曾凡杰 蔣玉兵 黃劍鵬 李 坤

中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 重慶 400039

軌道交通中部分隧道工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，再加上較大的施工規(guī)模，所以在設(shè)計(jì)復(fù)雜、大規(guī)模的隧道施工方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)與隧道的實(shí)際工程條件與項(xiàng)目建設(shè)需求結(jié)合，綜合考慮制定科學(xué)合理的復(fù)雜地質(zhì)條件隧道工程設(shè)計(jì)方案[1]。有研究對(duì)隧道施工中有效防控巖爆，通過(guò)工程類比法從作用機(jī)理、發(fā)生規(guī)律、預(yù)測(cè)防護(hù)等方面分析，缺乏對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)[2]。因此將以某復(fù)雜地質(zhì)條件隧道工程為例，對(duì)該工程項(xiàng)目隧道設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐方法進(jìn)行總結(jié)分析，旨在能夠?yàn)轭愃扑淼拦こ探ㄔO(shè)提供參考思路。

1 隧道工程概況

以某軌道交通的隧道段工程項(xiàng)目為例，此工程左右洞長(zhǎng)分別為8695m、8599m，計(jì)劃隧道段的行車速度約85km/ h，分別在左右線縱坡設(shè)計(jì)1.5%單向坡。此隧道的工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要與隧道工程項(xiàng)目的所在區(qū)域地形地貌、地質(zhì)水文等各方面條件綜合考慮，并對(duì)隧道項(xiàng)目工程豎井與斜井技術(shù)分析確定技術(shù)方案。此隧道左右洞具體可以劃分為三段，均通過(guò)縱向分段送排式通風(fēng)，隧道工程中需要設(shè)計(jì)各類機(jī)電系統(tǒng)，包括通風(fēng)、照明與消防系統(tǒng)等[3]。

通過(guò)大量搜集整理此工程項(xiàng)目復(fù)雜地質(zhì)條件，洞身穿過(guò)大約總長(zhǎng)47%的花崗巖、灰?guī)r硬質(zhì)巖，前期初步勘察預(yù)計(jì)此段隧道工程面臨多處不同程度巖爆問(wèn)題，最大水平地應(yīng)力基本在35MPa。依據(jù)初步勘察相關(guān)資料，全線大約有50 多個(gè)對(duì)線路有一定影響的高溫?zé)崛?，水溫浮?dòng)在40～100℃，最高可達(dá)210℃。并且在多條線路穿越活動(dòng)段共計(jì)7 條斷裂，主要斷裂活動(dòng)走勢(shì)集中在平移現(xiàn)象，較大活動(dòng)速率與極強(qiáng)活動(dòng)性，一旦發(fā)震極有可能導(dǎo)致隧道錯(cuò)斷、震裂，對(duì)隧道工程的施工安全性造成極大損害[4]。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程項(xiàng)目，需要堅(jiān)持原則如下：

（1）需要將柱式、臺(tái)階式、端墻式洞口結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)于隧道洞口，結(jié)合隧道洞口的施工規(guī)定、所處地質(zhì)條件，選擇合適洞口；

（2）假若隧道工程在隧道洞口和中線根據(jù)地形，可以形成高等線斜角，可以設(shè)計(jì)斜交式隧道洞門，此外還要保證線路中線和端墻形成45°以上夾角[5]；

（3）對(duì)于隧道工程的內(nèi)部輪廓設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循隧道的施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保洞口內(nèi)各類設(shè)備的完整性，對(duì)隧道工程排水、通風(fēng)、照明、檢修等設(shè)備合理布設(shè)；

（4）假若隧道工程在周邊設(shè)有車站、風(fēng)景區(qū)、城鎮(zhèn)等，應(yīng)當(dāng)注意隧道洞門設(shè)計(jì)美觀性，適應(yīng)于城市的建設(shè)總規(guī)劃思路；

（5）設(shè)計(jì)復(fù)雜地質(zhì)隧道工程，一定要注意各施工區(qū)域的量測(cè)管理，提前做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件隧道設(shè)計(jì)

