肖廣智

(中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心， 北京 100844)

0 引言

隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，截至2018年底，我國投入運(yùn)營的鐵路隧道共15 117座，總長16 331 km，在建隧道3 477座，總長7 465 km[1]。由于鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，越來越多的鐵路必須穿越崇山峻嶺，這意味著鐵路隧線比越來越高，長大深埋隧道越來越多。我國幅員廣闊，在漫長的地質(zhì)時(shí)期經(jīng)歷了多期的構(gòu)造作用，形成了種類繁多的地層巖性及復(fù)雜的地質(zhì)特征。因此，鐵路隧道工程也必然會(huì)面對(duì)更多復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，遭遇到各種各樣的不良和特殊地質(zhì)問題。

鐵路隧道修建過程中在不斷地歷經(jīng)各種不良地質(zhì)條件和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境后，我國的建設(shè)者們針對(duì)相應(yīng)問題形成了配套的修建對(duì)策。黃鴻健等[2]、申志軍[3]在宜萬鐵路的高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道修建過程中，探索出了隧道巖溶的處理措施；張民慶等[4]總結(jié)了蘭新高鐵大梁山隧道通過接觸破碎帶時(shí)突水突泥的治理方法；趙勇[5]研究了軟弱圍巖隧道的變形機(jī)制和控制措施，并成功地在蘭渝鐵路桃樹坪隧道和貴廣鐵路天平山隧道得以應(yīng)用；王慶武等[6]以拉林鐵路巴玉隧道為依托，綜合開展了大埋深隧道巖爆的預(yù)測(cè)和防治工作；熊春庚[7]針對(duì)蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系粉細(xì)砂巖地層施工中存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，確立了相應(yīng)的處治技術(shù)；洪開榮等[8]對(duì)大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM段的高地溫問題進(jìn)行了分析研究并提供了技術(shù)支撐；王明慧等[9]從通風(fēng)、設(shè)備、安全避險(xiǎn)、防突措施、瓦斯監(jiān)測(cè)及應(yīng)急救援等方面進(jìn)行研究和實(shí)踐，保證了渝黔鐵路高風(fēng)險(xiǎn)隧道天坪隧道瓦斯突出工區(qū)的施工安全。

以上均未對(duì)幾種典型的特殊地質(zhì)條件進(jìn)行綜合歸納分析研究。筆者指導(dǎo)或參與了多座復(fù)雜高風(fēng)險(xiǎn)鐵路隧道施工、病害處治方案制定和現(xiàn)場(chǎng)督導(dǎo)工作，根據(jù)工作體會(huì)，重點(diǎn)從鐵路隧道施工過程中遭遇的巖溶、富水破碎帶、高地應(yīng)力軟巖、巖爆、第三系含水砂層、高地溫、瓦斯7種特殊和不良地質(zhì)條件著手，力圖以濃縮的內(nèi)容、簡(jiǎn)明的文字對(duì)施工中遇到的問題和對(duì)策要點(diǎn)進(jìn)行介紹，供同行們借鑒和商榷。

1 巖溶

1.1 問題

巖溶主要是指可溶巖的溶蝕作用，溶蝕后產(chǎn)生大大小小的空隙，再加上其他的物理化學(xué)作用，形成復(fù)雜多變的地質(zhì)形態(tài)。在我國分布最廣泛的可溶巖就是碳酸鹽巖，主要包括灰?guī)r、白云巖、大理巖等，我國超過1/6的國土面積分布著碳酸鹽巖。由于南方雨量充沛，造成南方的巖溶比北方發(fā)育，云貴川等西南地區(qū)、廣西巖溶尤其發(fā)育，西南地區(qū)土地面積的1/3都是巖溶發(fā)育區(qū)。修建巖溶隧道主要存在的問題如下：

1)由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性、隨機(jī)性、形態(tài)多樣性，勘察期間很難查清。

