不良地質條件下鐵路隧道洞身開挖施工關鍵技術

摘要：不良地質條件下開挖隧道工程具有復雜的受力環境，其洞身開挖方式的正確選擇對于施工安全與質量具有重要的意義。以老尖山隧道洞身開挖為例，在詳細闡述工程地質條件的基礎上，詳細分析了洞身開挖前關鍵準備技術以及洞身開挖不同施工技術。研究結果表明：不良地質洞身開挖前，應對隧道及時進行仰坡及邊坡的加固，洞口施做超前管棚，并做好超前地質預測預報和施工送風工作。根據圍巖級別及周邊環境采取多種開挖方法，對明洞段采用明挖法施工，對暗洞段采用新奧法施工，分別闡述了大拱腳臺階法加臨時橫撐施工、臺階法加臨時橫撐施工、全斷面法開挖、臺階法開挖等不同施工技術在不同工點的詳細應用，為類似工程施工提供借鑒。

關鍵詞：不良地質;鐵路隧道;洞身開挖;施工技術

0" "引言

不良地質條件下開挖隧道工程因其受力環境較為復雜，導致正常鐵路隧道施工方式無法適用，難以保證施工質量。為此需要根據不同圍巖級別及周邊環境，對洞身開挖前和具體開挖方法時采取多種不同開挖方法 [1-4]。

李秋芳[5]以某鐵路隧道為背景，結合超前地質預報，對黃土不良地質下鐵路隧道開挖及支護要點進行了分析，并通過隧道量測監控，驗證鐵路隧道在黃土不良地質下的開挖及支護方案的可行性。高玉祥等[6]選取影響隧道開挖設計的主要因素，通過將其劃分為13個屬性單元來研究工程案例，借助相似度理論建立鐵路隧道開挖方案相似決策模型。開發了基于GIS的鐵路隧道工程案例庫系統，實現對既有工程案例的存儲管理，同時利用編寫的查詢語句實現相似案例匹配，將其進一步修正可用于隧道開挖方案的設計決策。王飛陽等[7]基于力流理論，對TBM隧道開挖過程中的圍巖應力分布特征及彈性應變能進行分析。

綜上所述，目前鐵路隧道開挖研究已經引起諸多研究人員的關注，但在不良地質條件下，針對具體工程案例詳細解析隧道洞身開挖方法的研究仍然缺乏，為此本文以老尖山隧道洞身開挖為例，在詳細闡述工程地質條件的基礎上，對開挖前關鍵準備技術以及根據不同地質環境洞身開挖施工技術進行詳細分析，以期對將來類似工程提供借鑒。

1" "工程概況

1.1" "工程背景

新建鐵路大理至瑞麗線保山至瑞麗段站前四標老尖山隧道，位于永新至怒江區間，設計旅客行車速度140km/h。隧道進口里程D2K180+137，出口里程D1K188+130，全長7993m，隧道最大埋深775m。隧道進口接馬溢河雙線中橋，瑞麗端橋臺臺尾里程D2K180+130.1，隧道出口接岔河中橋，大理端橋臺臺尾里程D1K188+133.516。

隧道進口端內設永新站，車站布置伸入隧道128m，全隧除D2K180+137～+265段為車站隧道外，其余段均為單線隧道。隧道為人字坡，全隧除出口端D1K187+214.04～D1K188+130段915.96m位于半徑2000m的右偏曲線外，其余地段均為直線。結合全線施工組織計劃、地形與地質條件，為保證工期，解決施工通風、排水的需求，以及一級洞口施工場地等問題，將本隧道2號橫洞（長度為1000m）采用無軌單車道運輸方式。

1.2" "自然地理特征

老尖山隧道測區中山剝蝕，溶蝕地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，自然坡度一般為25°～55°，局部為陡壁。測區內最高峰為1750m，最低為怒江河谷，高程約640m，相對高差1100m。隧道最大埋深約775m。D1K184+150～+200為洞身淺埋地段，最小埋深僅為31.1m。隧道進口接馬溢河雙線中橋，出口接岔河中橋。洞身段村落零星分布，測區只有羊腸小道與外界想通，交通不便。

老尖山隧道洞身基巖大部分出露，地層為侏羅系中統勐戛組下段（J2m1）砂巖、泥巖、三迭系中統河灣街組（T2H）白云巖夾灰巖、泥灰巖，二者呈平行不整合接觸，受構造帶影響，線路附近巖石節理發育、裂隙寬張、巖體較破碎。巖層產狀為N10°～30°W/30°～40°NE。

1.3" "不良地質條件

段內不良地質為滑坡、巖堆、巖溶、順層偏壓、高地應力。

1.3.1" "滑坡

隧區滑坡較多，分布區域集中在馬溢河、澡塘河兩岸。馬溢河2#滑坡位于D2K180+020～D2K180+150段左側20～290m，厚度為5～20m，滑坡呈“舌狀”，滑坡體軸長約100m，寬約70m。滑體物質主要為灰巖、白云巖。該滑坡離線路較遠，對隧道無影響。

