滇中引水螺峰山隧道下穿运营铁路施工安全风险管控研究

杨格

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610031）

1 前言

中国水资源较为匮乏，而且分布极其不均匀，因此南水北调、滇中引水等水资源调配工程应运而生，此类工程一般跨越区域大，影响范围广。中国铁路近20年来的高速发展，引水隧道与铁路线相交、冲突的工况很多，而铁路作为国民经济的大动脉，营业线安全关系着国计民生，如何实现水工隧道安全穿越铁路线的施工技术有很大的研究和实用价值。本文以滇中引水工程螺峰山隧道的成功下穿玉蒙铁路汉邑隧道对此类工程的施工安全技术进行分析和归纳，为类似工程提供有成功实例的借鉴。

2 工程概况

螺峰山隧道位于云南省玉溪市区，隧道走向由北向南，全长14 571 m。隧道横断面为城门洞型，宽4.12 m，高4.86 m，开挖面积约18.52 m2，为输水隧道。隧区为侵蚀地貌、构造侵蚀溶蚀地貌。隧洞沿线地形坡度20°～40°。地层岩性有长石石英砂岩、砂岩、泥岩、砾岩、泥灰岩等。隧道穿越小江、西有普渡河、南临曲江等断裂带。

螺峰山隧道与玉蒙铁路汉邑隧道为交叉关系：螺峰山隧道前段由北方向往南方向施工，玉蒙铁路隧道为西北向东南走向。螺峰山隧道YX61+527.078与玉（溪）蒙（自）铁路存在立体交叉，交叉段为隧洞下穿铁路隧道，穿越处为五级围岩，洞身段岩体较破碎，厚度约32 m，大于3倍洞高，该处隧洞埋深100～110 m，如图1所示。

图1 螺峰山隧道与玉蒙铁路汉邑隧道相交关系图

3 风险分析及对应措施

螺峰山隧道爆破产生的爆破震动、冲击波、噪声等对铁路运营会产生影响，特别是爆破震动对营业线运营安全的影响较大，为控制重点。为确保玉蒙铁路汉邑隧道运营安全和螺峰山隧道施工安全，首先应进行有效的超前地质预报，精确掌握影响洞段的围岩情况；合理选择交叉影响段施工方法，螺峰山隧道与铁路交叉段前后各200 m范围采用机械或人工进行开挖；与铁路交叉段前后各1 km范围（不含交叉段前后200 m）采用控制爆破；采用有效的监测手段对汉邑隧道和螺峰山隧道进行监控，掌握变化动态。最后，应建立应急救援体系，防患于未然，确保铁路隧道运营和水工隧道施工安全。

4 超前地质预报

多种类相印证的预报方法如下。

地质分析法：利用钻探和现代物探等手段，探测隧道岩土体开挖面前方的地质情况，在施工前通过分析隧道介质物性差异特点，掌握前方的岩土体结构、性质、状态以及地下水的赋存情况、地应力情况等地质信息。

加深炮孔法：应在施工超前地质预报洞段全覆盖（采用超前钻探洞段除外），前后探测循环宜有适当重合段。揭示岩溶或者地质条件复杂时应增加孔数。

超前地质钻探：超前水平钻孔相比加深炮孔探测距离较长，花费时间也较多，一般每次钻30 m，搭接5 m。主要布置在地质复杂洞段，与加深炮孔形成长短结合的钻孔探测，每断面根据情况布1～3个孔。

