高原鐵路隧道穿越活動斷裂帶抗震設防施工技術

周杰

摘要 該施工技術為高原鐵路隧道穿越活動斷裂帶抗震設防技術，可提高高原鐵路隧道工程抗災能力，強化隧道抗震性能，增加安全冗余，同時可縮短大錯位導致的隧道襯砌縱向破壞范圍，以加強隧道結(jié)構整體性，最大限度降低隧道震后帶來的安全事故及經(jīng)濟損失，保障軌道交通運營的安全性及可靠性。文章主要通過一高原隧道工程穿越活動斷裂帶施工為實例，對高原鐵路隧道穿越活動斷裂帶抗震設防的施工技術進行了闡述。

關鍵詞 鐵路隧道；活動斷裂帶；抗震設防

中圖分類號 U452.28文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0133-03

0 引言

高原長大隧道主要的地質(zhì)災害包括活動斷裂帶與地震，隧道穿越活動斷裂帶若發(fā)生地震不僅會對隧道結(jié)構造成直接破壞，而且還會誘發(fā)更嚴重的地質(zhì)災害。對于高原鐵路隧道而言，在高寒高海拔、大高差和強烈的構造作用情況下，內(nèi)外動力地質(zhì)作用均十分強烈，不良地質(zhì)發(fā)育；在隧道穿越活動性斷裂帶時，極易因斷裂帶錯動而使隧道主體結(jié)構發(fā)生較大錯動；此類自然災害發(fā)生時，防災救援難以得到安全保障及作業(yè)空間。

高原鐵路隧道工程穿越全新世活動斷裂帶，活動性質(zhì)以右旋走滑為主，兼有逆沖分量，未來可能會突發(fā)大地震，突發(fā)最大水平位錯量約5～6 m（右旋走滑），最大垂直位錯量2～3 m。在隧道穿越活動性斷裂帶時應采取有效的避讓和抗斷技術措施，遵循“預留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設計、運營監(jiān)測”的原則，對隧道各工序進行分析研究，制定不同的抗震設防措施進行施工，并在施工中進行全面應用。

1 技術特點

預留補強空間：隧道支護措施應采用活動斷裂特殊襯砌，隧道內(nèi)凈空考慮斷層百年累計蠕滑量30 cm及預留30 cm震后結(jié)構補強空間，在基本內(nèi)輪廓基礎上擴大60 cm；拱墻采用圓形內(nèi)輪廓，并加深仰拱，加大仰拱矢跨比；同時采用加大預留變形量、加強初期支護及超前支護、二襯加強等措施。

柔性節(jié)段設置：隧道穿越活動斷裂及其強烈影響段范圍，二襯與初支節(jié)段長度應采用6 m設置襯砌節(jié)段，以增大襯砌結(jié)構整體柔性，提高結(jié)構對斷層錯位的適應性。

抗震設防結(jié)構：在初支與二襯間設置減震消能層，減震消能層應位于初支結(jié)構內(nèi)側(cè)及防水層外側(cè)，在發(fā)生地震時可較好地吸收地震能量，具有一定的抗震作用。

結(jié)構安全監(jiān)測：在活動斷裂帶及其強烈影響段范圍，合理設置結(jié)構健康監(jiān)測斷面，對隧道結(jié)構進行健康監(jiān)測，以便及時掌握隧道結(jié)構的狀態(tài)變化，判斷隧道結(jié)構的可靠度并采取對應的控制策略，使隧道結(jié)構始終處于良好的工作狀態(tài)[1]。

2 適用范圍

隧道穿越活動斷裂帶及其影響帶的施工。

3 工藝原理

該技術針對隧道穿越活動斷裂帶采取的抗震設防措施主要工藝原理為：隧道穿越活動斷裂帶的抗震設防目標為“蠕滑可控、黏滑搶通”，采用“預留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設計、運營監(jiān)測”的原則，為隧道襯砌內(nèi)的凈空預留變形及補強空間；采用抗震性能優(yōu)異的圓形斷面，并縱向設置較密的變形縫；同時加強對襯砌結(jié)構健康監(jiān)測等措施，以實現(xiàn)設防目標。考慮對于突發(fā)的大尺度黏滑位錯，隧道結(jié)構難以適應變形的情況，采取的工程措施應盡可能減輕結(jié)構破壞程度，縮小隧道縱向破壞規(guī)模，實現(xiàn)快速搶通。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

隧道穿越活動斷裂抗震設防施工的主要工藝流程：開挖支護—初支抗錯縫施工—仰拱施工—拱墻減震層施工—拱墻防水層施工—襯砌鋼筋及變形縫施工（襯砌監(jiān)測設備埋設）—臺車關模及澆筑。

