我国几类特殊地质铁路隧道修建问题与对策概述

导语

特殊地质条件隧道处治是隧道修建的主要难题，为总结经验供类似工程借鉴，本文针对几类典型铁路隧道特殊地质条件隧道修建问题与对策进行研究。

1）岩溶主要问题为岩溶发育无规律、易产生突水突泥，主要对策为高位选线、畅排、泄压、水文评价与动态设计等； 

2）富水破碎带主要问题为围岩稳定性差、易产生突水突泥，主要对策为超前排水泄压、超前支护与加固地层； 

3）高地应力软岩主要问题为易产生大变形，主要对策为主动控制围岩变形、支护宁补勿拆、快挖、快支、快封闭等； 

4）岩爆主要问题为无规律性和随机性，主要对策为改善围岩物理力学性能、围岩应力条件、加固围岩； 

5）第三系含水砂层主要问题为水稳性差、降水和注浆困难，主要对策为地表和洞内联合降水、扰动置换压密型注浆加固、超前支护等； 

6）高地温主要问题为恶化作业环境、降低生产率，主要对策为洒水、通风、放置冰块、机械制冷和劳动保护等； 

7）瓦斯等有害气体主要问题为存在气体燃烧、爆突、爆炸风险，主要对策为通风、监测与检测、防爆设备配备、安全生产管理等。

 

引言

随着铁路建设的高速发展，截至2018年底，我国投入运营的铁路隧道共15 117座，总长16 331 km，在建隧道3 477座，总长7 465 km。由于铁路建设标准的不断提高，越来越多的铁路必须穿越崇山峻岭，这意味着铁路隧线比越来越高，长大深埋隧道越来越多。我国幅员广阔，在漫长的地质时期经历了多期的构造作用，形成了种类繁多的地层岩性及复杂的地质特征。因此，铁路隧道工程也必然会面对更多复杂的地质环境，遭遇到各种各样的不良和特殊地质问题。

笔者指导或参与了多座复杂高风险铁路隧道施工、病害处治方案制定和现场督导工作，根据工作体会，重点从铁路隧道施工过程中遭遇的岩溶、富水破碎带、高地应力软岩、岩爆、第三系含水砂层、高地温、瓦斯7种特殊和不良地质条件着手，力图以浓缩的内容、简明的文字对施工中遇到的问题和对策要点进行介绍，供同行们借鉴和商榷。

1岩溶

1.1 问题

岩溶主要是指可溶岩的溶蚀作用，溶蚀后产生大大小小的空隙，再加上其他的物理化学作用，形成复杂多变的地质形态。在我国分布最广泛的可溶岩就是碳酸盐岩，主要包括灰岩、白云岩、大理岩等，我国超过1/6的国土面积分布着碳酸盐岩。由于南方雨量充沛，造成南方的岩溶比北方发育，云贵川等西南地区、广西岩溶尤其发育，西南地区土地面积的1/3都是岩溶发育区。

修建岩溶隧道主要存在的问题如下：

1）由于岩溶发育的复杂性、随机性、形态多样性，勘察期间很难查清。

2）岩溶隧道的施工风险，一是遇高压富水岩溶易发生突水、突泥、突石灾害，造成人员伤亡和设备损坏（见图1）；二是岩溶形态各异，处治复杂，施工难度大，工期长；三是处于垂直循环带的浅埋隧道，还易因失水引起地面环境破坏，造成社会纠纷。

 

图1 野三关隧道施工突水突泥

3）运营期间易产生渗漏、涌水等水害，有的泄水洞、支洞设置不合理或运营期间维护不到位，造成暴雨季节发生水害，见图2和图3。

 

图2 运营隧道雨季漏水

 