长距离物探法：以TRT为主。通过对人造地震波的收集分析和成像，形成隧洞地质情况三维成像，每次可以预测长度约120 m。

短距离物探法：以地质雷达法为主，利用雷波对前方0～35 m地质情况进行预测。

5 施工工法及控制措施

螺峰山隧道下穿玉蒙铁路交叉段前后各1 km范围（不含交叉段前后200 m），采用控制爆破，铁路隧道控制爆破振动速度不大于2 cm/s。

5.1 控制爆破设计

爆破试验及参数选择：施工前通过工艺试验确定爆破参数；对参数进行优化，控制爆破振动速度小于2 cm/s。

爆破器材如表1所示，采用φ32乳化炸药。该类炸药主要性能为：药卷密度为0.95～1.25 g/cm3，殉爆距离大于等于3 cm，猛度大于等于12 mm，爆速大于等于3 200 m/s，爆力大于等于320 mL。雷管采用非电毫秒导爆雷管，连接击发管击发针引爆。非电毫秒导爆雷管共采用1～9号奇数段位。

表1 爆破器材

掏槽方式：根据断面尺寸及围岩特性采用楔形掏槽，掏槽位置选择在隧洞中线位置。

炮眼布置参数：周边眼距离周边轮廓线20 cm处开始钻眼，眼底向轮廓线方向倾斜，硬岩可达到或稍超出轮廓线位置，中硬岩眼底距轮廓线约0.1 m，软岩为垂直眼，周边眼采用不耦合装药及间隔装药（通过实验确定参数），再通过爆破效果对爆破参数进行修正。具体如表2所示。

表2 炮眼布置参数表（单位：cm）

Ⅳ、Ⅴ类围岩钻爆设计：采用光面爆破，掏槽采用二级楔形掏槽，掏槽眼长度比辅助眼深0.1～0.2 m。周边眼间距0.40～0.35 m，线装药集中度q为0.2～0.3 kg/m，每循环开挖进尺控按1.6～1.8 m进行控制。Ⅳ类围岩开挖炮眼布置如图2所示。Ⅴ类围岩开挖炮眼布置如图3所示。

图2 Ⅳ类围岩开挖炮眼布置

图3 Ⅴ类围岩开挖炮眼布置图

堵塞方式：严格按爆破设计图装约，炮泥堵塞长度不小于20 cm。

爆破效果检查和参数优化：爆破后应对超欠挖，开挖轮廓、进尺及石渣块大小等进行检查，当存在问题时要有针对性地调整爆破参数。

爆破振动控制和验算：根据GB 6722—2014《爆破安全规程》规定，铁路隧道控制爆破振动速度不应大于2 cm/s。

式（1）中：v为地面质点峰值振动速度，cm/s；Q为炸药量，kg，齐发爆破时为总药量，延时爆破时为最大一段药量；R为观测（计算）点到爆源的距离，m；k、α分别为与爆破点至计算点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按表3选取，也可通过类似工程选取或现场试验确定。

表3 爆区不同岩性的K、α值与岩性的关系

爆破震动安全距离按下式计算：

式（2）中：V为地震安全速度，本工程按V=2 cm/s控制；Q为最大一段药量，本工程中为11.3 kg，为辅助眼段位；m=1/3；K、a为有关系数。

将数值代入式（2）得：

坚硬岩石：R=（K/V）1/aQm＝（50/2）1/1.3×11.31/3=11.89×2.244≈26.68 m。

坚硬岩石：R=（K/V）1/aQm＝（150/2）1/1.5×11.31/3=17.78×2.244≈39.9 m。

坚硬岩石爆破震动安全距离为26.68～39.9 m。

中硬岩石：R=（K/V）1/aQm＝（150/2）1/1.5×11.31/3=17.78×2.244≈39.9 m。

中硬岩石：R=（K/V）1/aQm＝（250/2）1/1.8×11.31/3=14.62×2.244≈32.8 m。

中硬岩石爆破震动安全距离为39.9～32.8 m。

软岩石：R=（K/V）1/aQm＝（250/2）1/1.8×11.31/3=14.62×2.244≈32.81 m。

软岩石：R=（K/V）1/aQm＝（350/2）1/2.0×11.31/3=13.23×2.244≈29.69 m。

软岩石爆破震动安全距离为32.81～29.69 m。

按最不利单段最大药量为11.3 kg时，距离爆区39.9 m外爆破振动速度小于2 cm/s，交叉段前后200 m不采用爆破开挖，技术条款要求控制爆破振动速度2 cm/s，因此交叉段爆破施工期间爆破震速度满足相关施工技术要求，对铁路影响可控。

