雙線鐵路隧道連續穿越斷層施工技術

摘要 文章通過合理優化軟弱破碎圍巖的開挖進尺，采用適合圍巖特點的短臺階施工方法，并圍繞該施工方法對超前支護措施及其他施工輔助措施進行調整，結合某鐵路隧道施工實例，研究了復雜地質條件頻繁穿越斷層隧道的施工技術要點和主要技術參數。結果表明，在確保施工安全、質量達標的基礎上加快了施工進度，加快了初期支護的閉環速度，減少了在軟弱圍巖隧道中的初期支護收斂變形，降低了以往復雜地質隧道的施工安全風險、施工投資，提高了復雜地質隧道的施工進度等。

關鍵詞 復雜地質；斷層；快速施工；軟巖

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0113-03

0 引言

隧道作為鐵路及公路工程的主要組成部分之一，其施工進度常成為項目進度控制的關鍵點。復雜地質隧道施工進度的控制，主要取決于圍巖開挖進度。基于隧道短臺階開挖技術，該文以某復雜地質隧道為例，通過對隧道施工開挖進尺的優化，在保證安全、質量的基礎上，進一步提高復雜地質隧道的施工進度，降低復雜地質隧道施工的安全風險與施工投資。

1 工程概況

某隧道全長5 550 m，洞身最大埋深約255 m，穿越10條斷層、甘莊背斜；其中1條活動斷裂。DK98+600～DK99+120為隧道淺埋段，埋深60～75 m。該隧道設橫洞1座，位于正線線路左側，與正洞相交于DK100+850，與大里程方向夾角為82°，最大埋深約256 m。

該隧道屬構造侵蝕低中山地貌。隧道區內山體連綿，山間溝渠密布，地面高程為670～1 136 m，相對高差小于500 m。自然坡度一般為5°～40°，局部稍陡、近直立。地表植被密集，多為松林或雜木，平緩處被開墾為旱地。

地表上覆第四系全新統人工填土（Q4ml）細角礫土、滑坡堆積層（Q4del）粉質黏土、細角礫土、粗角礫土；坡洪積層（Q4dl+pl）軟黏土、粉質黏土、碎石土；坡殘積層（Q4dl+el）粉質黏土、細角礫土、粗角礫土；下伏基巖為侏羅系下統馮家河組（Jlf）泥巖夾細砂巖，三疊系上統火把沖組（T3h）礫巖夾砂巖、黏土巖、炭質頁巖、頁巖及煤層，前震旦系鵝頭廠組（Pte）板巖夾白云巖、砂巖，昆陽群大龍口組（Pt1d）白云巖、灰巖夾板巖，黑山頭組（Pt1hs）粉砂質泥巖夾砂巖。

2 工程特點

該隧道穿越多個斷層，地質結構復雜，具體地質情況如表1所示，同時也是全線8座工期極高風險的隧道之一。由于云南地區地質變化頻繁，軟巖較多，綜合各種圍巖情況，選擇一種穩定快速的施工方案，對確保施工安全及工期目標的實現均具有較為重要的意義，同時具有很大的推廣價值。

3 施工方案

3.1 施工方案選定

在實際施工過程中，一般的隧道施工技術，軟弱破碎圍巖每循環開挖進尺僅為0.6 m（1榀鋼架間距）[1]；上臺階最多可實現3個施工循環，即1.8 m的日進度指標，施工速度較慢，導致仰拱初支約20 d才能閉環。該隧道的初支日變形一般為1～5 cm，累計變形可達15～60 cm。初支侵限、開裂、換拱等情況經常發生，無法達到安全高效的施工要求。由于隧道循環作業的特點，每日能夠達到的作業循環數有限，單循環進尺較少，導致初支的閉環時間過長，反而違背了軟巖施工初支早閉環的原則。

通過試驗段的施工總結，總體上采用短臺階一次開挖2榀間距的施工方案，采取超前支護等輔助措施對該方案進行調整，在確保施工安全、圍巖穩定、超前支護質量的前提下加快施工進度。

3.2 施工工藝流程

施工大致流程：上、中臺階采用機械開挖或控制爆破開挖，挖掘機將隧道洞渣扒至下臺階；上、中臺階支護，下臺階開挖、出渣；上、中臺階噴錨，下臺階支護；下臺階噴錨，上、中臺階開挖，如此進行循環作業，具體施工工藝流程如圖1所示。

采用平行作業、同步推進、部分工序交叉的原則組織施工，實現每日至少2個循環、4榀鋼架間距進尺的進度指標。

3.3 隧道開挖支護方案動態調整

采用綜合超前地質預報方法（超前水平鉆、TSP、地質雷達、瞬變電磁、地質素描、加深炮孔等相互結合），精準預判前方地質情況，選用合理的支護措施[2]。

根據開挖揭示圍巖情況及監控量測數據，通過調整鋼架型號、增加連接筋、加大加長鎖腳等方法，在初支變形收斂可控的前提下采用不同的鋼架間距。將原設計動態調整的開挖進尺固定為一次開挖2榀鋼架間距，進一步提高單循環進尺長度。

