高原鐵路隧道穿越活動(dòng)斷裂帶抗震設(shè)防施工技術(shù)

周杰

摘要 該施工技術(shù)為高原鐵路隧道穿越活動(dòng)斷裂帶抗震設(shè)防技術(shù)，可提高高原鐵路隧道工程抗災(zāi)能力，強(qiáng)化隧道抗震性能，增加安全冗余，同時(shí)可縮短大錯(cuò)位導(dǎo)致的隧道襯砌縱向破壞范圍，以加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)整體性，最大限度降低隧道震后帶來的安全事故及經(jīng)濟(jì)損失，保障軌道交通運(yùn)營的安全性及可靠性。文章主要通過一高原隧道工程穿越活動(dòng)斷裂帶施工為實(shí)例，對(duì)高原鐵路隧道穿越活動(dòng)斷裂帶抗震設(shè)防的施工技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞 鐵路隧道；活動(dòng)斷裂帶；抗震設(shè)防

中圖分類號(hào) U452.28文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0133-03

0 引言

高原長大隧道主要的地質(zhì)災(zāi)害包括活動(dòng)斷裂帶與地震，隧道穿越活動(dòng)斷裂帶若發(fā)生地震不僅會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成直接破壞，而且還會(huì)誘發(fā)更嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于高原鐵路隧道而言，在高寒高海拔、大高差和強(qiáng)烈的構(gòu)造作用情況下，內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用均十分強(qiáng)烈，不良地質(zhì)發(fā)育；在隧道穿越活動(dòng)性斷裂帶時(shí)，極易因斷裂帶錯(cuò)動(dòng)而使隧道主體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)；此類自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，防災(zāi)救援難以得到安全保障及作業(yè)空間。

高原鐵路隧道工程穿越全新世活動(dòng)斷裂帶，活動(dòng)性質(zhì)以右旋走滑為主，兼有逆沖分量，未來可能會(huì)突發(fā)大地震，突發(fā)最大水平位錯(cuò)量約5～6 m（右旋走滑），最大垂直位錯(cuò)量2～3 m。在隧道穿越活動(dòng)性斷裂帶時(shí)應(yīng)采取有效的避讓和抗斷技術(shù)措施，遵循“預(yù)留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計(jì)、運(yùn)營監(jiān)測(cè)”的原則，對(duì)隧道各工序進(jìn)行分析研究，制定不同的抗震設(shè)防措施進(jìn)行施工，并在施工中進(jìn)行全面應(yīng)用。

1 技術(shù)特點(diǎn)

預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間：隧道支護(hù)措施應(yīng)采用活動(dòng)斷裂特殊襯砌，隧道內(nèi)凈空考慮斷層百年累計(jì)蠕滑量30 cm及預(yù)留30 cm震后結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)空間，在基本內(nèi)輪廓基礎(chǔ)上擴(kuò)大60 cm；拱墻采用圓形內(nèi)輪廓，并加深仰拱，加大仰拱矢跨比；同時(shí)采用加大預(yù)留變形量、加強(qiáng)初期支護(hù)及超前支護(hù)、二襯加強(qiáng)等措施。

柔性節(jié)段設(shè)置：隧道穿越活動(dòng)斷裂及其強(qiáng)烈影響段范圍，二襯與初支節(jié)段長度應(yīng)采用6 m設(shè)置襯砌節(jié)段，以增大襯砌結(jié)構(gòu)整體柔性，提高結(jié)構(gòu)對(duì)斷層錯(cuò)位的適應(yīng)性。

抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)：在初支與二襯間設(shè)置減震消能層，減震消能層應(yīng)位于初支結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)及防水層外側(cè)，在發(fā)生地震時(shí)可較好地吸收地震能量，具有一定的抗震作用。

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)：在活動(dòng)斷裂帶及其強(qiáng)烈影響段范圍，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，判斷隧道結(jié)構(gòu)的可靠度并采取對(duì)應(yīng)的控制策略，使隧道結(jié)構(gòu)始終處于良好的工作狀態(tài)[1]。