图3 运营隧道雨季水害

1.2 对策

1.2.1选线原则

1）尽量绕避岩溶强烈发育地带、可溶岩和非可溶岩接触带、岩溶水富集区及岩溶水排泄带；不能绕避时，应详细调查工程地质、水文地质条件，并以最短的距离通过。

2）在高程上尽量高位选线，宜在垂直渗流带中，不宜在水平径流带中通过。

1.2.2设计原则

1）辅助坑道优先采用平行导坑、横洞等。

2）岩溶水处理应遵循以排为主、排堵结合的原则，对环境敏感区段采取以堵为主、限量排放的原则。

3）富水岩溶地段衬砌应适当考虑衬砌承受部分水压力。

1.2.3施工处治

岩溶隧道的处治原则是“探明情况、因地制宜、消除水患、综合治理”。

1）加强超前地质预报，关键是水平超前探孔，掌握岩溶性质、规模，充分评估安全风险，制定专项施工方案。

2）对揭示的岩溶进行全面的水文地质条件评价和分析，确定结构处理和排水方案。

3）洞穴型、管道型岩溶采用回填方案；充填型岩溶采用注浆加固+大管棚方案；过水型岩溶采用引排方案；大型干溶洞采用托梁+板跨方案、型钢混凝土+板跨方案、钢管群桩方案、桩基+承台方案、路基填筑方案、梁跨方案等。如宜万铁路高坪1#隧道DK139+598岩溶基底采“钢管群桩注浆加固”方案（见图4）；鲁竹坝2#隧道DK204+610岩溶采取“桩基+承台”方案（见图5）。深埋高压富水溶腔采用“释能降压”方案，如宜万铁路野三关隧道“602”溶腔、马鹿箐隧道“978溶腔”等。

 

图4 高坪1#隧道“钢管群桩注浆加固”(单位: cm)

 

图5 鲁竹坝2#隧道桩基承台(单位: cm)

4）设置维管条件，提出排水设施维管要求（使用说明书），加强维管，及时检查、维护、清淤。

2富水构造破碎带

2.1问题

富水构造破碎带是指由各种地质作用造成的，包括断层破碎带、节理密集带、岩性接触带、风化差异带、侵入岩蚀变带、褶皱挤压带等岩层破碎带。在富水状态下，具有稳定性差、易发生坍塌、突涌水（泥）等地质灾害，是铁路隧道工程建设中最常见的不良地质现象。富水断层带比较常见，一般沿构造方向有规律的分布。

富水构造破碎带围岩稳定性极差，隧道穿越时易产生突水突泥，给施工安全带来极大风险。主要表现为造成人员伤亡、机械设备损毁、工期延误、经济损失巨大。如厦深高铁梁山隧道施工期间遇到的L7断层破碎带，洞内多次发生突涌泥，地表形成漏斗形陷坑，见图6。

 

（a）涌水涌泥

 

（b）地表塌陷

图6 厦深高铁梁山隧道掌子面涌水涌泥、地表塌陷

2.2 对策

准确进行超前地质预报和超前泄水降压是预防隧道开挖突涌的最有效措施，加固地层和超前支护是保证开挖安全的主要措施（本文略去），下面仅介绍超前预报要求和超前排水措施。

1）加强超前地质预报，最主要的是采用超前钻孔探明构造破碎带的规模、物质组成、水量和水压等。2）迂回导坑超前排水、泄水降压。采用高位迂回导坑超前排水、泄水降压，不但可降低地下水位，消除突水突泥风险，且为正洞通过时保证注浆加固效果创造了条件。

如厦深铁路梁山隧道前期未重视超前预报，遇L7断层破碎带时发生了突泥突水，施工受阻。采用右侧高位迂回导坑超前排水泄压，导坑底板距隧道正洞顶部5 m，距断层水平距离8 m，见图7。泄水量保持100~200 m³/d，降低了水压，使正洞可以安全清淤，也保证了正洞注浆、水平旋喷加固效果，顺利通过断层。

 

图7 厦深铁路梁山隧道高位迂回导坑泄水

3）掌子面超前钻孔排水泄压。在掌子面前方隧道轮廓以外钻孔超前排水，降低水位。钻孔长度一般为30~50 m，直径89~120 mm，如台湾高铁苗栗隧道，见图8。

 

（a）TK111+058. 5 真空排水孔施工示意图(单位: m)

