成蘭鐵路隧道建造關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

鮮 國(guó)， 印建文

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610072)

1 工程意義

成蘭鐵路位于四川、甘肅兩省境內(nèi)，處于地震高發(fā)區(qū)，是世界矚目的5·12汶川大地震災(zāi)后恢復(fù)重建公益性交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，建成后可形成一條綠色生命救援通道，對(duì)于改善災(zāi)區(qū)交通運(yùn)輸條件，促進(jìn)沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著積極作用。成蘭鐵路向北連通歐亞大陸橋，同時(shí)與寶成鐵路相連，和川青鐵路、川藏鐵路共同構(gòu)成溝通西北與西南及華南沿海的區(qū)際干線鐵路通道。成蘭鐵路的開工建設(shè)，飽含著藏、羌、回、漢4個(gè)民族的夢(mèng)想，它的建設(shè)將徹底改變“阿壩州乃至川西北地區(qū)無(wú)鐵路”的歷史，有力地推進(jìn)四川交通樞紐建設(shè)以及阿壩州跨越發(fā)展和長(zhǎng)治久安的步伐，具有重大的政治意義及經(jīng)濟(jì)意義。

2 工程概況

2.1 線路概況

成蘭鐵路起于成都，經(jīng)廣漢、什邡、綿竹、茂縣、松潘至九寨溝，向北延伸連接蘭渝鐵路的哈達(dá)鋪站，線路正線長(zhǎng)457.6 km，四川境內(nèi)377.8 km，甘肅境內(nèi)79.8 km。線路平面布置如圖1所示。成蘭鐵路作為四川西部第一條鐵路，黨中央、國(guó)務(wù)院、國(guó)家各部委、四川省委和政府都極為關(guān)注，鑒于項(xiàng)目復(fù)雜的地質(zhì)條件和敏感的區(qū)域環(huán)境，按照國(guó)家發(fā)改委“優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)先行，逐步推開”的要求，2013年10月，中國(guó)鐵路總公司同意以試驗(yàn)段方式先行開工成蘭鐵路成都至川主寺段工程建設(shè)。

圖1 成蘭鐵路平面示意圖

成都至川主寺試驗(yàn)段(簡(jiǎn)稱“成川段”)位于四川省境內(nèi)，全長(zhǎng)275.8 km。線路進(jìn)入龍門山后主要以隧道形式通過(guò)，總計(jì)17座175.5 km， 20 km以上隧道3座，10～20 km隧道4座，5～10 km隧道5座，5 km以下隧道5座。平安隧道長(zhǎng)28.4 km，是我國(guó)目前西南山區(qū)已貫通的最長(zhǎng)鐵路隧道；云屯堡隧道長(zhǎng)22.9 km，是我國(guó)目前最長(zhǎng)的雙線鐵路隧道。隧道平均長(zhǎng)度大于10 km，最大埋深1 720 m，為目前國(guó)內(nèi)在建鐵路規(guī)模最大的“長(zhǎng)大深埋隧道群”。

2.2 工程地質(zhì)

2.2.1 地質(zhì)條件極為復(fù)雜

成蘭鐵路橫穿2個(gè)地震活動(dòng)帶(龍門山、西秦嶺地震活動(dòng)構(gòu)造區(qū))，通過(guò)3大構(gòu)造體系(龍門山褶皺斷裂帶、松潘甘孜褶皺構(gòu)造帶、西秦嶺褶皺構(gòu)造帶)，途經(jīng)4大地貌地質(zhì)單元(成都平原區(qū)、岷江白龍江高山峽谷區(qū)、松潘高原丘陵區(qū)、西秦嶺黃土邊緣區(qū))。

線路通過(guò)地震動(dòng)峰值加速度為0.30g區(qū)域的長(zhǎng)度為106 km、0.20g區(qū)域的長(zhǎng)度為280 km，區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)非常強(qiáng)烈。穿越區(qū)域70%的巖體為極其破碎的千枚巖、板巖、碳質(zhì)板巖、片巖，最大現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力達(dá)33 MPa，高地應(yīng)力突出，帶來(lái)的問(wèn)題復(fù)雜多變。同時(shí)，線路區(qū)域內(nèi)活動(dòng)斷裂帶、斷層破碎帶、瓦斯、硫化氫、滑坡、巖堆、泥石流、危巖落石、巖溶等不良地質(zhì)問(wèn)題異常突出活躍。