2)巖溶隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，一是遇高壓富水巖溶易發(fā)生突水、突泥、突石災(zāi)害，造成人員傷亡和設(shè)備損壞(見圖1)；二是巖溶形態(tài)各異，處治復(fù)雜，施工難度大，工期長；三是處于垂直循環(huán)帶的淺埋隧道，還易因失水引起地面環(huán)境破壞，造成社會(huì)糾紛[10]。

3)運(yùn)營期間易產(chǎn)生滲漏、涌水等水害，有的泄水洞、支洞設(shè)置不合理或運(yùn)營期間維護(hù)不到位，造成暴雨季節(jié)發(fā)生水害，見圖2和圖3。

圖1野三關(guān)隧道施工突水突泥

Fig. 1 Water and mud gushing in Yesanguan Tunnel

圖2 運(yùn)營隧道雨季漏水

圖3 運(yùn)營隧道雨季水害

1.2 對(duì)策

1.2.1 選線原則

1)盡量繞避巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地帶、可溶巖和非可溶巖接觸帶、巖溶水富集區(qū)及巖溶水排泄帶；不能繞避時(shí)，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，并以最短的距離通過。

2)在高程上盡量高位選線，宜在垂直滲流帶中，不宜在水平徑流帶中通過。

1.2.2 設(shè)計(jì)原則

1)輔助坑道優(yōu)先采用平行導(dǎo)坑、橫洞等。

2)巖溶水處理應(yīng)遵循以排為主、排堵結(jié)合的原則，對(duì)環(huán)境敏感區(qū)段采取以堵為主、限量排放的原則。

3)富水巖溶地段襯砌應(yīng)適當(dāng)考慮襯砌承受部分水壓力。

1.2.3 施工處治

巖溶隧道的處治原則是“探明情況、因地制宜、消除水患、綜合治理”。

1)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，關(guān)鍵是水平超前探孔，掌握巖溶性質(zhì)、規(guī)模，充分評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)，制定專項(xiàng)施工方案。

2)對(duì)揭示的巖溶進(jìn)行全面的水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和分析，確定結(jié)構(gòu)處理和排水方案。

3)洞穴型、管道型巖溶采用回填方案；充填型巖溶采用注漿加固+大管棚方案；過水型巖溶采用引排方案；大型干溶洞采用托梁+板跨方案、型鋼混凝土+板跨方案、鋼管群樁方案、樁基+承臺(tái)方案、路基填筑方案、梁跨方案等。如宜萬鐵路高坪1#隧道DK139+598巖溶基底采“鋼管群樁注漿加固”方案(見圖4)；魯竹壩2#隧道DK204+610巖溶采取“樁基+承臺(tái)”方案(見圖5)。深埋高壓富水溶腔采用“釋能降壓”方案，如宜萬鐵路野三關(guān)隧道“602”溶腔、馬鹿箐隧道“978溶腔”等[2-3]。

圖4 高坪1#隧道“鋼管群樁注漿加固”(單位： cm)

Fig.4 Grouting reinforcement of steel pipe piles in Gaoping Tunnel #1 (unit: cm)

圖5 魯竹壩2#隧道樁基承臺(tái)(單位： cm)

4)設(shè)置維管條件，提出排水設(shè)施維管要求(使用說明書)，加強(qiáng)維管，及時(shí)檢查、維護(hù)、清淤。

2 富水構(gòu)造破碎帶

2.1 問題

富水構(gòu)造破碎帶是指由各種地質(zhì)作用造成的，包括斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶、風(fēng)化差異帶、侵入巖蝕變帶、褶皺擠壓帶等巖層破碎帶。在富水狀態(tài)下，具有穩(wěn)定性差、易發(fā)生坍塌、突涌水(泥)等地質(zhì)災(zāi)害，是鐵路隧道工程建設(shè)中最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。富水?dāng)鄬訋П容^常見，一般沿構(gòu)造方向有規(guī)律的分布。

富水構(gòu)造破碎帶圍巖穩(wěn)定性極差，隧道穿越時(shí)易產(chǎn)生突水突泥，給施工安全帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。主要表現(xiàn)為造成人員傷亡、機(jī)械設(shè)備損毀、工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失巨大[10]。如廈深高鐵梁山隧道施工期間遇到的L7斷層破碎帶，洞內(nèi)多次發(fā)生突涌泥，地表形成漏斗形陷坑，見圖6。

