復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)研究

伊永鑫

中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司 遼寧 沈陽 110136

引言

對鐵路隧道工程施工來講，在施工時所遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件包括瓦斯涌出及巖溶地區(qū)和特殊巖層等。同時根據(jù)修建的隧道環(huán)境不同，可以將鐵路隧道分為水下隧道、山嶺隧道和城市隧道這三種，但無論是哪種形式隧道，在施工過程中都會受到復(fù)雜地質(zhì)條件干擾。所以，在本文的分析當(dāng)中，主要針對當(dāng)前復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討，對存在的影響因素及相應(yīng)的防治措施進(jìn)行論述，更好地保障施工這一過程當(dāng)中項(xiàng)目安全平穩(wěn)施工。

1 阻礙鐵路隧道施工的復(fù)雜地質(zhì)條件因素

鐵路隧道施工，主要是指在施工過程中通過進(jìn)行隧道施工，為鐵路線路的鋪設(shè)克服一定程度的困難，在一些山區(qū)或者是丘陵地區(qū)進(jìn)行鐵路施工時，會遇到重山巨嶺、江河湖海等水域障礙，這些對于鐵路的線路鋪設(shè)都會造成影響，所以在這個背景下進(jìn)行山嶺隧道及地下隧道和水下隧道的建設(shè)，能夠節(jié)省成本并且縮短通行距離，提高運(yùn)行速度。施工過程中所遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件可以分為以下兩種[1]。

首先，不良地質(zhì)條件。主要是在地球外動力及太陽能和重力等因素影響下，產(chǎn)生對工程施工不利的地質(zhì)現(xiàn)象，例如，當(dāng)前我們常遇到的泥石流滑坡和斷層，以及煤層瓦斯和粉砂層等，這些都屬于不良地質(zhì)現(xiàn)象。在隧道施工過程中，如果在這些不良地質(zhì)條件下進(jìn)行施工作業(yè)，那么所修建的隧道容易出現(xiàn)瓦斯爆炸或者是塌方，以及下沉等安全事故。

其次，特殊地質(zhì)環(huán)境。對于特殊地質(zhì)環(huán)境，一般情況下都是在開采煤炭所留下大量的采礦區(qū)，然后這些區(qū)域主要集中在黃土高原地區(qū)的黃土洞穴地貌當(dāng)中，還有就是人工回填區(qū)、地下國道、建筑物、隧道和地鐵。對這些特殊的地質(zhì)環(huán)境來講，進(jìn)行隧道施工極易出現(xiàn)坍塌以及變形和沉降等問題，同時還會對隧道施工對面上方的地表構(gòu)筑物及其他路面造成破壞，引發(fā)安全事故。

最后，基于復(fù)雜地質(zhì)條件下開展鐵路隧道工程項(xiàng)目的施工是非常容易引發(fā)重大安全事故的，對于這些災(zāi)害性的事件來講，具有頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、產(chǎn)生后果嚴(yán)重、原因復(fù)雜等諸多特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在我國的鐵路隧道施工過程中，塌方涌水事故和特大突水突泥事故，以及瓦斯爆炸事故和塌方事故等，在每年的隧道施工過程中都有出現(xiàn)，而且造成了許多的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，這些都給我們在隧道施工過程中留下了慘痛的教訓(xùn)。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下施工考慮要素

2.1 排水通風(fēng)

因?yàn)閷τ谒淼朗┕碇v，在開挖作業(yè)過程中，會對原始的天然地層結(jié)構(gòu)以及狀態(tài)造成破壞，所以施工時通風(fēng)和排水會面臨一定的問題。為了保持山體的原有環(huán)境以及山體本身的結(jié)構(gòu)，要盡可能選擇使用自然條件入洞，然后不在仰坡上進(jìn)行路塹的開挖。除此之外，還需要盡早在施工前做好施工作業(yè)區(qū)域的排水通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)，這樣才能夠防患于未然[2]。

施工通風(fēng)方式應(yīng)根據(jù)隧道的長度、掘進(jìn)坑道的斷面大小、施工方法和設(shè)備條件等諸多因素來確定。在施工中，有自然通風(fēng)和機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)兩類，其中自然通風(fēng)是利用洞室內(nèi)外的溫差或風(fēng)壓差來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的一種方式，一般僅限于短直隧道，且受洞外氣候條件的影響極大，因而完全依賴于自然通風(fēng)是較少的，絕大多數(shù)隧道均應(yīng)采用機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)。機(jī)動車輛通過隧道時排出的廢氣，含有多種對人體有害的物質(zhì)，柴油車排出的黑煙和車輛卷起的塵埃還會降低隧道內(nèi)的能見度。因此，通風(fēng)的目的就是要保證隧道內(nèi)空氣符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和有足夠的透光率。隧道通風(fēng)主要是采用從隧道外部引進(jìn)新鮮空氣的方法。隧道長度和交通量是選擇通風(fēng)方式的主要依據(jù)，此外還要考慮隧道種類、地形、地質(zhì)、氣象等影響因素。機(jī)械通風(fēng)方式按風(fēng)的流動方向可分為縱向式通風(fēng)和橫向式通風(fēng)。前者風(fēng)的流動方向與隧道軸線方向一致，后者風(fēng)的流動方向與隧道軸線方向正交。路線坡度、海拔標(biāo)高、車速及隧道橫斷面面積，車流的構(gòu)成等，對通風(fēng)量均有影響。實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)的主要設(shè)備是通風(fēng)機(jī)，可分為軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)。

