復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)探討

摘 要：研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工技術(shù)，為未來(lái)的工程項(xiàng)目積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，提高施工方應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜挑戰(zhàn)的能力。對(duì)鐵路隧道施工中遇到的巖溶、瓦斯、膨脹性地質(zhì)、突水突泥等地質(zhì)條件，需做好前期地質(zhì)勘察工作，并不斷優(yōu)化其通風(fēng)技術(shù)、洞口工程施工技術(shù)、盾構(gòu)施工等多種適應(yīng)于復(fù)雜地質(zhì)條件的先進(jìn)技術(shù)。采取綜合管理和技術(shù)應(yīng)對(duì)措施，預(yù)防和管理施工過程中遇到的各類地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)問題。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)條件；鐵路隧道；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）08-0007-03

0 引言

在鐵路網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張時(shí)，越來(lái)越多的隧道工程也在施工中遇到了復(fù)雜的地質(zhì)條件。由于鐵路線路通常需穿越山脈、河流和地下水系統(tǒng)等各種地形與地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此施工工程會(huì)需要處理不同類型的地質(zhì)環(huán)境。這些復(fù)雜條件增加了施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要通過科技進(jìn)步和創(chuàng)新方法有效提高施工安全，減少人員傷亡和機(jī)械損壞事故。

1 工程概述

某項(xiàng)目包含七個(gè)隧道工程，其中5個(gè)長(zhǎng)度超出1 km，這些隧道主要采用單軌設(shè)計(jì)，并伴有多個(gè)輔助導(dǎo)坑，但洞內(nèi)空間狹小，施工運(yùn)輸困難。該區(qū)域水資源豐富，需要多個(gè)反坡排水點(diǎn)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(zhì)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(zhì)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(jí)和V級(jí)的軟巖比例高達(dá)76%，導(dǎo)致施工效率低下，面臨極大的施工挑戰(zhàn)。

2 鐵路隧道施工中常見的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境

2.1 巖溶環(huán)境

巖溶環(huán)境是指地下巖層由于溶蝕作用而形成的一種特殊地質(zhì)形態(tài)，其特點(diǎn)是地下巖層中存在溶洞、溶巖、喀斯特地貌等地質(zhì)構(gòu)造。在隧道施工過程中，巖溶環(huán)境可能導(dǎo)致地下水位變化、地層坍塌、巖體穩(wěn)定性下降等問題，增加施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

為應(yīng)對(duì)巖溶環(huán)境的挑戰(zhàn)，施工團(tuán)隊(duì)需要采取相應(yīng)的地質(zhì)勘察和預(yù)測(cè)措施，采用注漿加固、錨桿支護(hù)等適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)和加固技術(shù)加強(qiáng)巖體的穩(wěn)定性，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率，保障隧道施工的順利進(jìn)行[1]。

2.2 瓦斯環(huán)境

瓦斯環(huán)境指地下巖層中含有大量可燃?xì)怏w，如甲烷、乙烷等，其主要來(lái)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(huán)境可能導(dǎo)致地下爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重安全事故，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)和難度。

為了有效應(yīng)對(duì)瓦斯環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)，施工團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察和瓦斯預(yù)測(cè)，確保對(duì)瓦斯分布、濃度和運(yùn)移規(guī)律有準(zhǔn)確的了解。并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施，如通風(fēng)排瓦斯、瓦斯抽放等技術(shù)手段，控制瓦斯的釋放和擴(kuò)散，降低火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 膨脹性環(huán)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(fā)生體積膨脹變形。在隧道施工過程中，遇到膨脹性地質(zhì)環(huán)境會(huì)引發(fā)隧道圍巖變形、隧道結(jié)構(gòu)損壞等問題，增加施工風(fēng)險(xiǎn)和工程難度。

為有效應(yīng)對(duì)膨脹性環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)，施工團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察和預(yù)測(cè)，充分了解隧道所處地質(zhì)條件及其膨脹性特點(diǎn)。并采取相應(yīng)的支護(hù)和加固措施，如鋼筋混凝土襯砌、地下注漿等技術(shù)手段，增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，防止因膨脹性變形引發(fā)的施工事故[2]。