5.2 机械开挖

螺峰山隧道下穿玉蒙铁路交叉段前后各200 m采用机械开挖，机械开挖根据现场实际情况采用悬臂掘进机进行开挖，铣挖机配合进行修边。

悬臂掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S形左右循环向上的切割路线逐级切割以上部分。选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始切割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节理发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割。悬臂掘进机开挖工艺流程如图4所示。掘进机切割方式如图5所示。

图4 悬臂掘进机开挖工艺流程图

图5 掘进机切割方式示意图

6 监控措施

6.1 隧道监控量测

加强隧道交叉段监控量测，特别是拱顶下沉与洞周收敛的监测，监测断面在铁路交叉段前后各1 km范围（不含交叉段前后200 m），按10 m间距布置，交叉段前后各200 m范围按5 m间距布置。

测点与测线布置：拱顶下沉测点与收敛测点布置在同一断面，拱顶下沉设置3个测点，中线附近1个，两侧间距1 m各设1个。上台阶、下台阶开挖各设2条收敛测线。

测点设置：所有测点均采用φ16钢筋设置，钢筋长度50 cm，手持电钻钻孔，锚固剂锚固，固定后设置免棱镜反光片。

监测频率：按铁路隧道施工安全监测技术标准执行，变形出现2 mm/d预警时，监测频率调制至1次/2 h；变形出现5 mm/d，监测频率调制至1次/h，并制定应急加工方案，做好相应准备。

6.2 营业线监控

下穿前应调查和记录既有铁路的情况，要加强各项参数的监测并通过监控量测数据成果，分析对铁路的影响程度、隧洞开挖后围岩收敛趋势等，及时调整方案，保障既有铁路及隧洞施工安全。

测点布置：在隧洞开挖影响范围外的稳定地点布置3个水准工作基点；在交叉最近点既有铁路布置一个爆破振动监测点；从隧道洞口对应的营业线路肩位置朝隧道施工方向每30 m设置一个观测点。沉降、水平位移观测桩采用Φ28 mm长1.2 m的钢杆。桩周上部0.2 m用混凝土浇注固定。

监测频次：在施工前对所有桩位进行复测，作为正式起始读数。爆破施工开始和结束时各测一次。

观测方法：水平观测桩标高采用水准仪观测，水平测量应达到四等水准测量标准，测量精度应达到±1 mm，读数取为0.1 mm。

预警：在营业线不限速的情况下，临近线路一侧单日位移达2 mm/d且不收敛时或累计位移达10 mm，停止施工。

7 应急处置

7.1 应急救援组织机构

项目部成立应急领导小组，下设4个应急小组，分别为抢险救援组、技术支持组、综合协调组、后勤保障组，明确职责，配足资源，应急有备，闻险而动。

7.2 分级响应机制

应急预案响应分为三个层级，分别对应发生（可能发生）事故等级决定，分为一般事故预案响应、重大事故预案响应、特大及以上事故预案响应。

7.3 定期演练制度

为保证体系的有效性，每季度进行专项演练一次，每半年进行一次综合演练。

8 结语

滇中引水工程螺峰山隧道下穿玉蒙铁路汉邑隧道，通过有效的超前地质预报精确掌握交叉段围岩情况，再根据情况进行合理的工法选择确保了施工安全。在监测方面，建立了完善的隧道施工和铁路营业线监测体系监测施工对营业线和围岩结构的影响，可以及时发现问题，防患于未然。施工中还建立了应急组织机构，完善了分级响应机制，为下穿铁路营业线施工加上了多道保障，本文对水工隧道下穿铁路营业线施工安全技术进行了较为全面的分析和总结，具有很好的借鉴价值。