成兰铁路隧道建造关键技术与实践

2018-11-01印建文

隧道建设(中英文) 2018年10期

鲜国，印建文

(成兰铁路有限责任公司，四川成都 610072)

1 工程意义

成兰铁路位于四川、甘肃两省境内，处于地震高发区，是世界瞩目的5·12汶川大地震灾后恢复重建公益性交通基础设施建设项目，建成后可形成一条绿色生命救援通道，对于改善灾区交通运输条件，促进沿线社会经济发展有着积极作用。成兰铁路向北连通欧亚大陆桥，同时与宝成铁路相连，和川青铁路、川藏铁路共同构成沟通西北与西南及华南沿海的区际干线铁路通道。成兰铁路的开工建设，饱含着藏、羌、回、汉4个民族的梦想，它的建设将彻底改变“阿坝州乃至川西北地区无铁路”的历史，有力地推进四川交通枢纽建设以及阿坝州跨越发展和长治久安的步伐，具有重大的政治意义及经济意义。

2 工程概况

2.1 线路概况

成兰铁路起于成都，经广汉、什邡、绵竹、茂县、松潘至九寨沟，向北延伸连接兰渝铁路的哈达铺站，线路正线长457.6 km，四川境内377.8 km，甘肃境内79.8 km。线路平面布置如图1所示。成兰铁路作为四川西部第一条铁路，党中央、国务院、国家各部委、四川省委和政府都极为关注，鉴于项目复杂的地质条件和敏感的区域环境，按照国家发改委“优化设计，试验先行，逐步推开”的要求，2013年10月，中国铁路总公司同意以试验段方式先行开工成兰铁路成都至川主寺段工程建设。

图1 成兰铁路平面示意图

成都至川主寺试验段(简称“成川段”)位于四川省境内，全长275.8 km。线路进入龙门山后主要以隧道形式通过，总计17座175.5 km， 20 km以上隧道3座，10～20 km隧道4座，5～10 km隧道5座，5 km以下隧道5座。平安隧道长28.4 km，是我国目前西南山区已贯通的最长铁路隧道；云屯堡隧道长22.9 km，是我国目前最长的双线铁路隧道。隧道平均长度大于10 km，最大埋深1 720 m，为目前国内在建铁路规模最大的“长大深埋隧道群”。

2.2 工程地质

2.2.1 地质条件极为复杂

成兰铁路横穿2个地震活动带(龙门山、西秦岭地震活动构造区)，通过3大构造体系(龙门山褶皱断裂带、松潘甘孜褶皱构造带、西秦岭褶皱构造带)，途经4大地貌地质单元(成都平原区、岷江白龙江高山峡谷区、松潘高原丘陵区、西秦岭黄土边缘区)。

线路通过地震动峰值加速度为0.30g区域的长度为106 km、0.20g区域的长度为280 km，区域内地震活动非常强烈。穿越区域70%的岩体为极其破碎的千枚岩、板岩、碳质板岩、片岩，最大现场实测地应力达33 MPa，高地应力突出，带来的问题复杂多变。同时，线路区域内活动断裂带、断层破碎带、瓦斯、硫化氢、滑坡、岩堆、泥石流、危岩落石、岩溶等不良地质问题异常突出活跃。

2.2.2 区域环境极为敏感

成兰铁路线路位于岷山山系和西秦岭边缘，区域环境具有原始、独特、敏感、脆弱等特点，是我国和全球生物多样性最丰富的地区，也是全球生态热点地区之一。因此，工程建设与环境保护的和谐并重是本线建设又一关键。