2.4 突水、突泥環(huán)境

地下水源或泥漿突然涌入隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，將導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)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(yán)重影響隧道施工的進(jìn)行和安全。為了有效應(yīng)對(duì)突水、突泥環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)，施工團(tuán)隊(duì)需要采取相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)急措施。

需進(jìn)行細(xì)致的地質(zhì)勘察和預(yù)測(cè)，充分了解隧道所處地質(zhì)條件和地下水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的突水、突泥隱患。采取防水、排水和圍巖支護(hù)等技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)控制，防止突水、突泥。還需要制定應(yīng)急預(yù)案，培訓(xùn)施工人員的應(yīng)急處理能力，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，最大程度地減少施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 軟弱圍巖

隧道圍巖屬于較軟、易塌陷、抗壓強(qiáng)度較低的巖層或土層，如果處理不好，在施工時(shí)會(huì)發(fā)生地層塌方、圍巖變形、地表沉降等問題，增加施工的復(fù)雜度和風(fēng)險(xiǎn)。為了有效應(yīng)對(duì)軟弱圍巖環(huán)境，施工團(tuán)隊(duì)需要采取一系列的地質(zhì)勘察和預(yù)測(cè)措施，充分了解軟弱圍巖的特性和變化規(guī)律。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工的相關(guān)技術(shù)

3.1 洞身開挖施工技術(shù)

在施工時(shí)需要根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果確定開挖工藝。對(duì)于巖層較軟的情況，采用鉆孔爆破法進(jìn)行開挖時(shí)，需要精確控制鉆孔的直徑、間距以及裝藥量等參數(shù)。對(duì)于硬巖地層，使用機(jī)械挖掘時(shí)，要選擇合適的挖掘機(jī)械類型和參數(shù)，做好挖掘機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、刀具形式和數(shù)量等配比。在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，往往存在水文地質(zhì)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(shè)深度等參數(shù)，需要經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算和實(shí)地測(cè)試，以保證施工現(xiàn)場(chǎng)的干燥和穩(wěn)定[3]。在施工過程中，地質(zhì)構(gòu)造不均勻可能導(dǎo)致洞體不穩(wěn)定，因此需要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的具體情況，調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

3.2 地下水的治理技術(shù)

在隧道開挖、支護(hù)和施工過程中，針對(duì)地下水涌入、滲漏等問題要進(jìn)行綜合調(diào)控，有效控制地下水的涌入，以確保施工進(jìn)度、保障工程安全并減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。地下水治理工作的開展需要進(jìn)行充分的地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)調(diào)查，以深入了解隧道施工地區(qū)的地質(zhì)條件、地下水位、水文地質(zhì)特征等信息。基于這些信息，制定針對(duì)性的地下水治理方案。

在實(shí)際操作中，常采用的地下水治理技術(shù)包括抽水降水法、封閉式凍結(jié)法、化學(xué)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(shù)。其通過設(shè)置井點(diǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)周圍抽取地下水，從而降低地下水位，減少對(duì)隧道工程的不利影響。封閉式凍結(jié)法通過在地下注入冷凍液體，使周圍土層形成凍結(jié)帶，從而控制地下水的流動(dòng)。化學(xué)固化法則是通過注入化學(xué)固化劑，使地下水固化成堅(jiān)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(shè)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(duì)隧道施工的影響。

3.3 隧道支護(hù)施工技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和隧道設(shè)計(jì)要求，確定合適的支護(hù)方案。考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜性，常采用如鋼架支護(hù)、錨桿噴錨、注漿加固等多種支護(hù)措施的組合。根據(jù)支護(hù)方案進(jìn)行隧道周圍巖體的開挖和清理工作，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全施工。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝和固定，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體之間的緊密結(jié)合。要按進(jìn)度進(jìn)行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和損壞情況，以維護(hù)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全通行[4]。

3.4 通風(fēng)技術(shù)

