基于复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究

马留闯

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

铁路隧道是指在穿越障碍或天然高程时的低下铁路线路。面对高程障碍，铁路隧道不仅有效缩短线路，而且能够降低障碍纵向坡度，提升车辆通行速度和安全性。铁路的发展建设和隧道的发展紧密相连，早在19 世纪20～30 年代，英国率先修建了双向铁路隧道，往后越来越多的国家纷纷效仿，但受制于当时的技术水平，铁路隧道多采用深挖路堑，而且隧道很短，时至19 世纪中叶，铁路隧道的长度开始增长，但也不会超过5 km，随后炸药及机械钻眼的出现，让长隧道的修建变成了现实，19 世纪六七十年代，世纪第一座超过10 km 的铁路隧道穿越阿尔卑斯山脉。往后，随着铁路运输的日渐增多，山区铁路越来越多，更为重要的是随着隧道施工技术的不断发展，铁路长隧道的数量越来越多。伴随着新技术的不断发展，地下空间的不断采掘利用，铁路隧道的数量增多，技术难度加大。而国内的铁路隧道发展起步晚，修建技术落后，自新中国成立后，我国的各项事业发展迅速，铁路隧道不断发展，施工技术发展提高，隧道施工技术加强，目前铁路隧道里程数已然成为世界第一。随着国内铁路建设发展，尤其高铁的兴起，极大促进了我国铁路网的不断发展，复杂条件下的施工技术也取得了较大进步，而复杂地质条件下施工，易引发施工坍塌、结构破坏、落石等多种工程灾害，给人们的生命财产安全造成极大威胁，复杂地质条件下隧道施工技术的不断研发，既是铁路发展建设的重要保障，又是铁路隧道工程发展建设的突出课题，基于此，文章在阐述复杂地质条件对铁路隧道施工影响的基础上，探究复杂地质条件下铁路隧道施工技术，为促进我国铁路隧道的安全施工提供理论依据。

1 复杂地质条件对铁路隧道施工的影响

我国南北方差异大，地形地貌不一，形成了差异性较大的地质条件，给铁路隧道施工造成极大影响，不仅需要跨越山峰、峡谷等各类高程障碍，还需要跨过河流、湖泊等平面障碍，施工周围的地质条件差，需要面对高温、熔岩、放射性气体、滑坡、特殊岩层等不良地段，施工过程中很容易出现高地温灾害、塌方、围起岩变形甚至瓦斯爆炸等各类突发性工程灾害，引起安全事故。与此同时，事故周边地质环境特殊，需要下穿多种地段，易发生施工坍塌、地表结构破坏等，引起人员伤亡，造成施工停滞，导致大量的人力物力财力的耗费，造成经济损失，并造成不良的社会影响，如此风险性高、突发性强的复杂地质条件下施工，施工技术尤为重要。

2 复杂地质条件下铁路隧道施工技术

经济社会的不断发展，铁路工程建设进入了一个新的高潮，所穿越的地质条件越发复杂，对铁路工程设计、施工提出了更高要求。广义上的复杂地质条件包括不良地质条件、特殊地质条件两种，其中复杂地质条件常见于高地温、高地应力、云母片岩、熔岩、泥岩、滑坡体等特殊地段，在此地段施工过程中，需要注意塌方、突泥、瓦斯爆炸等突发性大的地质灾害，提防工程支护失稳，防止各类工程安全施工的发生。特殊环境地质主要分布于堆积体、浅埋偏压、下穿铁路、下穿公路等地段。以上复杂地质条件下施工，极易造成灾害性事故的发生，造成人员伤亡的同时，严重损坏机械设备，造成长期停工，造成大量人力、物力资源的耗费，给社会造成巨大的经济损失，甚至造成不良的社会影响。除此之外，复杂地质条件下隧道施工事故具有很强的突发性、复杂性。为此，复杂条件下隧道施工技术的研究，一直以来都是隧道施工的重要课题。

2.1 浅埋隧道施工

浅埋隧道属于铁路隧道施工中的难点地段，极易变形，且变形量大，是各类突发性事故的好发地段，为此，必须认识到浅埋地段工程特点，以保证后期的顺利施工。浅埋隧道最大的施工特点是埋深不足，覆盖层少，围岩厚度不够，很难成拱，且地表很容易塌陷，实际的施工过程中，地层损失较大，地貌移位明显，给后期的一些施工造成极大的影响，为此要根据实际的施工地段，采用掌子面稳定策略，并防止地表下沉。