2.2.2 區(qū)域環(huán)境極為敏感

成蘭鐵路線路位于岷山山系和西秦嶺邊緣，區(qū)域環(huán)境具有原始、獨(dú)特、敏感、脆弱等特點(diǎn)，是我國(guó)和全球生物多樣性最豐富的地區(qū)，也是全球生態(tài)熱點(diǎn)地區(qū)之一。因此，工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的和諧并重是本線建設(shè)又一關(guān)鍵。

2.2.3 交通通訊條件極為惡劣

成蘭鐵路溝谷相對(duì)高差多在1 000 m以上。部分艱難復(fù)雜工點(diǎn)無(wú)路、無(wú)基站、無(wú)信號(hào)，同時(shí)線路約有30 km穿越熱摩柯無(wú)人區(qū)，工程施工條件艱苦，建設(shè)管理難度極大。

3 工程重難點(diǎn)

1)洞內(nèi)地震破碎斷裂帶、突水、高瓦斯、硫化氫、高地溫、軟巖大變形、巖爆等風(fēng)險(xiǎn)變化莫測(cè)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2)高地應(yīng)力在不同構(gòu)造、巖層的反映形式不同，增加了隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程措施及施工技術(shù)的難度。

3)關(guān)于活動(dòng)斷裂和一般斷裂帶的安全結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備形式及長(zhǎng)期觀測(cè)方案，目前尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)可以借鑒。

4)洞口橋隧緊連，不良地質(zhì)地段高陡邊坡的治理難度大，后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)高。

5)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件極度復(fù)雜，對(duì)工程地質(zhì)和巖土工程的關(guān)系認(rèn)知難度大，影響處置措施的準(zhǔn)確制定。

6)區(qū)域環(huán)境極為敏感、脆弱，環(huán)保要求高。

4 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

針對(duì)工程推進(jìn)異常艱難的實(shí)際，結(jié)合本線“穿越地震區(qū)、環(huán)保區(qū)、長(zhǎng)大深埋隧道群”的特點(diǎn)，為有效解決工程推進(jìn)中的各種技術(shù)難題，確保鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全，以國(guó)內(nèi)已有的、成熟的技術(shù)成果為依托，尊重科學(xué)，通過(guò)集成、完善、創(chuàng)新，為成蘭鐵路建設(shè)安全有序推進(jìn)提供了有力支撐。

4.1 結(jié)合成蘭鐵路軟巖大變形的特點(diǎn)，集成了一套有效的隧道軟巖大變形控制技術(shù)

成蘭鐵路成川段隧道軟巖長(zhǎng)度約106 km，占隧道總長(zhǎng)的60%，軟巖多為千枚巖、板巖、碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及其夾層，施工圖階段預(yù)測(cè)大變形段長(zhǎng)達(dá)30 km以上，高地應(yīng)力軟巖大變形問(wèn)題突出。

從成蘭線軟巖工程特性及變形機(jī)制、大變形判定、設(shè)計(jì)方法、支護(hù)參數(shù)、大變形施工控制技術(shù)等方面總結(jié)、凝練，形成的主要關(guān)鍵技術(shù)如下。

4.1.1 加深地質(zhì)工作

強(qiáng)調(diào)必須進(jìn)一步查清開挖后隧區(qū)地應(yīng)力，探明隧道圍巖松動(dòng)圈及巖層方向，為措施制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.1.2 主動(dòng)進(jìn)行控制

