复杂地质条件下铁路隧道施工技术探讨

摘 要：研究复杂地质条件下的铁路隧道施工技术，为未来的工程项目积累宝贵的经验和知识，提高施工方应对更加复杂挑战的能力。对铁路隧道施工中遇到的岩溶、瓦斯、膨胀性地质、突水突泥等地质条件，需做好前期地质勘察工作，并不断优化其通风技术、洞口工程施工技术、盾构施工等多种适应于复杂地质条件的先进技术。采取综合管理和技术应对措施，预防和管理施工过程中遇到的各类地质风险问题。

关键词：复杂地质条件；铁路隧道；施工技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）08-0007-03

0 引言

在铁路网络扩张时，越来越多的隧道工程也在施工中遇到了复杂的地质条件。由于铁路线路通常需穿越山脉、河流和地下水系统等各种地形与地质结构，因此施工工程会需要处理不同类型的地质环境。这些复杂条件增加了施工的难度和风险，需要通过科技进步和创新方法有效提高施工安全，减少人员伤亡和机械损坏事故。

1 工程概述

某项目包含七个隧道工程，其中5个长度超出1 km，这些隧道主要采用单轨设计，并伴有多个辅助导坑，但洞内空间狭小，施工运输困难。该区域水资源丰富，需要多个反坡排水点，地质构造复杂，属于典型的滇西南软岩隧道。主要围岩类型包括泥岩、夹砂泥岩、炭质泥岩以及膨胀岩等，这些材料遇水容易软化和变形。遭遇的地质问题多样，如软岩大变形、地层滑移、泥水喷涌、瓦斯和顺层压力等，其中IV级和V级的软岩比例高达76%，导致施工效率低下，面临极大的施工挑战。

2 铁路隧道施工中常见的复杂地质环境

2.1 岩溶环境

岩溶环境是指地下岩层由于溶蚀作用而形成的一种特殊地质形态，其特点是地下岩层中存在溶洞、溶岩、喀斯特地貌等地质构造。在隧道施工过程中，岩溶环境可能导致地下水位变化、地层坍塌、岩体稳定性下降等问题，增加施工难度和风险。

为应对岩溶环境的挑战，施工团队需要采取相应的地质勘察和预测措施，采用注浆加固、锚杆支护等适当的支护和加固技术加强岩体的稳定性，减少地质灾害的发生概率，保障隧道施工的顺利进行[1]。

2.2 瓦斯环境

瓦斯环境指地下岩层中含有大量可燃气体，如甲烷、乙烷等，其主要来源于煤层和油气田的开采过程中释放出的气体。在隧道施工过程中，瓦斯环境可能导致地下爆炸、火灾等严重安全事故，增加了施工的风险和难度。

为了有效应对瓦斯环境带来的挑战，施工团队需要进行详细的地质勘察和瓦斯预测，确保对瓦斯分布、浓度和运移规律有准确的了解。并采取相应的安全防护措施，如通风排瓦斯、瓦斯抽放等技术手段，控制瓦斯的释放和扩散，降低火灾爆炸的风险。

2.3 膨胀性环境

地下岩层中含有具有膨胀性的土壤或岩石，其在受水分影响或受力作用下容易发生体积膨胀变形。在隧道施工过程中，遇到膨胀性地质环境会引发隧道围岩变形、隧道结构损坏等问题，增加施工风险和工程难度。

为有效应对膨胀性环境带来的挑战，施工团队需要进行详细的地质勘察和预测，充分了解隧道所处地质条件及其膨胀性特点。并采取相应的支护和加固措施，如钢筋混凝土衬砌、地下注浆等技术手段，增强隧道围岩的稳定性和承载能力，防止因膨胀性变形引发的施工事故[2]。

2.4 突水、突泥环境

地下水源或泥浆突然涌入隧道施工现场，将导致施工现场发生水位突然升高、地面泥浆涌入隧道、隧道围岩变松软等问题，严重影响隧道施工的进行和安全。为了有效应对突水、突泥环境带来的挑战，施工团队需要采取相应的预防和应急措施。

需进行细致的地质勘察和预测，充分了解隧道所处地质条件和地下水情况，及时发现潜在的突水、突泥隐患。采取防水、排水和围岩支护等技术手段，加强对施工现场的水文地质控制，防止突水、突泥。还需要制定应急预案，培训施工人员的应急处理能力，以应对突发情况，最大程度地减少施工安全风险。

2.5 软弱围岩

隧道围岩属于较软、易塌陷、抗压强度较低的岩层或土层，如果处理不好，在施工时会发生地层塌方、围岩变形、地表沉降等问题，增加施工的复杂度和风险。为了有效应对软弱围岩环境，施工团队需要采取一系列的地质勘察和预测措施，充分了解软弱围岩的特性和变化规律。