2 適用范圍

隧道穿越活動(dòng)斷裂帶及其影響帶的施工。

3 工藝原理

該技術(shù)針對(duì)隧道穿越活動(dòng)斷裂帶采取的抗震設(shè)防措施主要工藝原理為：隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的抗震設(shè)防目標(biāo)為“蠕滑可控、黏滑搶通”，采用“預(yù)留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計(jì)、運(yùn)營監(jiān)測(cè)”的原則，為隧道襯砌內(nèi)的凈空預(yù)留變形及補(bǔ)強(qiáng)空間；采用抗震性能優(yōu)異的圓形斷面，并縱向設(shè)置較密的變形縫；同時(shí)加強(qiáng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等措施，以實(shí)現(xiàn)設(shè)防目標(biāo)?？紤]對(duì)于突發(fā)的大尺度黏滑位錯(cuò)，隧道結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)變形的情況，采取的工程措施應(yīng)盡可能減輕結(jié)構(gòu)破壞程度，縮小隧道縱向破壞規(guī)模，實(shí)現(xiàn)快速搶通。

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

隧道穿越活動(dòng)斷裂抗震設(shè)防施工的主要工藝流程：開挖支護(hù)—初支抗錯(cuò)縫施工—仰拱施工—拱墻減震層施工—拱墻防水層施工—襯砌鋼筋及變形縫施工（襯砌監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)）—臺(tái)車關(guān)模及澆筑。

4.2 操作要點(diǎn)

4.2.1 開挖支護(hù)

隧道開挖堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、嚴(yán)注漿”的原則?；顒?dòng)斷裂帶洞身，采用鉆爆法或機(jī)械開挖；Ⅵ級(jí)圍巖未進(jìn)行超前注漿的地段，采用破碎錘開挖，采用三臺(tái)階+臨時(shí)橫撐法；Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法，三臺(tái)階法上臺(tái)階長度為5～8 m、中臺(tái)階長度為10～15 m，上臺(tái)階高度為4 m、中臺(tái)階高度為3 m。Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法，臺(tái)階長度為20 m，上臺(tái)階高度為6～8 m，預(yù)留變形量為12～17 cm，開挖時(shí)斷面進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)大。

初期支護(hù)施工遵循“強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的原則，超前支護(hù)為“D89管棚+D42小導(dǎo)管+注漿”；預(yù)設(shè)計(jì)帷幕注漿，初支采用25 cm厚的C30早高強(qiáng)鋼纖維混凝土；拱墻設(shè)置6 m長D42注漿錨管，全環(huán)設(shè)置HW175型鋼鋼架。中臺(tái)階施工時(shí)施作上、中臺(tái)階6 m長的D42注漿錨管，采用錨注一體機(jī)進(jìn)行鉆孔，按設(shè)計(jì)要求將錨管插入孔中，利用錨注一體機(jī)送管直接將小導(dǎo)管頂入，外露20 cm，在尾端安設(shè)止?jié){閥門后進(jìn)行注漿[2]。

4.2.2 初支抗錯(cuò)縫施工

初支每6 m設(shè)置一節(jié)段，每節(jié)段之間設(shè)置寬度5 cm的抗錯(cuò)縫，縫內(nèi)采用酚醛樹脂材料回填密實(shí)。該材料具備以下性能：①能夠順利將抗錯(cuò)縫完全填充，避免出現(xiàn)空洞；②在現(xiàn)場(chǎng)易于儲(chǔ)存和現(xiàn)場(chǎng)施工；③具有良好的穩(wěn)定性；④具備抗剪強(qiáng)度低的性能；⑤兩種材料現(xiàn)場(chǎng)混合、快速發(fā)泡填充抗錯(cuò)縫。酚醛樹脂施工前，應(yīng)先將初支抗錯(cuò)縫內(nèi)的噴射混凝土清理干凈，再采用雙通道注漿泵將酚醛樹脂噴入兩榀型鋼之間的抗錯(cuò)縫中，施工中二襯節(jié)段與初支節(jié)段的抗錯(cuò)縫中心需調(diào)節(jié)對(duì)齊。