提出以優(yōu)化結(jié)構(gòu)輪廓、加強(qiáng)支護(hù)措施、盡量保護(hù)圍巖的原則進(jìn)行控制。

4.1.3 強(qiáng)化錨桿施工

圖2 錨桿施工專用設(shè)備Fig. 2 Special equipment for installing anchor rod

強(qiáng)調(diào)錨桿施工效率及作用發(fā)揮的及時(shí)性，提出“長(zhǎng)短結(jié)合”的控制方式： 以快速施作短錨桿形成的加固圈對(duì)初期變形發(fā)展先行控制，后續(xù)施作長(zhǎng)錨桿形成支護(hù)-圍巖共同承載圈對(duì)塑性變形再次控制，建立了“長(zhǎng)短結(jié)合的錨桿群體系”，達(dá)到控制變形的目的。

為強(qiáng)化錨桿施工達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，聯(lián)合廠家結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件、施工工法等研發(fā)了錨桿施工專用設(shè)備，解決了全斷面、臺(tái)階法及三臺(tái)階等工況下的錨桿施工，實(shí)現(xiàn)了錨桿、鋼架的及時(shí)、快速、高質(zhì)量施作。錨桿施工設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)施工如圖2和圖3所示。

(a) 拱部系統(tǒng)錨桿 (b) 上臺(tái)階錨桿 (c) 中臺(tái)階錨桿

圖3錨桿施工

Fig. 3 Anchor rod construction

4.1.4 加強(qiáng)工法配套

為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，必須需要相應(yīng)的工法配合。采用大臺(tái)階施工，盡可能減少鋼架接頭等工序銜接薄弱環(huán)節(jié)，盡快封閉成環(huán)。采用下臺(tái)階帶仰拱一次成型施工，初期支護(hù)盡快封閉形成整體。

4.1.5 二次襯砌施作時(shí)機(jī)

采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)二次襯砌施作時(shí)機(jī)進(jìn)行研究，得到不同等級(jí)大變形隧道二次襯砌合理施作時(shí)機(jī)。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，針對(duì)單線、雙線的輕微、中等、嚴(yán)重、極嚴(yán)重等級(jí)的大變形推薦二次襯砌施作時(shí)機(jī)，如表1所示。

表1 大變形地段推薦二次襯砌施作時(shí)機(jī)

基于上述研究成果在楊家坪隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了二次襯砌參數(shù)及施作時(shí)機(jī)的合理性，并已在全線推廣應(yīng)用。

4.2 探索形成了隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程措施

成蘭鐵路成川段共計(jì)穿越6條活動(dòng)斷裂，均屬逆沖兼走滑型，發(fā)震能力在7級(jí)以上，預(yù)測(cè)位錯(cuò)量在80 cm以上，隧道穿越活動(dòng)斷裂帶以不同的地質(zhì)構(gòu)造巖層揭示為依據(jù)，工程措施制定以隧道結(jié)構(gòu)適應(yīng)活動(dòng)斷裂的位錯(cuò)變形為主要原則。關(guān)鍵技術(shù)主要包括： 1)隧道凈空預(yù)留30 cm補(bǔ)強(qiáng)空間。2)活動(dòng)斷裂核部及兩端影響帶(核部向外延伸50 m )采用大剛度圓形襯砌結(jié)構(gòu)。3)采用節(jié)段設(shè)計(jì)，設(shè)置10 cm和15 cm的寬變形縫，如圖4所示，并采用特殊結(jié)構(gòu)的止水帶及變形縫設(shè)計(jì)以達(dá)到防排水效果。4)將軌道結(jié)構(gòu)形式由無(wú)砟軌道調(diào)整為有砟軌道以適應(yīng)微變形。5)施工期間開展活動(dòng)斷裂帶支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形監(jiān)測(cè)。6)運(yùn)營(yíng)期間開展活動(dòng)斷裂帶結(jié)構(gòu)變形的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

圖4 15 cm寬變形縫導(dǎo)水式橡膠止水帶(單位： cm)

目前，成蘭鐵路已完成穿越龍門山前山活動(dòng)斷裂的彭縣—灌縣斷裂和龍門山中央活動(dòng)斷裂的北川—映秀斷裂2條活動(dòng)斷裂帶的隧道工程施工，二次襯砌施工后近2年發(fā)生3級(jí)以上地震15次，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示變形穩(wěn)定，竣工后將納入長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

4.3 探索研究了激發(fā)極化法(TIP)為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)區(qū)域含水構(gòu)造的定性、定位、估量