3 复杂地质条件下铁路隧道施工的相关技术

3.1 洞身开挖施工技术

在施工时需要根据地质勘察结果确定开挖工艺。对于岩层较软的情况，采用钻孔爆破法进行开挖时，需要精确控制钻孔的直径、间距以及装药量等参数。对于硬岩地层，使用机械挖掘时，要选择合适的挖掘机械类型和参数，做好挖掘机的功率、转速、刀具形式和数量等配比。在地质条件复杂的地区，往往存在水文地质问题，如地下水涌出或地层水平面高，因此需要采取合适的排水措施。排水量、排水管道直径和布设深度等参数，需要经过严密计算和实地测试，以保证施工现场的干燥和稳定[3]。在施工过程中，地质构造不均匀可能导致洞体不稳定，因此需要根据地质构造的具体情况，调整支护结构的参数。

3.2 地下水的治理技术

在隧道开挖、支护和施工过程中，针对地下水涌入、渗漏等问题要进行综合调控，有效控制地下水的涌入，以确保施工进度、保障工程安全并减少对周边环境的影响。地下水治理工作的开展需要进行充分的地质勘察和水文地质调查，以深入了解隧道施工地区的地质条件、地下水位、水文地质特征等信息。基于这些信息，制定针对性的地下水治理方案。

在实际操作中，常采用的地下水治理技术包括抽水降水法、封闭式冻结法、化学固化法以及地下隔离屏等。抽水降水法是一种常用且有效的地下水治理技术。其通过设置井点，在施工现场周围抽取地下水，从而降低地下水位，减少对隧道工程的不利影响。封闭式冻结法通过在地下注入冷冻液体，使周围土层形成冻结带，从而控制地下水的流动。化学固化法则是通过注入化学固化剂，使地下水固化成坚硬的固体，减少地下水渗透，保持隧道施工工作面的干燥。地下隔离屏的设置能够有效隔离地下水，减少地下水与施工工作面的接触，降低地下水对隧道施工的影响。

3.3 隧道支护施工技术

根据地质勘察结果和隧道设计要求，确定合适的支护方案。考虑到地质条件的复杂性，常采用如钢架支护、锚杆喷锚、注浆加固等多种支护措施的组合。根据支护方案进行隧道周围岩体的开挖和清理工作，确保支护结构的安全施工。

根据设计要求和实际情况，进行支护结构的安装和固定，保证支护结构与岩体之间的紧密结合。要按进度进行隧道支护结构的监测和维护工作，及时发现并处理支护结构的变形和损坏情况，以维护隧道的长期稳定性和安全通行[4]。

3.4 通风技术

铁路隧道施工的通风技术是指对隧道内部空气进行有效的调控和管理，保障作业区域内施工人员的安全和工作环境的舒适。通风技术的实施需要考虑隧道长度、地质条件、施工进度以及施工人员的安全要求等因素。当前通风系统通常包括通风井、通风管道、风机等设备，其布局应充分考虑隧道的几何形状和地质特征，要让空气能在隧道内均匀流动并有效及时地排除污染物。通风系统的操作需要根据实际情况进行灵活调整。

在施工过程中，隧道内可能会产生大量尘埃、有害气体和热量，因此需要通过调节通风系统中风机运行速度和方向，及时排除污染物，并向隧道内送入新鲜空气，以维持良好的空气质量和适宜的温度。此外还应结合施工进度和工艺要求进行优化。例如，在施工过程中，需要调整通风系统的工作模式，适应不同的施工阶段和作业区域，定期对通风设备进行检查和维护，让铁路隧道内的通风系统能够长期稳定地运行。

3.5 洞口工程施工技术

通过对地质条件、地层构造、地下水位等因素的详细调查和分析，确定洞口施工的难度和风险，可为后续施工提供准确的地质数据和依据。根据地质勘察结果，制定合理的洞口支护方案。考虑到地质条件的复杂性，常采用如喷射混凝土支护、地钻爆破支护等多种支护技术的组合。

根据实际情况进行洞口施工现场的布置和准备工作，采用适当的机械设备和爆破技术，对洞口周围的岩石进行有效开挖和处理。在洞口施工过程中，需要密切监测地下水位和岩体稳定性，及时发现并处理可能出现的地质灾害和安全隐患，并结合洞口开挖情况和地质特征，及时进行支护结构的安装和固定。完工后还要对洞口周围的地表进行整形和修复，减少对环境的影响，保护周边生态环境。

3.6 盾构施工

盾构施工是一种机械化的隧道掘进方法，通过盾构机在地下推进，完成掘进和支护工作。盾构施工技术能够有效应对地下水的涌入、地层松软易塌、岩层破碎等问题，提高隧道施工的安全性和效率，非常适合在复杂的地质条件下开展铁路隧道的施工建设工作。

