尚東輝，史春宇，李令鵬，曹淑凱

（中交隧道工程局有限公司 北京 100102）

1 鐵路隧道施工技術(shù)

我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)促進(jìn)了道路交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，尤其是鐵路工程建設(shè)事業(yè)取得了可喜的發(fā)展成效。同時(shí)，也對(duì)鐵路隧道施工技術(shù)提出了更高的要求，尤其是復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工，對(duì)施工技術(shù)與施工質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格。復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工會(huì)面臨各類(lèi)地質(zhì)情況，如巖溶，放射性、高地溫、特殊巖層，軟弱破碎帶以及云母片巖等情況，如果施工技術(shù)無(wú)法充分應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的地質(zhì)情況，那么鐵路隧道工程發(fā)生巖爆、突泥、瓦斯爆炸以及高地溫災(zāi)害等情況的概率則較高，一方面會(huì)導(dǎo)致鐵路工程的綜合效益明顯降低，另一方面會(huì)增大鐵路隧道工程的施工成本投入，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。加強(qiáng)鐵路隧道施工技術(shù)的發(fā)展研究，能確保鐵路隧道施工更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)災(zāi)害，降低這些地質(zhì)災(zāi)害對(duì)鐵路隧道施工及使用階段造成的影響與破壞，從而提升鐵路工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)鐵路隧道施工的具體影響

不同類(lèi)型的地質(zhì)條件對(duì)鐵路隧道施工所產(chǎn)生的具體影響有所不同，而復(fù)雜地質(zhì)條件通常具有兩種表現(xiàn)情況。首先，實(shí)際施工區(qū)域的地質(zhì)條件相對(duì)較差，例如存在巖石脆弱層，那么發(fā)生崩塌現(xiàn)象的概率則較高；或者是實(shí)際施工區(qū)域位于地殼運(yùn)動(dòng)的活躍地帶，則會(huì)對(duì)地層的整體穩(wěn)定性造成顯著的影響；此外，部分特殊的地質(zhì)地貌情況也會(huì)對(duì)鐵路隧道施工造成不同程度的影響，如軟土地基與巖溶地貌等，都會(huì)直接影響鐵路隧道的施工效率與施工質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訉?dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。其次，實(shí)際施工區(qū)域存在特殊性的地質(zhì)環(huán)境，例如采空區(qū)、地下洞穴等情況，同時(shí)，當(dāng)隧道工程需要下穿建筑物或城市的下方時(shí)，則會(huì)發(fā)生與地下管線交叉的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)地面建筑物的安全性與穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。為此，保障復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)的科學(xué)選擇與合理應(yīng)用非常重要。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道綠色施工技術(shù)的具體類(lèi)型

3.1 淺埋偏壓隧道施工技術(shù)

（1）基本特點(diǎn)。在鐵路隧道地質(zhì)條件的類(lèi)型中，淺埋偏壓屬于常見(jiàn)的地質(zhì)條件，在鐵路隧道的具體施工過(guò)程中，需要利用科學(xué)的施工技術(shù)對(duì)淺埋偏壓地質(zhì)條件進(jìn)行有效地克服與科學(xué)的處理，從而保障鐵路隧道施工的牢固性與安全性。首先，需要全面了解并分析淺埋偏壓地質(zhì)條件的具體特點(diǎn)。由于淺埋偏壓地質(zhì)條件中隧道所埋的實(shí)際深度要明顯淺于其他類(lèi)型的隧道，故隧道的覆蓋層也相對(duì)較淺，因此隧道無(wú)法形成獨(dú)立成拱的情況，由此極易引發(fā)塌方現(xiàn)象和地面淪陷情況，同時(shí)在施工的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)地表移動(dòng)，發(fā)生嚴(yán)重的地質(zhì)變形等情況，并且通常情況下會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，直接威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)鐵路隧道施工面臨淺埋偏壓地質(zhì)情況，則會(huì)對(duì)施工過(guò)程中的支護(hù)開(kāi)挖施工、排水與襯砌施工等帶來(lái)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)與壓力，這不僅會(huì)增加鐵路隧道施工的難度與強(qiáng)度，還會(huì)增加鐵路隧道施工的危險(xiǎn)性。

