復雜地質條件下鐵路隧道施工技術探討

摘 要：研究復雜地質條件下的鐵路隧道施工技術，為未來的工程項目積累寶貴的經驗和知識，提高施工方應對更加復雜挑戰的能力。對鐵路隧道施工中遇到的巖溶、瓦斯、膨脹性地質、突水突泥等地質條件，需做好前期地質勘察工作，并不斷優化其通風技術、洞口工程施工技術、盾構施工等多種適應于復雜地質條件的先進技術。采取綜合管理和技術應對措施，預防和管理施工過程中遇到的各類地質風險問題。

關鍵詞：復雜地質條件；鐵路隧道；施工技術

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）08-0007-03

0 引言

在鐵路網絡擴張時，越來越多的隧道工程也在施工中遇到了復雜的地質條件。由于鐵路線路通常需穿越山脈、河流和地下水系統等各種地形與地質結構，因此施工工程會需要處理不同類型的地質環境。這些復雜條件增加了施工的難度和風險，需要通過科技進步和創新方法有效提高施工安全，減少人員傷亡和機械損壞事故。

1 工程概述

某項目包含七個隧道工程，其中5個長度超出1 km，這些隧道主要采用單軌設計，并伴有多個輔助導坑，但洞內空間狹小，施工運輸困難。該區域水資源豐富，需要多個反坡排水點，地質構造復雜，屬于典型的滇西南軟巖隧道。主要圍巖類型包括泥巖、夾砂泥巖、炭質泥巖以及膨脹巖等，這些材料遇水容易軟化和變形。遭遇的地質問題多樣，如軟巖大變形、地層滑移、泥水噴涌、瓦斯和順層壓力等，其中IV級和V級的軟巖比例高達76%，導致施工效率低下，面臨極大的施工挑戰。

2 鐵路隧道施工中常見的復雜地質環境

2.1 巖溶環境

巖溶環境是指地下巖層由于溶蝕作用而形成的一種特殊地質形態，其特點是地下巖層中存在溶洞、溶巖、喀斯特地貌等地質構造。在隧道施工過程中，巖溶環境可能導致地下水位變化、地層坍塌、巖體穩定性下降等問題，增加施工難度和風險。

為應對巖溶環境的挑戰，施工團隊需要采取相應的地質勘察和預測措施，采用注漿加固、錨桿支護等適當的支護和加固技術加強巖體的穩定性，減少地質災害的發生概率，保障隧道施工的順利進行[1]。

2.2 瓦斯環境

瓦斯環境指地下巖層中含有大量可燃氣體，如甲烷、乙烷等，其主要來源于煤層和油氣田的開采過程中釋放出的氣體。在隧道施工過程中，瓦斯環境可能導致地下爆炸、火災等嚴重安全事故，增加了施工的風險和難度。

為了有效應對瓦斯環境帶來的挑戰，施工團隊需要進行詳細的地質勘察和瓦斯預測，確保對瓦斯分布、濃度和運移規律有準確的了解。并采取相應的安全防護措施，如通風排瓦斯、瓦斯抽放等技術手段，控制瓦斯的釋放和擴散，降低火災爆炸的風險。

2.3 膨脹性環境

地下巖層中含有具有膨脹性的土壤或巖石，其在受水分影響或受力作用下容易發生體積膨脹變形。在隧道施工過程中，遇到膨脹性地質環境會引發隧道圍巖變形、隧道結構損壞等問題，增加施工風險和工程難度。

為有效應對膨脹性環境帶來的挑戰，施工團隊需要進行詳細的地質勘察和預測，充分了解隧道所處地質條件及其膨脹性特點。并采取相應的支護和加固措施，如鋼筋混凝土襯砌、地下注漿等技術手段，增強隧道圍巖的穩定性和承載能力，防止因膨脹性變形引發的施工事故[2]。

2.4 突水、突泥環境

地下水源或泥漿突然涌入隧道施工現場，將導致施工現場發生水位突然升高、地面泥漿涌入隧道、隧道圍巖變松軟等問題，嚴重影響隧道施工的進行和安全。為了有效應對突水、突泥環境帶來的挑戰，施工團隊需要采取相應的預防和應急措施。

需進行細致的地質勘察和預測，充分了解隧道所處地質條件和地下水情況，及時發現潛在的突水、突泥隱患。采取防水、排水和圍巖支護等技術手段，加強對施工現場的水文地質控制，防止突水、突泥。還需要制定應急預案，培訓施工人員的應急處理能力，以應對突發情況，最大程度地減少施工安全風險。

2.5 軟弱圍巖

隧道圍巖屬于較軟、易塌陷、抗壓強度較低的巖層或土層，如果處理不好，在施工時會發生地層塌方、圍巖變形、地表沉降等問題，增加施工的復雜度和風險。為了有效應對軟弱圍巖環境，施工團隊需要采取一系列的地質勘察和預測措施，充分了解軟弱圍巖的特性和變化規律。

