期間開展活動斷裂帶支護結構內力及變形監測。6)運營期間開展活動斷裂帶結構變形的長期自動監測及預警。

圖4 15 cm寬變形縫導水式橡膠止水帶(單位： cm)

目前，成蘭鐵路已完成穿越龍門山前山活動斷裂的彭縣—灌縣斷裂和龍門山中央活動斷裂的北川—映秀斷裂2條活動斷裂帶的隧道工程施工，二次襯砌施工后近2年發生3級以上地震15次，監測數據顯示變形穩定，竣工后將納入長期監測。

4.3 探索研究了激發極化法(TIP)為主的綜合超前地質預報方法，實現了探測區域含水構造的定性、定位、估量

隧道激發極化法(tunnel induced polarization, 簡稱 TIP)方法是以圍巖與含水構造的電性差異為物質基礎，根據施加電場作用下圍巖傳導電流的分布規律，通過含水構造高精度三維成像，推斷探測區域電阻率的分布情況和地質情況，含水構造表現為低阻，完整圍巖表現為高阻。通過測量2次大小電流的半衰時之差，結合低電阻區容積與其范圍內巖性的關系測算，實現水量的估算，從而達到對探測區地質情況探測的目的。

隧道激發極化法探測完成后，現場采用靶向超前鉆孔對探測結論進行驗證。通過對多種超前預報方法的遴選，總體上形成“長中短距離結合，二維定性探測與三維精細探測結合，靶向鉆孔驗證”的探水技術體系，如圖5所示。

圖5 隧道超前探水預報技術體系

1)長距離： TSP探測距離約100～150 m，可預報斷層、巖性交界和定性探水。

2)中距離： 瞬變電磁法探測距離約50～100 m，定性探水，二維定位。

3)激發極化： 探測距離30 m，周邊30 m×30 m，三維定位，水量估算。

4)靶向鉆孔： 根據三維定位與估量結果，確定鉆孔方位、深度、角度等控制要素，進行靶向施作。

5)水量估算： 根據已知地質信息和開挖揭露情況，判斷含水構造類別，根據類別、低阻區域容積、圍巖孔隙度等信息，利用估算公式對探測區域含水量進行估算，如圖6所示。

圖6 探測區域含水量估算

4.4 探索集成隧道全斷面(含仰拱)機械化開挖工法

4.4.1 工藝原理

隧道全斷面(含仰拱)開挖法是采用鑿巖臺車全斷面含仰拱一次爆破開挖成型，拱墻與仰拱初期支護同步施作的一種施工方法。

4.4.2 適用范圍

全斷面(含仰拱)開挖法目前適用于掌子面能夠自穩或采用輔助措施(如超前支護、掌子面錨桿等)后自穩、地下水不發育、采用高度機械化配套施工的隧道。

4.4.3 取得的效果

1)該工法建立了一套隧道圍巖力學參數現場快速測定的方法，并依據隧道開挖條件下的圍巖力學表現特征，提出了采用全斷面(含仰拱)機械化開挖工法的工程地質適用條件及量化指標。

2)較傳統的工法，該工法將隧道仰拱同拱墻一次性開挖到位，減少了多次爆破對圍巖的頻繁擾動，保護了圍巖的自穩性能。

3)該工法使隧道初期支護鋼拱架的整體安裝質量更易于控制，并實現了快速封閉成環，有利于隧道結構安全及施工安全。

4)施工空間大，有利于大型機械設備施工，從而提高隧道施工進度，節省人力資源，降低施工安全事故中人員傷亡的概率。

平安隧道采用Ⅳ級圍巖全斷面(含仰拱)機械化開挖工法施工，如圖7所示，最高日進度達6 m，最高月進度為160 m，平均月施工進度達到120 m。

(a) 超前鉆探 (b) 施工效果

圖7 Ⅳ級圍巖全斷面(含仰拱)機械化開挖施工

Fig. 7 Full-face (including invert) mechanized tunneling construction for grade Ⅳ surrounding rock

