程良軍

(中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧 大連 116100)

我國高速鐵路建設(shè)正在快速發(fā)展，作為高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施，隧道工程也得到了迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，中國建成通車的高速鐵路隧道長度總計(jì)約3 200 km，數(shù)量超過2 200座，成為全世界擁有高速鐵路隧道最多的國家[1]。已故著名隧道工程專家、中國工程院院士王夢恕曾經(jīng)撰文指出：地下工程是高風(fēng)險(xiǎn)性工程，必須實(shí)事求是、科學(xué)地進(jìn)行施工。施工階段必須做到地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)手段必須是采用幾種方法同時(shí)進(jìn)行檢測的綜合性預(yù)報(bào)，應(yīng)正確選擇施工方法[2]。本文介紹目前正在建設(shè)的建平隧道施工過程中采用的有關(guān)措施，這些措施保障了施工的順利進(jìn)行。

1 工程概況

新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路位于蒙東地區(qū)的通遼與遼寧省西部地區(qū)，線路從京沈高鐵的喀左站引出，經(jīng)過朝陽市的喀左縣、建平縣和赤峰市的寧城縣、元寶山區(qū)、紅山區(qū)、松山區(qū)，最后引入赤峰西站，線路全長156.21 km。建平隧道位于遼寧省建平縣青峰山鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道全長11.34 km，起訖里程為DK30+060～DK41+400，最大埋深約230 m，為本線控制工期的重點(diǎn)工程。

建平隧道為雙線隧道，設(shè)計(jì)行車速度250 km/h。主要工程包括：正洞11 340延米、1號斜井600延米、2號斜井455延米、3號斜井683延米。2016年8月11日開工，計(jì)劃2019年5月2日完工。隧道進(jìn)、出口采用帽檐斜切開孔式緩沖結(jié)構(gòu)洞門；明洞共170 m，采用明挖法施工工藝施工；暗挖隧道共11 170 m，其中Ⅱ級圍巖560 m，采用全斷面法施工；Ⅲ級圍巖3 265 m，采用臺(tái)階法施工；Ⅳ級圍巖4 940 m，采用三臺(tái)階法施工；Ⅴ級圍巖2 405 m，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道所在區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆陞^(qū)，北東—南西走向的努魯兒虎山脈貫穿工作區(qū)南部。區(qū)內(nèi)地形切割較強(qiáng)烈，發(fā)育大量樹枝狀展布的“V”字型沖溝，沖溝切割深度多為3～15 m?？偟牡匦乌厔轂橹胁扛?，東、西部低，海拔標(biāo)高615.6～848.7 m，相對高差233.1 m。區(qū)內(nèi)山丘形狀多呈圓形，坡度一般為10°～30°，基巖裸露，大氣降水沿山坡匯入?yún)^(qū)內(nèi)地勢低洼的溝谷中。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)主要出露太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)，分布于隧道DK36+100向小里程方向；侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組安山巖、凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)砂礫巖(J3t)，分布于DK36+100向大里程方向；第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(Q3al+pl)分布于山間低凹處。隧址區(qū)域所揭露地層巖性由新到老分述如下：

1)第四系：巖性為粉質(zhì)黏土、粉土、黃土、砂類土及碎石類土，分布在調(diào)查區(qū)的低洼及溝谷處，地表露頭可見厚度約0.5～10 m，區(qū)內(nèi)第四系殘坡積、沖洪積物厚度可達(dá)50 m。

2)侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組(J3t)，分布于區(qū)內(nèi)DK36+100向大里程方向，主要巖性如下：凝灰?guī)r：灰白色，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖屑砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀、層狀構(gòu)造，主要成分為石英、長石火山碎屑及黏土礦物。凝灰質(zhì)砂巖：凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，成分為石英、長石及黏土礦物。安山巖：灰色、褐色、黑色等，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，蝕變后成綠色，主要成分為斜長石、角閃石、輝石及黑云母。分布于DK37+460～DK40+240段。