4.2 操作要點

4.2.1 開挖支護

隧道開挖堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、嚴注漿”的原則。活動斷裂帶洞身，采用鉆爆法或機械開挖；Ⅵ級圍巖未進行超前注漿的地段，采用破碎錘開挖，采用三臺階+臨時橫撐法；Ⅴ級圍巖采用三臺階法，三臺階法上臺階長度為5～8 m、中臺階長度為10～15 m，上臺階高度為4 m、中臺階高度為3 m。Ⅳ級圍巖采用臺階法，臺階長度為20 m，上臺階高度為6～8 m，預留變形量為12～17 cm，開挖時斷面進行相應擴大。

初期支護施工遵循“強支護、勤量測、早封閉”的原則，超前支護為“D89管棚+D42小導管+注漿”；預設計帷幕注漿，初支采用25 cm厚的C30早高強鋼纖維混凝土；拱墻設置6 m長D42注漿錨管，全環(huán)設置HW175型鋼鋼架。中臺階施工時施作上、中臺階6 m長的D42注漿錨管，采用錨注一體機進行鉆孔，按設計要求將錨管插入孔中，利用錨注一體機送管直接將小導管頂入，外露20 cm，在尾端安設止?jié){閥門后進行注漿[2]。

4.2.2 初支抗錯縫施工

初支每6 m設置一節(jié)段，每節(jié)段之間設置寬度5 cm的抗錯縫，縫內(nèi)采用酚醛樹脂材料回填密實。該材料具備以下性能：①能夠順利將抗錯縫完全填充，避免出現(xiàn)空洞；②在現(xiàn)場易于儲存和現(xiàn)場施工；③具有良好的穩(wěn)定性；④具備抗剪強度低的性能；⑤兩種材料現(xiàn)場混合、快速發(fā)泡填充抗錯縫。酚醛樹脂施工前，應先將初支抗錯縫內(nèi)的噴射混凝土清理干凈，再采用雙通道注漿泵將酚醛樹脂噴入兩榀型鋼之間的抗錯縫中，施工中二襯節(jié)段與初支節(jié)段的抗錯縫中心需調(diào)節(jié)對齊。

4.2.3 仰拱施工

仰拱開挖后應及時對基底進行清理，經(jīng)檢查基底無虛渣后，方可進行鋼拱架、初支施工；封閉成環(huán)后方可進行下循環(huán)開挖，開挖支護完成6 m后進行矮邊墻的防水層施工。仰拱鋼筋施工時，活動斷裂帶在仰拱填充中部增加一道鋼筋混凝土結(jié)構，將鋼筋插入仰拱內(nèi)（如圖1所示）；仰拱填充中，素混凝土段與鋼筋混凝土段應進行一次性澆筑，標號為C35混凝土。矮邊墻設置縱向止水鋼板，但在節(jié)段施工縫位置不需設置。

4.2.4 拱墻減震層施工

在拱墻初支和防水層之間設置橡膠減震墊，減震層厚度為1 cm。橡膠減震層在鋪設時，應采用射釘將減震墊固定在隧道初支面上，射釘長度為4 cm；固定點的間距拱部為0.4～0.6 m，邊墻為0.6～0.8 m，采用梅花形布置，并可根據(jù)隧道初支面平整度進行適當調(diào)整；局部凹凸較大時，應在凹處加密固定點，使減震墊與隧道初支面密貼牢固。

4.2.5 拱墻防水層施工

拱墻初期支護和二次襯砌之間應鋪設“阻燃型EVA防水板+無紡布”的防水層。土工布及防水板采用掛布臺車施工，鋪設應超前二襯施工1～2個襯砌段，便于形成二襯作業(yè)的流水化施工。固定點的間距拱部為0.5 m×0.5 m，邊墻為0.8 m×0.8 m，呈梅花形排列，并左右上下成行固定。無紡布采用熱熔墊片及水泥射釘固定于隔震墊凸起面上，防水板通過熱熔焊接固定于無紡布內(nèi)側(cè)；防水層鋪設應有足夠的松弛度，滿足防水層在澆筑二襯混凝土時向外擴張。拱墻防水層鋪設應與基層密貼、平整，無褶皺、無塌落、無破損，防止防水層在澆筑二襯混凝土時向外擴張過多而擠入隔震墊凹槽中。防水板之間搭接不小于20 cm，采用三縫焊接，縫寬不小于15 mm。