（2）相關(guān)應(yīng)用。淺埋偏壓隧道施工技術(shù)，在應(yīng)用之前要全面分析并探討隧道工程的淺埋偏壓地質(zhì)條件與危險(xiǎn)因素，由此指導(dǎo)危險(xiǎn)因素排查工作的有序開(kāi)展，確保技術(shù)人員能準(zhǔn)確掌握施工區(qū)域的具體地質(zhì)基礎(chǔ)與條件，為施工方案的完善與調(diào)整提供準(zhǔn)確的引導(dǎo)與幫助，保障施工操作的有序進(jìn)行。此外，在隧道的具體開(kāi)挖過(guò)程中，要科學(xué)處理超前地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，并對(duì)地質(zhì)變形情況進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保技術(shù)人員充分掌握圍巖的變形規(guī)律，根據(jù)地質(zhì)條件變化情況對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行及時(shí)且合理的調(diào)整與修改，以保障預(yù)期施工目標(biāo)的順利完成。

3.2 軟弱圍巖隧道技術(shù)

（1）基本特點(diǎn)。應(yīng)力是隧道圍巖的基本條件，主要是指隧道施工中具有應(yīng)力情況的巖體，會(huì)對(duì)鐵路隧道工程的實(shí)際安全性與穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。地質(zhì)條件不同，圍巖的特點(diǎn)與穩(wěn)定性都將存在較大的差異性。為此，應(yīng)對(duì)軟弱圍巖地質(zhì)情況時(shí)要確保施工方法符合施工區(qū)域的具體地質(zhì)特點(diǎn)，保障圍巖隧道應(yīng)力的合理性與整體穩(wěn)定性。此外，明確圍巖隧道的合理荷載量，避免出現(xiàn)隧道荷載量超出隧道結(jié)構(gòu)承受范圍的情況，并保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)種類(lèi)與尺寸的合理性，由此規(guī)范隧道襯砌結(jié)構(gòu)的勞動(dòng)定額與消耗標(biāo)準(zhǔn)。

（2）相關(guān)應(yīng)用。應(yīng)用軟弱圍巖隧道施工技術(shù)，首先，要以地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，合理選擇施工方式，同時(shí)對(duì)施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，保障荷載條件設(shè)置的科學(xué)性，確保隧道結(jié)構(gòu)與荷載要求的具體標(biāo)準(zhǔn)相符合。其次，以全面分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)條件，合理設(shè)定襯砌結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)先進(jìn)地質(zhì)鑒定技術(shù)的及時(shí)引進(jìn)與科學(xué)應(yīng)用，保障工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)性與規(guī)范性，降低軟弱圍巖地質(zhì)情況對(duì)鐵路隧道穩(wěn)定性的影響與損壞。

3.3 復(fù)雜外部條件鐵路隧道施工技術(shù)

當(dāng)鐵路隧道下穿城市或建筑物時(shí)被稱(chēng)為復(fù)雜外部條件下的鐵路隧道施工。首先，施工企業(yè)要嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)地質(zhì)勘查工作，結(jié)合實(shí)際勘察結(jié)果對(duì)施工區(qū)域的建筑進(jìn)行合理的加固處理，并制訂科學(xué)可行的施工方案。其次，在施工過(guò)程中，科學(xué)調(diào)整并控制隧道掘進(jìn)的速度與尺寸，最大限度地降低施工操作對(duì)周?chē)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)造成的擾動(dòng)影響。最后，重視施工監(jiān)測(cè)工作，保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與真實(shí)性，并嚴(yán)格落實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，從而引導(dǎo)隧道施工的有序開(kāi)展。

3.4 隧道通風(fēng)自動(dòng)控制技術(shù)

通常情況下，隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是風(fēng)管的最長(zhǎng)送風(fēng)距，這會(huì)導(dǎo)致隧道掘進(jìn)初始階段的通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量大于實(shí)際風(fēng)量需求，從而造成資源浪費(fèi)。另外，隧道施工中每個(gè)工序所需的風(fēng)量具有明顯的差異性，上述的風(fēng)機(jī)選擇標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

（1）基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隧道通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由多種設(shè)備所組成，即主機(jī)設(shè)備、光端機(jī)設(shè)備、電源線設(shè)備、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備、傳輸線纜與接線盒設(shè)備、傳感器以及避雷器等。隧道通風(fēng)自動(dòng)控制技術(shù)的傳輸模式是末端無(wú)線傳輸技術(shù)與通信電纜有機(jī)結(jié)合的模式，這樣不僅可以滿(mǎn)足末端傳感器檢查的靈活性要求，還能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求，提升了該技術(shù)安裝與使用過(guò)程中的應(yīng)對(duì)能力。

