高原铁路隧道穿越活动断裂带抗震设防施工技术

周杰

摘要 该施工技术为高原铁路隧道穿越活动断裂带抗震设防技术，可提高高原铁路隧道工程抗灾能力，强化隧道抗震性能，增加安全冗余，同时可缩短大错位导致的隧道衬砌纵向破坏范围，以加强隧道结构整体性，最大限度降低隧道震后带来的安全事故及经济损失，保障轨道交通运营的安全性及可靠性。文章主要通过一高原隧道工程穿越活动断裂带施工为实例，对高原铁路隧道穿越活动断裂带抗震设防的施工技术进行了阐述。

关键词 铁路隧道；活动断裂带；抗震设防

中图分类号 U452.28文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0133-03

0 引言

高原长大隧道主要的地质灾害包括活动断裂带与地震，隧道穿越活动断裂带若发生地震不仅会对隧道结构造成直接破坏，而且还会诱发更严重的地质灾害。对于高原铁路隧道而言，在高寒高海拔、大高差和强烈的构造作用情况下，内外动力地质作用均十分强烈，不良地质发育；在隧道穿越活动性断裂带时，极易因断裂带错动而使隧道主体结构发生较大错动；此类自然灾害发生时，防灾救援难以得到安全保障及作业空间。

高原铁路隧道工程穿越全新世活动断裂带，活动性质以右旋走滑为主，兼有逆冲分量，未来可能会突发大地震，突发最大水平位错量约5～6 m（右旋走滑），最大垂直位错量2～3 m。在隧道穿越活动性断裂带时应采取有效的避让和抗断技术措施，遵循“预留空间、优化断面、节段设计、运营监测”的原则，对隧道各工序进行分析研究，制定不同的抗震设防措施进行施工，并在施工中进行全面应用。

1 技术特点

预留补强空间：隧道支护措施应采用活动断裂特殊衬砌，隧道内净空考虑断层百年累计蠕滑量30 cm及预留30 cm震后结构补强空间，在基本内轮廓基础上扩大60 cm；拱墙采用圆形内轮廓，并加深仰拱，加大仰拱矢跨比；同时采用加大预留变形量、加强初期支护及超前支护、二衬加强等措施。

柔性节段设置：隧道穿越活动断裂及其强烈影响段范围，二衬与初支节段长度应采用6 m设置衬砌节段，以增大衬砌结构整体柔性，提高结构对断层错位的适应性。

抗震设防结构：在初支与二衬间设置减震消能层，减震消能层应位于初支结构内侧及防水层外侧，在发生地震时可较好地吸收地震能量，具有一定的抗震作用。

结构安全监测：在活动断裂带及其强烈影响段范围，合理设置结构健康监测断面，对隧道结构进行健康监测，以便及时掌握隧道结构的状态变化，判断隧道结构的可靠度并采取对应的控制策略，使隧道结构始终处于良好的工作状态[1]。

2 适用范围

隧道穿越活动断裂带及其影响带的施工。

3 工艺原理

该技术针对隧道穿越活动断裂带采取的抗震设防措施主要工艺原理为：隧道穿越活动断裂带的抗震设防目标为“蠕滑可控、黏滑抢通”，采用“预留空间、优化断面、节段设计、运营监测”的原则，为隧道衬砌内的净空预留变形及补强空间；采用抗震性能优异的圆形断面，并纵向设置较密的变形缝；同时加强对衬砌结构健康监测等措施，以实现设防目标。考虑对于突发的大尺度黏滑位错，隧道结构难以适应变形的情况，采取的工程措施应尽可能减轻结构破坏程度，缩小隧道纵向破坏规模，实现快速抢通。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

隧道穿越活动断裂抗震设防施工的主要工艺流程：开挖支护—初支抗错缝施工—仰拱施工—拱墙减震层施工—拱墙防水层施工—衬砌钢筋及变形缝施工（衬砌监测设备埋设）—台车关模及浇筑。