(a) 涌水涌泥

(b) 地表塌陷

Fig.6 Water and mud gushing of tunnel face and surface subsidence of Liangshan Tunnel on Xiamen-Shenzhen Railway

2.2 對(duì)策

準(zhǔn)確進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前泄水降壓是預(yù)防隧道開挖突涌的最有效措施，加固地層和超前支護(hù)是保證開挖安全的主要措施(本文略去)，下面僅介紹超前預(yù)報(bào)要求和超前排水措施。

1)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，最主要的是采用超前鉆孔探明構(gòu)造破碎帶的規(guī)模、物質(zhì)組成、水量和水壓等。

2)迂回導(dǎo)坑超前排水、泄水降壓。采用高位迂回導(dǎo)坑超前排水、泄水降壓，不但可降低地下水位，消除突水突泥風(fēng)險(xiǎn)，且為正洞通過時(shí)保證注漿加固效果創(chuàng)造了條件。

如廈深鐵路梁山隧道前期未重視超前預(yù)報(bào)，遇L7斷層破碎帶時(shí)發(fā)生了突泥突水，施工受阻。采用右側(cè)高位迂回導(dǎo)坑超前排水泄壓，導(dǎo)坑底板距隧道正洞頂部5 m，距斷層水平距離8 m，見圖7。泄水量保持100～200 m3/d，降低了水壓，使正洞可以安全清淤，也保證了正洞注漿、水平旋噴加固效果，順利通過斷層。

圖7 廈深鐵路梁山隧道高位迂回導(dǎo)坑泄水

Fig.7 Draining by circuitous heading in Liangshan Tunnel on Xiamen-Shenzhen Railway

3)掌子面超前鉆孔排水泄壓。在掌子面前方隧道輪廓以外鉆孔超前排水，降低水位。鉆孔長度一般為30～50 m，直徑89～120 mm，如臺(tái)灣高鐵苗栗隧道，見圖8。

3 高地應(yīng)力軟巖大變形

3.1 問題

軟巖一般指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層。軟質(zhì)巖指巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于15 MPa的圍巖，按鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定圍巖強(qiáng)度與地應(yīng)力比值小于7為高(極高)地應(yīng)力[11]。在高地應(yīng)力環(huán)境下修建軟巖隧道易產(chǎn)生大變形，主要問題：

1)在勘察設(shè)計(jì)階段無法準(zhǔn)確判斷大變形是否發(fā)生，以及發(fā)生的程度。

2)對(duì)大變形的機(jī)制、類型等缺乏系統(tǒng)性研究。

3)施工中遇大變形，工程措施試驗(yàn)、摸索時(shí)間長，造成結(jié)構(gòu)拆換、工期延誤等[10]。見圖9。

(a) TK111+058.5真空排水孔施工示意圖(單位： m)

(b) 苗栗隧道真空排水管施作完成

Fig.8 Draining and pressure releasing in advance by drilling outside tunnel outlet

(a)

(b)

Fig.9 Deformation of Yuelongmen Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

3.2 對(duì)策

按照大變形的不同類型、不同級(jí)別，先做試驗(yàn)段，確定支護(hù)參數(shù)和施工方法，采用主動(dòng)控制變形的理念。

3.2.1 分類施策

1)擠壓型： 放抗結(jié)合、主動(dòng)控制變形； 2)結(jié)構(gòu)型： 錨固為主，抵御層狀巖層彎曲應(yīng)力； 3)散體型： 加固地層、強(qiáng)支護(hù)、控制塑性區(qū)發(fā)展。

3.2.2 分級(jí)處治

圍巖變形按等級(jí)分為輕微、中等、嚴(yán)重、極嚴(yán)重。支護(hù)措施可按不同變形等級(jí)采取相應(yīng)措施： 輕微變形采用初期支護(hù)加強(qiáng)措施；中等變形采用鋼架加強(qiáng)(如H型鋼)、中長錨桿等；嚴(yán)重變形采用H型鋼(單層或雙層初期支護(hù))+長短結(jié)合錨桿+填充注漿；極嚴(yán)重變形采用中長管棚超前支護(hù)+雙層初期支護(hù)+錨桿+錨索+注漿加固等。