2.2.3 交通通讯条件极为恶劣

成兰铁路沟谷相对高差多在1 000 m以上。部分艰难复杂工点无路、无基站、无信号，同时线路约有30 km穿越热摩柯无人区，工程施工条件艰苦，建设管理难度极大。

3 工程重难点

1)洞内地震破碎断裂带、突水、高瓦斯、硫化氢、高地温、软岩大变形、岩爆等风险变化莫测，施工安全风险高。

2)高地应力在不同构造、岩层的反映形式不同，增加了隧道穿越活动断裂带的工程措施及施工技术的难度。

3)关于活动断裂和一般断裂带的安全结构储备形式及长期观测方案，目前尚无成熟的经验及技术可以借鉴。

4)洞口桥隧紧连，不良地质地段高陡边坡的治理难度大，后期运营风险高。

5)区域内地质条件极度复杂，对工程地质和岩土工程的关系认知难度大，影响处置措施的准确制定。

6)区域环境极为敏感、脆弱，环保要求高。

4 关键技术与实践

针对工程推进异常艰难的实际，结合本线“穿越地震区、环保区、长大深埋隧道群”的特点，为有效解决工程推进中的各种技术难题，确保铁路建设和运营安全，以国内已有的、成熟的技术成果为依托，尊重科学，通过集成、完善、创新，为成兰铁路建设安全有序推进提供了有力支撑。

4.1 结合成兰铁路软岩大变形的特点，集成了一套有效的隧道软岩大变形控制技术

成兰铁路成川段隧道软岩长度约106 km，占隧道总长的60%，软岩多为千枚岩、板岩、碳质板岩、碳质页岩及其夹层，施工图阶段预测大变形段长达30 km以上，高地应力软岩大变形问题突出。

从成兰线软岩工程特性及变形机制、大变形判定、设计方法、支护参数、大变形施工控制技术等方面总结、凝练，形成的主要关键技术如下。

4.1.1 加深地质工作

强调必须进一步查清开挖后隧区地应力，探明隧道围岩松动圈及岩层方向，为措施制定提供基础数据。

4.1.2 主动进行控制

提出以优化结构轮廓、加强支护措施、尽量保护围岩的原则进行控制。

4.1.3 强化锚杆施工

图2 锚杆施工专用设备Fig. 2 Special equipment for installing anchor rod

强调锚杆施工效率及作用发挥的及时性，提出“长短结合”的控制方式：以快速施作短锚杆形成的加固圈对初期变形发展先行控制，后续施作长锚杆形成支护-围岩共同承载圈对塑性变形再次控制，建立了“长短结合的锚杆群体系”，达到控制变形的目的。

为强化锚杆施工达到标准化作业，联合厂家结合现场围岩条件、施工工法等研发了锚杆施工专用设备，解决了全断面、台阶法及三台阶等工况下的锚杆施工，实现了锚杆、钢架的及时、快速、高质量施作。锚杆施工设备及现场施工如图2和图3所示。

(a) 拱部系统锚杆 (b) 上台阶锚杆 (c) 中台阶锚杆

图3锚杆施工

Fig. 3 Anchor rod construction

4.1.4 加强工法配套

为实现主动控制，必须需要相应的工法配合。采用大台阶施工，尽可能减少钢架接头等工序衔接薄弱环节，尽快封闭成环。采用下台阶带仰拱一次成型施工，初期支护尽快封闭形成整体。

4.1.5 二次衬砌施作时机

采用数值模拟、现场监测、统计分析的方法，对二次衬砌施作时机进行研究，得到不同等级大变形隧道二次衬砌合理施作时机。根据现有研究成果，针对单线、双线的轻微、中等、严重、极严重等级的大变形推荐二次衬砌施作时机，如表1所示。

表1 大变形地段推荐二次衬砌施作时机

基于上述研究成果在杨家坪隧道进行现场试验，验证了二次衬砌参数及施作时机的合理性，并已在全线推广应用。

4.2 探索形成了隧道穿越活动断裂带的工程措施

成兰铁路成川段共计穿越6条活动断裂，均属逆冲兼走滑型，发震能力在7级以上，预测位错量在80 cm以上，隧道穿越活动断裂带以不同的地质构造岩层揭示为依据，工程措施制定以隧道结构适应活动断裂的位错变形为主要原则。关键技术主要包括： 1)隧道净空预留30 cm补强空间。2)活动断裂核部及两端影响带(核部向外延伸50 m )采用大刚度圆形衬砌结构。3)采用节段设计，设置10 cm和15 cm的宽变形缝，如图4所示，并采用特殊结构的止水带及变形缝设计以达到防排水效果。4)将轨道结构形式由无砟轨道调整为有砟轨道以适应微变形。5)施工期间开展活动断裂带支护结构内力及变形监测。6)运营期间开展活动断裂带结构变形的长期自动监测及预警。