4.2.3 仰拱施工

仰拱開挖后應(yīng)及時(shí)對(duì)基底進(jìn)行清理，經(jīng)檢查基底無虛渣后，方可進(jìn)行鋼拱架、初支施工；封閉成環(huán)后方可進(jìn)行下循環(huán)開挖，開挖支護(hù)完成6 m后進(jìn)行矮邊墻的防水層施工。仰拱鋼筋施工時(shí)，活動(dòng)斷裂帶在仰拱填充中部增加一道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將鋼筋插入仰拱內(nèi)（如圖1所示）；仰拱填充中，素混凝土段與鋼筋混凝土段應(yīng)進(jìn)行一次性澆筑，標(biāo)號(hào)為C35混凝土。矮邊墻設(shè)置縱向止水鋼板，但在節(jié)段施工縫位置不需設(shè)置。

4.2.4 拱墻減震層施工

在拱墻初支和防水層之間設(shè)置橡膠減震墊，減震層厚度為1 cm。橡膠減震層在鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)采用射釘將減震墊固定在隧道初支面上，射釘長度為4 cm；固定點(diǎn)的間距拱部為0.4～0.6 m，邊墻為0.6～0.8 m，采用梅花形布置，并可根據(jù)隧道初支面平整度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；局部凹凸較大時(shí)，應(yīng)在凹處加密固定點(diǎn)，使減震墊與隧道初支面密貼牢固。

4.2.5 拱墻防水層施工

拱墻初期支護(hù)和二次襯砌之間應(yīng)鋪設(shè)“阻燃型EVA防水板+無紡布”的防水層。土工布及防水板采用掛布臺(tái)車施工，鋪設(shè)應(yīng)超前二襯施工1～2個(gè)襯砌段，便于形成二襯作業(yè)的流水化施工。固定點(diǎn)的間距拱部為0.5 m×0.5 m，邊墻為0.8 m×0.8 m，呈梅花形排列，并左右上下成行固定。無紡布采用熱熔墊片及水泥射釘固定于隔震墊凸起面上，防水板通過熱熔焊接固定于無紡布內(nèi)側(cè)；防水層鋪設(shè)應(yīng)有足夠的松弛度，滿足防水層在澆筑二襯混凝土?xí)r向外擴(kuò)張。拱墻防水層鋪設(shè)應(yīng)與基層密貼、平整，無褶皺、無塌落、無破損，防止防水層在澆筑二襯混凝土?xí)r向外擴(kuò)張過多而擠入隔震墊凹槽中。防水板之間搭接不小于20 cm，采用三縫焊接，縫寬不小于15 mm。

4.2.6 襯砌鋼筋施工

二襯鋼筋在鋼結(jié)構(gòu)加工廠統(tǒng)一加工成半成品，由運(yùn)輸車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝成形的方式進(jìn)行。加工好的鋼筋半成品應(yīng)集中存放，避免暴露在外造成鋼筋銹蝕等問題，表面油漬、水泥漿和浮皮鐵銹等均應(yīng)清除干凈。防水板鋪設(shè)安裝完成之后，再利用襯砌鋼筋一體化臺(tái)車的鋼筋安裝平臺(tái)進(jìn)行鋼筋安裝。每層主筋安裝施工時(shí)，由外層（靠近圍巖側(cè)）到內(nèi)層先每間隔2 m設(shè)置一環(huán)主筋，并每間隔4 m用縱向連接鋼筋將其連接，形成外、內(nèi)層的主筋框架。將外、內(nèi)層主筋框架用連接筋連接，形成一個(gè)整體的框架架構(gòu)，增強(qiáng)其整體穩(wěn)定性。安裝完成后，再依序根據(jù)卡具定位的間距安裝其余主筋，安裝其余連接鋼筋，最后按要求安裝圓形保護(hù)層墊塊[3]。