鐵路隧道施工的通風(fēng)技術(shù)是指對(duì)隧道內(nèi)部空氣進(jìn)行有效的調(diào)控和管理，保障作業(yè)區(qū)域內(nèi)施工人員的安全和工作環(huán)境的舒適。通風(fēng)技術(shù)的實(shí)施需要考慮隧道長(zhǎng)度、地質(zhì)條件、施工進(jìn)度以及施工人員的安全要求等因素。當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)通常包括通風(fēng)井、通風(fēng)管道、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，其布局應(yīng)充分考慮隧道的幾何形狀和地質(zhì)特征，要讓空氣能在隧道內(nèi)均勻流動(dòng)并有效及時(shí)地排除污染物。通風(fēng)系統(tǒng)的操作需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

在施工過程中，隧道內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生大量塵埃、有害氣體和熱量，因此需要通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度和方向，及時(shí)排除污染物，并向隧道內(nèi)送入新鮮空氣，以維持良好的空氣質(zhì)量和適宜的溫度。此外還應(yīng)結(jié)合施工進(jìn)度和工藝要求進(jìn)行優(yōu)化。例如，在施工過程中，需要調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的工作模式，適應(yīng)不同的施工階段和作業(yè)區(qū)域，定期對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，讓鐵路隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.5 洞口工程施工技術(shù)

通過對(duì)地質(zhì)條件、地層構(gòu)造、地下水位等因素的詳細(xì)調(diào)查和分析，確定洞口施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，可為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)和依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，制定合理的洞口支護(hù)方案。考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜性，常采用如噴射混凝土支護(hù)、地鉆爆破支護(hù)等多種支護(hù)技術(shù)的組合。

根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行洞口施工現(xiàn)場(chǎng)的布置和準(zhǔn)備工作，采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)備和爆破技術(shù)，對(duì)洞口周圍的巖石進(jìn)行有效開挖和處理。在洞口施工過程中，需要密切監(jiān)測(cè)地下水位和巖體穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害和安全隱患，并結(jié)合洞口開挖情況和地質(zhì)特征，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝和固定。完工后還要對(duì)洞口周圍的地表進(jìn)行整形和修復(fù)，減少對(duì)環(huán)境的影響，保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境。

3.6 盾構(gòu)施工

盾構(gòu)施工是一種機(jī)械化的隧道掘進(jìn)方法，通過盾構(gòu)機(jī)在地下推進(jìn)，完成掘進(jìn)和支護(hù)工作。盾構(gòu)施工技術(shù)能夠有效應(yīng)對(duì)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(fù)雜的地質(zhì)條件下開展鐵路隧道的施工建設(shè)工作。

盾構(gòu)施工的步驟包括：①根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型和刀具。②安裝和調(diào)試盾構(gòu)機(jī)，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。③進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)和掘進(jìn)工作，根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整推進(jìn)速度和刀具參數(shù)，確保施工安全和效率。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，通過盾構(gòu)機(jī)后部的支撐系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，防止地層塌方和坍塌。④利用盾構(gòu)機(jī)前端的壓力注漿系統(tǒng)，對(duì)地層進(jìn)行固化和加固，保證施工面的穩(wěn)定。⑤隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，對(duì)隧道的內(nèi)部進(jìn)行設(shè)備安裝、管道敷設(shè)等工程，最終完成整個(gè)隧道的建設(shè)。

3.7 雙層壁導(dǎo)坑技術(shù)

雙層壁導(dǎo)坑技術(shù)通過在地面上形成兩層壁體，在地下挖掘隧道時(shí)提供了更穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少了隧道施工中可能遇到的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。在地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造活躍、地下水位高或者存在大量松散的土壤等復(fù)雜地質(zhì)情況下，傳統(tǒng)的隧道施工方法會(huì)產(chǎn)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(wěn)固的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)確保施工安全和隧道的穩(wěn)定性。