4.5 探索形成了一套隧道機械化配置配套施工技術

4.5.1 “35611”配置配套技術

按“35611”模式對全線控制工程的柿子園隧道(14 069 m)、躍龍門隧道(19 981 m)、茂縣隧道(9 913 m)、榴桐寨隧道(16 262 m)、平安隧道(28 426 m)、云屯堡隧道(22 923 m)等進行了施工機械化配置配套研究和實施。

“35611”模式為： “3”即三全，“全方位、全過程、全工序”； “5”即五性，“系統性、技術性、適應性、經濟性、先進性”；“6”即六關鍵，“超前地質預報、超前支護、開挖作業、初期支護、仰拱和二次襯砌”；“1、1”即“一通風、一集中”。

4.5.2 現場實施情況

1)超前地質預報的超前鉆探配置C6、礦巖180等多功能鉆機，鉆孔速度快、深度大(達100 m)，能有效起到超前探測的作用。

2)針對單線隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用全斷面開挖和雙線隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用全斷面或兩臺階法開挖，采用三臂/兩臂鑿巖臺車能實現機械化快速施工。

3)針對單線隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用全斷面開挖和雙線隧道Ⅲ、Ⅳ、V級圍巖采用全斷面或兩臺階法開挖，采用濕噴機械手、拱架安裝機、防水板自動鋪設機能實現初期支護機械化快速施工，其余工法采用自主研發小型濕噴機能夠滿足施工需求。

4)錨桿在噴射混凝土施工完成后實施，采用全斷面開挖或兩臺階法開挖時，采用三臂/兩臂鑿巖臺車或專用錨桿鉆機能夠滿足機械化快速施工。其中，施工6 m以上錨桿時，必須采用三臂/兩臂鑿巖臺車或專用錨桿鉆機才能實現。

5)仰拱、二次襯砌施工及養護按照標準化要求配置成套相關設備(如智能二次襯砌臺車)，以滿足機械化快速施工。

6)另外，結合長隧道同一工區多掌子面作業的實際，研發了洞內車輛交通智能管理系統，最大可能解決洞內多作業面施工引起交通堵塞而影響工效的瓶頸，解除了機械化施工的邊界約束，是機械化配套施工的伴生系統。

結合現場實際，成蘭鐵路通過機械化配置配套(如圖8所示)后，在輔助坑道、單線(Ⅲ、Ⅳ級圍巖)、雙線(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖)的施工中，月平均指標均接近或達到《鐵路工程施工組織設計規范》的指標高值，實現了7.8 km長距離通風，并且在工程安全質量方面得到了提升和保證。

4.6 集成優化，針對性建立了一套隧道微三臺階上部核心土施工工法

微三臺階預留核心土法施工工序透視圖及正面示意圖如圖9所示。

4.6.1 主要工序步驟

第1步，上臺階開挖： 超前支護完成后開挖上臺階，上臺階開挖高度約4 m，矢跨比宜大于0.3。施工中，環向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土縱向長度為3～5 m，留置高度和寬度分別為上臺階開挖高度和寬度的2/3，預留核心土隨著掌子面掘進逐步取消。

第2、3步，左、右側中臺階開挖： 中臺階緊跟上臺階，先行開挖約2/3寬度的中臺階巖土體，預留約1/3中臺階巖柱隨后行側的跟進逐步開挖，左、右側臺階錯開4榀鋼架，開挖高度為3～3.5 m。

(a) C6多功能地質鉆機 (b) 三臂鑿巖臺車(c) 濕噴機械手(d) 拱架拼裝機(e) 仰拱棧橋 (f) 洞內車輛交通智能管理系統 (g) 多點焊機 (h) 自動剪板機

圖8機械化配置配套部分設備展示

Fig. 8 Equipment display of mechanical equipment matching part

(a) 施工工序透視圖 (b) 微三臺階預留核心土法施工工序正面示意圖

圖中W1、W2為中、下臺階后行開挖側預留巖柱。

圖9隧道微三臺階上部核心土施工示意圖(單位： cm)

Fig. 9 Schematic diagram of small three-bench seven-step method for construction in core soil at the upper part (unit: cm)

第4、5步，左、右側下臺階開挖： 下臺階緊跟中臺階，先行開挖約1/3寬度的下臺階巖土體，中部預留1/3寬度的巖土體修整成斜坡作為機具設備的通道，剩余1/3寬度的下臺階巖柱隨后行側的跟進逐步開挖，左、右側臺階錯開4榀鋼架，開挖高度為3～3.5 m。