3)太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)，分布于隧道入口至DK35+300范圍內(nèi)，主要巖性為片麻巖，灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)、中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀及片麻狀構(gòu)造，主要礦物成分為長石、石英、角閃石。局部夾黑云角閃片麻巖及紅褐色二長片麻巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于叨爾登—張家營斷裂帶西側(cè)，構(gòu)造部位屬東西向構(gòu)造帶和北東向構(gòu)造帶交接地帶，其穩(wěn)定性主要受北東向構(gòu)造帶所控制。隧道進(jìn)口段內(nèi)共有5條斷層破碎帶，節(jié)理密集帶3條。太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)片麻巖與侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組凝灰?guī)r(J3t)、安山巖與凝灰?guī)r均為不整合接觸。

2.4 水文地質(zhì)

依據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件，含水層的水力性質(zhì)及特征等水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)地下水可分為第四系孔隙含水、碎屑巖類裂隙水及基巖裂隙含水3種類型。

第四系孔隙水主要分布在區(qū)內(nèi)低洼處，呈條帶狀連續(xù)或不連續(xù)分布，水位埋深1.50～13.00 m，單井涌水量小于100 m3/d。水化學(xué)類型為重碳酸鈣型，礦化度<1 g/L。

碎屑巖類裂隙水主要分布在區(qū)內(nèi)中西部，含水巖組為侏羅系上統(tǒng)金剛山組、吐呼嚕組陸相碎屑巖含水巖系。地下水除直接接收大氣降水補(bǔ)給，并承受部分第四系孔隙水的補(bǔ)給。水位埋深2.0～53.65 m，含水層厚度23.35～126.00 m，單井涌水量2.42～253.61 m3/d。水化學(xué)類型為重碳酸鈣型，礦化度0.1～0.5 g/L。

基巖裂隙水主要分布在區(qū)內(nèi)東部，含水巖組為太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)片麻巖、二長片麻巖及黑云角閃片麻巖，在局部地區(qū)構(gòu)造裂隙較發(fā)育，成為較強(qiáng)的富水地段和構(gòu)造充水帶，但富水性極不均一。水位埋深3.00～47.20 m，含水層厚度13.58～93.19 m，單井涌水量5.36～609.72 m3/d，水化學(xué)類型為重碳酸鈣型、硫酸鈣型水，礦化度0.1～0.49 g/L。

2.5 地震參數(shù)

地震烈度分區(qū)為Ⅶ度，屬于輕微地震破壞區(qū)。地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，反應(yīng)譜特征周期Tg=0.25 s。

3 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工

3.1 實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要性

從巖性方面分析，第四系上更新統(tǒng)洪坡積層存在人工填土、新黃土、膨脹巖等不良地質(zhì)現(xiàn)象。太古界建平群小塔子溝組片麻巖及黑云角閃片麻巖，經(jīng)鉆孔洞身取樣測試，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為81.5～91.1 MPa，且洞身埋深大，存在洞身圍巖發(fā)生巖爆的可能性。從地質(zhì)構(gòu)造方面分析，隧道進(jìn)口段內(nèi)共有5條斷層破碎帶，節(jié)理密集帶3條，在斷層破碎帶及其影響帶范圍內(nèi)施工時(shí)易引起坍方；太古界建平群小塔子溝組與侏羅系上統(tǒng)吐呼嚕組為不整合接觸，不整合面存在巖體穩(wěn)定問題和滲水、突水問題。

由上面的分析可以看出，建平隧道隧址位于低山區(qū)，不良地質(zhì)較多，施工時(shí)易引起巖爆、圍巖失穩(wěn)、塌方、突泥涌水等情況。Q/CR9217—2015《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》[3]要求：隧道應(yīng)對軟弱夾層、物探異常帶、巖體破碎帶等發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，并將超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)納入施工工序。因此，本隧道施工過程中將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工工序管理，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌握掌子面前方圍巖地質(zhì)情況，并及時(shí)反饋，隨時(shí)調(diào)整方案，正確指引施工。做到先探測后施工，不探測不施工。

