復雜地質條件下鐵路隧道綠色施工技術研究

尚東輝，史春宇，李令鵬，曹淑凱

（中交隧道工程局有限公司 北京 100102）

1 鐵路隧道施工技術

我國綜合國力的不斷增強促進了道路交通建設事業的發展，尤其是鐵路工程建設事業取得了可喜的發展成效。同時，也對鐵路隧道施工技術提出了更高的要求，尤其是復雜地質條件下的鐵路隧道施工，對施工技術與施工質量的要求更為嚴格。復雜地質條件下的鐵路隧道施工會面臨各類地質情況，如巖溶，放射性、高地溫、特殊巖層，軟弱破碎帶以及云母片巖等情況，如果施工技術無法充分應對這些復雜的地質情況，那么鐵路隧道工程發生巖爆、突泥、瓦斯爆炸以及高地溫災害等情況的概率則較高，一方面會導致鐵路工程的綜合效益明顯降低，另一方面會增大鐵路隧道工程的施工成本投入，甚至引發嚴重的安全事故。加強鐵路隧道施工技術的發展研究，能確保鐵路隧道施工更好地應對復雜多變的地質災害，降低這些地質災害對鐵路隧道施工及使用階段造成的影響與破壞，從而提升鐵路工程的經濟效益。

2 復雜地質條件對鐵路隧道施工的具體影響

不同類型的地質條件對鐵路隧道施工所產生的具體影響有所不同，而復雜地質條件通常具有兩種表現情況。首先，實際施工區域的地質條件相對較差，例如存在巖石脆弱層，那么發生崩塌現象的概率則較高；或者是實際施工區域位于地殼運動的活躍地帶，則會對地層的整體穩定性造成顯著的影響；此外，部分特殊的地質地貌情況也會對鐵路隧道施工造成不同程度的影響，如軟土地基與巖溶地貌等，都會直接影響鐵路隧道的施工效率與施工質量，嚴重時甚至會直接導致地質災害的發生，威脅人們的生命財產安全。其次，實際施工區域存在特殊性的地質環境，例如采空區、地下洞穴等情況，同時，當隧道工程需要下穿建筑物或城市的下方時，則會發生與地下管線交叉的現象，會對地面建筑物的安全性與穩定性造成嚴重的影響。為此，保障復雜地質條件下鐵路隧道施工技術的科學選擇與合理應用非常重要。

3 復雜地質條件下鐵路隧道綠色施工技術的具體類型

3.1 淺埋偏壓隧道施工技術

（1）基本特點。在鐵路隧道地質條件的類型中，淺埋偏壓屬于常見的地質條件，在鐵路隧道的具體施工過程中，需要利用科學的施工技術對淺埋偏壓地質條件進行有效地克服與科學的處理，從而保障鐵路隧道施工的牢固性與安全性。首先，需要全面了解并分析淺埋偏壓地質條件的具體特點。由于淺埋偏壓地質條件中隧道所埋的實際深度要明顯淺于其他類型的隧道，故隧道的覆蓋層也相對較淺，因此隧道無法形成獨立成拱的情況，由此極易引發塌方現象和地面淪陷情況，同時在施工的過程中會出現地表移動，發生嚴重的地質變形等情況，并且通常情況下會在短期內發生嚴重的安全事故，直接威脅人們的生命財產安全。當鐵路隧道施工面臨淺埋偏壓地質情況，則會對施工過程中的支護開挖施工、排水與襯砌施工等帶來嚴重的挑戰與壓力，這不僅會增加鐵路隧道施工的難度與強度，還會增加鐵路隧道施工的危險性。

（2）相關應用。淺埋偏壓隧道施工技術，在應用之前要全面分析并探討隧道工程的淺埋偏壓地質條件與危險因素，由此指導危險因素排查工作的有序開展，確保技術人員能準確掌握施工區域的具體地質基礎與條件，為施工方案的完善與調整提供準確的引導與幫助，保障施工操作的有序進行。此外，在隧道的具體開挖過程中，要科學處理超前地質數據信息，并對地質變形情況進行科學系統的實時監測，確保技術人員充分掌握圍巖的變形規律，根據地質條件變化情況對施工參數進行及時且合理的調整與修改，以保障預期施工目標的順利完成。

3.2 軟弱圍巖隧道技術

（1）基本特點。應力是隧道圍巖的基本條件，主要是指隧道施工中具有應力情況的巖體，會對鐵路隧道工程的實際安全性與穩定性造成嚴重的影響。地質條件不同，圍巖的特點與穩定性都將存在較大的差異性。為此，應對軟弱圍巖地質情況時要確保施工方法符合施工區域的具體地質特點，保障圍巖隧道應力的合理性與整體穩定性。此外，明確圍巖隧道的合理荷載量，避免出現隧道荷載量超出隧道結構承受范圍的情況，并保證隧道襯砌結構種類與尺寸的合理性，由此規范隧道襯砌結構的勞動定額與消耗標準。