浅埋隧道的施工方法多样，包括明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法等，其中，明挖法，自上而下进行开挖直至达到隧道设计要求后，按照自下而上的施工顺序，在完成主体结构后，进行回填；盖挖法自地面下开挖，达到设计要求后进行封顶；浅埋暗挖法，通过开挖、衬砌隧道施工，是现代铁路浅埋隧道施工的首要方法。浅埋暗挖法是在新奥法的基础上形成的，浅埋暗挖法初期利用支护进行支撑，后期采用二衬加强支护，并利用多种辅助手段，充分发挥周边围岩的自主承受能力，以此形成支护封闭环，使其支护和周围的围岩有效融合构成支护体系。此法适用于软弱地层地下工程，围岩自承力较差，为了降低地面沉降，施工初期可采用刚度大的支护，增加支护承重，降低围岩自身负载，为达到此目的，实际施工过程中，还需注意初期自上而下施工，待初期基本稳定后方可进行二衬施工，施工过程同样遵循自上而下的原则。与此同时，浅埋暗挖法施工法需要根据实际的地质情况，尽可能选择经济快速开挖技术，实际施工过程中，注重辅助工法的施工，可根据不同地层，选择相应的二衬配套机具，以此达到快速施工的目的，整个施工过程，注意施工质量监控，尤其是重要工序的施工，注重整个施工人员的整体素质，提高施工质量，加强通风，正确处理好施工、施工人员、外界环境之间的关系，积极应用互联网技术、电子信息技术，为安全施工提供保障。

2.2 偏压隧道施工

偏压隧道是指隧道围岩压力分布不均，进而导致支护受力不均的隧道。导致隧道偏压的原因是多方面的，首先，施工方法选择不合理，施工断面坍塌，围岩稳定性受到影响，以至于应力集中；其次，特殊地段施工，围岩倾斜，存在滑动面，自稳性不佳，受到施工扰动影响，岩体滑动进而导致隧道局部负载过大；最后，特殊地段如河谷边缘，其本身地段就存在一定程度的倾斜，压力分布不均衡。实际施工中，因地形原因导致的偏压最多，常见于隧道口浅埋段，此段软围岩居多，一旦地面横坡坡度大，围岩地质差，在施工过程中，应按照先治水、管超前、强支护、早封闭、勤勘测的原则。

对于施工原因导致的偏压，做好施工设计的同时，要及时纠正施工失误；地段原因导致的非对称性偏压，可采用多种施工方法，包括设置挡墙、挖切土体、浇筑加固、支护衬砌等，需要根据实际的施工地段，选择适宜的施工方法，以此减轻偏压力。

2.3 软弱围岩施工

软弱围岩松散破碎，抗压性低，而且围岩的整体性不良，失去自稳能力，松软的地质条件，失去抗风化、抗水软化性能，开挖后变形大，施工难度大，一般分布于隧道口，很难形成洞口，另外云母片岩，呈鳞片状，表面光滑，胶结性极差，强度小，是铁路隧道施工中最常见的软弱围岩。根据以往软弱围岩施工的经验来看，其发生工程灾害的类型主要由坍塌和变形两种，其中，因为岩体结构破碎，难以自稳，结构层面易滑动，开挖即坍塌，另初期支护加固后，随着岩体的不断变形，支护结构压力不断加大，导致结构变形，甚至造成之后结构的破坏。

软弱围岩几乎没有自支护能力，为此，施工过程中提高围岩的支护能力成了软弱围岩施工的重要内容。根据国内外隧道施工的经验，软弱围岩的施工方法包括稳定掌子面、加固地层、及时闭合等。软弱围岩隧道施工中，需要加强围岩本身的支护性能，稳定掌子面，引起稳定掌子面下降的原因包括凝聚力下降、存在地下水、强度下降等，在软围岩中，确保掌子面的稳定性至关重要，其方法包括超前支护、注浆、喷混凝土等方法。

根据过去的工程实践发现，断面及时闭合也是软弱围岩施工的关键点，岩石隧道具有自我封闭能力，但在软弱围岩隧道施工中，必须进行断面及时封闭，常见的断面封闭方法包括临时仰拱、加强底部、超短台阶法等。

2.4 岩溶地质条件下施工

岩溶地质作为国内较为典型的复杂地质条件，在我国西南地区分布最多。针对岩溶地质区段的铁路隧道施工，常出现隧道反水、渗漏等工程灾害，不仅影响整个项目的施工进度，而且会影响整个项目的施工质量，为此需要不断加强岩溶地质条件下隧道施工技术水平。