隧道激發(fā)極化法(tunnel induced polarization, 簡(jiǎn)稱 TIP)方法是以圍巖與含水構(gòu)造的電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)施加電場(chǎng)作用下圍巖傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，通過(guò)含水構(gòu)造高精度三維成像，推斷探測(cè)區(qū)域電阻率的分布情況和地質(zhì)情況，含水構(gòu)造表現(xiàn)為低阻，完整圍巖表現(xiàn)為高阻。通過(guò)測(cè)量2次大小電流的半衰時(shí)之差，結(jié)合低電阻區(qū)容積與其范圍內(nèi)巖性的關(guān)系測(cè)算，實(shí)現(xiàn)水量的估算，從而達(dá)到對(duì)探測(cè)區(qū)地質(zhì)情況探測(cè)的目的。

隧道激發(fā)極化法探測(cè)完成后，現(xiàn)場(chǎng)采用靶向超前鉆孔對(duì)探測(cè)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)多種超前預(yù)報(bào)方法的遴選，總體上形成“長(zhǎng)中短距離結(jié)合，二維定性探測(cè)與三維精細(xì)探測(cè)結(jié)合，靶向鉆孔驗(yàn)證”的探水技術(shù)體系，如圖5所示。

圖5 隧道超前探水預(yù)報(bào)技術(shù)體系

1)長(zhǎng)距離： TSP探測(cè)距離約100～150 m，可預(yù)報(bào)斷層、巖性交界和定性探水。

2)中距離： 瞬變電磁法探測(cè)距離約50～100 m，定性探水，二維定位。

3)激發(fā)極化： 探測(cè)距離30 m，周邊30 m×30 m，三維定位，水量估算。

4)靶向鉆孔： 根據(jù)三維定位與估量結(jié)果，確定鉆孔方位、深度、角度等控制要素，進(jìn)行靶向施作。

5)水量估算： 根據(jù)已知地質(zhì)信息和開挖揭露情況，判斷含水構(gòu)造類別，根據(jù)類別、低阻區(qū)域容積、圍巖孔隙度等信息，利用估算公式對(duì)探測(cè)區(qū)域含水量進(jìn)行估算，如圖6所示。

圖6 探測(cè)區(qū)域含水量估算

4.4 探索集成隧道全斷面(含仰拱)機(jī)械化開挖工法

4.4.1 工藝原理

隧道全斷面(含仰拱)開挖法是采用鑿巖臺(tái)車全斷面含仰拱一次爆破開挖成型，拱墻與仰拱初期支護(hù)同步施作的一種施工方法。

4.4.2 適用范圍

全斷面(含仰拱)開挖法目前適用于掌子面能夠自穩(wěn)或采用輔助措施(如超前支護(hù)、掌子面錨桿等)后自穩(wěn)、地下水不發(fā)育、采用高度機(jī)械化配套施工的隧道。

4.4.3 取得的效果

1)該工法建立了一套隧道圍巖力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定的方法，并依據(jù)隧道開挖條件下的圍巖力學(xué)表現(xiàn)特征，提出了采用全斷面(含仰拱)機(jī)械化開挖工法的工程地質(zhì)適用條件及量化指標(biāo)。

2)較傳統(tǒng)的工法，該工法將隧道仰拱同拱墻一次性開挖到位，減少了多次爆破對(duì)圍巖的頻繁擾動(dòng)，保護(hù)了圍巖的自穩(wěn)性能。

3)該工法使隧道初期支護(hù)鋼拱架的整體安裝質(zhì)量更易于控制，并實(shí)現(xiàn)了快速封閉成環(huán)，有利于隧道結(jié)構(gòu)安全及施工安全。

4)施工空間大，有利于大型機(jī)械設(shè)備施工，從而提高隧道施工進(jìn)度，節(jié)省人力資源，降低施工安全事故中人員傷亡的概率。

平安隧道采用Ⅳ級(jí)圍巖全斷面(含仰拱)機(jī)械化開挖工法施工，如圖7所示，最高日進(jìn)度達(dá)6 m，最高月進(jìn)度為160 m，平均月施工進(jìn)度達(dá)到120 m。

