滇中引水螺峰山隧道下穿運營鐵路施工安全風(fēng)險管控研究

楊格

（中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610031）

1 前言

中國水資源較為匱乏，而且分布極其不均勻，因此南水北調(diào)、滇中引水等水資源調(diào)配工程應(yīng)運而生，此類工程一般跨越區(qū)域大，影響范圍廣。中國鐵路近20年來的高速發(fā)展，引水隧道與鐵路線相交、沖突的工況很多，而鐵路作為國民經(jīng)濟的大動脈，營業(yè)線安全關(guān)系著國計民生，如何實現(xiàn)水工隧道安全穿越鐵路線的施工技術(shù)有很大的研究和實用價值。本文以滇中引水工程螺峰山隧道的成功下穿玉蒙鐵路漢邑隧道對此類工程的施工安全技術(shù)進行分析和歸納，為類似工程提供有成功實例的借鑒。

2 工程概況

螺峰山隧道位于云南省玉溪市區(qū)，隧道走向由北向南，全長14 571 m。隧道橫斷面為城門洞型，寬4.12 m，高4.86 m，開挖面積約18.52 m2，為輸水隧道。隧區(qū)為侵蝕地貌、構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌。隧洞沿線地形坡度20°～40°。地層巖性有長石石英砂巖、砂巖、泥巖、礫巖、泥灰?guī)r等。隧道穿越小江、西有普渡河、南臨曲江等斷裂帶。

螺峰山隧道與玉蒙鐵路漢邑隧道為交叉關(guān)系：螺峰山隧道前段由北方向往南方向施工，玉蒙鐵路隧道為西北向東南走向。螺峰山隧道YX61+527.078與玉（溪）蒙（自）鐵路存在立體交叉，交叉段為隧洞下穿鐵路隧道，穿越處為五級圍巖，洞身段巖體較破碎，厚度約32 m，大于3倍洞高，該處隧洞埋深100～110 m，如圖1所示。

圖1 螺峰山隧道與玉蒙鐵路漢邑隧道相交關(guān)系圖

3 風(fēng)險分析及對應(yīng)措施

螺峰山隧道爆破產(chǎn)生的爆破震動、沖擊波、噪聲等對鐵路運營會產(chǎn)生影響，特別是爆破震動對營業(yè)線運營安全的影響較大，為控制重點。為確保玉蒙鐵路漢邑隧道運營安全和螺峰山隧道施工安全，首先應(yīng)進行有效的超前地質(zhì)預(yù)報，精確掌握影響洞段的圍巖情況；合理選擇交叉影響段施工方法，螺峰山隧道與鐵路交叉段前后各200 m范圍采用機械或人工進行開挖；與鐵路交叉段前后各1 km范圍（不含交叉段前后200 m）采用控制爆破；采用有效的監(jiān)測手段對漢邑隧道和螺峰山隧道進行監(jiān)控，掌握變化動態(tài)。最后，應(yīng)建立應(yīng)急救援體系，防患于未然，確保鐵路隧道運營和水工隧道施工安全。

4 超前地質(zhì)預(yù)報

多種類相印證的預(yù)報方法如下。

地質(zhì)分析法：利用鉆探和現(xiàn)代物探等手段，探測隧道巖土體開挖面前方的地質(zhì)情況，在施工前通過分析隧道介質(zhì)物性差異特點，掌握前方的巖土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)以及地下水的賦存情況、地應(yīng)力情況等地質(zhì)信息。

加深炮孔法：應(yīng)在施工超前地質(zhì)預(yù)報洞段全覆蓋（采用超前鉆探洞段除外），前后探測循環(huán)宜有適當重合段。揭示巖溶或者地質(zhì)條件復(fù)雜時應(yīng)增加孔數(shù)。

超前地質(zhì)鉆探：超前水平鉆孔相比加深炮孔探測距離較長，花費時間也較多，一般每次鉆30 m，搭接5 m。主要布置在地質(zhì)復(fù)雜洞段，與加深炮孔形成長短結(jié)合的鉆孔探測，每斷面根據(jù)情況布1～3個孔。