施工時(shí)要根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和工程要求，確定雙層壁導(dǎo)坑的尺寸和形狀，并進(jìn)行地面預(yù)制構(gòu)件的制作。在地面上挖掘第一層壁體的導(dǎo)坑，通常采用深基坑開挖技術(shù)，以確保導(dǎo)坑的穩(wěn)定性和安全性。將預(yù)制的第一層壁體構(gòu)件安裝到導(dǎo)坑內(nèi)，形成第一層壁體結(jié)構(gòu)，在第一層壁體結(jié)構(gòu)上方再次開挖導(dǎo)坑，形成第二層壁體的空間。在這個(gè)過程中，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施，以防止地層坍塌和地下水的滲透，然后再將預(yù)制的第二層壁體構(gòu)件安裝到導(dǎo)坑內(nèi)，形成第二層壁體結(jié)構(gòu)。

4 鐵路隧道施工注意事項(xiàng)

4.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)測(cè)

開展鐵路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，應(yīng)考慮地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)、工程設(shè)計(jì)方案以及先前類似工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過定量和定性的方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和分類。同時(shí)，監(jiān)測(cè)工作也是必不可少的，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位、地表沉降、隧道周邊巖層變形等指標(biāo)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的異常情況，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整和處理。

綜合運(yùn)用各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，如地面測(cè)量、地下水位監(jiān)測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等，可以及時(shí)獲取準(zhǔn)確的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)提供有效的依據(jù)。在整個(gè)施工過程中，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)測(cè)應(yīng)該是持續(xù)進(jìn)行的，隨著施工進(jìn)展和地質(zhì)條件的變化，及時(shí)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)管理策略，確保施工的安全、高效進(jìn)行。

4.2 突泥災(zāi)害防治

在鐵路隧道施工中，突泥災(zāi)害是一種常見而嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，特指地下水滲入隧道施工工程面前的高處，導(dǎo)致工作面突然泥漿泛涌的情況。這種災(zāi)害往往由于地下水位高漲或者松散的地層條件導(dǎo)致，一旦發(fā)生會(huì)對(duì)施工安全和進(jìn)度造成嚴(yán)重威脅。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行鐵路隧道施工時(shí)，必須高度重視突泥災(zāi)害防治。

預(yù)防和治理突泥災(zāi)害的措施可以從多個(gè)方面進(jìn)行。通過充分的地質(zhì)勘察和監(jiān)測(cè)，了解隧道施工地段的地下水情況、地質(zhì)構(gòu)造特征等，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的突泥風(fēng)險(xiǎn)隱患。采取合理的排水措施，包括地下排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工，以降低地下水位，可減少突泥發(fā)生的可能性。在施工工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置臨時(shí)防護(hù)措施，如加固工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)、加固隧道掘進(jìn)機(jī)的封閉結(jié)構(gòu)等，以防止突泥災(zāi)害對(duì)施工的影響。

4.3 做好洞口排水系統(tǒng)

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)通常處于地勢(shì)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(tǒng)，將會(huì)導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)積水，影響施工進(jìn)度并增加工程風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)雜地質(zhì)條件下，隧道周圍的地層結(jié)構(gòu)會(huì)存在裂隙、孔洞等漏水通道，若不及時(shí)排除水分，可能會(huì)導(dǎo)致隧道坍塌、地層沉降等安全隱患。因此，洞口排水系統(tǒng)的施工應(yīng)該提前規(guī)劃，并且結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和氣候特點(diǎn)，采取設(shè)置排水溝、挖掘排水渠、建設(shè)排水管道等方式，將周圍的雨水和地下水引導(dǎo)至合適的排水出口，確保施工現(xiàn)場(chǎng)保持干燥。根據(jù)實(shí)際情況安裝排水泵站等設(shè)備，以應(yīng)對(duì)特殊天氣或地質(zhì)條件下的大量水源。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路隧道工程會(huì)頻繁遇到復(fù)雜地質(zhì)狀況，面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，更應(yīng)強(qiáng)化對(duì)地鐵隧道地質(zhì)特性的分析力度，運(yùn)用合適的施工方法，這樣才能保障施工的品質(zhì)，進(jìn)而為鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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