3.2.3 主動(dòng)控制變形

施工原則： 快，即盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，快挖、快支、快封閉；強(qiáng)，即支護(hù)寧強(qiáng)勿弱、寧補(bǔ)勿拆；少，即少分部、盡量實(shí)現(xiàn)大斷面開挖；預(yù)，即合理預(yù)留變形量。

主動(dòng)支護(hù)、主動(dòng)控制變形。隧道開挖后圍巖塑性變形破壞是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，支護(hù)的目的就是為了限制塑性區(qū)的發(fā)展，發(fā)揮圍巖自承能力。支護(hù)措施應(yīng)從如何減少圍巖塑性破壞出發(fā)，主動(dòng)加固圍巖[12-14]。一是合理選擇錨桿類型、提高錨桿施工效率，充分發(fā)揮錨桿對(duì)圍巖變形的主動(dòng)控制作用[15]；二是優(yōu)化工法，盡量少分步，實(shí)現(xiàn)大斷面開挖，盡早封閉仰拱成環(huán)[12-14，16-17]。

如成蘭鐵路躍龍門隧道3#斜井工區(qū)嚴(yán)重變形段，采用雙層支護(hù)+長短錨桿結(jié)合的措施，基本控制住了圍巖變形，二次襯砌施作時(shí)圍巖變形最大速率控制在 0.4 mm/d以內(nèi)，見圖10。

(a)

(b)

4 高地應(yīng)力硬巖巖爆

4.1 問題

巖爆是一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，不僅嚴(yán)重威脅施工人員及設(shè)備的安全、影響施工進(jìn)度，而且還會(huì)造成超挖、初期支護(hù)失效。巖爆在未發(fā)生前并無明顯的預(yù)兆和規(guī)律，巖爆發(fā)生時(shí)間主要集中在爆破后2～6 h，在出渣過程甚至噴錨支護(hù)以后也會(huì)發(fā)生，有時(shí)甚至開挖支護(hù)一星期后或半個(gè)月后還會(huì)發(fā)生，見圖11。目前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和手段對(duì)巖爆很難做到非常準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)。

(a)

(b)

4.2 對(duì)策

施工中，首先，要加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)(如聲發(fā)射法、電磁輻射法、微重力法等)，盡量預(yù)測(cè)出巖爆發(fā)生的部位和等級(jí)； 其次，主要從改善圍巖物理力學(xué)性能、改善圍巖應(yīng)力條件和加固圍巖等方面入手采取相應(yīng)工程措施[6，18]； 最后，采取施工防護(hù)措施。

1)改善圍巖物理力學(xué)性能。在掌子面和洞壁灑水。

2)改善圍巖應(yīng)力條件。超前鉆設(shè)應(yīng)力釋放孔；短進(jìn)尺，減少藥量，控制光爆效果；輕微、中等巖爆地段盡可能采用全斷面一次開挖成型；強(qiáng)烈?guī)r爆地段必要時(shí)也可采用上下臺(tái)階法開挖。

3)加固圍巖。輕微巖爆： 噴混凝土，局部打設(shè)脹殼式錨桿；中等巖爆： 增加鋼架、系統(tǒng)錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，打設(shè)邊墻應(yīng)力釋放孔；強(qiáng)烈?guī)r爆： 增設(shè)超前正面膨脹錨桿，錨桿長度一般為2倍進(jìn)尺。

4)施工防護(hù)措施。對(duì)施工設(shè)備駕駛室設(shè)置鋼筋網(wǎng)防護(hù)罩，采用多功能移動(dòng)式防護(hù)臺(tái)車，施工人員穿戴鋼盔和防護(hù)服，見圖12—14。

圖12 三臂臺(tái)車防護(hù)網(wǎng)