4.2 操作要点

4.2.1 开挖支护

隧道开挖坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、严注浆”的原则。活动断裂带洞身，采用钻爆法或机械开挖；Ⅵ级围岩未进行超前注浆的地段，采用破碎锤开挖，采用三台阶+临时横撑法；Ⅴ级围岩采用三台阶法，三台阶法上台阶长度为5～8 m、中台阶长度为10～15 m，上台阶高度为4 m、中台阶高度为3 m。Ⅳ级围岩采用台阶法，台阶长度为20 m，上台阶高度为6～8 m，预留变形量为12～17 cm，开挖时断面进行相应扩大。

初期支护施工遵循“强支护、勤量测、早封闭”的原则，超前支护为“D89管棚+D42小导管+注浆”；预设计帷幕注浆，初支采用25 cm厚的C30早高强钢纤维混凝土；拱墙设置6 m长D42注浆锚管，全环设置HW175型钢钢架。中台阶施工时施作上、中台阶6 m长的D42注浆锚管，采用锚注一体机进行钻孔，按设计要求将锚管插入孔中，利用锚注一体机送管直接将小导管顶入，外露20 cm，在尾端安设止浆阀门后进行注浆[2]。

4.2.2 初支抗错缝施工

初支每6 m设置一节段，每节段之间设置宽度5 cm的抗错缝，缝内采用酚醛树脂材料回填密实。该材料具备以下性能：①能够顺利将抗错缝完全填充，避免出现空洞；②在现场易于储存和现场施工；③具有良好的稳定性；④具备抗剪强度低的性能；⑤两种材料现场混合、快速发泡填充抗错缝。酚醛树脂施工前，应先将初支抗错缝内的喷射混凝土清理干净，再采用双通道注浆泵将酚醛树脂喷入两榀型钢之间的抗错缝中，施工中二衬节段与初支节段的抗错缝中心需调节对齐。

4.2.3 仰拱施工

仰拱开挖后应及时对基底进行清理，经检查基底无虚渣后，方可进行钢拱架、初支施工；封闭成环后方可进行下循环开挖，开挖支护完成6 m后进行矮边墙的防水层施工。仰拱钢筋施工时，活动断裂带在仰拱填充中部增加一道钢筋混凝土结构，将钢筋插入仰拱内（如图1所示）；仰拱填充中，素混凝土段与钢筋混凝土段应进行一次性浇筑，标号为C35混凝土。矮边墙设置纵向止水钢板，但在节段施工缝位置不需设置。

4.2.4 拱墙减震层施工

在拱墙初支和防水层之间设置橡胶减震垫，减震层厚度为1 cm。橡胶减震层在铺设时，应采用射钉将减震垫固定在隧道初支面上，射钉长度为4 cm；固定点的间距拱部为0.4～0.6 m，边墙为0.6～0.8 m，采用梅花形布置，并可根据隧道初支面平整度进行适当调整；局部凹凸较大时，应在凹处加密固定点，使减震垫与隧道初支面密贴牢固。

4.2.5 拱墙防水层施工

拱墙初期支护和二次衬砌之间应铺设“阻燃型EVA防水板+无纺布”的防水层。土工布及防水板采用挂布台车施工，铺设应超前二衬施工1～2个衬砌段，便于形成二衬作业的流水化施工。固定点的间距拱部为0.5 m×0.5 m，边墙为0.8 m×0.8 m，呈梅花形排列，并左右上下成行固定。无纺布采用热熔垫片及水泥射钉固定于隔震垫凸起面上，防水板通过热熔焊接固定于无纺布内侧；防水层铺设应有足够的松弛度，满足防水层在浇筑二衬混凝土时向外扩张。拱墙防水层铺设应与基层密贴、平整，无褶皱、无塌落、无破损，防止防水层在浇筑二衬混凝土时向外扩张过多而挤入隔震垫凹槽中。防水板之间搭接不小于20 cm，采用三缝焊接，缝宽不小于15 mm。