3.1 加強(qiáng)隧道地質(zhì)勘測(cè)工作

對(duì)于隧道工程地質(zhì)勘測(cè)時(shí)，可以運(yùn)用綜合物探、遙感測(cè)繪、鉆探等先進(jìn)技術(shù)，還要注意在勘察設(shè)計(jì)階段，施工區(qū)域的巖溶水動(dòng)力和水系統(tǒng)具體分布情況全面查明掌握，從而科學(xué)評(píng)估巖溶涌水量和具體狀態(tài)，另外還要對(duì)隱伏巖溶分布狀態(tài)做足前期勘察工作，搜集一手資料為隧道工程設(shè)計(jì)提供參考。在隧道項(xiàng)目的實(shí)際施工中，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以應(yīng)用超前鉆孔、TSP、紅外線技術(shù)，詳細(xì)了解隧道工程在開(kāi)挖前方15～200m 距離內(nèi)的具體地質(zhì)狀況，以掌握的隧道地質(zhì)條件建立適用的施工方案[6]。

3.2 科學(xué)選擇隧道軸線

在選擇隧道工程軸線時(shí)，需要對(duì)隧道施工區(qū)域的所處海拔高與接線方案綜合考慮，多個(gè)方案對(duì)比優(yōu)選，分別確定高、中、低三個(gè)不同軸線方案。首先，確定隧道高線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達(dá)到5811m、5825m高度，設(shè)計(jì)1.8%的縱坡角度。其次，確定隧道的中線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達(dá)到8675m、8670m 高度，設(shè)計(jì)1.505%的縱坡角度。最后，確定隧道的低線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達(dá)到9975m、9825m 高度，設(shè)計(jì)1.0%的縱坡角度[7]。

根據(jù)全面勘察隧道工程的地質(zhì)條件情況，對(duì)于隧道兩側(cè)的具接線位，需要考慮到復(fù)雜的地質(zhì)條件，所以高軸線方案并不能夠保證絕對(duì)使用。對(duì)比中軸線與低軸線，由于低軸線所需完成的施工規(guī)模較大，所需投資金額較大，低軸線的通風(fēng)管理工作并不理想，面對(duì)較差的行車條件，最終確定中軸線施工方案，能夠更貼合本次隧道交通設(shè)計(jì)需要。規(guī)劃設(shè)計(jì)該隧道的工程施工圖見(jiàn)圖1，需要對(duì)地質(zhì)、水文的勘察結(jié)果多因素綜合考慮，對(duì)巖溶復(fù)雜地質(zhì)的不良影響因素做到全面規(guī)避，還要與隧道施工中的豎井、斜井施工相協(xié)調(diào)，確保隧道的通風(fēng)效果與安全行車[8]。

圖1 隧道路線施工圖

3.3 制定隧道通風(fēng)方案

在對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道工程設(shè)計(jì)方案時(shí)，對(duì)于不同設(shè)計(jì)階段需要對(duì)比兩段式、三段式方案。如果應(yīng)用三段式通風(fēng)，為了滿足隧道施工需求應(yīng)當(dāng)加設(shè)斜井、豎井，在正式投入運(yùn)營(yíng)中所需費(fèi)用不高，還可以有效保證隧道的不同路段達(dá)到良好通風(fēng)，改善隧道的行車環(huán)境，并且此方案還建立了有力隧道工程防災(zāi)能力。通過(guò)多次對(duì)比優(yōu)選通風(fēng)方案后，將雙斜井、雙豎井方案用于隧道A、B 兩端，在對(duì)隧道規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到此隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件，面對(duì)較大的施工段長(zhǎng)，通風(fēng)方案要保證利于正洞施工[9]?？梢詫⒏? 個(gè)斜井與豎井，分別設(shè)計(jì)于隧道兩端，保證兩套提升系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行方便隧道便捷施工，同時(shí)還能夠縮減隧道主洞的工期，極大的提高了施工效率，增強(qiáng)通風(fēng)減小空氣污染。

3.4 設(shè)計(jì)隧道施工消防救災(zāi)系統(tǒng)

對(duì)本次隧道工程的防火防災(zāi)設(shè)計(jì)，需要在立項(xiàng)階段重點(diǎn)考量，那么在設(shè)計(jì)中需要注意隧道施工結(jié)構(gòu)安全性，一定要注意在施工中使用耐火材料，還要同步設(shè)置警報(bào)裝置與相關(guān)設(shè)施，設(shè)計(jì)避難場(chǎng)所與緊急疏散通道，確保在隧道施工中的完善警報(bào)與防火防煙系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)隧道工程的全面監(jiān)管。