馬溢河3#滑坡位于隧道進口坡面D2K179+755～D2K179+960段左側90m至右側20m，厚度為10～30m，滑坡呈“舌狀”，滑坡體軸長約75m，寬約90m。滑體物質主要為碎石土、粉質黏土，碎石石質主要為灰巖、白云巖。該滑坡離線路較近，對隧道有一定影響。

1.3.2" "馬溢河2#巖堆

馬溢河2#巖堆位于D2K180+065～D2K180+145段左側10m至右側60m，厚度為5～15m，巖堆體軸長約60m，寬約60m，巖塊直徑為100～2000mm，部分達6000mm。石質為灰巖、白云巖等，碎石約占20%，其余為粘性土填充。該巖堆距隧道進口較近，對隧道有影響。

1.3.3" "泥石流

隧道進口外馬溢河為泥石流溝，現設橋跨越，對工程影響小。

1.3.4" "巖溶

測區碳酸鹽巖層廣泛發育，侏羅系中統勐戛組下段紫紅色鈣質砂巖、泥巖，局部可能夾少量泥灰巖及白云質巖，三迭系中統河灣街組白云巖夾灰巖、泥灰巖，其中白云巖夾灰巖、泥灰巖巖質較純，地表溶蝕較明顯，可見溶縫、溶孔、溶槽及小溶洞等，但裂隙連通性較差。調查未見有地下暗河、大的溶洞發育、巖溶為弱-中等發育。

1.3.5" "順層偏壓

隧道洞身通過地段巖層產狀為N10°～30°W/30°～40°NE，走向與線路夾角為3～13°，橫斷面視傾角為25～40°，右側存在順層偏壓。

1.3.6" "高地應力

老尖山隧道最大埋深約774m，所穿的山體渾厚，巖性多以堅硬巖及較堅硬巖為主，本次勘察對洞身圍巖在DZ-LJS-02。采用DZ-LJS-0鉆機實測了地應力測試，取得了最大水平主應力、最小水平主應力方向，極值及變化關系等。隧道區在測量深度范圍內，地應力最大為20.0MPa，最大水平應力為5.0MPa，垂直應力為8.0～19.0MPa。最大水平主應力大于垂直應力和最小水平主應力，表明測區以水平應力作用為主。三向主應力值隨深度的增加而增大，沒有地應力突變現象。鉆孔附近的應力狀況分布比較均衡，工程區構造應力場以NNE-NE向擠壓為主。進行水壓致裂測試，獲得鉆孔孔壁巖石的原地抗張強度約為2.0～6.0MPa，最高達到8.0MPa。

分析認為，老尖山隧道D1K181+875～+985、D1K185+

835～+955、D1K186+875～+975、D1K187+485～+555段較完整的Ⅱ級圍巖有可能產生巖爆。對于巖性軟弱、裂隙發育的層段，存在斷面收斂變形嚴重以及片幫及冒頂可能。隧道埋深300～775m受構造影響嚴重的D1K180+600～D1K180+760、D1K180+950～D1K181+165段泥巖夾砂巖地段，易發生輕微變形。

2" "洞身施工準備關鍵技術研究

2.1" "洞口路基及邊仰坡加固

隧道洞門土石方開挖與洞口路基土石方開挖同時施工。首先，根據設計放坡開挖洞口及洞口路基土石方，及時清刷路基邊坡、洞口仰坡至設計位置。其次，根據開挖后的實際地質情況結合設計及時進行仰坡及邊坡的加固。松軟地層開挖邊、仰坡時，需隨挖隨護，加強防護，隨時監測、檢查山坡的穩定情況，確保邊、仰坡的穩定。土石方開挖之前，先行施作洞頂截水溝，開挖后及時施作排水系統。

2.2" "進洞方法

2#橫洞及進出口正洞洞口段均處于Ⅴ級圍巖，在洞口仰坡按設計標準加固完成后，洞口采用工字鋼配合Φ25中空注漿錨桿支護。中空注漿錨桿施工后，上半斷面開挖進洞，在洞口處先安裝一榀上半斷面鋼架，開挖上半斷面環形土體，當掘進達到0.6m時，再安裝一榀鋼架，并按設計噴射砼和施作系統錨桿，以確保洞口穩定。在上半斷面開挖進入穩定后，下部開始落底跟進，錨桿、鋼架、網噴混凝土緊跟。

2.3" "超前地質預報

準確預報不良地質情況事關隧道的施工的質量、安全和工期，是隧道施工的首項工序，需將其作為一項工序納入隧道施工中去，使其貫穿于施工全過程。應用工程地質分析法（地質調查和全斷面地質素描）、TSP203超前地質預報、紅外線探水、地質雷達、超前水平鉆探綜合分析相互印證，進行超前地質預測預報工作，根據所獲得的信息調整隧道施工方案，詳細流程如圖1所示。

