基于復雜地質條件下鐵路隧道施工技術研究

馬留闖

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

鐵路隧道是指在穿越障礙或天然高程時的低下鐵路線路。面對高程障礙，鐵路隧道不僅有效縮短線路，而且能夠降低障礙縱向坡度，提升車輛通行速度和安全性。鐵路的發展建設和隧道的發展緊密相連，早在19 世紀20～30 年代，英國率先修建了雙向鐵路隧道，往后越來越多的國家紛紛效仿，但受制于當時的技術水平，鐵路隧道多采用深挖路塹，而且隧道很短，時至19 世紀中葉，鐵路隧道的長度開始增長，但也不會超過5 km，隨后炸藥及機械鉆眼的出現，讓長隧道的修建變成了現實，19 世紀六七十年代，世紀第一座超過10 km 的鐵路隧道穿越阿爾卑斯山脈。往后，隨著鐵路運輸的日漸增多，山區鐵路越來越多，更為重要的是隨著隧道施工技術的不斷發展，鐵路長隧道的數量越來越多。伴隨著新技術的不斷發展，地下空間的不斷采掘利用，鐵路隧道的數量增多，技術難度加大。而國內的鐵路隧道發展起步晚，修建技術落后，自新中國成立后，我國的各項事業發展迅速，鐵路隧道不斷發展，施工技術發展提高，隧道施工技術加強，目前鐵路隧道里程數已然成為世界第一。隨著國內鐵路建設發展，尤其高鐵的興起，極大促進了我國鐵路網的不斷發展，復雜條件下的施工技術也取得了較大進步，而復雜地質條件下施工，易引發施工坍塌、結構破壞、落石等多種工程災害，給人們的生命財產安全造成極大威脅，復雜地質條件下隧道施工技術的不斷研發，既是鐵路發展建設的重要保障，又是鐵路隧道工程發展建設的突出課題，基于此，文章在闡述復雜地質條件對鐵路隧道施工影響的基礎上，探究復雜地質條件下鐵路隧道施工技術，為促進我國鐵路隧道的安全施工提供理論依據。

1 復雜地質條件對鐵路隧道施工的影響

我國南北方差異大，地形地貌不一，形成了差異性較大的地質條件，給鐵路隧道施工造成極大影響，不僅需要跨越山峰、峽谷等各類高程障礙，還需要跨過河流、湖泊等平面障礙，施工周圍的地質條件差，需要面對高溫、熔巖、放射性氣體、滑坡、特殊巖層等不良地段，施工過程中很容易出現高地溫災害、塌方、圍起巖變形甚至瓦斯爆炸等各類突發性工程災害，引起安全事故。與此同時，事故周邊地質環境特殊，需要下穿多種地段，易發生施工坍塌、地表結構破壞等，引起人員傷亡，造成施工停滯，導致大量的人力物力財力的耗費，造成經濟損失，并造成不良的社會影響，如此風險性高、突發性強的復雜地質條件下施工，施工技術尤為重要。

2 復雜地質條件下鐵路隧道施工技術

經濟社會的不斷發展，鐵路工程建設進入了一個新的高潮，所穿越的地質條件越發復雜，對鐵路工程設計、施工提出了更高要求。廣義上的復雜地質條件包括不良地質條件、特殊地質條件兩種，其中復雜地質條件常見于高地溫、高地應力、云母片巖、熔巖、泥巖、滑坡體等特殊地段，在此地段施工過程中，需要注意塌方、突泥、瓦斯爆炸等突發性大的地質災害，提防工程支護失穩，防止各類工程安全施工的發生。特殊環境地質主要分布于堆積體、淺埋偏壓、下穿鐵路、下穿公路等地段。以上復雜地質條件下施工，極易造成災害性事故的發生，造成人員傷亡的同時，嚴重損壞機械設備，造成長期停工，造成大量人力、物力資源的耗費，給社會造成巨大的經濟損失，甚至造成不良的社會影響。除此之外，復雜地質條件下隧道施工事故具有很強的突發性、復雜性。為此，復雜條件下隧道施工技術的研究，一直以來都是隧道施工的重要課題。

2.1 淺埋隧道施工

淺埋隧道屬于鐵路隧道施工中的難點地段，極易變形，且變形量大，是各類突發性事故的好發地段，為此，必須認識到淺埋地段工程特點，以保證后期的順利施工。淺埋隧道最大的施工特點是埋深不足，覆蓋層少，圍巖厚度不夠，很難成拱，且地表很容易塌陷，實際的施工過程中，地層損失較大，地貌移位明顯，給后期的一些施工造成極大的影響，為此要根據實際的施工地段，采用掌子面穩定策略，并防止地表下沉。