2.2 加固預(yù)防

因?yàn)樵趶?fù)雜地質(zhì)條件下開展隧道施工，出現(xiàn)地質(zhì)安全事故的概率是非常高的，所以對于那些容易發(fā)生坍塌事故的特殊地質(zhì)條件，就要提前進(jìn)行相應(yīng)預(yù)防加固措施的制定，同時在施工作業(yè)前要針對可能會出現(xiàn)的地質(zhì)安全事故，構(gòu)建完整的施工方案及預(yù)防預(yù)案，然后經(jīng)過多方審核并確認(rèn)合格之后，在施工過程中嚴(yán)格落實(shí)按照方案執(zhí)行，各項(xiàng)工序要求不能隨意進(jìn)行更改。

2.3 變形控制

在施工過程中容易出現(xiàn)圍巖變形的施工作業(yè)區(qū)域，需要通過增強(qiáng)支護(hù)措施及提早襯砌等方式，針對圍巖變形程度進(jìn)行預(yù)防控制，要針對變形速率進(jìn)行有效控制，保證能夠始終在最小范圍之內(nèi)，不會進(jìn)一步擴(kuò)散或者是擴(kuò)大造成惡劣影響[3]。

2.4 隧道開挖作業(yè)

對于復(fù)雜地段的隧道開挖作業(yè)來講，應(yīng)當(dāng)選擇使用多臺階留核心土法以環(huán)形的方式進(jìn)行挖作業(yè)，在這種作業(yè)模式下能夠避免隧道拱頂出現(xiàn)變形和下沉。同時對于淺埋地段來講，一般情況下，埋深是在洞徑的兩倍以下，所以隧道頂部本身的土層厚度是比較小的，故針對隧道進(jìn)行加固處理，然后再開挖，在施工過程中還需要選擇短臺階施工法進(jìn)行短開挖及強(qiáng)支護(hù)。同時還需要時刻對隧道所開挖孔洞的變化進(jìn)行監(jiān)測，要重點(diǎn)對隧道臺階上方及下方的整體穩(wěn)定性進(jìn)行關(guān)注，然后做好各項(xiàng)預(yù)防措施，避免出現(xiàn)塌方和拱頂變形等安全事故。

2.5 信息化管理

中國正處于快速發(fā)展中，人員流動物資流動帶動了鐵路交通運(yùn)輸?shù)娘w速前進(jìn)，鐵路為人們的生活帶來了便捷，也帶動了全國各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，為了適應(yīng)現(xiàn)代生活和經(jīng)濟(jì)的需求，鐵路系統(tǒng)也越來越先進(jìn)。目前，鐵路橋隧的信息化管理分析及探究，力圖發(fā)現(xiàn)并解決鐵路橋隧系統(tǒng)存在的問題，憑借國內(nèi)外的先進(jìn)管理理念，對鐵路橋隧信息化管理提出新的構(gòu)想，促進(jìn)我國鐵路的進(jìn)一步發(fā)展。整個鐵路隧道施工作業(yè)過程中都需要引入信息化管理，當(dāng)前信息化技術(shù)在各行各業(yè)中的普及應(yīng)用已經(jīng)變得非常成熟，對于鐵路隧道施工來講，也需要逐漸擺脫傳統(tǒng)的管理模式與方法，引入更加先進(jìn)的信息化管理手段與技術(shù)，從設(shè)計(jì)到檢測及最終的竣工驗(yàn)收階段，都開展動態(tài)化的信息化管理[4]。

2.6 風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制

對于鐵路隧道施工來講，要增加風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制，這是因?yàn)樵谑┕ぶ写嬖诘念~外風(fēng)險(xiǎn)因素非常多，而且具有突發(fā)性，所以及時有效的控制，對于提高施工作業(yè)水平及質(zhì)量具有重要作用。同時在引入相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制過程中，還需要面向管理工作人員與技術(shù)人員開展風(fēng)險(xiǎn)防范教育培訓(xùn)，使工作人員的風(fēng)險(xiǎn)防范意識有所提升，同時傳授相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防治措施與工作技能，就每一個施工環(huán)節(jié)都開展全方位的安全管理與風(fēng)險(xiǎn)控制，最大限度上降低隧道施工過程中存在的安全事故。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 淺埋偏壓圍巖隧道施工