圖13 防護(hù)臺(tái)架

圖14 作業(yè)人員穿戴防爆服

如拉林鐵路巴玉隧道最大埋深2 080 m，地應(yīng)力高，巖爆現(xiàn)象突出，預(yù)設(shè)計(jì)巖爆段落共計(jì)12 242 m，占隧道長度的94%。進(jìn)口DK196+712～+780段為強(qiáng)烈?guī)r爆，采用拱墻噴CF25鋼纖維混凝土、φ6鋼筋網(wǎng)、4 m長φ25漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿、Ⅰ16型鋼拱架、掌子面正面錨桿，實(shí)行全斷面開挖，使用防護(hù)臺(tái)車及人員防護(hù)服等，工程進(jìn)展順利。

5 第三系含水砂層

5.1 問題

第三系地層在我國分布范圍廣泛，由于第三系地層沉積時(shí)間短，沉積環(huán)境差異較大，成巖作用程度也不盡相同，雖然也稱為砂巖、泥巖、礫巖等，但實(shí)際上某些第三系巖體狀態(tài)與黏性土和砂類土相似，富水時(shí)圍巖穩(wěn)定性極差。施工中遇到的主要問題有：

1)干燥時(shí)，開挖過程中漏砂、涌砂現(xiàn)象嚴(yán)重，見圖15。

2)有水時(shí)，圍巖迅速軟化，開挖后呈流塑狀，基底涌水，如蘭渝鐵路桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道遇第三系未成巖砂層多次塌方，見圖16。

3)地層孔隙率低，降水效果差，注漿難度大。

4)隧道圍巖和支護(hù)變形大，易產(chǎn)生坍塌[7,10]。

圖15 第三系地層拱部漏砂

圖16 開挖后呈流塑狀

5.2 對(duì)策

主要的工程措施為降水、超前支護(hù)、加固地層、合理選擇開挖工法等。

5.2.1 降水

第三系砂層滲透系數(shù)較小、降水效果較差，結(jié)合埋深條件可采取地表結(jié)合洞內(nèi)降水，達(dá)到地表降水后剩余水量不會(huì)導(dǎo)致掌子面溜坍、涌水、涌泥，洞內(nèi)降水后掌子面穩(wěn)定可快速施工的目的。

5.2.2 超前支護(hù)

一般采用超前大管棚+小導(dǎo)管，有條件時(shí)可采用水平旋噴超前支護(hù)和掌子面地層加固，實(shí)現(xiàn)大斷面開挖。

5.2.3 注漿加固地層

沒有條件施作水平旋噴的隧道可采用擾動(dòng)置換壓密型地層加固注漿方法。

5.2.4 開挖工法

傳統(tǒng)開挖工法： 采用洞內(nèi)超前輕型井點(diǎn)降水或地表降水，超前小導(dǎo)管注漿等輔助措施，CRD或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

水平旋噴+大斷面開挖工法： 水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)，掌子面使用玻璃纖維錨桿，斜向旋噴樁鎖腳；掌子面超前真空降水，仰拱垂直井點(diǎn)降水；微臺(tái)階大斷面開挖。

如蘭渝鐵路胡麻嶺隧道采用地表+洞內(nèi)降水(地表深井降水可達(dá)220 m)、擾動(dòng)置換壓密型加固注漿技術(shù)，克服了第三系含水砂層段施工難題，見圖17和圖18。

圖17 洞內(nèi)降水

圖18 擾動(dòng)置換壓密型加固注漿

桃樹坪隧道全隧為第三系含水砂層，2#、3#、4#斜井工區(qū)洞內(nèi)采用真空輕型井點(diǎn)降水、超前管棚+注漿傳統(tǒng)工法施工，見圖19；出口采用水平旋噴超前支護(hù)與掌子面加固，臺(tái)階法開挖，見圖20。

6 高地溫

6.1 問題

各類堅(jiān)硬、致密巖石，由于熱導(dǎo)率較低，傳熱性能差，在巖體中易于聚集熱能，因此隨著隧道工程埋深的增加，地溫一般也逐漸增加。對(duì)于地?zé)岙惓^(qū)，可分為3種： 巖熱型、熱水型、混合型。巖熱型熱源主要來自于上地幔軟流圈的熱擴(kuò)散，或者晚期巖漿活動(dòng)的余熱及放射性元素的放射熱等；熱水型主要由地下熱水引起；混合型是既有巖溫問題，又有熱水問題，熱水疊加于巖溫之上，形成局部疊加熱異常帶。