(a) 超前鉆探 (b) 施工效果

圖7 Ⅳ級(jí)圍巖全斷面(含仰拱)機(jī)械化開挖施工

Fig. 7 Full-face (including invert) mechanized tunneling construction for grade Ⅳ surrounding rock

4.5 探索形成了一套隧道機(jī)械化配置配套施工技術(shù)

4.5.1 “35611”配置配套技術(shù)

按“35611”模式對(duì)全線控制工程的柿子園隧道(14 069 m)、躍龍門隧道(19 981 m)、茂縣隧道(9 913 m)、榴桐寨隧道(16 262 m)、平安隧道(28 426 m)、云屯堡隧道(22 923 m)等進(jìn)行了施工機(jī)械化配置配套研究和實(shí)施。

“35611”模式為： “3”即三全，“全方位、全過(guò)程、全工序”； “5”即五性，“系統(tǒng)性、技術(shù)性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性”；“6”即六關(guān)鍵，“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、開挖作業(yè)、初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌”；“1、1”即“一通風(fēng)、一集中”。

4.5.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的超前鉆探配置C6、礦巖180等多功能鉆機(jī)，鉆孔速度快、深度大(達(dá)100 m)，能有效起到超前探測(cè)的作用。

2)針對(duì)單線隧道Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面開挖和雙線隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用全斷面或兩臺(tái)階法開挖，采用三臂/兩臂鑿巖臺(tái)車能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速施工。

3)針對(duì)單線隧道Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面開挖和雙線隧道Ⅲ、Ⅳ、V級(jí)圍巖采用全斷面或兩臺(tái)階法開挖，采用濕噴機(jī)械手、拱架安裝機(jī)、防水板自動(dòng)鋪設(shè)機(jī)能實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)機(jī)械化快速施工，其余工法采用自主研發(fā)小型濕噴機(jī)能夠滿足施工需求。

4)錨桿在噴射混凝土施工完成后實(shí)施，采用全斷面開挖或兩臺(tái)階法開挖時(shí)，采用三臂/兩臂鑿巖臺(tái)車或?qū)Ｓ缅^桿鉆機(jī)能夠滿足機(jī)械化快速施工。其中，施工6 m以上錨桿時(shí)，必須采用三臂/兩臂鑿巖臺(tái)車或?qū)Ｓ缅^桿鉆機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。

5)仰拱、二次襯砌施工及養(yǎng)護(hù)按照標(biāo)準(zhǔn)化要求配置成套相關(guān)設(shè)備(如智能二次襯砌臺(tái)車)，以滿足機(jī)械化快速施工。

6)另外，結(jié)合長(zhǎng)隧道同一工區(qū)多掌子面作業(yè)的實(shí)際，研發(fā)了洞內(nèi)車輛交通智能管理系統(tǒng)，最大可能解決洞內(nèi)多作業(yè)面施工引起交通堵塞而影響工效的瓶頸，解除了機(jī)械化施工的邊界約束，是機(jī)械化配套施工的伴生系統(tǒng)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，成蘭鐵路通過(guò)機(jī)械化配置配套(如圖8所示)后，在輔助坑道、單線(Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖)、雙線(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖)的施工中，月平均指標(biāo)均接近或達(dá)到《鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》的指標(biāo)高值，實(shí)現(xiàn)了7.8 km長(zhǎng)距離通風(fēng)，并且在工程安全質(zhì)量方面得到了提升和保證。

4.6 集成優(yōu)化，針對(duì)性建立了一套隧道微三臺(tái)階上部核心土施工工法

微三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工序透視圖及正面示意圖如圖9所示。

4.6.1 主要工序步驟

第1步，上臺(tái)階開挖： 超前支護(hù)完成后開挖上臺(tái)階，上臺(tái)階開挖高度約4 m，矢跨比宜大于0.3。施工中，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土縱向長(zhǎng)度為3～5 m，留置高度和寬度分別為上臺(tái)階開挖高度和寬度的2/3，預(yù)留核心土隨著掌子面掘進(jìn)逐步取消。