图4 15 cm宽变形缝导水式橡胶止水带(单位： cm)

目前，成兰铁路已完成穿越龙门山前山活动断裂的彭县—灌县断裂和龙门山中央活动断裂的北川—映秀断裂2条活动断裂带的隧道工程施工，二次衬砌施工后近2年发生3级以上地震15次，监测数据显示变形稳定，竣工后将纳入长期监测。

4.3 探索研究了激发极化法(TIP)为主的综合超前地质预报方法，实现了探测区域含水构造的定性、定位、估量

隧道激发极化法(tunnel induced polarization, 简称 TIP)方法是以围岩与含水构造的电性差异为物质基础，根据施加电场作用下围岩传导电流的分布规律，通过含水构造高精度三维成像，推断探测区域电阻率的分布情况和地质情况，含水构造表现为低阻，完整围岩表现为高阻。通过测量2次大小电流的半衰时之差，结合低电阻区容积与其范围内岩性的关系测算，实现水量的估算，从而达到对探测区地质情况探测的目的。

隧道激发极化法探测完成后，现场采用靶向超前钻孔对探测结论进行验证。通过对多种超前预报方法的遴选，总体上形成“长中短距离结合，二维定性探测与三维精细探测结合，靶向钻孔验证”的探水技术体系，如图5所示。

图5 隧道超前探水预报技术体系

1)长距离： TSP探测距离约100～150 m，可预报断层、岩性交界和定性探水。

2)中距离：瞬变电磁法探测距离约50～100 m，定性探水，二维定位。

3)激发极化：探测距离30 m，周边30 m×30 m，三维定位，水量估算。

4)靶向钻孔：根据三维定位与估量结果，确定钻孔方位、深度、角度等控制要素，进行靶向施作。

5)水量估算：根据已知地质信息和开挖揭露情况，判断含水构造类别，根据类别、低阻区域容积、围岩孔隙度等信息，利用估算公式对探测区域含水量进行估算，如图6所示。

图6 探测区域含水量估算

4.4 探索集成隧道全断面(含仰拱)机械化开挖工法

4.4.1 工艺原理

隧道全断面(含仰拱)开挖法是采用凿岩台车全断面含仰拱一次爆破开挖成型，拱墙与仰拱初期支护同步施作的一种施工方法。

4.4.2 适用范围

全断面(含仰拱)开挖法目前适用于掌子面能够自稳或采用辅助措施(如超前支护、掌子面锚杆等)后自稳、地下水不发育、采用高度机械化配套施工的隧道。

4.4.3 取得的效果

1)该工法建立了一套隧道围岩力学参数现场快速测定的方法，并依据隧道开挖条件下的围岩力学表现特征，提出了采用全断面(含仰拱)机械化开挖工法的工程地质适用条件及量化指标。

2)较传统的工法，该工法将隧道仰拱同拱墙一次性开挖到位，减少了多次爆破对围岩的频繁扰动，保护了围岩的自稳性能。

3)该工法使隧道初期支护钢拱架的整体安装质量更易于控制，并实现了快速封闭成环，有利于隧道结构安全及施工安全。

4)施工空间大，有利于大型机械设备施工，从而提高隧道施工进度，节省人力资源，降低施工安全事故中人员伤亡的概率。

平安隧道采用Ⅳ级围岩全断面(含仰拱)机械化开挖工法施工，如图7所示，最高日进度达6 m，最高月进度为160 m，平均月施工进度达到120 m。

(a) 超前钻探 (b) 施工效果

图7 Ⅳ级围岩全断面(含仰拱)机械化开挖施工

Fig. 7 Full-face (including invert) mechanized tunneling construction for grade Ⅳ surrounding rock