4.2.6 襯砌鋼筋施工

二襯鋼筋在鋼結(jié)構加工廠統(tǒng)一加工成半成品，由運輸車運輸至現(xiàn)場安裝成形的方式進行。加工好的鋼筋半成品應集中存放，避免暴露在外造成鋼筋銹蝕等問題，表面油漬、水泥漿和浮皮鐵銹等均應清除干凈。防水板鋪設安裝完成之后，再利用襯砌鋼筋一體化臺車的鋼筋安裝平臺進行鋼筋安裝。每層主筋安裝施工時，由外層（靠近圍巖側(cè)）到內(nèi)層先每間隔2 m設置一環(huán)主筋，并每間隔4 m用縱向連接鋼筋將其連接，形成外、內(nèi)層的主筋框架。將外、內(nèi)層主筋框架用連接筋連接，形成一個整體的框架架構，增強其整體穩(wěn)定性。安裝完成后，再依序根據(jù)卡具定位的間距安裝其余主筋，安裝其余連接鋼筋，最后按要求安裝圓形保護層墊塊[3]。

4.2.7 變形縫施工

活動斷裂帶應每6 m設置一道窄變形縫，變形縫寬度為2～3 cm；其間設置3道10 cm寬變形縫。活動斷裂帶寬變形縫采用抗震導水式止水帶，在滿足防水要求的前提下具備導水功能，且變形縫處止水帶應具有足夠的變形能力，兩段發(fā)生設防錯動時仍能正常工作。變形縫止水帶采用背貼式、中埋式兩種，其中部導水部分寬為10 cm，安裝于變形縫處，導排變形縫處的地下水。變形縫內(nèi)空隙填充聚乙烯泡沫塑料板材料，在鋪設聚乙烯泡沫塑料板前，應將二襯端頭縫處的鐵絲、鐵釘、木屑等清洗干凈、無雜物；表面縫寬均勻、縫身豎直、環(huán)向貫通，且填塞密實、外表光潔，符合規(guī)定。

4.2.8 臺車關模及澆筑

對襯砌的斷面、尺寸，鋼筋結(jié)構，防水層的施工質(zhì)量等進行工程隱蔽前的檢查，合格后方可行走二襯臺車，二襯臺車就位前應在預埋件設計位置埋設預埋件。在襯砌結(jié)構內(nèi)，應平均按125 m設置一道結(jié)構健康監(jiān)測斷面，以便及時掌握隧道結(jié)構的狀態(tài)變化，判斷隧道結(jié)構的可靠度并采取對應的控制策略，使隧道結(jié)構始終處于良好的工作狀態(tài)。

5 質(zhì)量控制

5.1 支抗錯縫質(zhì)量控制

初支鋼架在初支抗錯縫位置的鋼筋網(wǎng)片和縱向連接筋，需全環(huán)斷開。填縫前需將抗錯縫內(nèi)的初支混凝土及雜物清理干凈，再進行酚醛樹脂填縫施工，并將抗錯縫完全填充密實、不留空洞，同時確保酚醛樹脂具有較低的抗剪強度。

5.2 拱墻減震層質(zhì)量控制

拱墻橡膠減震墊安裝前，先對初期支護基面進行檢查和處理，基面應平整，無空鼓、裂縫、松酥。初期支護的平整度應符合兩凸出物之間的深長比D/L≤1/50（D為基面相鄰兩凸面之間凹進去的深度；L為基面相鄰兩凸面之間的距離，L≤1 m），否則應噴射混凝土或采用水泥砂漿進行找平處理。采用射釘固定并均勻設置橡膠減震墊，間距不宜過大，以免導致橡膠減震墊松弛，間距和數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整，需保證橡膠減震墊緊貼初支內(nèi)表面。

5.3 仰拱施工質(zhì)量控制

活動斷裂帶的仰拱不同于一般襯砌類型的仰拱。為加強隧道結(jié)構的整體穩(wěn)定性，仰拱鋼筋施工時，應在仰拱填充中部增加一層鋼筋加強層；鋼筋施工時填充加強層鋼筋錨入仰拱鋼筋，仰拱與仰拱的填充需采用同標號混凝土一次澆筑成形。由于活動斷裂帶斷面仰拱深度最深達到3.3 m，混凝土澆筑時應采用梭槽進行澆筑，禁止直接將混凝土傾倒入內(nèi)。

6 安全措施

（1）隧道穿越活動斷裂帶，巖層復雜多變，不確定性較大，隧道掉塊、坍塌風險高，須嚴格按設計要求利用超前地質(zhì)預報系統(tǒng)，加強對該隧洞地質(zhì)的超前預報，以確定開挖方法及防護措施，避免發(fā)生掉塊、突涌水等情況。