第2、3步，左、右側(cè)中臺(tái)階開挖： 中臺(tái)階緊跟上臺(tái)階，先行開挖約2/3寬度的中臺(tái)階巖土體，預(yù)留約1/3中臺(tái)階巖柱隨后行側(cè)的跟進(jìn)逐步開挖，左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開4榀鋼架，開挖高度為3～3.5 m。

(a) C6多功能地質(zhì)鉆機(jī) (b) 三臂鑿巖臺(tái)車(c) 濕噴機(jī)械手(d) 拱架拼裝機(jī)(e) 仰拱棧橋 (f) 洞內(nèi)車輛交通智能管理系統(tǒng) (g) 多點(diǎn)焊機(jī) (h) 自動(dòng)剪板機(jī)

圖8機(jī)械化配置配套部分設(shè)備展示

Fig. 8 Equipment display of mechanical equipment matching part

(a) 施工工序透視圖 (b) 微三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工序正面示意圖

圖中W1、W2為中、下臺(tái)階后行開挖側(cè)預(yù)留巖柱。

圖9隧道微三臺(tái)階上部核心土施工示意圖(單位： cm)

Fig. 9 Schematic diagram of small three-bench seven-step method for construction in core soil at the upper part (unit: cm)

第4、5步，左、右側(cè)下臺(tái)階開挖： 下臺(tái)階緊跟中臺(tái)階，先行開挖約1/3寬度的下臺(tái)階巖土體，中部預(yù)留1/3寬度的巖土體修整成斜坡作為機(jī)具設(shè)備的通道，剩余1/3寬度的下臺(tái)階巖柱隨后行側(cè)的跟進(jìn)逐步開挖，左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開4榀鋼架，開挖高度為3～3.5 m。

第6步，隧底開挖： 為保證施工機(jī)械設(shè)備的布置空間，初期支護(hù)仰拱成環(huán)位置至掌子面的長(zhǎng)度按20 m控制。隧底每循環(huán)開挖長(zhǎng)度宜為3 m，完成3個(gè)循環(huán)(開挖、支護(hù))后，一次施作仰拱襯砌(與拱墻一次澆筑長(zhǎng)度相同)。

4.6.2 適用范圍

適用于散體結(jié)構(gòu)軟巖隧道，一般表現(xiàn)為開挖后圍巖穩(wěn)定性差，且變形無(wú)方向性，易沿隧道掌子面發(fā)生凸出變形且同步引起周邊變形。

4.6.3 主要特點(diǎn)

1)上臺(tái)階預(yù)留縱向3～5 m長(zhǎng)的核心土，留置高度為上臺(tái)階高度的1/2～2/3，寬度為上臺(tái)階開挖寬度的2/3，可有效反壓掌子面，確保掌子面的穩(wěn)定，控制掌子面松散軟巖向洞內(nèi)的擠出變形、失穩(wěn)和溜塌。

2)微三臺(tái)階上部核心土法施工技術(shù)，在掌子面開挖后約7 d左右即可實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)仰拱封閉成環(huán)，使初期支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)受力體系，更有利于控制圍巖的變形，確保隧道施工安全。

3)微三臺(tái)階上部核心土法施工技術(shù)使出渣作業(yè)、錨桿施工作業(yè)及噴射混凝土等施工機(jī)具作業(yè)平臺(tái)可設(shè)置于下、中臺(tái)階，更有利于施工機(jī)具的快速組織，減少工序間銜接時(shí)間，提高隧道施工效率。

4.7 探索形成了一套隧道施工期生產(chǎn)廢水處理工藝

原國(guó)家環(huán)保部對(duì)成蘭鐵路成川段變更環(huán)評(píng)的批復(fù)中要求“加強(qiáng)隧道排水清污分流、污廢水處理和監(jiān)測(cè)工作，避免污染沿線環(huán)境敏感水體”。基于此，針對(duì)成蘭鐵路穿越特殊的地質(zhì)區(qū)域、低溫高海拔及特殊的環(huán)境要求，進(jìn)行廢水水質(zhì)分析，對(duì)隧道施工期正常排出的廢水進(jìn)行多種組合處理工藝試驗(yàn)，提出經(jīng)濟(jì)合理的處理工藝，使處理后出水水質(zhì)達(dá)到排入相應(yīng)水域的排放標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1)提出了高海拔隧道低溫施工廢水處理的混凝劑、助凝劑的投加量方法。

