鐵路隧道工程開挖工法選擇及風險控制

趙萬里

摘要：鐵路工程線路大多穿越深山叢林，隧道施工占據較大比重，而隧道開挖及支護作業方法的選擇，直接影響著隧道施工的安全、質量及進度，在隧道開挖前，必須把超前地質預報、監控量測納入工序管理，根據預報的圍巖等級選擇適當的施工方法。如果施工方法選擇不當，易造成掌子面變形、掉塊、溜坍，在軟弱、富水圍巖中極易引起已完成的拱墻初支產生較大變形，造成初期支護和圍巖失穩，甚至產生隧道洞身坍塌“關門”事件。為加強復雜地質條件下的施工安全風險防范工作，有效防范事故，因此需要對隧道開挖、風險控制進行研究，為以后同類工程施工組織編制提供參考經驗。

關鍵詞：隧道工程地質;施工工藝;風險控制

Abstract： Most railway engineering lines cross remote mountains and forests， and tunnel construction accounts for a large proportion. Tunnel excavation and support methods directly affect the safety， quality and schedule of tunnel construction. Before tunnel excavation， advance geological prediction and monitoring measurement must be included in the process management. Appropriate construction methods are selected based on the forecasted surrounding rock grade. Inappropriate construction methods can easily cause deformation of the working area， block dropping， and topsoil slip. As tunnel construction under shallow buried and water-rich conditions is easy to cause large deformation of the completed arch wall， the initial support and surrounding rock will lose stability and even cause tunnel collapse. In order to strengthen the prevention of construction safety risks and effective prevention of accidents under complex geological conditions， tunnel excavation and risk control need to be studied to provide reference experience for the construction organization of similar projects in the future.

Keywords： Tunnel engineering geology; construction technology; risk control

一、項目情況

磨萬鐵路第Ⅱ標監理站中咨監理管段為：新建鐵路磨丁至萬象線土建Ⅲ標（D2K161+861.3～D2K166+900）、土建Ⅳ標（DK179+520～DK253+614），正線長度80.029 km。隧道18座，長60.888 km，隧道施工安全風險大。

（一）工程地質情況

地處瑯勃拉邦縫合帶內，沿線主要褶皺21個、長大斷裂約30條。巖性復雜，石炭系（C）板巖夾砂巖、白云質灰巖，弱風化（W2），板巖變余結構，板狀構造，薄層-中厚層狀，泥鈣質膠結，質較軟;砂巖中細粒結構，中厚層狀，鈣質膠結，巖質稍硬;白云質灰巖為夾層，層位不穩定，分布無規律，隱晶質結構，中厚層狀。受區域地質構造影響，次級褶皺發育，圍巖節理裂隙發育，巖體破碎，巖質軟硬不均[1]。

（二）工程水文情況

沿線地表水系發育，多呈格狀、羽狀水系。湄公河是老撾境內最大的河流。

二、隧道開挖工法選擇及其要求

中咨管段內Ⅲ圍巖28%，Ⅳ級圍巖27%，Ⅴ級巖45%。隧道群穿越山嶺，洞口段及淺埋段Ⅴ級巖居多，進洞后多為Ⅳ級圍巖，進入山嶺腹地埋后，Ⅲ圍巖居多。鐵路單線隧道Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖;Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖;車站段（雙線）Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用臺階法、Ⅴ級圍巖采用臺階法+臨時仰拱法開挖。管段內的最有代表性的是Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖及Ⅳ、V級圍巖短臺階開挖，已成熟運用到磨萬鐵路隧道群施工當中[2]。

（一）Ⅲ級圍巖采用光面爆破全斷面開挖工法在森村二號隧道成功應用

隧道洞身開挖根據新奧法原理組織施工，采用人工鉆爆、紅線爆破技術開挖，爆破面積約63.05 m2，以超前水平鉆預報與TSP物探法相結合方式進行超前地質預報，預測隧道前方地質條件，確保施工安全。

1. 施工準備

督促項目部編制作業指導書并對作業人員進行崗前培訓及技術交底。

2. 圍巖判定

地質預報小組做好掌子面圍巖判定規則，采用地質素描方式對現場圍巖進行判定，在做好TSP的基礎上，加強超前水平鉆的施工，現場監理做好地質狀況的核對[3]。掌子面采用C6鉆施工超前水平鉆，具體見圖1。