4.2.6 衬砌钢筋施工

二衬钢筋在钢结构加工厂统一加工成半成品，由运输车运输至现场安装成形的方式进行。加工好的钢筋半成品应集中存放，避免暴露在外造成钢筋锈蚀等问题，表面油渍、水泥浆和浮皮铁锈等均应清除干净。防水板铺设安装完成之后，再利用衬砌钢筋一体化台车的钢筋安装平台进行钢筋安装。每层主筋安装施工时，由外层（靠近围岩侧）到内层先每间隔2 m设置一环主筋，并每间隔4 m用纵向连接钢筋将其连接，形成外、内层的主筋框架。将外、内层主筋框架用连接筋连接，形成一个整体的框架架构，增强其整体稳定性。安装完成后，再依序根据卡具定位的间距安装其余主筋，安装其余连接钢筋，最后按要求安装圆形保护层垫块[3]。

4.2.7 变形缝施工

活动断裂带应每6 m设置一道窄变形缝，变形缝宽度为2～3 cm；其间设置3道10 cm宽变形缝。活动断裂带宽变形缝采用抗震导水式止水带，在满足防水要求的前提下具备导水功能，且变形缝处止水带应具有足够的变形能力，两段发生设防错动时仍能正常工作。变形缝止水带采用背贴式、中埋式两种，其中部导水部分宽为10 cm，安装于变形缝处，导排变形缝处的地下水。变形缝内空隙填充聚乙烯泡沫塑料板材料，在铺设聚乙烯泡沫塑料板前，应将二衬端头缝处的铁丝、铁钉、木屑等清洗干净、无杂物；表面缝宽均匀、缝身竖直、环向贯通，且填塞密实、外表光洁，符合规定。

4.2.8 台车关模及浇筑

对衬砌的断面、尺寸，钢筋结构，防水层的施工质量等进行工程隐蔽前的检查，合格后方可行走二衬台车，二衬台车就位前应在预埋件设计位置埋设预埋件。在衬砌结构内，应平均按125 m设置一道结构健康监测断面，以便及时掌握隧道结构的状态变化，判断隧道结构的可靠度并采取对应的控制策略，使隧道结构始终处于良好的工作状态。

5 质量控制

5.1 支抗错缝质量控制

初支钢架在初支抗错缝位置的钢筋网片和纵向连接筋，需全环断开。填缝前需将抗错缝内的初支混凝土及杂物清理干净，再进行酚醛树脂填缝施工，并将抗错缝完全填充密实、不留空洞，同时确保酚醛树脂具有较低的抗剪强度。

5.2 拱墙减震层质量控制

拱墙橡胶减震垫安装前，先对初期支护基面进行检查和处理，基面应平整，无空鼓、裂缝、松酥。初期支护的平整度应符合两凸出物之间的深长比D/L≤1/50（D为基面相邻两凸面之间凹进去的深度；L为基面相邻两凸面之间的距离，L≤1 m），否则应喷射混凝土或采用水泥砂浆进行找平处理。采用射钉固定并均匀设置橡胶减震垫，间距不宜过大，以免导致橡胶减震垫松弛，间距和数量可根据现场实际情况适当调整，需保证橡胶减震垫紧贴初支内表面。

5.3 仰拱施工质量控制

活动断裂带的仰拱不同于一般衬砌类型的仰拱。为加强隧道结构的整体稳定性，仰拱钢筋施工时，应在仰拱填充中部增加一层钢筋加强层；钢筋施工时填充加强层钢筋锚入仰拱钢筋，仰拱与仰拱的填充需采用同标号混凝土一次浇筑成形。由于活动断裂带断面仰拱深度最深达到3.3 m，混凝土浇筑时应采用梭槽进行浇筑，禁止直接将混凝土倾倒入内。

6 安全措施

（1）隧道穿越活动断裂带，岩层复杂多变，不确定性较大，隧道掉块、坍塌风险高，须严格按设计要求利用超前地质预报系统，加强对该隧洞地质的超前预报，以确定开挖方法及防护措施，避免发生掉块、突涌水等情况。