第6步，隧底開挖： 為保證施工機械設備的布置空間，初期支護仰拱成環位置至掌子面的長度按20 m控制。隧底每循環開挖長度宜為3 m，完成3個循環(開挖、支護)后，一次施作仰拱襯砌(與拱墻一次澆筑長度相同)。

4.6.2 適用范圍

適用于散體結構軟巖隧道，一般表現為開挖后圍巖穩定性差，且變形無方向性，易沿隧道掌子面發生凸出變形且同步引起周邊變形。

4.6.3 主要特點

1)上臺階預留縱向3～5 m長的核心土，留置高度為上臺階高度的1/2～2/3，寬度為上臺階開挖寬度的2/3，可有效反壓掌子面，確保掌子面的穩定，控制掌子面松散軟巖向洞內的擠出變形、失穩和溜塌。

2)微三臺階上部核心土法施工技術，在掌子面開挖后約7 d左右即可實現初期支護仰拱封閉成環，使初期支護在短時間內形成一個整體結構受力體系，更有利于控制圍巖的變形，確保隧道施工安全。

3)微三臺階上部核心土法施工技術使出渣作業、錨桿施工作業及噴射混凝土等施工機具作業平臺可設置于下、中臺階，更有利于施工機具的快速組織，減少工序間銜接時間，提高隧道施工效率。

4.7 探索形成了一套隧道施工期生產廢水處理工藝

原國家環保部對成蘭鐵路成川段變更環評的批復中要求“加強隧道排水清污分流、污廢水處理和監測工作，避免污染沿線環境敏感水體”。基于此，針對成蘭鐵路穿越特殊的地質區域、低溫高海拔及特殊的環境要求，進行廢水水質分析，對隧道施工期正常排出的廢水進行多種組合處理工藝試驗，提出經濟合理的處理工藝，使處理后出水水質達到排入相應水域的排放標準。關鍵技術主要包括：

1)提出了高海拔隧道低溫施工廢水處理的混凝劑、助凝劑的投加量方法。

2)提出了隧道施工期生產廢水清污分流方案，同時根據廢水水質及附近水環境功能區的特點，形成了針對性的處理工藝。

3)編制了《隧道施工期生產廢水處理站技術、管理手冊》，可指導施工期廢水處理站設計、施工、運營維護等 工作。

目前成蘭鐵路成川段隧道工區按要求設置了污水處理站及相關設施，滿足了隧道施工期生產廢水處理要求，如圖10和圖11所示。

4.8 因地制宜，針對性形成了一套隧道洞口高位危巖落石棧道施工技術

成蘭鐵路新民隧道于2016年完成了出口巖堆整治工程，“8·8”九寨溝地震后，出口山體出現拉張裂縫，裂縫沿貫通性節理形成，裂縫相互切割形成的貫通裂縫局部已形成倒懸孤石，在區域地震動荷載反復作用和誘發下，局部孤石隨時都有崩滑的風險，安全隱患極大，現場采取了處理措施。

(a) 廢水處理站 (b) 廢水處理

圖10 施工期生產廢水處理

圖11反應池出水及處理效果

Fig. 11 Effluent of reaction tank and effect after treatment

4.8.1 現場概況

新民隧道出口高陡邊坡相對高差約220 m，巖性為三疊系上統朱倭組(T3zh)中厚層狀砂巖夾千枚巖、板巖局部夾碳質千枚巖，區域內地震活動較為頻繁，施工期間地震頻發，洞口正上方已采用刷坡清方及錨噴加固方式進行處理，同時洞口右側設置主動防護網進行防護。

2017年“8·8”九寨溝地震后，現場組織地質災害排查時發現，出口已清方邊坡右側60 m處已鋪設的主動防護網局部存在繃緊現象，山體存在拉張裂縫。

通過無人機進一步掃描勘察發現，工程區山體有17條顯著的裂縫及裂隙，裂縫均是沿貫通性節理形成。靠近隧道出口方向的邊坡裂縫走向大部分近似平行于等高線，局部與等高線斜交，靠近G213國道方向的邊坡裂縫走向大部分垂直于等高線，局部平行等高線。裂縫相互切割形成的貫通裂縫局部已形成倒懸孤石，單塊最大體積近500 m3。在區域地震動荷載反復作用和誘發下，局部孤石隨時都有崩滑的風險，安全隱患極大，如圖12和圖13所示。