3.2 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工流程

根據(jù)建平隧道工程地質(zhì)條件，確定以下預(yù)報(bào)方案：在地質(zhì)調(diào)查法的基礎(chǔ)上，采用地震波反射法進(jìn)行中長、長距離探測，再采用加深炮孔探測，超前鉆探、補(bǔ)充短距離雷達(dá)和物探紅外探測法進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)?；诔暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)完整施工流程如圖1所示。

3.3 施工效果

在基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工流程中，有兩個(gè)方面是需要特別重視的：一個(gè)方面是綜合預(yù)報(bào)，對于重要的、地質(zhì)條件復(fù)雜的地段必須要用多種預(yù)報(bào)手段相互驗(yàn)證，提高預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性；另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是及時(shí)將預(yù)測數(shù)據(jù)、結(jié)果反饋至設(shè)計(jì)院與施工單位，針對主要地質(zhì)問題的性質(zhì)、規(guī)模及位置，提出施工建議，調(diào)整設(shè)計(jì)、改變施工方案，保障施工的安全。

例如，2017年8月10日對1號斜井中利用TSP203進(jìn)行了彈性波中長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)范圍為DK33+002～DK32+896，預(yù)報(bào)結(jié)果如下：洞身DK33+002～DK32+986段巖體較破碎，地下水較發(fā)育；洞身DK32+986～DK32+924段巖體較破碎、局部破碎，裂隙較發(fā)育—發(fā)育，會(huì)出現(xiàn)裂隙線狀出水，建議該段及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)措施和防排水措施；洞身DK32+924～DK32+896段圍巖巖性變好。

圖1 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工流程

為了保障施工安全，隨著施工的進(jìn)行，在該地段連續(xù)采用地質(zhì)雷達(dá)及紅外探測法進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)。2017年8月6日對DK33+015～DK32+985段進(jìn)行探測，2017年8月14日對DK32+990～DK32+960段進(jìn)行探測，2017年8月25日對DK32+965～DK32+935段進(jìn)行探測，2017年9月3日對DK32+940～DK32+910段進(jìn)行探測。各段探測分析結(jié)果大致相同，預(yù)報(bào)結(jié)果如下：該段節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，局部存在裂隙夾泥或軟弱夾層，工程地質(zhì)條件較差，圍巖穩(wěn)定性差，易坍塌、掉塊。

預(yù)報(bào)結(jié)果反饋到施工單位后，施工單位高度重視，及時(shí)采取了合理的應(yīng)對措施，順利的通過了該地段。

4 不良地質(zhì)地段的應(yīng)對措施

4.1 斷層破碎帶地段施工措施

本隧道進(jìn)口段內(nèi)共有5條斷層破碎帶，在這些地段施工時(shí)易引起災(zāi)害，對此采取如下應(yīng)對措施，確保整個(gè)地段施工的安全：

1)充分重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，根據(jù)預(yù)報(bào)資料確定相應(yīng)的方案后，再開始下一循環(huán)施工。在施工過程中，還要根據(jù)掌子面圍巖的具體情況，及時(shí)調(diào)整施工方案和支護(hù)參數(shù)。

2)施工前提前采取防排水措施，施工過程中要充分關(guān)注地下水狀態(tài)，采取針對性的措施，盡可能將地下水堵截于隧道之外。

3)采用超前支護(hù)技術(shù)[4]，先固后挖，密閉支撐，邊挖邊封閉。開挖前打設(shè)超前管棚，并注漿加固圍巖，然后再開挖。水量過大時(shí)，也可考慮注入化學(xué)漿液堵水，如局部出現(xiàn)漏漿可采用發(fā)泡注漿搶堵劑進(jìn)行封堵。