近年來，在拉日、玉蒙、蒙河、大瑞等鐵路隧道出現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象。對(duì)隧道工程的不利影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

1)惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，并嚴(yán)重威脅施工人員的健康和安全。

2)機(jī)械設(shè)備的工作條件惡劣、效率降低、故障增多。

3)影響施工及建筑材料的選取，如耐高溫器材、隔熱材料以及混凝土配合比等。

4)產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還可能引起襯砌開裂，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全及耐久性不利[10]。

圖19 傳統(tǒng)開挖工法

(a)

(b)

6.2 對(duì)策

6.2.1 開挖爆破

高地溫隧道爆破器材和起爆方式按高地溫等級(jí)進(jìn)行選擇： 炮孔巖溫<50℃(I級(jí)高地溫)，采用普通爆破器材，正常連接起爆，即采用非電雷管孔底起爆；50℃≤炮孔巖溫<70℃(II、III級(jí)高地溫)，采用耐80℃的高強(qiáng)導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索，正常連接起爆；炮孔巖溫≥70℃(小于100℃，IV、V級(jí)高地溫)，采用耐120℃高溫的高強(qiáng)導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索，改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)，隔熱膜包裹炸藥等[8]。

6.2.2 通風(fēng)、炮碴灑水降溫

隧道放炮后，在炸藥爆破、新揭露巖體散熱等共同作用下，環(huán)境溫度急劇上升。必須對(duì)炮碴進(jìn)行灑水，同時(shí)延長通風(fēng)等待時(shí)間，待溫度降低至目標(biāo)溫度后，再組織人員進(jìn)行作業(yè)，見圖21。

圖21 灑水降溫

6.2.3 制冷降溫

冰塊降溫是把制作好的冰塊分層放置在開挖臺(tái)車、防水板臺(tái)車、襯砌臺(tái)車等作業(yè)人員相對(duì)集中的地段，見圖22。機(jī)械制冷是在地面或洞內(nèi)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)。

圖22 冰塊降溫

6.2.4 二次襯砌

巖溫≥60℃，正洞采用隔熱復(fù)合式襯砌，預(yù)留30 cm套襯施工空間。

6.2.5 勞動(dòng)保護(hù)措施

人員防護(hù)措施包括防高溫水燙傷、有毒有害氣體預(yù)防、設(shè)置洞內(nèi)休息室(見圖23)、減少作業(yè)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度、強(qiáng)化人員健康管控等；機(jī)械防護(hù)措施包括設(shè)備防高溫措施、加強(qiáng)保養(yǎng)等。

圖23 設(shè)置洞內(nèi)休息室

如拉林鐵路桑珠嶺隧道D1K175+750～+910段穿越沃卡地塹東緣活動(dòng)斷裂F5-2，存在高巖溫、高溫?zé)崴變?nèi)巖溫達(dá)到62 ℃，最高時(shí)達(dá)89.9 ℃，采用高強(qiáng)導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索，加強(qiáng)通風(fēng)，使用灑水、冰塊降溫，采取襯砌隔熱、預(yù)留30 cm套襯空間及勞動(dòng)保護(hù)等措施。

7 瓦斯等有害氣體

7.1 問題

有害氣體是指儲(chǔ)存在巖體裂隙中的有毒氣體、可燃性氣體和窒息性氣體的總稱，常見的有瓦斯(煤層瓦斯、天然氣瓦斯)、硫化氫、二氧化硫等，災(zāi)害主要表現(xiàn)為中毒、窒息、燃燒、爆炸等。在隧道施工中存在的主要問題如下：