(a) 正面(單位: m) (b) 側面

圖12高位裂縫照片

Fig. 12 Photos of high-level cracks

4.8.2 復雜的施工環境

高位裂縫整治區域下方為巖堆整治抗滑樁和解放村雙線大橋樁基工程及生產、生活設施。山體背側崖腳距G213國道僅61 m，國道兩側分布居民區及旅游集中商業區，且鄰近靖夷堡古遺址省級文物保護區，施工邊緣距靖夷堡古遺址省級文物保護區距離僅130 m，施工環境復雜，如圖14所示。

圖13 主動防護網受力以及裂縫切割局部形成孤石Fig. 13 Stress on active protective net and locally formed boulders by crack cutting圖14 高位裂縫整治區域背側復雜的外部環境 Fig. 14 Complex external environment on back side of high-lev-elcrack remediation area

4.8.3 施工技術要點

新民隧道高位裂縫整治采用清方+噴錨網+大錨桿防護方案，清方施工以人工開鑿清方為主，以數碼電子雷管控制爆破為輔，清方坡率1∶0.3，按7級控制，分級高度為20 m，兩級之間設置2 m寬平臺。

1)施工通道： 危巖清方采用盤山棧道(2 400 m)+小型設備實施。坡面防護設1 850 m施工便道，采用工業電梯作為人員上下通道； 塔吊作為鋼筋、工具等運輸通道； 汽車泵、地泵接力輸送濕噴混凝土； 搭設附著式腳手架作為施工平臺。

2)防護工程： 洞口上方高位裂縫區域增設2道被動防護網，爆破區域增設防護排架防止飛石損壞已施工的成品工程。山體背后G213國道側設2道被動防護網及1道攔石墻，同時搬遷影響區內的居民。

3)控制爆破： 按照A類控制爆破管理。爆破施工采用數碼控制爆破，利用數碼雷管精準控制微差起爆，減少爆破振動疊加，削弱爆破振動和振速。

5 工期及工程進度

5.1 工期

成川試驗段工程自2013年10月開工建設，計劃于2021年5月貫通。

5.2 工程進度(截至2018年6月30 日)

全線最長的隧道平安隧道(28.4 km)已貫通，目前關鍵線路為躍龍門隧道(19.9 km)和云屯堡隧道(22.9 km，單洞雙線)。

5.2.1 躍龍門隧道施工

剩余工程： 平導剩余4 774 m、左線剩余6 174 m、右線剩余5 891 m，計劃2021年5月貫通。綜合考慮大變形、瓦斯、工期等因素，剩余工程主要節點工期如下： 平導貫通時間為2020年7月，左線貫通時間為2020年10月，右線貫通時間為2021年5月。

5.2.2 云屯堡隧道施工

剩余8 378 m，預計貫通時間為2020年6月。

6 成果及榮譽

6.1 工程試驗總結工作

目前工程試驗專題已結題評審11項。

6.2 開展技術創優工作

已發表論文79篇(另20篇計劃2018年8月份發表)； 已批復工法3項； 已授權專利37項、已申報專利15項； 參編管理手冊3項，目前已完成《隧道施工期生產廢水處理手冊》編寫； 參編標準7項，其中 《鐵路隧道錨桿支護技術規程》已報批，完成《大變形隧道設計指南》(院規)初稿。下一步隨著工程進展將陸續申報科技成果獎項、勘察設計獎、優質工程獎等獎項。

7 工程參建單位

建設單位： 成蘭鐵路有限責任公司。

設計單位： 中鐵二院工程集團有限責任公司。

主要施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司； 中鐵一局、二局、三局、五局、十二局、十四局、十六局、十七局、十九局、二十五局集團有限公司。

監理單位： 北京鐵城監理有限公司； 中鐵二院監理有限公司； 北京通達監理有限公司。