4)施工力求安全穩(wěn)妥，不盲目冒進(jìn)。采用微震爆破技術(shù)[4]，用淺眼、密眼進(jìn)行爆破，并嚴(yán)格控制用藥量。開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，盡快使用全斷面襯砌封閉，減少巖層的暴露時(shí)間，減少圍巖松動(dòng)和地壓增大的危害。

5)加密圍巖變形監(jiān)控量測的頻率，如果發(fā)現(xiàn)圍巖變形出現(xiàn)異常，立即采取有效措施進(jìn)行處理。依據(jù)監(jiān)控量測的結(jié)果分析，適時(shí)進(jìn)行二次襯砌。

4.2 巖爆段施工應(yīng)對措施

隧道DK34+060～DK34+620里程段主要為片麻巖及黑云角閃片麻巖，圍巖分級以Ⅱ級為主，經(jīng)鉆孔洞身取樣測試，單軸飽和抗壓強(qiáng)度81.5～91.1 MPa，且洞身埋深大，存在洞身圍巖發(fā)生巖爆的可能性。為減少巖爆對施工的危害，施工時(shí)采取以下應(yīng)對措施：

1)重視巖爆的預(yù)測預(yù)報(bào)。以綜合預(yù)報(bào)手段進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，根據(jù)探測結(jié)果，參考有關(guān)資料及類比類似條件工程，判斷巖爆發(fā)生的可能性，指導(dǎo)后續(xù)施工。

2)根據(jù)預(yù)報(bào)反映的巖爆強(qiáng)度大小，采用相應(yīng)的施工措施[5]：①首先要給主要的施工設(shè)備和施工人員增設(shè)臨時(shí)性的防護(hù)設(shè)備，避免巖爆彈射出的塊體傷及作業(yè)人員和砸壞施工設(shè)備。②通過噴灑高壓水或提前掘進(jìn)導(dǎo)坑等方式，促進(jìn)地應(yīng)力釋放和調(diào)整，然后再進(jìn)行隧道的開挖。③采用短進(jìn)尺、弱爆破的開挖方法，每循環(huán)進(jìn)尺控制在1.0～1.5 m左右，淺孔爆破，光面爆破，少裝藥，減小爆破應(yīng)力場的影響。④采用鋼纖維噴射混凝土，厚度為5～8 cm，及時(shí)對開挖面進(jìn)行支護(hù)，盡可能縮短開挖面的暴露時(shí)間，最大程度減輕巖爆的可能性。

3)做好巖爆發(fā)生時(shí)的處理預(yù)案。①發(fā)生巖爆時(shí)，人員在安全距離地段躲避，機(jī)械迅速駛離現(xiàn)場，到達(dá)安全區(qū)域，停機(jī)待命。②確認(rèn)巖爆平靜后，及時(shí)撬頂，清除爆裂的巖石，不論在掌子面、拱部、兩側(cè)邊墻，都要進(jìn)行2～3次找頂。同時(shí)進(jìn)行工作面的觀察記錄，如巖位置、強(qiáng)度、類型、數(shù)量及山鳴等。③施工人員向工作面及附近洞壁巖體灑高壓水，以降低巖體強(qiáng)度，減弱巖體的脆性，同時(shí)起到降溫除塵的作用。初期支護(hù)緊跟開挖面，盡可能減少巖層爆露時(shí)間，減少巖爆發(fā)生，確保人員安全。④及時(shí)噴射鋼纖維混凝土，厚度為5～8 cm。盡快施作能盡早受力的磨擦型錨桿(或早強(qiáng)錨桿)，作為施工支護(hù)。

4.3 松散巖體地段施工應(yīng)對措施

隧道DK30+230～DK30+760、DK40+440～DK41+350為淺埋地段，巖體破碎，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)；DK36+220～DK36+505、DK37+135～DK37+955、DK38+720～DK38+905、DK39+025～DK39+175及DK39+445～DK39+930段節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎—較破碎，呈角礫碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，施工中容易發(fā)生塌方現(xiàn)象。為減少塌方對施工危害，施工時(shí)采取以下應(yīng)對措施：