淺埋隧道的施工方法多樣，包括明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等，其中，明挖法，自上而下進行開挖直至達到隧道設計要求后，按照自下而上的施工順序，在完成主體結構后，進行回填；蓋挖法自地面下開挖，達到設計要求后進行封頂；淺埋暗挖法，通過開挖、襯砌隧道施工，是現代鐵路淺埋隧道施工的首要方法。淺埋暗挖法是在新奧法的基礎上形成的，淺埋暗挖法初期利用支護進行支撐，后期采用二襯加強支護，并利用多種輔助手段，充分發揮周邊圍巖的自主承受能力，以此形成支護封閉環，使其支護和周圍的圍巖有效融合構成支護體系。此法適用于軟弱地層地下工程，圍巖自承力較差，為了降低地面沉降，施工初期可采用剛度大的支護，增加支護承重，降低圍巖自身負載，為達到此目的，實際施工過程中，還需注意初期自上而下施工，待初期基本穩定后方可進行二襯施工，施工過程同樣遵循自上而下的原則。與此同時，淺埋暗挖法施工法需要根據實際的地質情況，盡可能選擇經濟快速開挖技術，實際施工過程中，注重輔助工法的施工，可根據不同地層，選擇相應的二襯配套機具，以此達到快速施工的目的，整個施工過程，注意施工質量監控，尤其是重要工序的施工，注重整個施工人員的整體素質，提高施工質量，加強通風，正確處理好施工、施工人員、外界環境之間的關系，積極應用互聯網技術、電子信息技術，為安全施工提供保障。

2.2 偏壓隧道施工

偏壓隧道是指隧道圍巖壓力分布不均，進而導致支護受力不均的隧道。導致隧道偏壓的原因是多方面的，首先，施工方法選擇不合理，施工斷面坍塌，圍巖穩定性受到影響，以至于應力集中；其次，特殊地段施工，圍巖傾斜，存在滑動面，自穩性不佳，受到施工擾動影響，巖體滑動進而導致隧道局部負載過大；最后，特殊地段如河谷邊緣，其本身地段就存在一定程度的傾斜，壓力分布不均衡。實際施工中，因地形原因導致的偏壓最多，常見于隧道口淺埋段，此段軟圍巖居多，一旦地面橫坡坡度大，圍巖地質差，在施工過程中，應按照先治水、管超前、強支護、早封閉、勤勘測的原則。

對于施工原因導致的偏壓，做好施工設計的同時，要及時糾正施工失誤；地段原因導致的非對稱性偏壓，可采用多種施工方法，包括設置擋墻、挖切土體、澆筑加固、支護襯砌等，需要根據實際的施工地段，選擇適宜的施工方法，以此減輕偏壓力。

2.3 軟弱圍巖施工

軟弱圍巖松散破碎，抗壓性低，而且圍巖的整體性不良，失去自穩能力，松軟的地質條件，失去抗風化、抗水軟化性能，開挖后變形大，施工難度大，一般分布于隧道口，很難形成洞口，另外云母片巖，呈鱗片狀，表面光滑，膠結性極差，強度小，是鐵路隧道施工中最常見的軟弱圍巖。根據以往軟弱圍巖施工的經驗來看，其發生工程災害的類型主要由坍塌和變形兩種，其中，因為巖體結構破碎，難以自穩，結構層面易滑動，開挖即坍塌，另初期支護加固后，隨著巖體的不斷變形，支護結構壓力不斷加大，導致結構變形，甚至造成之后結構的破壞。

軟弱圍巖幾乎沒有自支護能力，為此，施工過程中提高圍巖的支護能力成了軟弱圍巖施工的重要內容。根據國內外隧道施工的經驗，軟弱圍巖的施工方法包括穩定掌子面、加固地層、及時閉合等。軟弱圍巖隧道施工中，需要加強圍巖本身的支護性能，穩定掌子面，引起穩定掌子面下降的原因包括凝聚力下降、存在地下水、強度下降等，在軟圍巖中，確保掌子面的穩定性至關重要，其方法包括超前支護、注漿、噴混凝土等方法。

根據過去的工程實踐發現，斷面及時閉合也是軟弱圍巖施工的關鍵點，巖石隧道具有自我封閉能力，但在軟弱圍巖隧道施工中，必須進行斷面及時封閉，常見的斷面封閉方法包括臨時仰拱、加強底部、超短臺階法等。

2.4 巖溶地質條件下施工

巖溶地質作為國內較為典型的復雜地質條件，在我國西南地區分布最多。針對巖溶地質區段的鐵路隧道施工，常出現隧道反水、滲漏等工程災害，不僅影響整個項目的施工進度，而且會影響整個項目的施工質量，為此需要不斷加強巖溶地質條件下隧道施工技術水平。