3. 光面爆破方案

（1）森村二號隧道光面爆破設計相關參數

根據森村二號隧道的地質條件，每循環開挖進尺按3 m計算，周邊眼深度為3.1 m，掏槽眼深度為3.2 m掏槽眼直徑d=50 mm，其余眼d=40 mm。采用乳化炸藥，全面布孔144個，每循環裝藥量為176.2 kg。采用電雷管位差爆破技術，具體通過爆破試驗確定如下爆破參數，試驗時爆破參照下表1。

4. 測量定位布眼

鉆孔前，測量技術人員采用全站儀放樣，在掌子面放樣出隧道周邊眼的位置及中心點的位置，并用紅漆準確標識周邊眼、掏槽眼的位置，要求放樣標識的誤差不超過20 mm。

5. 布孔定位開眼

（1）定位開眼

按光面爆破設計方案給出的炮眼位置正確定位開眼，在開挖臺車上布置鉆機的位置，開挖人員分工明確，檢查風、水、電的安全使用情況，經檢查滿足光面爆破方案后方同意開鉆。按如下要求檢查，掏槽眼眼口間距誤差和眼底間距誤差不大于5 cm，輔助眼眼口排距、行距誤差均不大于10 cm，周邊眼眼口位置誤差不大于5 cm，眼底不得超出開挖斷面輪廓線15 cm。

（2）鉆進施工

根據爆破方案，選好開眼位置，周邊眼鉆眼應嚴格控制外插角，眼底超出開挖邊界線不大于15 cm，其他眼鉆眼時應垂直于開挖面，嚴格控制炮眼間距、深度和外插角度，嚴禁炮眼角度不對，深度不足。

（3）清孔施工

鉆孔達到深度后，裝藥前，必須用小直徑的鋼管通入高壓風將炮眼中的石屑雜物吹凈。

（4）現場監理

每個循環檢查炮孔的深度、外插角度、間距應滿足爆破方案的要求。

6. 爆破施工藥卷堵塞

藥卷堵塞：裝藥前，對于周邊眼和中間眼用竹片和膠布將藥卷分段固定，裝藥需分片分組按設計藥量和雷管號段位進行，所有炮眼均用黃土做的炮泥堵塞，堵塞長度不小于20 cm。周邊眼用小直徑藥卷間隔裝藥，藥卷綁扎于厚竹片或鐵片上，裝入孔內時，厚竹片或鐵片朝外，周邊眼裝藥如下圖3。

7. 連接起爆網絡

（1）起爆網絡

采用電雷管并簇復式網絡，連線順序為：孔內雷管腳線分組→周邊孔導爆索并接→同段非電雷管雙發簇連→電雷管起爆。網絡連接好后要有專人進行檢查。起爆網絡圖見圖4

（2）起爆方法

警戒完成后，并確保起爆設施正常，起爆人員在安全區采用起爆器手動起爆電雷管，并引發其他爆破品爆破。在完成爆破后15 min后進入爆區檢查，確認無盲炮后方可解除警戒。

（3）起爆順序

掏槽眼→輔助孔→周邊眼→底板眼。

8. 檢查爆破效果

（1）專業監理工程師檢查項目

專業監理工程師按照驗標要求，對開挖輪廓線進行檢查，檢查炮孔的殘孔率，硬巖應大于80%，中硬巖應大于60%，對超欠挖進行檢查，對局部有欠挖的進行補炮處理，要求每循環周邊眼的位置在同一條線上，每個循環爆破后錯臺不大于10 cm，拱腳和墻角以上1 m范圍內不允許欠挖[4]。

（2）爆破后檢查處理及爆破方案的優化

爆破并通風完畢后，由爆破人員首先進入作業面檢查是否有盲炮或危石，若有應按有關安全作業規程處理后，經灑水降塵及通風后才能讓下道工序作業人員進場。

根據周邊眼的完整情況，分析原因，根據圍巖的軟硬的實際情況，及時調整周邊眼的間距及裝藥量，不斷修正和優化光面爆破參數。使光面爆破效果達到最佳。

9. 效果評價

隧道開挖是隧道施工的源頭，是隧道安全質量的最關鍵工序，硬巖隧道主要依靠超前水平鉆探結合TSP物探法來預測掌子面前方地質條件，預防掌子面進入山體腹地后發現突水、突泥等安全風險。同時全斷面開挖有利于光面爆破效果控制，大大降低了施工組織和成本控制，提高了生產效益。

（二）軟弱圍巖短臺階開挖快速封閉及監控量測信息管理在沙嫩山二號隧道的應用

1. 基本情況

沙嫩山二號隧道出口沙拉巴土車站（雙線）布置進入隧道690 m外，其余均為單線。隧道埋深約38～200 m，洞內線路坡度為單面上坡，線路坡度按里程從小到大分別為5.6‰（1495 m）、1‰（595 m）。