一般仰拱距離掌子面為35 m，按日均3.2 m的掘進指標進行計算，從上臺階開挖到仰拱初支閉環的理論時間僅為11 d。

3.3.1 軟巖短臺階開挖技術

一是應將下臺階作為主要作業區域，尤其是出渣作業必須在下臺階平臺上完成；二是根據超前地質預報及開挖揭示圍巖產狀進行穩定性評價，決定是否預留核心土及調整臺階高度；三是根據圍巖破碎程度合理調整中臺階長度，原則上圍巖越破碎，臺階長度越短，中層狀圍巖居多時可適當增加臺階長度。臺階長度設置如圖2所示：

3.3.2 軟巖初期支護變形收斂控制技術

Ⅴ級圍巖一般的加強措施為采用I20b型鋼鋼架，0.6 m間距，針對不同的圍巖，應采取試驗段先行的辦法確定最優的支護參數。如果受力較大，可采取加強鋼架的措施，進一步使用I22b、I25b型鋼鋼架控制變形。如果沉降較大，可采取加強鎖腳的措施，進一步使用Ф60、Ф76、Ф89無縫鋼管作為鎖腳錨管，并注漿加固。

設置2組鎖腳，先在上臺階鋼架拱腳上1.5 m高度處施作一組鎖腳，待該榀鋼架避讓核心土后，再施作第二組鎖腳，施作高度位于上臺階鋼架拱腳上30 cm處。鑒于項目圍巖軟弱，采用鎖腳錨管注漿措施進行圍巖的加強與穩固。為減少施工干擾，可每天或兩天一次對已經施作的鎖腳進行集中注漿加固。極破碎、軟弱圍巖采用Ф42系統錨管代替系統錨桿，支護參數如表2所示：

3.4 破碎圍巖超前支護技術

為實現Ⅴ級圍巖一次開挖進尺達到2榀鋼架間距，應對超前支護措施進行加強。必須采用與開挖進尺相匹配的超前支護措施。對于較為破碎、軟弱的圍巖，超前支護宜在設計的基礎上加密打設，并應在噴射混凝土對初支封閉后施作超前支護，能夠有效解決拱頂掉塊、溜塌等問題。0.6 m鋼架間距會造成小導管打設角度過大的問題，可調整該榀鋼架間距至0.8 m以上，以滿足角度要求。

破碎圍巖自身的整體性很差，導致超前小導管對圍巖有切割作用，施工時應嚴格控制超前小導管或中管棚的外插角，一般為3°～5°，避免人為造成較大超挖[3]。

4 施工工效分析

對比傳統工法45 m/月的進度指標，采用新工法后可實現月進尺80 m以上，平均增加進尺35 m/月。按照每進尺1m的施工成本為7萬元，則35 m×7萬元/m=245萬元，若按材料占比50%估算，在相同的管理費、人工費、機械使用費情況下，可節省122.5萬元/月。在扣除激勵考核費用后，共節省費用約100萬元/月，經濟效益明顯。

5 結論與建議

該隧道自實施該文提出的技術以來，將軟巖隧道日平均進尺從1.8 m提高到3.2 m，加快了施工進度。將軟巖隧道初支閉環時間從20 d減少至11 d，極大地縮短了初期支護變形收斂的時間。該文提出了軟弱圍巖隧道快速施工比慢速施工更為安全、施工質量更好的理念。將主要機械設備作業區域設置在下臺階，將不同部位、不同工序之間的施工干擾最大可能地降低，逐步實現三個臺階共同推進、部分工序交叉作業。通過合理調整臺階高度，避免因掌子面前方圍巖溜塌造成的超前支護懸空失效，減少了整修施工通道所用的時間，提高了工效。采用試驗段先行的辦法，優化了初期的支護參數，改善了由于鋼架變形造成初期支護整體受力狀況進一步惡化的情況，降低了隧道初期支護大變形及隧道“關門”的風險，提高了超前支護效果，減少了隧道拱部溜塌、掉塊。

某鐵路作為泛亞鐵路中線中國境內部分，是國家西部大開發戰略實施的重要基礎設施項目。該隧道在連續穿越多條斷層過程中，現場實施該技術，未發生任何安全質量問題，各項指標均滿足設計和規范要求，加快了施工進度。

參考文獻

[1]王曉佳.復雜地質條件下鐵路隧道施工關鍵技術分析[J].工程建設與設計，2017（6）：146-147.

[2]趙勇.隧道設計理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2019.

[3]高速鐵路隧道工程施工技術指南：鐵建設〔2010〕241號[S].北京：中國鐵道出版社，2010.