4.5 探索形成了一套隧道机械化配置配套施工技术

4.5.1 “35611”配置配套技术

按“35611”模式对全线控制工程的柿子园隧道(14 069 m)、跃龙门隧道(19 981 m)、茂县隧道(9 913 m)、榴桐寨隧道(16 262 m)、平安隧道(28 426 m)、云屯堡隧道(22 923 m)等进行了施工机械化配置配套研究和实施。

“35611”模式为： “3”即三全，“全方位、全过程、全工序”； “5”即五性，“系统性、技术性、适应性、经济性、先进性”；“6”即六关键，“超前地质预报、超前支护、开挖作业、初期支护、仰拱和二次衬砌”；“1、1”即“一通风、一集中”。

4.5.2 现场实施情况

1)超前地质预报的超前钻探配置C6、矿岩180等多功能钻机，钻孔速度快、深度大(达100 m)，能有效起到超前探测的作用。

2)针对单线隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩采用全断面开挖和双线隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩采用全断面或两台阶法开挖，采用三臂/两臂凿岩台车能实现机械化快速施工。

3)针对单线隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩采用全断面开挖和双线隧道Ⅲ、Ⅳ、V级围岩采用全断面或两台阶法开挖，采用湿喷机械手、拱架安装机、防水板自动铺设机能实现初期支护机械化快速施工，其余工法采用自主研发小型湿喷机能够满足施工需求。

4)锚杆在喷射混凝土施工完成后实施，采用全断面开挖或两台阶法开挖时，采用三臂/两臂凿岩台车或专用锚杆钻机能够满足机械化快速施工。其中，施工6 m以上锚杆时，必须采用三臂/两臂凿岩台车或专用锚杆钻机才能实现。

5)仰拱、二次衬砌施工及养护按照标准化要求配置成套相关设备(如智能二次衬砌台车)，以满足机械化快速施工。

6)另外，结合长隧道同一工区多掌子面作业的实际，研发了洞内车辆交通智能管理系统，最大可能解决洞内多作业面施工引起交通堵塞而影响工效的瓶颈，解除了机械化施工的边界约束，是机械化配套施工的伴生系统。

结合现场实际，成兰铁路通过机械化配置配套(如图8所示)后，在辅助坑道、单线(Ⅲ、Ⅳ级围岩)、双线(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩)的施工中，月平均指标均接近或达到《铁路工程施工组织设计规范》的指标高值，实现了7.8 km长距离通风，并且在工程安全质量方面得到了提升和保证。

4.6 集成优化，针对性建立了一套隧道微三台阶上部核心土施工工法

微三台阶预留核心土法施工工序透视图及正面示意图如图9所示。

4.6.1 主要工序步骤

第1步，上台阶开挖：超前支护完成后开挖上台阶，上台阶开挖高度约4 m，矢跨比宜大于0.3。施工中，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土纵向长度为3～5 m，留置高度和宽度分别为上台阶开挖高度和宽度的2/3，预留核心土随着掌子面掘进逐步取消。

第2、3步，左、右侧中台阶开挖：中台阶紧跟上台阶，先行开挖约2/3宽度的中台阶岩土体，预留约1/3中台阶岩柱随后行侧的跟进逐步开挖，左、右侧台阶错开4榀钢架，开挖高度为3～3.5 m。

(a) C6多功能地质钻机 (b) 三臂凿岩台车(c) 湿喷机械手(d) 拱架拼装机(e) 仰拱栈桥 (f) 洞内车辆交通智能管理系统 (g) 多点焊机 (h) 自动剪板机

图8机械化配置配套部分设备展示

Fig. 8 Equipment display of mechanical equipment matching part

(a) 施工工序透视图 (b) 微三台阶预留核心土法施工工序正面示意图

图中W1、W2为中、下台阶后行开挖侧预留岩柱。

图9隧道微三台阶上部核心土施工示意图(单位： cm)