1)在重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對地表沉降、拱頂下沉、圍巖收斂等指標(biāo)的監(jiān)控量測，認(rèn)真觀察開挖工作面的一系列變化，特別要注意裂隙滲水的渾濁程度、拱頂?shù)魤K情況、圍巖裂縫寬度的變化情況等，通過綜合判斷，分析是否出現(xiàn)坍方的前兆。

2)選擇合適的施工方式：①采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿，提高圍巖的自承能力，減少圍巖松弛變形；②采取大拱腳臺(tái)階法分步開挖，嚴(yán)格控制進(jìn)尺，減少爆破裝藥量，盡量減小開挖對圍巖的擾動(dòng)；③及時(shí)支護(hù)，利用鎖腳錨桿加強(qiáng)支護(hù)，防止由于拱腳下沉和內(nèi)移引起過大變形而導(dǎo)致拱部巖層坍塌。

3)做好隧道塌方發(fā)生后的應(yīng)急預(yù)案。洞口常備一定數(shù)量的搶險(xiǎn)材料，一旦發(fā)生塌方，利用搶險(xiǎn)材料迅速加固塌體兩端的原有支護(hù)，快速清除危石，注漿加固大裂縫，及時(shí)施作護(hù)拱。

4.4 軟巖地段施工技術(shù)措施

DK36+220～DK36+505、DK37+135～DK37+275、DK37+575～DK37+955、DK39+215～DK39+405、DK39+445～DK39+980、DK40+180～DK40+280及DK40+440～DK41+350段屬于軟弱圍巖，施工中應(yīng)采取以下應(yīng)對措施：

1)防水工作對于控制軟巖的大變形至關(guān)重要，施工過程中高度重視防水。在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地下水賦存情況預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)中在掌子面處適度安排超前探孔，進(jìn)一步探明地下水情況。較小水量的地下水沿排水溝隨挖隨排；水量較大的地段先進(jìn)行注漿止水，然后再掘進(jìn)。

2)選擇合適的施工方法[6]。嚴(yán)格控制炮眼數(shù)量，適度降低深度、減少裝藥量，盡可能減少爆破對圍巖的震動(dòng)破壞；盡量縮短各施工工序之間的距離，盡快施作初支，及早襯砌封閉；適當(dāng)加長錨桿并擴(kuò)大錨設(shè)范圍；采用適當(dāng)加大預(yù)留變形量的措施，以保證隧道的限界；加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)量測結(jié)果適時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3)做好軟巖變形坍塌事故的應(yīng)急處理預(yù)案。做好人員、物資準(zhǔn)備，一旦發(fā)生事故，立即成立事故搶救指揮中心，盡快做出符合實(shí)際的搶救方案，及時(shí)開展搶救工作。

5 結(jié)語

本文以建平隧道作為研究對象，首先分析了該隧道的工程地質(zhì)條件，然后針對其工程地質(zhì)條件，選取有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，綜合各種預(yù)報(bào)手段，盡可能地使預(yù)報(bào)結(jié)果接近實(shí)際地質(zhì)情況。嚴(yán)格按照地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行施工，并對地質(zhì)條件復(fù)雜地段采取了相應(yīng)的應(yīng)對措施。實(shí)踐證明，上述措施都是有效的，自2016年8月11日開工以來，施工順利，截至2018年6月30日，僅正洞剩余5 652 m，可以保證按期完工。

地質(zhì)條件的復(fù)雜性給隧道工程施工帶來了巨大挑戰(zhàn)，盡管在施工之前進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘查，開挖以后，還是會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的地質(zhì)條件與勘查報(bào)告有很大出入，這就需要施工人員作出合理的抉擇。系統(tǒng)地開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，基于地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果采取有效的應(yīng)對方案，選擇適宜的施工方法和支護(hù)參數(shù)，才能有效保證隧道施工期間的安全。