長距離物探法：以TRT為主。通過對人造地震波的收集分析和成像，形成隧洞地質(zhì)情況三維成像，每次可以預(yù)測長度約120 m。

短距離物探法：以地質(zhì)雷達法為主，利用雷波對前方0～35 m地質(zhì)情況進行預(yù)測。

5 施工工法及控制措施

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

5.1 控制爆破設(shè)計

爆破試驗及參數(shù)選擇：施工前通過工藝試驗確定爆破參數(shù)；對參數(shù)進行優(yōu)化，控制爆破振動速度小于2 cm/s。

爆破器材如表1所示，采用φ32乳化炸藥。該類炸藥主要性能為：藥卷密度為0.95～1.25 g/cm3，殉爆距離大于等于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。雷管采用非電毫秒導(dǎo)爆雷管，連接擊發(fā)管擊發(fā)針引爆。非電毫秒導(dǎo)爆雷管共采用1～9號奇數(shù)段位。

表1 爆破器材

掏槽方式：根據(jù)斷面尺寸及圍巖特性采用楔形掏槽，掏槽位置選擇在隧洞中線位置。

炮眼布置參數(shù)：周邊眼距離周邊輪廓線20 cm處開始鉆眼，眼底向輪廓線方向傾斜，硬巖可達到或稍超出輪廓線位置，中硬巖眼底距輪廓線約0.1 m，軟巖為垂直眼，周邊眼采用不耦合裝藥及間隔裝藥（通過實驗確定參數(shù)），再通過爆破效果對爆破參數(shù)進行修正。具體如表2所示。

表2 炮眼布置參數(shù)表（單位：cm）

Ⅳ、Ⅴ類圍巖鉆爆設(shè)計：采用光面爆破，掏槽采用二級楔形掏槽，掏槽眼長度比輔助眼深0.1～0.2 m。周邊眼間距0.40～0.35 m，線裝藥集中度q為0.2～0.3 kg/m，每循環(huán)開挖進尺控按1.6～1.8 m進行控制。Ⅳ類圍巖開挖炮眼布置如圖2所示。Ⅴ類圍巖開挖炮眼布置如圖3所示。

圖2 Ⅳ類圍巖開挖炮眼布置

圖3 Ⅴ類圍巖開挖炮眼布置圖

堵塞方式：嚴格按爆破設(shè)計圖裝約，炮泥堵塞長度不小于20 cm。

爆破效果檢查和參數(shù)優(yōu)化：爆破后應(yīng)對超欠挖，開挖輪廓、進尺及石渣塊大小等進行檢查，當存在問題時要有針對性地調(diào)整爆破參數(shù)。

爆破振動控制和驗算：根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，鐵路隧道控制爆破振動速度不應(yīng)大于2 cm/s。

式（1）中：v為地面質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；Q為炸藥量，kg，齊發(fā)爆破時為總藥量，延時爆破時為最大一段藥量；R為觀測（計算）點到爆源的距離，m；k、α分別為與爆破點至計算點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按表3選取，也可通過類似工程選取或現(xiàn)場試驗確定。

表3 爆區(qū)不同巖性的K、α值與巖性的關(guān)系

爆破震動安全距離按下式計算：

式（2）中：V為地震安全速度，本工程按V=2 cm/s控制；Q為最大一段藥量，本工程中為11.3 kg，為輔助眼段位；m=1/3；K、a為有關(guān)系數(shù)。

將數(shù)值代入式（2）得：

堅硬巖石：R=（K/V）1/aQm＝（50/2）1/1.3×11.31/3=11.89×2.244≈26.68 m。

堅硬巖石：R=（K/V）1/aQm＝（150/2）1/1.5×11.31/3=17.78×2.244≈39.9 m。

堅硬巖石爆破震動安全距離為26.68～39.9 m。

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

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

中硬巖石爆破震動安全距離為39.9～32.8 m。

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

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

軟巖石爆破震動安全距離為32.81～29.69 m。

按最不利單段最大藥量為11.3 kg時，距離爆區(qū)39.9 m外爆破振動速度小于2 cm/s，交叉段前后200 m不采用爆破開挖，技術(shù)條款要求控制爆破振動速度2 cm/s，因此交叉段爆破施工期間爆破震速度滿足相關(guān)施工技術(shù)要求，對鐵路影響可控。

5.2 機械開挖

螺峰山隧道下穿玉蒙鐵路交叉段前后各200 m采用機械開挖，機械開挖根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用懸臂掘進機進行開挖，銑挖機配合進行修邊。

懸臂掘進機的切割方式是從掃底開始切割，再按S形左右循環(huán)向上的切割路線逐級切割以上部分。選用右旋截割頭截割硬巖，先由右向左從掃底開始切割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行切割。如遇節(jié)理發(fā)育較高巖石，則應(yīng)選擇巖石節(jié)理方向逐步切割。懸臂掘進機開挖工藝流程如圖4所示。掘進機切割方式如圖5所示。