Fig. 9 Schematic diagram of small three-bench seven-step method for construction in core soil at the upper part (unit: cm)

第4、5步，左、右侧下台阶开挖：下台阶紧跟中台阶，先行开挖约1/3宽度的下台阶岩土体，中部预留1/3宽度的岩土体修整成斜坡作为机具设备的通道，剩余1/3宽度的下台阶岩柱随后行侧的跟进逐步开挖，左、右侧台阶错开4榀钢架，开挖高度为3～3.5 m。

第6步，隧底开挖：为保证施工机械设备的布置空间，初期支护仰拱成环位置至掌子面的长度按20 m控制。隧底每循环开挖长度宜为3 m，完成3个循环(开挖、支护)后，一次施作仰拱衬砌(与拱墙一次浇筑长度相同)。

4.6.2 适用范围

适用于散体结构软岩隧道，一般表现为开挖后围岩稳定性差，且变形无方向性，易沿隧道掌子面发生凸出变形且同步引起周边变形。

4.6.3 主要特点

1)上台阶预留纵向3～5 m长的核心土，留置高度为上台阶高度的1/2～2/3，宽度为上台阶开挖宽度的2/3，可有效反压掌子面，确保掌子面的稳定，控制掌子面松散软岩向洞内的挤出变形、失稳和溜塌。

2)微三台阶上部核心土法施工技术，在掌子面开挖后约7 d左右即可实现初期支护仰拱封闭成环，使初期支护在短时间内形成一个整体结构受力体系，更有利于控制围岩的变形，确保隧道施工安全。

3)微三台阶上部核心土法施工技术使出渣作业、锚杆施工作业及喷射混凝土等施工机具作业平台可设置于下、中台阶，更有利于施工机具的快速组织，减少工序间衔接时间，提高隧道施工效率。

4.7 探索形成了一套隧道施工期生产废水处理工艺

原国家环保部对成兰铁路成川段变更环评的批复中要求“加强隧道排水清污分流、污废水处理和监测工作，避免污染沿线环境敏感水体”。基于此，针对成兰铁路穿越特殊的地质区域、低温高海拔及特殊的环境要求，进行废水水质分析，对隧道施工期正常排出的废水进行多种组合处理工艺试验，提出经济合理的处理工艺，使处理后出水水质达到排入相应水域的排放标准。关键技术主要包括：

1)提出了高海拔隧道低温施工废水处理的混凝剂、助凝剂的投加量方法。

2)提出了隧道施工期生产废水清污分流方案，同时根据废水水质及附近水环境功能区的特点，形成了针对性的处理工艺。

3)编制了《隧道施工期生产废水处理站技术、管理手册》，可指导施工期废水处理站设计、施工、运营维护等工作。

目前成兰铁路成川段隧道工区按要求设置了污水处理站及相关设施，满足了隧道施工期生产废水处理要求，如图10和图11所示。

4.8 因地制宜，针对性形成了一套隧道洞口高位危岩落石栈道施工技术

成兰铁路新民隧道于2016年完成了出口岩堆整治工程，“8·8”九寨沟地震后，出口山体出现拉张裂缝，裂缝沿贯通性节理形成，裂缝相互切割形成的贯通裂缝局部已形成倒悬孤石，在区域地震动荷载反复作用和诱发下，局部孤石随时都有崩滑的风险，安全隐患极大，现场采取了处理措施。

(a) 废水处理站 (b) 废水处理

图10 施工期生产废水处理

图11反应池出水及处理效果

Fig. 11 Effluent of reaction tank and effect after treatment

4.8.1 现场概况

新民隧道出口高陡边坡相对高差约220 m，岩性为三叠系上统朱倭组(T3zh)中厚层状砂岩夹千枚岩、板岩局部夹碳质千枚岩，区域内地震活动较为频繁，施工期间地震频发，洞口正上方已采用刷坡清方及锚喷加固方式进行处理，同时洞口右侧设置主动防护网进行防护。