1)偶發(fā)瓦斯爆炸和有害氣體爆突事故。如成貴鐵路七扇巖隧道進(jìn)口平導(dǎo)發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成12人受傷、12人死亡；大臨鐵路紅豆山隧道1#斜井有害氣體爆突，并伴有隧道掌子面巖體呈砂石狀涌出，造成洞內(nèi)作業(yè)人員6人遇難。

2)隧底下部溢出型、天然氣瓦斯等很難勘察清楚，往往要施工揭示后再變更。

3)低瓦斯隧道不確定性大，往往風(fēng)險(xiǎn)更大。

4)高瓦斯隧道目前基本采用無軌運(yùn)輸，但設(shè)備防爆改裝無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]。

7.2 對(duì)策

瓦斯隧道結(jié)構(gòu)(如結(jié)構(gòu)厚度、滲透系數(shù)、隔離層、氣水分離等)、輔助坑道、運(yùn)營通風(fēng)等設(shè)計(jì)措施按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

施工對(duì)策的指導(dǎo)思想是減小瓦斯及有害氣體體積分?jǐn)?shù)、避免火源，最關(guān)鍵的防治技術(shù)為瓦斯檢測(cè)監(jiān)測(cè)、超前預(yù)報(bào)、施工通風(fēng)及科學(xué)安全管理體系幾個(gè)方面。通過系統(tǒng)完善的瓦斯檢測(cè)監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)了解洞內(nèi)各處的瓦斯?fàn)顩r，便于應(yīng)急處理；通過地質(zhì)分析和超前探測(cè)，掌握瓦斯賦存、運(yùn)移與地質(zhì)構(gòu)造間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便采取針對(duì)性的措施；通過有效的通風(fēng)技術(shù)，將隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在限值以內(nèi)；建立健全安全管理制度，確保無火源，在技防與管理并重的前提下才能避免瓦斯事故發(fā)生，保障施工安全[19-23]，見圖24和圖25。

(a)

(b)

圖25 做好瓦斯監(jiān)測(cè)

1)建立自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)所監(jiān)控地點(diǎn)的有毒、有害氣體體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、定點(diǎn)、長期、連續(xù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。建立聲、光報(bào)警系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)超限時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)斷電,發(fā)生異常自動(dòng)報(bào)警，人員自動(dòng)撤離。

2)瓦斯地層施工安全措施： ①預(yù)先對(duì)各種有關(guān)人員進(jìn)行專門訓(xùn)練。施工過程中設(shè)專職瓦斯檢測(cè)人員，如瓦斯含量超限，應(yīng)及時(shí)按規(guī)定停止作業(yè)。②加強(qiáng)隧道通風(fēng)，風(fēng)機(jī)用電單獨(dú)供給。③隧道內(nèi)嚴(yán)禁使用明火照明，不得帶入火柴、打火機(jī)、手電筒及其他易燃品。④爆破使用礦用安全炸藥，并使用防爆型起爆器，嚴(yán)禁反向起爆。⑤洞內(nèi)電器設(shè)備禁止接零，檢修和遷移電器設(shè)備時(shí)，不準(zhǔn)帶電作業(yè)。

3)嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”即在裝藥前、放炮前、放炮后檢測(cè)瓦斯。

4)設(shè)置專職瓦斯檢測(cè)人員，進(jìn)洞時(shí)攜帶光學(xué)瓦斯檢定器、四合一氣體檢測(cè)儀，對(duì)甲烷、一氧化碳、硫化氫、氮氧化合物進(jìn)行全面檢測(cè)。

5)洞內(nèi)電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、照明燈具、通信、自動(dòng)化裝備和儀器、儀表均應(yīng)選用防爆型或進(jìn)行防爆改裝。

6)在有毒、有害氣體含量超標(biāo)的地段，開挖前采取超前注漿封閉，開挖后噴射混凝土，降低有毒、有害氣體涌出量。

如成蘭鐵路躍龍門隧道采用雙線分修，左線長19 981 m、右線長20 042 m。輔助坑道采用“1平導(dǎo)+3斜井+2橫洞+2泄水洞+1副洞”，均采用無軌運(yùn)輸模式組織施工。其中，3#斜井工區(qū)最大獨(dú)頭掘進(jìn)長達(dá)8 km，施工揭示為高瓦斯工區(qū)，還存在H2S有毒氣體。在采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施的基礎(chǔ)上，施工采取自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、巷道式通風(fēng)、設(shè)備防爆、一炮三檢制、專項(xiàng)安全措施等，確保了施工安全。