圖4 懸臂掘進機開挖工藝流程圖

圖5 掘進機切割方式示意圖

6 監(jiān)控措施

6.1 隧道監(jiān)控量測

加強隧道交叉段監(jiān)控量測，特別是拱頂下沉與洞周收斂的監(jiān)測，監(jiān)測斷面在鐵路交叉段前后各1 km范圍（不含交叉段前后200 m），按10 m間距布置，交叉段前后各200 m范圍按5 m間距布置。

測點與測線布置：拱頂下沉測點與收斂測點布置在同一斷面，拱頂下沉設(shè)置3個測點，中線附近1個，兩側(cè)間距1 m各設(shè)1個。上臺階、下臺階開挖各設(shè)2條收斂測線。

測點設(shè)置：所有測點均采用φ16鋼筋設(shè)置，鋼筋長度50 cm，手持電鉆鉆孔，錨固劑錨固，固定后設(shè)置免棱鏡反光片。

監(jiān)測頻率：按鐵路隧道施工安全監(jiān)測技術(shù)標準執(zhí)行，變形出現(xiàn)2 mm/d預(yù)警時，監(jiān)測頻率調(diào)制至1次/2 h；變形出現(xiàn)5 mm/d，監(jiān)測頻率調(diào)制至1次/h，并制定應(yīng)急加工方案，做好相應(yīng)準備。

6.2 營業(yè)線監(jiān)控

下穿前應(yīng)調(diào)查和記錄既有鐵路的情況，要加強各項參數(shù)的監(jiān)測并通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)成果，分析對鐵路的影響程度、隧洞開挖后圍巖收斂趨勢等，及時調(diào)整方案，保障既有鐵路及隧洞施工安全。

測點布置：在隧洞開挖影響范圍外的穩(wěn)定地點布置3個水準工作基點；在交叉最近點既有鐵路布置一個爆破振動監(jiān)測點；從隧道洞口對應(yīng)的營業(yè)線路肩位置朝隧道施工方向每30 m設(shè)置一個觀測點。沉降、水平位移觀測樁采用Φ28 mm長1.2 m的鋼桿。樁周上部0.2 m用混凝土澆注固定。

監(jiān)測頻次：在施工前對所有樁位進行復(fù)測，作為正式起始讀數(shù)。爆破施工開始和結(jié)束時各測一次。

觀測方法：水平觀測樁標高采用水準儀觀測，水平測量應(yīng)達到四等水準測量標準，測量精度應(yīng)達到±1 mm，讀數(shù)取為0.1 mm。

預(yù)警：在營業(yè)線不限速的情況下，臨近線路一側(cè)單日位移達2 mm/d且不收斂時或累計位移達10 mm，停止施工。

7 應(yīng)急處置

7.1 應(yīng)急救援組織機構(gòu)

項目部成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)4個應(yīng)急小組，分別為搶險救援組、技術(shù)支持組、綜合協(xié)調(diào)組、后勤保障組，明確職責(zé)，配足資源，應(yīng)急有備，聞險而動。

7.2 分級響應(yīng)機制

應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)分為三個層級，分別對應(yīng)發(fā)生（可能發(fā)生）事故等級決定，分為一般事故預(yù)案響應(yīng)、重大事故預(yù)案響應(yīng)、特大及以上事故預(yù)案響應(yīng)。

7.3 定期演練制度

為保證體系的有效性，每季度進行專項演練一次，每半年進行一次綜合演練。

8 結(jié)語

滇中引水工程螺峰山隧道下穿玉蒙鐵路漢邑隧道，通過有效的超前地質(zhì)預(yù)報精確掌握交叉段圍巖情況，再根據(jù)情況進行合理的工法選擇確保了施工安全。在監(jiān)測方面，建立了完善的隧道施工和鐵路營業(yè)線監(jiān)測體系監(jiān)測施工對營業(yè)線和圍巖結(jié)構(gòu)的影響，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然。施工中還建立了應(yīng)急組織機構(gòu)，完善了分級響應(yīng)機制，為下穿鐵路營業(yè)線施工加上了多道保障，本文對水工隧道下穿鐵路營業(yè)線施工安全技術(shù)進行了較為全面的分析和總結(jié)，具有很好的借鑒價值。