2.4" "施工用風供應

在老尖山隧道出口線路左側設置空壓機房，在2#橫洞在洞口右側場地設置空壓機房，配置4臺20m3/min的電動空壓機供應壓縮空氣，供風管徑選擇Φ150鋼管。管線布置如圖2所示。

3" "洞身開挖施工關鍵技術研究

本隧道洞口超前管棚施做完成后開始洞內開挖。爆破施工順序：測量放樣→標出孔位→鉆孔→裝藥連線→起爆。對于掌子面距仰拱初期支護安全步距Ⅲ級，圍巖不超過90m，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖及以上不超過35m。對于掌子面距二襯安全步距，Ⅲ級圍巖不超過120m，Ⅳ級圍巖不超過90m，Ⅴ級圍巖及以上不超過70m。

3.1" "車站雙線Ⅳ、Ⅴ級圍巖─三臺階+臨時橫撐法

先進行上臺階開挖，并及時施作初期支護。上臺階施工至適當距離后開挖中臺階并及時施作初期支護，在中臺階設置臨時仰拱進行臨時支撐。中臺階施工至適當距離后開挖下臺階并及時施作初期支護。下臺階施工至適當距離后開挖仰拱，進行仰拱及填充施工，拆除臨時支撐。施工采用挖掘機配合裝載機裝碴，自卸汽車運輸。三臺階法設置臨時仰拱、臨時橫支撐施工工序示意見圖3。

3.2" "單線Ⅴ級圍巖臺階法+臨時橫撐法

根據施工圖紙選擇合理的超前支護方式進行超前支護。弱爆破開挖上臺階，并及時施作初期支護。在上臺階下部架設的臨時橫撐，并進行射混凝土加固。在進行下臺階開挖前拆除臨時橫撐，分部開挖下臺階的左右兩側，并及時施作初期支護。開挖仰拱，施作仰拱初支，全環鋼架時仰拱需安裝鋼架。分部開挖時，要求上、下臺階距離不得過長，仰拱緊跟下臺階開挖。隧底清理干凈后進行仰拱填充施工。根據監控量測結果，選擇合理二次襯砌施作時機，拆除臨時橫撐后施作拱墻襯砌。臺階法+臨時橫撐施工正面如圖4所示。臺階法+臨時橫撐施工流程見圖5。

3.3" "單線Ⅳ級圍巖臺階法

Ⅳ、Ⅴ級圍巖段需要超前支護的首先進行超前支護，進行上半斷面開挖，并及時施作初期支護。再進行下半斷面開挖，并及時進行初期支護。最后進行仰拱混凝土及二次襯砌。臺階法施工工序正面見圖6。臺階法施工流程見圖7。

3.4" "單線Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法

選用三臂鑿巖臺車或風動鑿巖機鉆孔，采用塑料導爆管微差毫秒雷管起爆，光面爆破全斷面一次開挖成型。Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工斷面見8。全斷面法施工流程見圖9。

4" "結束語

本文以老尖山隧道洞身開挖為例，在詳細闡述工程地質條件的基礎上，詳細分析了洞身開挖前關鍵準備技術以及洞身開挖不同施工技術，得出以下結論：

不良地質洞身開挖前，隧道洞門土石方開挖與洞口路基土石方開挖同時施工，及時進行仰坡及邊坡的加固，施作洞口超前管棚。應用工程地質分析法（地質調查和全斷面地質素描）、TSP203超前地質預報、紅外線探水、地質雷達、超前水平鉆探綜合分析相互印證，進行超前地質預測預報工作，并做好施工送風工作。

根據圍巖級別及周邊環境采取多種開挖方法。明洞段采用明挖法施工，暗洞段采用新奧法施工。其中D2K180+

137～265段雙線Ⅴ級圍巖地段，采用大拱腳臺階法加臨時橫撐施工，并設置全環型鋼鋼架及拱部超前小導管（大管棚）加強支護。Ⅳ級圍巖段采用臺階法加臨時橫撐施工，并設置全環型鋼鋼架及拱部超前小導管加強支護。單線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖一般采用全斷面法開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用臺階法開挖。Ⅴ級圍巖一般采用格柵鋼架或型鋼鋼架加強支護，并輔以拱部超前小導管超前支護。受構造影響嚴重的Ⅳ級圍巖、軟質巖地段且地下水相對發育的Ⅳ級圍巖，采用格柵鋼架加強支護。隧道洞口設置大管棚超前支護，確保進洞安全，以形成超前支護、開挖、初期支護、仰拱填充、二次襯砌、附屬工程均衡生產、整體推進的施工格局。

參考文獻

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