4.2.7 變形縫施工

活動(dòng)斷裂帶應(yīng)每6 m設(shè)置一道窄變形縫，變形縫寬度為2～3 cm；其間設(shè)置3道10 cm寬變形縫?；顒?dòng)斷裂帶寬變形縫采用抗震導(dǎo)水式止水帶，在滿足防水要求的前提下具備導(dǎo)水功能，且變形縫處止水帶應(yīng)具有足夠的變形能力，兩段發(fā)生設(shè)防錯(cuò)動(dòng)時(shí)仍能正常工作。變形縫止水帶采用背貼式、中埋式兩種，其中部導(dǎo)水部分寬為10 cm，安裝于變形縫處，導(dǎo)排變形縫處的地下水。變形縫內(nèi)空隙填充聚乙烯泡沫塑料板材料，在鋪設(shè)聚乙烯泡沫塑料板前，應(yīng)將二襯端頭縫處的鐵絲、鐵釘、木屑等清洗干凈、無雜物；表面縫寬均勻、縫身豎直、環(huán)向貫通，且填塞密實(shí)、外表光潔，符合規(guī)定。

4.2.8 臺(tái)車關(guān)模及澆筑

對(duì)襯砌的斷面、尺寸，鋼筋結(jié)構(gòu)，防水層的施工質(zhì)量等進(jìn)行工程隱蔽前的檢查，合格后方可行走二襯臺(tái)車，二襯臺(tái)車就位前應(yīng)在預(yù)埋件設(shè)計(jì)位置埋設(shè)預(yù)埋件。在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)，應(yīng)平均按125 m設(shè)置一道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)斷面，以便及時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，判斷隧道結(jié)構(gòu)的可靠度并采取對(duì)應(yīng)的控制策略，使隧道結(jié)構(gòu)始終處于良好的工作狀態(tài)。

5 質(zhì)量控制

5.1 支抗錯(cuò)縫質(zhì)量控制

初支鋼架在初支抗錯(cuò)縫位置的鋼筋網(wǎng)片和縱向連接筋，需全環(huán)斷開。填縫前需將抗錯(cuò)縫內(nèi)的初支混凝土及雜物清理干凈，再進(jìn)行酚醛樹脂填縫施工，并將抗錯(cuò)縫完全填充密實(shí)、不留空洞，同時(shí)確保酚醛樹脂具有較低的抗剪強(qiáng)度。

5.2 拱墻減震層質(zhì)量控制

拱墻橡膠減震墊安裝前，先對(duì)初期支護(hù)基面進(jìn)行檢查和處理，基面應(yīng)平整，無空鼓、裂縫、松酥。初期支護(hù)的平整度應(yīng)符合兩凸出物之間的深長比D/L≤1/50（D為基面相鄰兩凸面之間凹進(jìn)去的深度；L為基面相鄰兩凸面之間的距離，L≤1 m），否則應(yīng)噴射混凝土或采用水泥砂漿進(jìn)行找平處理。采用射釘固定并均勻設(shè)置橡膠減震墊，間距不宜過大，以免導(dǎo)致橡膠減震墊松弛，間距和數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，需保證橡膠減震墊緊貼初支內(nèi)表面。

5.3 仰拱施工質(zhì)量控制

活動(dòng)斷裂帶的仰拱不同于一般襯砌類型的仰拱。為加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，仰拱鋼筋施工時(shí)，應(yīng)在仰拱填充中部增加一層鋼筋加強(qiáng)層；鋼筋施工時(shí)填充加強(qiáng)層鋼筋錨入仰拱鋼筋，仰拱與仰拱的填充需采用同標(biāo)號(hào)混凝土一次澆筑成形。由于活動(dòng)斷裂帶斷面仰拱深度最深達(dá)到3.3 m，混凝土澆筑時(shí)應(yīng)采用梭槽進(jìn)行澆筑，禁止直接將混凝土傾倒入內(nèi)。

6 安全措施

（1）隧道穿越活動(dòng)斷裂帶，巖層復(fù)雜多變，不確定性較大，隧道掉塊、坍塌風(fēng)險(xiǎn)高，須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)該隧洞地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)，以確定開挖方法及防護(hù)措施，避免發(fā)生掉塊、突涌水等情況。

（2）在隧道開挖過程中，若突然遇到較大涌水、流砂、斷層及破碎帶時(shí)，需立即停止掌子面掘進(jìn)，撤出施工人員，待采取必要的技術(shù)處理后方可恢復(fù)掘進(jìn)。