盾构施工的步骤包括：①根据地质勘察结果和设计要求，选择合适的盾构机型和刀具。②安装和调试盾构机，确保设备运行稳定。③进行盾构机的推进和掘进工作，根据地质条件调整推进速度和刀具参数，确保施工安全和效率。在盾构推进过程中，通过盾构机后部的支撑系统对隧道进行临时支护，防止地层塌方和坍塌。④利用盾构机前端的压力注浆系统，对地层进行固化和加固，保证施工面的稳定。⑤随着盾构机的推进，对隧道的内部进行设备安装、管道敷设等工程，最终完成整个隧道的建设。

3.7 双层壁导坑技术

双层壁导坑技术通过在地面上形成两层壁体，在地下挖掘隧道时提供了更稳定的支护结构，减少了隧道施工中可能遇到的地质风险。在地下岩层结构复杂、地质构造活跃、地下水位高或者存在大量松散的土壤等复杂地质情况下，传统的隧道施工方法会产生地层坍塌、地下水涌入、隧道坍塌等问题，因此需要采用更为稳固的支护结构来确保施工安全和隧道的稳定性。

施工时要根据地质勘察结果和工程要求，确定双层壁导坑的尺寸和形状，并进行地面预制构件的制作。在地面上挖掘第一层壁体的导坑，通常采用深基坑开挖技术，以确保导坑的稳定性和安全性。将预制的第一层壁体构件安装到导坑内，形成第一层壁体结构，在第一层壁体结构上方再次开挖导坑，形成第二层壁体的空间。在这个过程中，需要采取相应的支护措施，以防止地层坍塌和地下水的渗透，然后再将预制的第二层壁体构件安装到导坑内，形成第二层壁体结构。

4 铁路隧道施工注意事项

4.1 风险评估与监测

开展铁路隧道施工的风险评估工作，应考虑地质勘察数据、工程设计方案以及先前类似工程的经验教训，通过定量和定性的方法对风险进行评估和分类。同时，监测工作也是必不可少的，通过实时监测地下水位、地表沉降、隧道周边岩层变形等指标，便于及时发现施工过程中的异常情况，并采取相应的措施进行调整和处理。

综合运用各种监测技术，如地面测量、地下水位监测、地质雷达探测等，可以及时获取准确的施工现场数据，为风险的预防和应对提供有效的依据。在整个施工过程中，风险评估与监测应该是持续进行的，随着施工进展和地质条件的变化，及时调整风险管理策略，确保施工的安全、高效进行。

4.2 突泥灾害防治

在铁路隧道施工中，突泥灾害是一种常见而严重的地质灾害，特指地下水渗入隧道施工工程面前的高处，导致工作面突然泥浆泛涌的情况。这种灾害往往由于地下水位高涨或者松散的地层条件导致，一旦发生会对施工安全和进度造成严重威胁。因此，在复杂地质条件下进行铁路隧道施工时，必须高度重视突泥灾害防治。

预防和治理突泥灾害的措施可以从多个方面进行。通过充分的地质勘察和监测，了解隧道施工地段的地下水情况、地质构造特征等，可及时发现潜在的突泥风险隐患。采取合理的排水措施，包括地下排水系统的设计和施工，以降低地下水位，可减少突泥发生的可能性。在施工工程现场设置临时防护措施，如加固工程的支护结构、加固隧道掘进机的封闭结构等，以防止突泥灾害对施工的影响。

4.3 做好洞口排水系统

隧道施工现场通常处于地势较低的位置，容易受到降雨和地下水位的影响，若未建立良好的洞口排水系统，将会导致施工现场积水，影响施工进度并增加工程风险。复杂地质条件下，隧道周围的地层结构会存在裂隙、孔洞等漏水通道，若不及时排除水分，可能会导致隧道坍塌、地层沉降等安全隐患。因此，洞口排水系统的施工应该提前规划，并且结合当地地质条件和气候特点，采取设置排水沟、挖掘排水渠、建设排水管道等方式，将周围的雨水和地下水引导至合适的排水出口，确保施工现场保持干燥。根据实际情况安装排水泵站等设备，以应对特殊天气或地质条件下的大量水源。

5 结束语

铁路隧道工程会频繁遇到复杂地质状况，面对错综复杂的地质环境，更应强化对地铁隧道地质特性的分析力度，运用合适的施工方法，这样才能保障施工的品质，进而为铁路建设与运营的顺利进行打下坚实的基础。

参考文献

[1] 成航宇.复杂地质条件下盾构穿越既有津秦高铁施工关键技术与控制研究[J].建筑机械， 2023（7）：115-119+123.

[2] 让隧道施工更高效 更智能 更安全[J].中国公路，2023（11）：96-97.

[3] 蒲建国.复杂岩溶地质隧道设计与施工关键技术[J].国防交通工程与技术，2023，21（1）：54-57.

[4] 孟乐.铁路隧道施工安全风险管理研究[J].工程技术研究， 2021，6（8）：174-175.