（2）相關應用。應用軟弱圍巖隧道施工技術，首先，要以地質特征為基礎，合理選擇施工方式，同時對施工標準進行規范，保障荷載條件設置的科學性，確保隧道結構與荷載要求的具體標準相符合。其次，以全面分析隧道襯砌結構為基礎條件，合理設定襯砌結構的相關參數標準，落實先進地質鑒定技術的及時引進與科學應用，保障工藝流程的標準性與規范性，降低軟弱圍巖地質情況對鐵路隧道穩定性的影響與損壞。

3.3 復雜外部條件鐵路隧道施工技術

當鐵路隧道下穿城市或建筑物時被稱為復雜外部條件下的鐵路隧道施工。首先，施工企業要嚴格落實各項地質勘查工作，結合實際勘察結果對施工區域的建筑進行合理的加固處理，并制訂科學可行的施工方案。其次，在施工過程中，科學調整并控制隧道掘進的速度與尺寸，最大限度地降低施工操作對周圍地質結構造成的擾動影響。最后，重視施工監測工作，保障監測數據的精準性與真實性，并嚴格落實監測數據的實時反饋，從而引導隧道施工的有序開展。

3.4 隧道通風自動控制技術

通常情況下，隧道通風風機的選擇標準是風管的最長送風距，這會導致隧道掘進初始階段的通風機供風量大于實際風量需求，從而造成資源浪費。另外，隧道施工中每個工序所需的風量具有明顯的差異性，上述的風機選擇標準也會造成資源的浪費。

（1）基本系統結構。隧道通風自動控制系統由多種設備所組成，即主機設備、光端機設備、電源線設備、工業以太網交換機設備、傳輸線纜與接線盒設備、傳感器以及避雷器等。隧道通風自動控制技術的傳輸模式是末端無線傳輸技術與通信電纜有機結合的模式，這樣不僅可以滿足末端傳感器檢查的靈活性要求，還能滿足長距離通信數據傳輸的穩定性要求，提升了該技術安裝與使用過程中的應對能力。

（2）主要系統功能分析。①在啟動與關閉風機的過程中，通過控制風機變頻實現風機自動運行方式與手動運行方式的隨意切換，降低風機的節能效果。②在隧道施工的過程中，能全面精準檢測隧道掘進施工的各項參數，如工作環境的具體溫度、各類有害物質的具體濃度情況以及風管口的實際出風量等。③在控制軟件與可編程控制器的共同作用下，利用模糊控制方式控制隧道風機開展實時工作，提升風機控制系統的實效性。④一旦風機控制系統出現故障或變頻器存在異常，風機控制系統就會自動進行聲光報警，給技術人員的處理提供有效的引導。

（3）風量控制模式。風量閉環控制模式是隧道通風自動控制技術的風量控制方式。如果系統處于自動變頻狀態，風控系統中經過傳感器傳輸的各類有害物質則會被模糊控制器進行及時的處理與分析，如有害物質中有一類物質的濃度已經達到事前預設的最低濃度值，那么控制系統則會直接發送控制指令，通過提升風機運行頻率的方式降低有害物質的進入。當風機運行頻率無法滿足相關需求時，風機則會自動報警。反之，如果有害物質的濃度不斷降低，風機運行的實際頻率則會隨之降低，風量減小，直至降到所設定的最小風速值。

（4）電動機變頻調速技術。①基本原理。現階段，在隧道通風自動控制技術中，通常是利用異步電機驅動風機旋轉的模式實現通風目標，而交流異步電機轉速的具體表達式如下：

式中：f1為供電電壓的實際頻率；ω1為相應角頻率；P為異步電機的磁極對數；s為電動機轉差率。

電動機轉差率s的表達式如下：

式中：ns為異步電機同步轉速；ω為固有角頻率。

由上述公式可知，如果電源頻率f1發生改變，那么電動機的同步轉速ns和轉子轉速n都會發生相應的改變。②主要控制方式。開環控制模式與閉環控制模式是變頻調速控制方式的主要類型，通常情況下是使用的開環控制模式，即電壓-頻率控制方式（V/F)。而閉環控制模式，則需要對電機的軸轉速進行及時的反饋，主要具有矢量控制模式與轉差頻率控制模式等。

（5）自感應除塵降溫控制系統。同其他控制系統相比，自感應除塵降溫控制系統具有明顯的特點，即能夠結合隧道施工情況的實際作業環境對各項數據進行實時監測，從而使得環境保障設備運行具有理想的自動調控效果。自感應除塵降溫控制系統由多種模塊所組成，例如聲光報警模塊、粉塵濃度監測模塊、數據顯示與控制模塊、環境參數檢測以及無線傳輸磨模塊等。應用自感應除塵降溫控制系統，能自動控制檢測并分析隧道施工中的粉塵濃度，如果粉塵濃度超過預設的范圍，系統則會自動開啟報警并進行水霧噴射，實現降低隧道中粉塵濃度、改善施工環境的根本目標。

4 結束語

綜上所述，復雜地質條件下的鐵路隧道施工技術對鐵路工程的整體使用質量具有決定性的影響。為此，施工企業要高度重視復雜地質條件下的鐵路隧道施工，并結合實際地質情況加強綠色隧道施工技術的科學應用，提升復雜地質條件隧道施工的安全性與穩定性，保障鐵路運輸事業的安全有序發展。