因?yàn)閷τ跍\埋隧道施工來講，最主要的特點(diǎn)就是埋深比較淺，一般情況下，埋深深度是在洞徑的兩倍以下，所以隧道的頂部土層厚度是非常小的，非常容易出現(xiàn)拱形的頂部下沉，甚至沉陷事故，對施工造成非常大的影響。所以在具體的施工過程中，應(yīng)當(dāng)提前針對隧道施工對面的地表進(jìn)行注漿加固，任何存在裂縫的區(qū)域都需要進(jìn)行注漿，而且在使用過程中要隨時關(guān)注地表的運(yùn)動狀況，特別是對出現(xiàn)過塌方的區(qū)域開展監(jiān)測。在施工過程中還需要采用短臺階施工法，做到短開挖以及強(qiáng)支護(hù)，要時刻對施工過程中的施工進(jìn)度與作業(yè)量進(jìn)行監(jiān)測，若是因?yàn)閹r體軟弱或者受力不足而出現(xiàn)沉陷問題時，需要及時在孔洞底部增設(shè)槽鋼來進(jìn)行加固。施工過程中其他的一些加固參數(shù)及孔洞的大小和位置，還有就是位移量以及隧道的里程等，都需要結(jié)合具體的施工作業(yè)區(qū)域的地形及地質(zhì)狀況等進(jìn)行確定，保證這些參數(shù)具備可行性及可操作性，能夠?qū)κ┕み^程中的偏壓問題進(jìn)行有效解決[5]。

3.2 下穿公路和城市隧道施工技術(shù)

對于公路和城市構(gòu)筑物的隧道施工來講，是與當(dāng)前城市地鐵修建過程中所進(jìn)行的隧道施工相類似的，在施工時要就地表所出現(xiàn)的下沉問題進(jìn)行嚴(yán)格控制。為了盡可能降低隧道施工過程中拱部荷載，需要針對隧道與公路和城市公路交叉的地方進(jìn)行鋼架和架空作業(yè)，使整個路面都能夠得到加固和支護(hù)，避免在施工時因上方的公路和城市構(gòu)筑物應(yīng)力過于集中，而導(dǎo)致隧道拱頂出現(xiàn)下沉和路面坍塌問題。在施工中可以選擇使用超前支護(hù)及二次襯砌等方法，針對超前路段進(jìn)行加護(hù)，同時還需要關(guān)注仰拱和襯砌與掌子面之間的距離，成立專門的監(jiān)測工作小組，對圍巖和隧道拱頂所出現(xiàn)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，要嚴(yán)防地表下沉問題出現(xiàn)，保障整個隧道施工的安全性。在進(jìn)行城市構(gòu)筑物的鐵路隧道施工時，要對隧道拱頂?shù)南鲁亮窟M(jìn)行全方位控制，確保隧道施工面上方的路面結(jié)構(gòu)及路面構(gòu)筑物的安全性。施工方法也可以選擇短臺階預(yù)留核心土法，通過安全的挖掘方式，然后對地表和洞距測量，在施工過程中還需要對排水系統(tǒng)的加強(qiáng)關(guān)注，避免因地表水大量滲透而導(dǎo)致隧道的圍巖被浸泡。除了上述細(xì)節(jié)之外，在一些其他的施工過程中，例如鉆孔及平臺鋪設(shè)和鉆機(jī)的定位及爆破設(shè)計(jì)等都需要進(jìn)行更加細(xì)致的安排，確保每一個環(huán)節(jié)都符合隧道施工技術(shù)要求。

3.3 實(shí)時化管理平臺

因?yàn)殍F路隧道施工過程中，在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工作業(yè)要求相比較于常規(guī)作業(yè)要更高，所面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素與突發(fā)因素也會更多，加強(qiáng)管理工作對于防治這些突發(fā)因素與風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用和意義。在時代不斷進(jìn)步與發(fā)展的過程中，越來越多的新技術(shù)與新方法應(yīng)用在社會各行業(yè)當(dāng)中，對于當(dāng)前復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工技術(shù)管理工作來講，同樣也需要依托新的管理工作手段與理念，完善現(xiàn)階段的管理工作并提高管理工作水平。要依托信息化管理技術(shù)構(gòu)建實(shí)時化動態(tài)管理平臺，就要對實(shí)際施工作業(yè)中的每一個施工細(xì)節(jié)與數(shù)據(jù)變動都要進(jìn)行觀測，然后基于數(shù)據(jù)變化的規(guī)律與特征制定相應(yīng)的預(yù)防措施，就施工過程中可能會出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題與安全事故提前預(yù)防，真正做到防患于未然，保證在鐵路就在施工過程中能夠避免安全事故發(fā)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，在時代不斷進(jìn)步與發(fā)展的過程中，鐵路隧道的施工建設(shè)要求也變得越來越高，尤其是隨著高速鐵路的出現(xiàn)在施工過程中要更加注重對施工技術(shù)的運(yùn)用，同時加強(qiáng)現(xiàn)代化管理，就復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工作業(yè)給予充分保障，確保每一個環(huán)節(jié)都能夠得到監(jiān)督，讓鐵路隧道施工的水平能夠得到長足進(jìn)步與提升，切實(shí)增加當(dāng)前施工作業(yè)的安全性。