3 復雜地質條件下鐵路隧道施工的相關技術

3.1 洞身開挖施工技術

在施工時需要根據地質勘察結果確定開挖工藝。對于巖層較軟的情況，采用鉆孔爆破法進行開挖時，需要精確控制鉆孔的直徑、間距以及裝藥量等參數。對于硬巖地層，使用機械挖掘時，要選擇合適的挖掘機械類型和參數，做好挖掘機的功率、轉速、刀具形式和數量等配比。在地質條件復雜的地區，往往存在水文地質問題，如地下水涌出或地層水平面高，因此需要采取合適的排水措施。排水量、排水管道直徑和布設深度等參數，需要經過嚴密計算和實地測試，以保證施工現場的干燥和穩定[3]。在施工過程中，地質構造不均勻可能導致洞體不穩定，因此需要根據地質構造的具體情況，調整支護結構的參數。

3.2 地下水的治理技術

在隧道開挖、支護和施工過程中，針對地下水涌入、滲漏等問題要進行綜合調控，有效控制地下水的涌入，以確保施工進度、保障工程安全并減少對周邊環境的影響。地下水治理工作的開展需要進行充分的地質勘察和水文地質調查，以深入了解隧道施工地區的地質條件、地下水位、水文地質特征等信息。基于這些信息，制定針對性的地下水治理方案。

在實際操作中，常采用的地下水治理技術包括抽水降水法、封閉式凍結法、化學固化法以及地下隔離屏等。抽水降水法是一種常用且有效的地下水治理技術。其通過設置井點，在施工現場周圍抽取地下水，從而降低地下水位，減少對隧道工程的不利影響。封閉式凍結法通過在地下注入冷凍液體，使周圍土層形成凍結帶，從而控制地下水的流動?；瘜W固化法則是通過注入化學固化劑，使地下水固化成堅硬的固體，減少地下水滲透，保持隧道施工工作面的干燥。地下隔離屏的設置能夠有效隔離地下水，減少地下水與施工工作面的接觸，降低地下水對隧道施工的影響。

3.3 隧道支護施工技術

根據地質勘察結果和隧道設計要求，確定合適的支護方案。考慮到地質條件的復雜性，常采用如鋼架支護、錨桿噴錨、注漿加固等多種支護措施的組合。根據支護方案進行隧道周圍巖體的開挖和清理工作，確保支護結構的安全施工。

根據設計要求和實際情況，進行支護結構的安裝和固定，保證支護結構與巖體之間的緊密結合。要按進度進行隧道支護結構的監測和維護工作，及時發現并處理支護結構的變形和損壞情況，以維護隧道的長期穩定性和安全通行[4]。

3.4 通風技術

鐵路隧道施工的通風技術是指對隧道內部空氣進行有效的調控和管理，保障作業區域內施工人員的安全和工作環境的舒適。通風技術的實施需要考慮隧道長度、地質條件、施工進度以及施工人員的安全要求等因素。當前通風系統通常包括通風井、通風管道、風機等設備，其布局應充分考慮隧道的幾何形狀和地質特征，要讓空氣能在隧道內均勻流動并有效及時地排除污染物。通風系統的操作需要根據實際情況進行靈活調整。

在施工過程中，隧道內可能會產生大量塵埃、有害氣體和熱量，因此需要通過調節通風系統中風機運行速度和方向，及時排除污染物，并向隧道內送入新鮮空氣，以維持良好的空氣質量和適宜的溫度。此外還應結合施工進度和工藝要求進行優化。例如，在施工過程中，需要調整通風系統的工作模式，適應不同的施工階段和作業區域，定期對通風設備進行檢查和維護，讓鐵路隧道內的通風系統能夠長期穩定地運行。

3.5 洞口工程施工技術

通過對地質條件、地層構造、地下水位等因素的詳細調查和分析，確定洞口施工的難度和風險，可為后續施工提供準確的地質數據和依據。根據地質勘察結果，制定合理的洞口支護方案?？紤]到地質條件的復雜性，常采用如噴射混凝土支護、地鉆爆破支護等多種支護技術的組合。

根據實際情況進行洞口施工現場的布置和準備工作，采用適當的機械設備和爆破技術，對洞口周圍的巖石進行有效開挖和處理。在洞口施工過程中，需要密切監測地下水位和巖體穩定性，及時發現并處理可能出現的地質災害和安全隱患，并結合洞口開挖情況和地質特征，及時進行支護結構的安裝和固定。完工后還要對洞口周圍的地表進行整形和修復，減少對環境的影響，保護周邊生態環境。

3.6 盾構施工

盾構施工是一種機械化的隧道掘進方法，通過盾構機在地下推進，完成掘進和支護工作。盾構施工技術能夠有效應對地下水的涌入、地層松軟易塌、巖層破碎等問題，提高隧道施工的安全性和效率，非常適合在復雜的地質條件下開展鐵路隧道的施工建設工作。