3.5 隧道施工動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反饋

隧道工程面臨較大的施工規(guī)模與復(fù)雜的地質(zhì)條件，在施工中對(duì)于斷層、涌水、突泥、巖爆、軟巖變形等危險(xiǎn)因素，規(guī)劃設(shè)計(jì)該隧道工程方案前期應(yīng)當(dāng)注意，全面勘察隧道施工區(qū)域的復(fù)雜地質(zhì)條件，注意采用物探聯(lián)合鉆探勘查技術(shù)，對(duì)此隧道工程的巖溶水文條件密切調(diào)查，還要注意進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，掌握此隧道項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)情況，盡可能避免隧道支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生由于復(fù)雜地質(zhì)影響的安全事故。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工實(shí)踐

4.1 支護(hù)施工

在隧道主動(dòng)支護(hù)施工階段，目前廣泛用于隧道工程中的支護(hù)設(shè)計(jì)，主要為超前支護(hù)、掌子面加固支護(hù)、洞身支護(hù)這三類。前兩種支護(hù)設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)值解析、力學(xué)平衡等方法。隨著在隧道工程中普遍應(yīng)用巖石控制變形分析法，已經(jīng)有諸多學(xué)者對(duì)掌子面控制隧道洞身穩(wěn)定性加大重視，提出掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)，建立穩(wěn)定力學(xué)模型公式（式1）。

式中：β1、β2、β3——有關(guān)隧道圍巖內(nèi)摩擦角相關(guān)系數(shù)；

α1——在隧道管棚支護(hù)設(shè)計(jì)掌子面所受隧道豎向荷載力的變形壓力折減系數(shù)；

Fc——隧道支護(hù)面滑移聚合力。在設(shè)計(jì)隧道工程主動(dòng)支護(hù)方案時(shí)，要明確方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，要分析隧道支護(hù)構(gòu)件的主動(dòng)加固圍巖支護(hù)能力，要考慮圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的作用復(fù)雜性，在隧道工程前期設(shè)計(jì)階段就確定可行性方案。

4.2 巖爆施工

目前在有關(guān)隧道巖爆設(shè)計(jì)研究中，國(guó)內(nèi)外諸多專家對(duì)此進(jìn)行理論與實(shí)踐研究，工程類比法被廣泛用于隧道巖爆工程設(shè)計(jì)中，沖擊荷載作用力的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：q沖擊——沖擊荷載作用力；

K——?jiǎng)雍梢驍?shù)；

m——爆塊質(zhì)量；

g——重力加速度；

α——爆塊的邊長(zhǎng)。

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)巖爆隧道安全系數(shù)，使用荷載- 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型對(duì)圍巖所受重建荷載作用力計(jì)算后，確定荷載作用力具體位置，并與國(guó)內(nèi)外目前在巖爆隧道相關(guān)理論分析與調(diào)研結(jié)果相結(jié)合，在工程前期制定巖爆預(yù)防措施，對(duì)可能發(fā)生的巖爆事故安全等級(jí)與具體類型嚴(yán)格遵循主控控制這一原則，保證隧道施工的安全性。

在實(shí)際工程施工中，需要重視前期設(shè)計(jì)階段，就要與地質(zhì)勘察相關(guān)資料結(jié)合，重視對(duì)巖爆級(jí)別的劃分，制定針對(duì)性防治工作預(yù)案。在施工過(guò)程中還要加強(qiáng)對(duì)隧道巖爆情況的及時(shí)預(yù)測(cè)，重視巖爆可能性與預(yù)測(cè)方案可行性，加強(qiáng)超前支護(hù)也可以輔助應(yīng)用光面爆破等防治措施。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)在本文結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件實(shí)際工程項(xiàng)目，分析該項(xiàng)目的地質(zhì)條件，遵循隧道設(shè)計(jì)施工原則，對(duì)隧道從規(guī)劃設(shè)計(jì)至實(shí)踐施工展開(kāi)探索，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道項(xiàng)目的各類風(fēng)險(xiǎn)合理規(guī)避，保證隧道設(shè)計(jì)理論方案的實(shí)踐可行性。