2019年4月27日，出口上臺階掌子面里程為DK211+008。DK211+059～+018段連續出現紅色預警，單日最大變形90.8 mm，開挖揭示巖性為板巖夾炭質板巖，灰、深灰色，弱風化W2，薄層-中層狀，炭質板巖巖質軟，遇水易軟化。節理裂隙很發育，巖體呈碎塊、板狀，受區域構造影響，局部層間擠壓明顯，層面光滑，邊墻兩側褶皺發育，巖層產狀變化較大。巖層及充填的灰白色方解石石脈擠壓后破碎，出現泥化現象，遇水后圍巖軟弱，整體穩定性及自穩性變差，開挖時拱部易掉塊或局部小溜坍。掌子面潮濕，下臺階兩側邊墻局部有滲水。

2. 變形情況

在施工過程中DK211+059～DK211+018段發生較大變形。

（1）監控量測情況

截止2019年4月27日，DK211+059水平收斂累計269.46㎜，DK211+054水平收斂累計達到262.9 mm，DK211+049水平收斂累計達到315.03 mm，拱頂沉降累計達到23.1 mm;DK211+044水平收斂累計達到227.99 mm，拱頂沉降累計達到214 mm;DK211+038水平收斂累計達到241.11 mm，拱頂沉降累計達到151.9 mm;DK211+034水平收斂累計達到215.97 mm，拱頂沉降累計達到113.7 mm;DK211+028拱頂沉降累計達到124.9 mm;DK211+018拱頂沉降達到49.1 mm。

（2）變形情況

DK211+059～DK211+018段拱頂及邊墻鋼架受擠壓變形，初支出現多條裂縫、裂縫寬度5～8 mm，拱頂存在表層開裂且不間斷的出現掉塊。施工時初支鋼架預留變形量20 cm。

3. 設計參數

變形段屬車站雙線V級復合襯砌。（支護參數：1、鋼筋網：直徑8 mm，網格間距：20*20 cm;2、錨桿：長度4 m，間距：環*縱1.2*1.0 m;3、設拱墻I20b型鋼鋼架，間距0.8 m/榀;4、拱部設Φ42小導管超前支護，縱向2.4 m/環，環向間距0.4 m，每環42根，單根長4.5 m）

4. 施工情況

掌子面DK211+008，仰拱端頭DK211+046，二襯端頭DK211+078，仰拱步距38 m，二襯步距70 m。為有效控制圍巖擠壓變形產生的安全隱患，現場采用三臺階機械開挖配合仰拱初支快速封閉成環，開挖過程中采取臨時橫撐加斜撐加強支護。詳見下圖，如圖5

5. 變形原因

（1）該段巖性為板巖夾炭質板巖，薄層-中層狀，隧道的開挖，圍巖應力重新分布，原有的巖體平衡狀態遭到破壞，加之隧道開挖改變了地下水徑流，地下水向隧道周邊匯集，炭質板巖夾層巖質軟，遇水易軟化，層間結合性變差，穩定性變差。

（2）隧道開挖后，拱部易松動掉塊，開挖輪廓難以控制，造成鋼架無法與圍巖密貼、初支背后不密實甚至出現空洞等因素造成圍巖松動圏進一步加大，洞周壓力增大，致使初期支護難以長時間抵抗圍巖壓力而產生變形[5]。

6. 量測分析

（1）水平收斂原因分析

隧道開挖后，下臺階開挖及仰拱開挖時水平收斂加大，仰拱每循環有初支段落一次開挖大于3 m，水平收斂增加。針對軟弱圍巖遇水軟化，開挖后先初噴4 cm進行初支封閉，起到明顯效果。

（2）按照監控量測等級管理的相關要求，增設鎖腳錨管，增設措施效果不明顯，變形未得到控制。

（3）5月18日，DK211+059～DK211+018段拱頂及左側初支存在裂縫。

（4）5月18日，DK211+059～DK211+018段，對邊墻采用水泥徑向注漿處理，中臺階安裝臨時橫撐及拱腳斜撐，水平收斂趨于穩定。

（6）5月21日，對DK211+059～DK211+018段41 m進行全環采用徑向注漿處理。

7. 總結

（1）軟弱圍巖的施工，必須監控量測作為工序驗收，測量監理及專業監理相互溝通，對過監控量測信息平臺的數據，及時處理預警。

（2）軟弱圍巖隧道采取短臺階施工，盡可能掌子面掘進10 m范圍內完成初支封閉，避免急劇收斂變形情況的發生，同時仰拱初支每3 m及時封閉成環，二襯每6 m施作一個循環。同一個斷面的上臺階開挖完成至仰拱封閉最長不能大于20天。