盾構施工的步驟包括：①根據地質勘察結果和設計要求，選擇合適的盾構機型和刀具。②安裝和調試盾構機，確保設備運行穩定。③進行盾構機的推進和掘進工作，根據地質條件調整推進速度和刀具參數，確保施工安全和效率。在盾構推進過程中，通過盾構機后部的支撐系統對隧道進行臨時支護，防止地層塌方和坍塌。④利用盾構機前端的壓力注漿系統，對地層進行固化和加固，保證施工面的穩定。⑤隨著盾構機的推進，對隧道的內部進行設備安裝、管道敷設等工程，最終完成整個隧道的建設。

3.7 雙層壁導坑技術

雙層壁導坑技術通過在地面上形成兩層壁體，在地下挖掘隧道時提供了更穩定的支護結構，減少了隧道施工中可能遇到的地質風險。在地下巖層結構復雜、地質構造活躍、地下水位高或者存在大量松散的土壤等復雜地質情況下，傳統的隧道施工方法會產生地層坍塌、地下水涌入、隧道坍塌等問題，因此需要采用更為穩固的支護結構來確保施工安全和隧道的穩定性。

施工時要根據地質勘察結果和工程要求，確定雙層壁導坑的尺寸和形狀，并進行地面預制構件的制作。在地面上挖掘第一層壁體的導坑，通常采用深基坑開挖技術，以確保導坑的穩定性和安全性。將預制的第一層壁體構件安裝到導坑內，形成第一層壁體結構，在第一層壁體結構上方再次開挖導坑，形成第二層壁體的空間。在這個過程中，需要采取相應的支護措施，以防止地層坍塌和地下水的滲透，然后再將預制的第二層壁體構件安裝到導坑內，形成第二層壁體結構。

4 鐵路隧道施工注意事項

4.1 風險評估與監測

開展鐵路隧道施工的風險評估工作，應考慮地質勘察數據、工程設計方案以及先前類似工程的經驗教訓，通過定量和定性的方法對風險進行評估和分類。同時，監測工作也是必不可少的，通過實時監測地下水位、地表沉降、隧道周邊巖層變形等指標，便于及時發現施工過程中的異常情況，并采取相應的措施進行調整和處理。

綜合運用各種監測技術，如地面測量、地下水位監測、地質雷達探測等，可以及時獲取準確的施工現場數據，為風險的預防和應對提供有效的依據。在整個施工過程中，風險評估與監測應該是持續進行的，隨著施工進展和地質條件的變化，及時調整風險管理策略，確保施工的安全、高效進行。

4.2 突泥災害防治

在鐵路隧道施工中，突泥災害是一種常見而嚴重的地質災害，特指地下水滲入隧道施工工程面前的高處，導致工作面突然泥漿泛涌的情況。這種災害往往由于地下水位高漲或者松散的地層條件導致，一旦發生會對施工安全和進度造成嚴重威脅。因此，在復雜地質條件下進行鐵路隧道施工時，必須高度重視突泥災害防治。

預防和治理突泥災害的措施可以從多個方面進行。通過充分的地質勘察和監測，了解隧道施工地段的地下水情況、地質構造特征等，可及時發現潛在的突泥風險隱患。采取合理的排水措施，包括地下排水系統的設計和施工，以降低地下水位，可減少突泥發生的可能性。在施工工程現場設置臨時防護措施，如加固工程的支護結構、加固隧道掘進機的封閉結構等，以防止突泥災害對施工的影響。

4.3 做好洞口排水系統

隧道施工現場通常處于地勢較低的位置，容易受到降雨和地下水位的影響，若未建立良好的洞口排水系統，將會導致施工現場積水，影響施工進度并增加工程風險。復雜地質條件下，隧道周圍的地層結構會存在裂隙、孔洞等漏水通道，若不及時排除水分，可能會導致隧道坍塌、地層沉降等安全隱患。因此，洞口排水系統的施工應該提前規劃，并且結合當地地質條件和氣候特點，采取設置排水溝、挖掘排水渠、建設排水管道等方式，將周圍的雨水和地下水引導至合適的排水出口，確保施工現場保持干燥。根據實際情況安裝排水泵站等設備，以應對特殊天氣或地質條件下的大量水源。

5 結束語

鐵路隧道工程會頻繁遇到復雜地質狀況，面對錯綜復雜的地質環境，更應強化對地鐵隧道地質特性的分析力度，運用合適的施工方法，這樣才能保障施工的品質，進而為鐵路建設與運營的順利進行打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 成航宇.復雜地質條件下盾構穿越既有津秦高鐵施工關鍵技術與控制研究[J].建筑機械， 2023（7）：115-119+123.

[2] 讓隧道施工更高效 更智能 更安全[J].中國公路，2023（11）：96-97.

[3] 蒲建國.復雜巖溶地質隧道設計與施工關鍵技術[J].國防交通工程與技術，2023，21（1）：54-57.

[4] 孟樂.鐵路隧道施工安全風險管理研究[J].工程技術研究， 2021，6（8）：174-175.