（2）在隧道开挖过程中，若突然遇到较大涌水、流砂、断层及破碎带时，需立即停止掌子面掘进，撤出施工人员，待采取必要的技术处理后方可恢复掘进。

（3）隧道初期支护必须严格按照设计参数进行施工，以确保施工质量合格，能更好地利用并提高围岩的自稳能力。在采取所有设计措施仍不能阻止围岩变形时，应采用注浆管棚或增加超前小导管支护密度等措施进行加强。

（4）加强监控量测，通过将量测的结果与判断标准进行比较，分析得出已施工段的隧道初期支护变形是否超标的结论，及时发出预警信息，以便采取有效措施进行防治，避免进一步变形。

（5）为确保隧道施工在出现紧急情况下救援工作的顺利实施，应在隧道内设置应急管道。

（6）隧道初期支护施工前均应对作业面进行仔细检查，清除松动的岩石和喷射混凝土块。

（7）混凝土浇筑过程中，应有专人检查台车受力情况；当台车出现变形等异常情况时，作业人员应及时撤离作业平台，隐患消除后方可恢复作业[4]。

7 环保措施

7.1 噪声污染防止控制

隧道施工过程中各种机械产生的噪声，在隧道封闭空间内对作业人员的损害相较开放空间的噪声伤害更大。同时，为避免噪声过大对周围自然环境内的动物造成影响，应尽量减少多台大型机械同时施工的情况，降低噪声污染，应采取隔离措施或者利用消音设备对机械设备产生的超分贝噪声进行减噪。

7.2 水污染防止控制

隧道内的施工废水应集中引排至洞口设置的污水处理站，进行集中处理，待指标合格后方可排放至地表水体，并设置专人对污水处理站进行管理。严禁将施工废水直接排放至江河中，对于含沙量大且浑浊的施工生产废水，应采用沉砂池处理后再排放，防止施工废水污染地表和水体。

7.3 固体废弃物污染控制

对于可回收的建筑垃圾，应分门别类地进行分拣以便回收利用；不能回收的施工垃圾应及时清运到指定的垃圾站统一处理；易爆、有毒的危险废弃物统一堆放，集中销毁；对废弃的木块、土工布、防水板、钢筋、混凝土块、砂浆等杂物进行分类堆放后集中运走。生活垃圾实行袋装化，做到每日清理。

8 结论

采用该技术可提高高原铁路隧道工程抗灾能力，强化隧道抗震性能，增加安全冗余，可缩短大错位导致的隧道衬砌纵向破坏范围，以加强隧道结构整体性，可实现震后的快速抢通，最大限度降低列车运营影响，减少经济损失，间接经济效益巨大。该技术相较于传统隧道施工技术，采取的一些特殊工艺，均可在隧道内简单实施，没有污染水源及空气的操作工艺，同时对施工废弃物进行集中清理，确保施工环保无污染[5]。

隧道穿越活动断裂带抗震设防施工技术，进一步完善了高原铁路隧道穿越活动断裂带的相关施工技术，具有较强的推广应用价值，为后续的隧道穿越活动断裂带施工研究奠定基础。

参考文献

[1]万炳宏. 隧道穿越富水活动断裂带抗震优化设计研究[J]. 铁道建筑技术， 2023（11）： 140-144.

[2]令永春. 穿越活动断裂带铁路隧道震害特征及修复技术[J]. 地下空间与工程学报， 2023（3）： 1027-1037.

[3]余浩. 穿越活动断裂带地铁隧道设防技术研究[J]. 建筑机械化， 2023（6）： 15-18+29.

[4]田四明， 吴克非， 于丽， 等. 穿越活动断裂带铁路隧道抗震关键技术[J]. 隧道建设（中英文）， 2022（8）： 1351-1364.

[5]刘文玲. 活动断裂带软岩大变形隧道开挖支护技术[J]. 铁道建筑技术， 2022（3）： 154-159.