一方面要做好施工勘察工作，充分认识到施工环境状况，有研究指出应用GPS、3S 技术，对施工周边水文条件进行全方位的勘测，做到心里有数，以此编制出符合于该地段的施工方法；其次，做好施工准备工作，采用3S 技术对施工进行数字模拟，对施工过程中可能出现的意外进行预防、监管，一旦出现施工异常，需做好施工沟通及其现场评估，进而提出切实可行的纠错方案；最后，做好岩溶躲避洞施工，选择合适的开挖方式，根据现场实际的施工环境，科学规划施工方案，提高隧道施工的弹性，结合实际的地理环境，科学合理分割，避开岩溶，提升施工的安全、可靠性。

2.5 滑坡地段施工技术

滑坡地段的地质松散，难以成型，自稳性能差。为此，在实际的铁路隧道施工过程中，需要对实际的施工现场进行充分的勘察，对施工现场的低洼地段进行平整处理，除此之外，还需要做好地下水处置，防止施工过程中的反水、渗漏等的发生。在使用爆破法进行地基施工时，要注意爆破的强度、爆破的范围，常采用短推进的方式方法完成。更为重要的是，在滑坡地段施工过程中，还需要采取有效的支护手段，防止出现坍塌。需要注意的是在地表滑坡段进行施工时，应充分考虑土层的侧向压力，做好二次衬砌支护，提升隧道强度，在实际的施工过程中，还需要对其施工岩体实施监控，一旦发现强度不足，应停止施工，做好相关的加固对策，确保施工的安全可靠性。

3 复杂地质条件铁路隧道施工技术

3.1 台阶法开挖

台阶法开挖是铁路隧道施工中最为常见的施工开挖方法，不仅能够有效提升施工的安全性，而且保障施工治疗。首先，施工人员在开挖前，需要对施工周围的环境进行系统的、全面的勘察，结合施工岩体的实际特征进行开挖。台阶开挖设备要求不高，在软弱围岩地段隧道施工中得到了广泛的应用，且开挖后能够获得相对较好隧道内部环境；更为重要的是，施工前通过起拱线附近台阶划分，确保了岩体长时间的自稳性能。

3.2 综合治水技术

任何的铁路隧道施工过程中，都需要面临地下水的整治问题。地下水不仅会导致整改支护变形，而且容易导致顶部渗透坍塌。为此，有人提出了复杂地质条件下铁路隧道施工“先治水”原则，因地制宜选择排水辅助、超前钻孔等手段，提升治水效果，现阶段小导管注浆技术应用更为广泛，有效优化水玻璃浆，需要注意的是在，施工过程中要严格控制注浆压力。

3.3 洞内外加固技术

为全面提升隧道施工的岩层稳定性，根据施工情况进行洞内外加固，有研究者从实际出发，提出了地表注浆、底层暗挖的融合，降低加固影响。与此同时，为降低施工后期的影响，有研究提出了钢化观压入注浆，并得到了广泛应用；洞内加固技术多样包括钢拱架法、喷混凝土等，使得主体抗压性能得到了提升，为隧道的后期运行创造了有利条件，除此之外，有研究提出了洞内模筑衬砌技术，确保基地的稳定性能。

3.4 监控量测

复杂地质条件下的隧道施工风险高、事故突发性强，为此，整个隧道施工过程中，都要做好相关的隧道安全监控测量，对隧道地层、支护、治水结构的动态尽快实施的检测，确保整改施工的安全、顺利完成；与此同时，根据实时的检测数据，确保整个施工的安全稳定；更为重要的是，根据实时监测的结构，为后期的工程施工提供有效指导，并借助科学的测量仪器，确保整个测试结果的可靠性、有效性。

3.5 新奥法施工

面对复杂的施工条件，在精确的参数计算、设计的基础上，可采用多次开挖的方式，根据实际的地质条件，选择合适的开挖方式，地质岩制条件相对好的地段，适当加大开挖长度，地质条件岩制差的减少开挖长度。开挖完成后，分二次支护，首次支护需要在开挖结束后立马喷浆，确保第一次支护的质量。

4 结语

近年，国家铁路线路日渐增多，所形成的铁路覆盖网不断完善。而我国南北差异大，地质地貌复杂多变，铁路隧道成了穿越高程障碍的必然选择，尤其是随着西部开发战略的不断推荐，铁路隧道的地质环境愈发复杂，如此复杂的地质环境对铁路隧道施工设计、施工方法、施工技术提出了更高要求。文章分析了复杂地质环境条件对铁路隧道施工的影响，探究不同地质环境条件下，铁路隧道施工的方法、技术，为铁路网的安全施工提供理论支撑。