（3）監控量測斷面停測要求，監控量測斷面停測需在該段施工完成仰拱，斷面變形趨于穩定后，日均變形速率應低于1 mm/天。鋪掛防水板之前，必須進行監控量測斷面驗收，填寫《監控量測斷面驗收表》，《結構防排水施作條件核查表》。

（4）監控量測等級管理，消警處理按老中公司的監控量測管理辦法的具體要求處理，發生以下監控量測預警情況時，必須采取相應處理措施：變形速率報紅色預警，且單日變形值達到25 mm;變形速率報紅色預警，且兩日內累計達到30 mm;變形速率報紅色預警，且三日內累計達到35 mm;變形速率報黃色預警，且五日內累計達到35 mm;變形速率三日內報紅色和黃色預警，且三日內累計達到35 mm;計變形值報黃色預警，且預留變形量不足8 cm（不含貫通誤差預留量）;累計變形值報紅色預警，且預留變形量不足5 cm（不含貫通誤差預留量）[6]。

（5）監控量測預警處理

工點測量班組負責打印監控量測日報，報現場監理簽字，洞長負責在洞口值班室留存最近15天監測日報簽字的復印件;項目部測量隊負責監控量測月報上報工作;工段測量組負責人負責填寫《磨萬鐵路第Ⅳ標段監控量測預警處置單》中測量數據分析一欄;項目部測量隊負責收集各洞口監控量測預警的實際處理措施，整理成臺賬周報每周上報老中公司建設指揮部;監控量測U0值設定標準，V級圍巖220 mm、IV級圍巖180 mm、III級圍巖150 mm，特殊情況下，由項目總工牽頭確定[7]。

三、管段內隧道施工可能產生的風險源及風險控制

中咨管理的在建鐵路橫跨的晚更新世活動斷裂有奠邊府-瑯勃拉邦斷裂中段，斷裂未來的活動可能對鐵路工程產生一定程度的影響。IV標沿線處于地震帶中，2019年11月21日在瑯勃拉邦200 km的位置發生6級地震。

本線隧道內主要的特殊和不良地質地段為碳質板巖斷層破碎帶軟弱圍巖，可能會有變形、溜塌及突水突泥等風險。

對于初支易變形地段，及時采用徑向注漿處理措施，及時控制初支變形。對于軟巖圍巖采用短臺階快速封閉技術，對于監控預警變形較大的隧道，采用鋼架底部安裝鋼墊板，增設鋼腳錨管，增設臨時橫撐，對于掌子面發生小面積溜塌時，采用反壓回處理措施，在拱頂及塌方部位預埋泵管，砼送砼，形成隧道受力拱。確保隧道安全步距處于可控狀態。對于普亞村一號隧道4-1大里程突水突泥有針對性地采取帷幕注漿、超前注漿或管道引排等方案進行處理，效果明顯。[8]

四、評估與總結

中咨管理管段內的硬巖全斷面開挖，采用光面爆破技術，從周邊眼的間距、孔位、外插角、裝藥量等重點控制，使斷面輪廓線及超欠挖得到了控制，對初支表面平整度的質量得到了控制。

中咨管理管段內的軟弱圍巖、不良地質隧道，現場采用三臺階開挖工法配合“仰拱初支快速封閉成環”的措施。有效地控制了圍巖變形，確保了隧道施工安全，使得軟弱圍巖隧道施工有序推進。

參考文獻：

[1]新建鐵路磨丁至萬象設計圖紙;中國中鐵二院工程集團有限公司.

[2]孟凡軍.復雜地質條件下隧道施工技術研究[D].西南交通大學， 2003.

[3]《鐵路隧道超前地質預報技術規程》（Q∕CR 9217-2015）;中國鐵路總公司.

[4]《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》TB 10417-2018;中鐵三局集團有限公司.

[5]王樹棟，復雜地應力區隧道軟弱圍巖大變形控制技術研究[D].北京交通大學， 2010.

[6]2010老中工程25號.《關于印發老中鐵路有限公司隧道監控量測管理辦法的通知》;老中鐵路有限公司.

[7]孫鈞，潘曉明.隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學特性研究[J].巖石力學與工程學報， 2012，31（10）：1957-1968.

[8]周運祥，富水隧道全風化花崗巖和蝕變大理巖段涌水涌砂加固治理技術[J].鐵道標準設計， 2015，（6）：96-102.