2)提出了隧道施工期生產(chǎn)廢水清污分流方案，同時(shí)根據(jù)廢水水質(zhì)及附近水環(huán)境功能區(qū)的特點(diǎn)，形成了針對(duì)性的處理工藝。

3)編制了《隧道施工期生產(chǎn)廢水處理站技術(shù)、管理手冊(cè)》，可指導(dǎo)施工期廢水處理站設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等 工作。

目前成蘭鐵路成川段隧道工區(qū)按要求設(shè)置了污水處理站及相關(guān)設(shè)施，滿足了隧道施工期生產(chǎn)廢水處理要求，如圖10和圖11所示。

4.8 因地制宜，針對(duì)性形成了一套隧道洞口高位危巖落石棧道施工技術(shù)

成蘭鐵路新民隧道于2016年完成了出口巖堆整治工程，“8·8”九寨溝地震后，出口山體出現(xiàn)拉張裂縫，裂縫沿貫通性節(jié)理形成，裂縫相互切割形成的貫通裂縫局部已形成倒懸孤石，在區(qū)域地震動(dòng)荷載反復(fù)作用和誘發(fā)下，局部孤石隨時(shí)都有崩滑的風(fēng)險(xiǎn)，安全隱患極大，現(xiàn)場(chǎng)采取了處理措施。

(a) 廢水處理站 (b) 廢水處理

圖10 施工期生產(chǎn)廢水處理

圖11反應(yīng)池出水及處理效果

Fig. 11 Effluent of reaction tank and effect after treatment

4.8.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

新民隧道出口高陡邊坡相對(duì)高差約220 m，巖性為三疊系上統(tǒng)朱倭組(T3zh)中厚層狀砂巖夾千枚巖、板巖局部夾碳質(zhì)千枚巖，區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)較為頻繁，施工期間地震頻發(fā)，洞口正上方已采用刷坡清方及錨噴加固方式進(jìn)行處理，同時(shí)洞口右側(cè)設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

2017年“8·8”九寨溝地震后，現(xiàn)場(chǎng)組織地質(zhì)災(zāi)害排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，出口已清方邊坡右側(cè)60 m處已鋪設(shè)的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)局部存在繃緊現(xiàn)象，山體存在拉張裂縫。

通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)一步掃描勘察發(fā)現(xiàn)，工程區(qū)山體有17條顯著的裂縫及裂隙，裂縫均是沿貫通性節(jié)理形成。靠近隧道出口方向的邊坡裂縫走向大部分近似平行于等高線，局部與等高線斜交，靠近G213國(guó)道方向的邊坡裂縫走向大部分垂直于等高線，局部平行等高線。裂縫相互切割形成的貫通裂縫局部已形成倒懸孤石，單塊最大體積近500 m3。在區(qū)域地震動(dòng)荷載反復(fù)作用和誘發(fā)下，局部孤石隨時(shí)都有崩滑的風(fēng)險(xiǎn)，安全隱患極大，如圖12和圖13所示。

(a) 正面(單位: m) (b) 側(cè)面

圖12高位裂縫照片

Fig. 12 Photos of high-level cracks

4.8.2 復(fù)雜的施工環(huán)境

高位裂縫整治區(qū)域下方為巖堆整治抗滑樁和解放村雙線大橋樁基工程及生產(chǎn)、生活設(shè)施。山體背側(cè)崖腳距G213國(guó)道僅61 m，國(guó)道兩側(cè)分布居民區(qū)及旅游集中商業(yè)區(qū)，且鄰近靖夷堡古遺址省級(jí)文物保護(hù)區(qū)，施工邊緣距靖夷堡古遺址省級(jí)文物保護(hù)區(qū)距離僅130 m，施工環(huán)境復(fù)雜，如圖14所示。