（2）在隧道開挖過程中，若突然遇到較大涌水、流砂、斷層及破碎帶時，需立即停止掌子面掘進，撤出施工人員，待采取必要的技術處理后方可恢復掘進。

（3）隧道初期支護必須嚴格按照設計參數(shù)進行施工，以確保施工質(zhì)量合格，能更好地利用并提高圍巖的自穩(wěn)能力。在采取所有設計措施仍不能阻止圍巖變形時，應采用注漿管棚或增加超前小導管支護密度等措施進行加強。

（4）加強監(jiān)控量測，通過將量測的結(jié)果與判斷標準進行比較，分析得出已施工段的隧道初期支護變形是否超標的結(jié)論，及時發(fā)出預警信息，以便采取有效措施進行防治，避免進一步變形。

（5）為確保隧道施工在出現(xiàn)緊急情況下救援工作的順利實施，應在隧道內(nèi)設置應急管道。

（6）隧道初期支護施工前均應對作業(yè)面進行仔細檢查，清除松動的巖石和噴射混凝土塊。

（7）混凝土澆筑過程中，應有專人檢查臺車受力情況；當臺車出現(xiàn)變形等異常情況時，作業(yè)人員應及時撤離作業(yè)平臺，隱患消除后方可恢復作業(yè)[4]。

7 環(huán)保措施

7.1 噪聲污染防止控制

隧道施工過程中各種機械產(chǎn)生的噪聲，在隧道封閉空間內(nèi)對作業(yè)人員的損害相較開放空間的噪聲傷害更大。同時，為避免噪聲過大對周圍自然環(huán)境內(nèi)的動物造成影響，應盡量減少多臺大型機械同時施工的情況，降低噪聲污染，應采取隔離措施或者利用消音設備對機械設備產(chǎn)生的超分貝噪聲進行減噪。

7.2 水污染防止控制

隧道內(nèi)的施工廢水應集中引排至洞口設置的污水處理站，進行集中處理，待指標合格后方可排放至地表水體，并設置專人對污水處理站進行管理。嚴禁將施工廢水直接排放至江河中，對于含沙量大且渾濁的施工生產(chǎn)廢水，應采用沉砂池處理后再排放，防止施工廢水污染地表和水體。

7.3 固體廢棄物污染控制

對于可回收的建筑垃圾，應分門別類地進行分揀以便回收利用；不能回收的施工垃圾應及時清運到指定的垃圾站統(tǒng)一處理；易爆、有毒的危險廢棄物統(tǒng)一堆放，集中銷毀；對廢棄的木塊、土工布、防水板、鋼筋、混凝土塊、砂漿等雜物進行分類堆放后集中運走。生活垃圾實行袋裝化，做到每日清理。

8 結(jié)論

采用該技術可提高高原鐵路隧道工程抗災能力，強化隧道抗震性能，增加安全冗余，可縮短大錯位導致的隧道襯砌縱向破壞范圍，以加強隧道結(jié)構整體性，可實現(xiàn)震后的快速搶通，最大限度降低列車運營影響，減少經(jīng)濟損失，間接經(jīng)濟效益巨大。該技術相較于傳統(tǒng)隧道施工技術，采取的一些特殊工藝，均可在隧道內(nèi)簡單實施，沒有污染水源及空氣的操作工藝，同時對施工廢棄物進行集中清理，確保施工環(huán)保無污染[5]。

隧道穿越活動斷裂帶抗震設防施工技術，進一步完善了高原鐵路隧道穿越活動斷裂帶的相關施工技術，具有較強的推廣應用價值，為后續(xù)的隧道穿越活動斷裂帶施工研究奠定基礎。

參考文獻

[1]萬炳宏. 隧道穿越富水活動斷裂帶抗震優(yōu)化設計研究[J]. 鐵道建筑技術， 2023（11）： 140-144.

[2]令永春. 穿越活動斷裂帶鐵路隧道震害特征及修復技術[J]. 地下空間與工程學報， 2023（3）： 1027-1037.

[3]余浩. 穿越活動斷裂帶地鐵隧道設防技術研究[J]. 建筑機械化， 2023（6）： 15-18+29.

[4]田四明， 吳克非， 于麗， 等. 穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震關鍵技術[J]. 隧道建設（中英文）， 2022（8）： 1351-1364.

[5]劉文玲. 活動斷裂帶軟巖大變形隧道開挖支護技術[J]. 鐵道建筑技術， 2022（3）： 154-159.