8 結(jié)論與建議

8.1 主要結(jié)論

1)巖溶主要問題為巖溶發(fā)育無規(guī)律、勘察困難、易產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害，主要對(duì)策為高位選線、維護(hù)過水通道、排水泄壓，根據(jù)揭示和補(bǔ)勘溶洞情況動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)處治措施。

2)富水構(gòu)造破碎帶主要問題為圍巖自穩(wěn)性差、易產(chǎn)生塌方和突水突泥災(zāi)害，主要對(duì)策為超前探測(cè)、超前降排水泄壓、超前支護(hù)與加固地層。

3)高地應(yīng)力軟巖大變形主要問題為影響大變形原因的因素多、機(jī)理復(fù)雜、提前判識(shí)困難，主要對(duì)策為減少圍巖擾動(dòng)，主動(dòng)控制圍巖變形，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱及寧補(bǔ)勿拆，施工快挖、快支、快封閉、少分步，大斷面機(jī)械化作業(yè)等。

4)高地應(yīng)力硬巖巖爆主要問題為無規(guī)律性和隨機(jī)性，主要對(duì)策為改善圍巖物理力學(xué)性能、圍巖應(yīng)力條件、加固圍巖、加強(qiáng)設(shè)備和人員防護(hù)等。

5)第三系含水砂層主要問題為水穩(wěn)性差、降水和注漿困難、易產(chǎn)生涌水涌泥和坍塌，主要對(duì)策為地表和洞內(nèi)聯(lián)合降水、擾動(dòng)置換壓密型注漿加固+大管棚、掌子面加固、初期支護(hù)拱腳控沉、水平旋噴超前支護(hù)等。

6)高地溫主要問題為惡化作業(yè)環(huán)境、降低生產(chǎn)率，主要對(duì)策為采取灑水、通風(fēng)、制冷等降溫措施，減少作業(yè)時(shí)間，加強(qiáng)健康檢查等勞動(dòng)保護(hù)措施，以及選用爆破器材、襯砌材料等工程措施。

7)瓦斯等有害氣體主要問題為存在氣體燃燒、中毒、爆突、爆炸風(fēng)險(xiǎn)，主要對(duì)策為超前預(yù)報(bào)、通風(fēng)、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)、爆破開挖與支護(hù)工程措施、防爆設(shè)備配備、應(yīng)急報(bào)警與救援、安全生產(chǎn)管理等。

8.2 建議

對(duì)于隧道的不良、特殊地質(zhì)條件地段應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘查和補(bǔ)勘工作，并進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。巖溶隧道應(yīng)進(jìn)一步豐富勘查手段，研究探測(cè)新技術(shù)；富水?dāng)鄬悠扑閹Ш偷谌岛皩铀淼缿?yīng)進(jìn)一步研究快速有效的洞內(nèi)降水施工技術(shù)，開發(fā)超前支護(hù)、穩(wěn)定掌子面的施工裝備；高地應(yīng)力軟巖隧道應(yīng)加強(qiáng)變形機(jī)理研究，找出圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、地應(yīng)力、巖層構(gòu)造、支護(hù)參數(shù)與支護(hù)變形之間的定量關(guān)系；高地應(yīng)力硬巖巖爆隧道應(yīng)加強(qiáng)巖爆機(jī)制的研究，探索地應(yīng)力、圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、巖層構(gòu)造、支護(hù)參數(shù)與巖爆發(fā)生的時(shí)機(jī)、部位、等級(jí)之間的關(guān)系；高地溫隧道加強(qiáng)洞內(nèi)移動(dòng)式空調(diào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用；瓦斯等有害氣體隧道應(yīng)加強(qiáng)信息化、自動(dòng)化安全管理措施，建立和用好監(jiān)測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、應(yīng)急管理平臺(tái)。