（2）主要系統(tǒng)功能分析。①在啟動(dòng)與關(guān)閉風(fēng)機(jī)的過(guò)程中，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)變頻實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行方式與手動(dòng)運(yùn)行方式的隨意切換，降低風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果。②在隧道施工的過(guò)程中，能全面精準(zhǔn)檢測(cè)隧道掘進(jìn)施工的各項(xiàng)參數(shù)，如工作環(huán)境的具體溫度、各類(lèi)有害物質(zhì)的具體濃度情況以及風(fēng)管口的實(shí)際出風(fēng)量等。③在控制軟件與可編程控制器的共同作用下，利用模糊控制方式控制隧道風(fēng)機(jī)開(kāi)展實(shí)時(shí)工作，提升風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)效性。④一旦風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或變頻器存在異常，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，給技術(shù)人員的處理提供有效的引導(dǎo)。

（3）風(fēng)量控制模式。風(fēng)量閉環(huán)控制模式是隧道通風(fēng)自動(dòng)控制技術(shù)的風(fēng)量控制方式。如果系統(tǒng)處于自動(dòng)變頻狀態(tài)，風(fēng)控系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)傳感器傳輸?shù)母黝?lèi)有害物質(zhì)則會(huì)被模糊控制器進(jìn)行及時(shí)的處理與分析，如有害物質(zhì)中有一類(lèi)物質(zhì)的濃度已經(jīng)達(dá)到事前預(yù)設(shè)的最低濃度值，那么控制系統(tǒng)則會(huì)直接發(fā)送控制指令，通過(guò)提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的方式降低有害物質(zhì)的進(jìn)入。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)需求時(shí)，風(fēng)機(jī)則會(huì)自動(dòng)報(bào)警。反之，如果有害物質(zhì)的濃度不斷降低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際頻率則會(huì)隨之降低，風(fēng)量減小，直至降到所設(shè)定的最小風(fēng)速值。

（4）電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。①基本原理?，F(xiàn)階段，在隧道通風(fēng)自動(dòng)控制技術(shù)中，通常是利用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的模式實(shí)現(xiàn)通風(fēng)目標(biāo)，而交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的具體表達(dá)式如下：

式中：f1為供電電壓的實(shí)際頻率；ω1為相應(yīng)角頻率；P為異步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s的表達(dá)式如下：

式中：ns為異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；ω為固有角頻率。

由上述公式可知，如果電源頻率f1發(fā)生改變，那么電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。②主要控制方式。開(kāi)環(huán)控制模式與閉環(huán)控制模式是變頻調(diào)速控制方式的主要類(lèi)型，通常情況下是使用的開(kāi)環(huán)控制模式，即電壓-頻率控制方式（V/F)。而閉環(huán)控制模式，則需要對(duì)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)的反饋，主要具有矢量控制模式與轉(zhuǎn)差頻率控制模式等。

（5）自感應(yīng)除塵降溫控制系統(tǒng)。同其他控制系統(tǒng)相比，自感應(yīng)除塵降溫控制系統(tǒng)具有明顯的特點(diǎn)，即能夠結(jié)合隧道施工情況的實(shí)際作業(yè)環(huán)境對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而使得環(huán)境保障設(shè)備運(yùn)行具有理想的自動(dòng)調(diào)控效果。自感應(yīng)除塵降溫控制系統(tǒng)由多種模塊所組成，例如聲光報(bào)警模塊、粉塵濃度監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)顯示與控制模塊、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)以及無(wú)線傳輸磨模塊等。應(yīng)用自感應(yīng)除塵降溫控制系統(tǒng)，能自動(dòng)控制檢測(cè)并分析隧道施工中的粉塵濃度，如果粉塵濃度超過(guò)預(yù)設(shè)的范圍，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警并進(jìn)行水霧噴射，實(shí)現(xiàn)降低隧道中粉塵濃度、改善施工環(huán)境的根本目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工技術(shù)對(duì)鐵路工程的整體使用質(zhì)量具有決定性的影響。為此，施工企業(yè)要高度重視復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道施工，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況加強(qiáng)綠色隧道施工技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，提升復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工的安全性與穩(wěn)定性，保障鐵路運(yùn)輸事業(yè)的安全有序發(fā)展。