（3）隧道初期支護(hù)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，以確保施工質(zhì)量合格，能更好地利用并提高圍巖的自穩(wěn)能力。在采取所有設(shè)計(jì)措施仍不能阻止圍巖變形時(shí)，應(yīng)采用注漿管棚或增加超前小導(dǎo)管支護(hù)密度等措施進(jìn)行加強(qiáng)。

（4）加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，通過將量測(cè)的結(jié)果與判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，分析得出已施工段的隧道初期支護(hù)變形是否超標(biāo)的結(jié)論，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，以便采取有效措施進(jìn)行防治，避免進(jìn)一步變形。

（5）為確保隧道施工在出現(xiàn)緊急情況下救援工作的順利實(shí)施，應(yīng)在隧道內(nèi)設(shè)置應(yīng)急管道。

（6）隧道初期支護(hù)施工前均應(yīng)對(duì)作業(yè)面進(jìn)行仔細(xì)檢查，清除松動(dòng)的巖石和噴射混凝土塊。

（7）混凝土澆筑過程中，應(yīng)有專人檢查臺(tái)車受力情況；當(dāng)臺(tái)車出現(xiàn)變形等異常情況時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)及時(shí)撤離作業(yè)平臺(tái)，隱患消除后方可恢復(fù)作業(yè)[4]。

7 環(huán)保措施

7.1 噪聲污染防止控制

隧道施工過程中各種機(jī)械產(chǎn)生的噪聲，在隧道封閉空間內(nèi)對(duì)作業(yè)人員的損害相較開放空間的噪聲傷害更大。同時(shí)，為避免噪聲過大對(duì)周圍自然環(huán)境內(nèi)的動(dòng)物造成影響，應(yīng)盡量減少多臺(tái)大型機(jī)械同時(shí)施工的情況，降低噪聲污染，應(yīng)采取隔離措施或者利用消音設(shè)備對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的超分貝噪聲進(jìn)行減噪。

7.2 水污染防止控制

隧道內(nèi)的施工廢水應(yīng)集中引排至洞口設(shè)置的污水處理站，進(jìn)行集中處理，待指標(biāo)合格后方可排放至地表水體，并設(shè)置專人對(duì)污水處理站進(jìn)行管理。嚴(yán)禁將施工廢水直接排放至江河中，對(duì)于含沙量大且渾濁的施工生產(chǎn)廢水，應(yīng)采用沉砂池處理后再排放，防止施工廢水污染地表和水體。

7.3 固體廢棄物污染控制

對(duì)于可回收的建筑垃圾，應(yīng)分門別類地進(jìn)行分揀以便回收利用；不能回收的施工垃圾應(yīng)及時(shí)清運(yùn)到指定的垃圾站統(tǒng)一處理；易爆、有毒的危險(xiǎn)廢棄物統(tǒng)一堆放，集中銷毀；對(duì)廢棄的木塊、土工布、防水板、鋼筋、混凝土塊、砂漿等雜物進(jìn)行分類堆放后集中運(yùn)走。生活垃圾實(shí)行袋裝化，做到每日清理。

8 結(jié)論

采用該技術(shù)可提高高原鐵路隧道工程抗災(zāi)能力，強(qiáng)化隧道抗震性能，增加安全冗余，可縮短大錯(cuò)位導(dǎo)致的隧道襯砌縱向破壞范圍，以加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)整體性，可實(shí)現(xiàn)震后的快速搶通，最大限度降低列車運(yùn)營影響，減少經(jīng)濟(jì)損失，間接經(jīng)濟(jì)效益巨大。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)隧道施工技術(shù)，采取的一些特殊工藝，均可在隧道內(nèi)簡單實(shí)施，沒有污染水源及空氣的操作工藝，同時(shí)對(duì)施工廢棄物進(jìn)行集中清理，確保施工環(huán)保無污染[5]。

隧道穿越活動(dòng)斷裂帶抗震設(shè)防施工技術(shù)，進(jìn)一步完善了高原鐵路隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的相關(guān)施工技術(shù)，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)的隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工研究奠定基礎(chǔ)。

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