2017年“8·8”九寨沟地震后，现场组织地质灾害排查时发现，出口已清方边坡右侧60 m处已铺设的主动防护网局部存在绷紧现象，山体存在拉张裂缝。

通过无人机进一步扫描勘察发现，工程区山体有17条显著的裂缝及裂隙，裂缝均是沿贯通性节理形成。靠近隧道出口方向的边坡裂缝走向大部分近似平行于等高线，局部与等高线斜交，靠近G213国道方向的边坡裂缝走向大部分垂直于等高线，局部平行等高线。裂缝相互切割形成的贯通裂缝局部已形成倒悬孤石，单块最大体积近500 m3。在区域地震动荷载反复作用和诱发下，局部孤石随时都有崩滑的风险，安全隐患极大，如图12和图13所示。

(a) 正面(单位: m) (b) 侧面

图12高位裂缝照片

Fig. 12 Photos of high-level cracks

4.8.2 复杂的施工环境

高位裂缝整治区域下方为岩堆整治抗滑桩和解放村双线大桥桩基工程及生产、生活设施。山体背侧崖脚距G213国道仅61 m，国道两侧分布居民区及旅游集中商业区，且邻近靖夷堡古遗址省级文物保护区，施工边缘距靖夷堡古遗址省级文物保护区距离仅130 m，施工环境复杂，如图14所示。

图13 主动防护网受力以及裂缝切割局部形成孤石Fig. 13 Stress on active protective net and locally formed boulders by crack cutting图14 高位裂缝整治区域背侧复杂的外部环境 Fig. 14 Complex external environment on back side of high-lev-elcrack remediation area

4.8.3 施工技术要点

新民隧道高位裂缝整治采用清方+喷锚网+大锚杆防护方案，清方施工以人工开凿清方为主，以数码电子雷管控制爆破为辅，清方坡率1∶0.3，按7级控制，分级高度为20 m，两级之间设置2 m宽平台。

1)施工通道：危岩清方采用盘山栈道(2 400 m)+小型设备实施。坡面防护设1 850 m施工便道，采用工业电梯作为人员上下通道；塔吊作为钢筋、工具等运输通道；汽车泵、地泵接力输送湿喷混凝土；搭设附着式脚手架作为施工平台。

2)防护工程：洞口上方高位裂缝区域增设2道被动防护网，爆破区域增设防护排架防止飞石损坏已施工的成品工程。山体背后G213国道侧设2道被动防护网及1道拦石墙，同时搬迁影响区内的居民。

3)控制爆破：按照A类控制爆破管理。爆破施工采用数码控制爆破，利用数码雷管精准控制微差起爆，减少爆破振动叠加，削弱爆破振动和振速。

5 工期及工程进度

5.1 工期

成川试验段工程自2013年10月开工建设，计划于2021年5月贯通。

5.2 工程进度(截至2018年6月30 日)

全线最长的隧道平安隧道(28.4 km)已贯通，目前关键线路为跃龙门隧道(19.9 km)和云屯堡隧道(22.9 km，单洞双线)。

5.2.1 跃龙门隧道施工

剩余工程：平导剩余4 774 m、左线剩余6 174 m、右线剩余5 891 m，计划2021年5月贯通。综合考虑大变形、瓦斯、工期等因素，剩余工程主要节点工期如下：平导贯通时间为2020年7月，左线贯通时间为2020年10月，右线贯通时间为2021年5月。

5.2.2 云屯堡隧道施工

剩余8 378 m，预计贯通时间为2020年6月。

6 成果及荣誉

6.1 工程试验总结工作

目前工程试验专题已结题评审11项。

6.2 开展技术创优工作

已发表论文79篇(另20篇计划2018年8月份发表)；已批复工法3项；已授权专利37项、已申报专利15项；参编管理手册3项，目前已完成《隧道施工期生产废水处理手册》编写；参编标准7项，其中《铁路隧道锚杆支护技术规程》已报批，完成《大变形隧道设计指南》(院规)初稿。下一步随着工程进展将陆续申报科技成果奖项、勘察设计奖、优质工程奖等奖项。