一方面要做好施工勘察工作，充分認識到施工環境狀況，有研究指出應用GPS、3S 技術，對施工周邊水文條件進行全方位的勘測，做到心里有數，以此編制出符合于該地段的施工方法；其次，做好施工準備工作，采用3S 技術對施工進行數字模擬，對施工過程中可能出現的意外進行預防、監管，一旦出現施工異常，需做好施工溝通及其現場評估，進而提出切實可行的糾錯方案；最后，做好巖溶躲避洞施工，選擇合適的開挖方式，根據現場實際的施工環境，科學規劃施工方案，提高隧道施工的彈性，結合實際的地理環境，科學合理分割，避開巖溶，提升施工的安全、可靠性。

2.5 滑坡地段施工技術

滑坡地段的地質松散，難以成型，自穩性能差。為此，在實際的鐵路隧道施工過程中，需要對實際的施工現場進行充分的勘察，對施工現場的低洼地段進行平整處理，除此之外，還需要做好地下水處置，防止施工過程中的反水、滲漏等的發生。在使用爆破法進行地基施工時，要注意爆破的強度、爆破的范圍，常采用短推進的方式方法完成。更為重要的是，在滑坡地段施工過程中，還需要采取有效的支護手段，防止出現坍塌。需要注意的是在地表滑坡段進行施工時，應充分考慮土層的側向壓力，做好二次襯砌支護，提升隧道強度，在實際的施工過程中，還需要對其施工巖體實施監控，一旦發現強度不足，應停止施工，做好相關的加固對策，確保施工的安全可靠性。

3 復雜地質條件鐵路隧道施工技術

3.1 臺階法開挖

臺階法開挖是鐵路隧道施工中最為常見的施工開挖方法，不僅能夠有效提升施工的安全性，而且保障施工治療。首先，施工人員在開挖前，需要對施工周圍的環境進行系統的、全面的勘察，結合施工巖體的實際特征進行開挖。臺階開挖設備要求不高，在軟弱圍巖地段隧道施工中得到了廣泛的應用，且開挖后能夠獲得相對較好隧道內部環境；更為重要的是，施工前通過起拱線附近臺階劃分，確保了巖體長時間的自穩性能。

3.2 綜合治水技術

任何的鐵路隧道施工過程中，都需要面臨地下水的整治問題。地下水不僅會導致整改支護變形，而且容易導致頂部滲透坍塌。為此，有人提出了復雜地質條件下鐵路隧道施工“先治水”原則，因地制宜選擇排水輔助、超前鉆孔等手段，提升治水效果，現階段小導管注漿技術應用更為廣泛，有效優化水玻璃漿，需要注意的是在，施工過程中要嚴格控制注漿壓力。

3.3 洞內外加固技術

為全面提升隧道施工的巖層穩定性，根據施工情況進行洞內外加固，有研究者從實際出發，提出了地表注漿、底層暗挖的融合，降低加固影響。與此同時，為降低施工后期的影響，有研究提出了鋼化觀壓入注漿，并得到了廣泛應用；洞內加固技術多樣包括鋼拱架法、噴混凝土等，使得主體抗壓性能得到了提升，為隧道的后期運行創造了有利條件，除此之外，有研究提出了洞內模筑襯砌技術，確保基地的穩定性能。

3.4 監控量測

復雜地質條件下的隧道施工風險高、事故突發性強，為此，整個隧道施工過程中，都要做好相關的隧道安全監控測量，對隧道地層、支護、治水結構的動態盡快實施的檢測，確保整改施工的安全、順利完成；與此同時，根據實時的檢測數據，確保整個施工的安全穩定；更為重要的是，根據實時監測的結構，為后期的工程施工提供有效指導，并借助科學的測量儀器，確保整個測試結果的可靠性、有效性。

3.5 新奧法施工

面對復雜的施工條件，在精確的參數計算、設計的基礎上，可采用多次開挖的方式，根據實際的地質條件，選擇合適的開挖方式，地質巖制條件相對好的地段，適當加大開挖長度，地質條件巖制差的減少開挖長度。開挖完成后，分二次支護，首次支護需要在開挖結束后立馬噴漿，確保第一次支護的質量。

4 結語

近年，國家鐵路線路日漸增多，所形成的鐵路覆蓋網不斷完善。而我國南北差異大，地質地貌復雜多變，鐵路隧道成了穿越高程障礙的必然選擇，尤其是隨著西部開發戰略的不斷推薦，鐵路隧道的地質環境愈發復雜，如此復雜的地質環境對鐵路隧道施工設計、施工方法、施工技術提出了更高要求。文章分析了復雜地質環境條件對鐵路隧道施工的影響，探究不同地質環境條件下，鐵路隧道施工的方法、技術，為鐵路網的安全施工提供理論支撐。