圖13 主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)受力以及裂縫切割局部形成孤石Fig. 13 Stress on active protective net and locally formed boulders by crack cutting圖14 高位裂縫整治區(qū)域背側(cè)復(fù)雜的外部環(huán)境 Fig. 14 Complex external environment on back side of high-lev-elcrack remediation area

4.8.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

新民隧道高位裂縫整治采用清方+噴錨網(wǎng)+大錨桿防護(hù)方案，清方施工以人工開鑿清方為主，以數(shù)碼電子雷管控制爆破為輔，清方坡率1∶0.3，按7級(jí)控制，分級(jí)高度為20 m，兩級(jí)之間設(shè)置2 m寬平臺(tái)。

1)施工通道： 危巖清方采用盤山棧道(2 400 m)+小型設(shè)備實(shí)施。坡面防護(hù)設(shè)1 850 m施工便道，采用工業(yè)電梯作為人員上下通道； 塔吊作為鋼筋、工具等運(yùn)輸通道； 汽車泵、地泵接力輸送濕噴混凝土； 搭設(shè)附著式腳手架作為施工平臺(tái)。

2)防護(hù)工程： 洞口上方高位裂縫區(qū)域增設(shè)2道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，爆破區(qū)域增設(shè)防護(hù)排架防止飛石損壞已施工的成品工程。山體背后G213國(guó)道側(cè)設(shè)2道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)及1道攔石墻，同時(shí)搬遷影響區(qū)內(nèi)的居民。

3)控制爆破： 按照A類控制爆破管理。爆破施工采用數(shù)碼控制爆破，利用數(shù)碼雷管精準(zhǔn)控制微差起爆，減少爆破振動(dòng)疊加，削弱爆破振動(dòng)和振速。

5 工期及工程進(jìn)度

5.1 工期

成川試驗(yàn)段工程自2013年10月開工建設(shè)，計(jì)劃于2021年5月貫通。

5.2 工程進(jìn)度(截至2018年6月30 日)

全線最長(zhǎng)的隧道平安隧道(28.4 km)已貫通，目前關(guān)鍵線路為躍龍門隧道(19.9 km)和云屯堡隧道(22.9 km，單洞雙線)。

5.2.1 躍龍門隧道施工

剩余工程： 平導(dǎo)剩余4 774 m、左線剩余6 174 m、右線剩余5 891 m，計(jì)劃2021年5月貫通。綜合考慮大變形、瓦斯、工期等因素，剩余工程主要節(jié)點(diǎn)工期如下： 平導(dǎo)貫通時(shí)間為2020年7月，左線貫通時(shí)間為2020年10月，右線貫通時(shí)間為2021年5月。

5.2.2 云屯堡隧道施工

剩余8 378 m，預(yù)計(jì)貫通時(shí)間為2020年6月。

6 成果及榮譽(yù)

6.1 工程試驗(yàn)總結(jié)工作

目前工程試驗(yàn)專題已結(jié)題評(píng)審11項(xiàng)。

6.2 開展技術(shù)創(chuàng)優(yōu)工作

已發(fā)表論文79篇(另20篇計(jì)劃2018年8月份發(fā)表)； 已批復(fù)工法3項(xiàng)； 已授權(quán)專利37項(xiàng)、已申報(bào)專利15項(xiàng)； 參編管理手冊(cè)3項(xiàng)，目前已完成《隧道施工期生產(chǎn)廢水處理手冊(cè)》編寫； 參編標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)，其中 《鐵路隧道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)程》已報(bào)批，完成《大變形隧道設(shè)計(jì)指南》(院規(guī))初稿。下一步隨著工程進(jìn)展將陸續(xù)申報(bào)科技成果獎(jiǎng)項(xiàng)、勘察設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

7 工程參建單位

建設(shè)單位： 成蘭鐵路有限責(zé)任公司。

設(shè)計(jì)單位： 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司。

主要施工單位： 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司； 中鐵一局、二局、三局、五局、十二局、十四局、十六局、十七局、十九局、二十五局集團(tuán)有限公司。

監(jiān)理單位： 北京鐵城監(jiān)理有限公司； 中鐵二院監(jiān)理有限公司； 北京通達(dá)監(jiān)理有限公司。