（b）苗栗隧道真空排水管施作完成

图8 隧道轮廓外钻孔超前排水泄压

 

3高地应力软岩大变形

3.1 问题

软岩一般指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层。软质岩指岩石单轴饱和抗压强度小于15 MPa的围岩，按铁路隧道设计规范规定围岩强度与地应力比值小于7为高（极高）地应力。

在高地应力环境下修建软岩隧道易产生大变形，主要问题：

1）在勘察设计阶段无法准确判断大变形是否发生，以及发生的程度。

2）对大变形的机制、类型等缺乏系统性研究。

3）施工中遇大变形（见图9），工程措施试验、摸索时间长，造成结构拆换、工期延误等。

 

（a）

（b）

图9 成兰铁路跃龙门隧道变形照片

3.2 对策

按照大变形的不同类型、不同级别，先做试验段，确定支护参数和施工方法，采用主动控制变形的理念。

3.2.1分类施策

1）挤压型：放抗结合、主动控制变形；

2）结构型：锚固为主，抵御层状岩层弯曲应力； 

3）散体型：加固地层、强支护、控制塑性区发展。

3.2.2分级处治

围岩变形按等级分为轻微、中等、严重、极严重。支护措施可按不同变形等级采取相应措施：

1）轻微变形采用初期支护加强措施；

2）中等变形采用钢架加强（如H型钢）、中长锚杆等；

3）严重变形采用H型钢（单层或双层初期支护）+长短结合锚杆+填充注浆；

4）极严重变形采用中长管棚超前支护+双层初期支护+锚杆+锚索+注浆加固等。

3.2.3主动控制变形

施工原则：

1）快，即尽量减少对围岩的扰动，快挖、快支、快封闭；

2）强，即支护宁强勿弱、宁补勿拆；

3）少，即少分部、尽量实现大断面开挖；

4）预，即合理预留变形量。

主动支护、主动控制变形。隧道开挖后围岩塑性变形破坏是产生围岩压力的原因，支护的目的就是为了限制塑性区的发展，发挥围岩自承能力。支护措施应从如何减少围岩塑性破坏出发，主动加固围岩。一是合理选择锚杆类型、提高锚杆施工效率，充分发挥锚杆对围岩变形的主动控制作用；二是优化工法，尽量少分步，实现大断面开挖，尽早封闭仰拱成环。

如成兰铁路跃龙门隧道3#斜井工区严重变形段，采用双层支护+长短锚杆结合的措施，基本控制住了围岩变形，二次衬砌施作时围岩变形最大速率控制在 0.4 mm/d以内，见图10。

（a）

（b）

图10 现场采用的锚杆钻机

4高地应力硬岩岩爆

4.1 问题

岩爆是一种突发性地质灾害，不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效。岩爆在未发生前并无明显的预兆和规律，岩爆发生时间主要集中在爆破后2～6 h，在出渣过程甚至喷锚支护以后也会发生，有时甚至开挖支护一星期后或半个月后还会发生，见图11。目前的超前地质预报技术和手段对岩爆很难做到非常准确地预报。

 

（a）

 

（b）

图11 岩爆

4.2 对策

施工中，首先，要加强超前地质预测预报（如声发射法、电磁辐射法、微重力法等），尽量预测出岩爆发生的部位和等级；其次，主要从改善围岩物理力学性能、改善围岩应力条件和加固围岩等方面入手采取相应工程措施；最后，采取施工防护措施。

1）改善围岩物理力学性能。在掌子面和洞壁洒水。

2）改善围岩应力条件。超前钻设应力释放孔；短进尺，减少药量，控制光爆效果；轻微、中等岩爆地段尽可能采用全断面一次开挖成型；强烈岩爆地段必要时也可采用上下台阶法开挖。

3）加固围岩。轻微岩爆：喷混凝土，局部打设胀壳式锚杆；中等岩爆：增加钢架、系统锚杆、挂设钢筋网，打设边墙应力释放孔；强烈岩爆：增设超前正面膨胀锚杆，锚杆长度一般为2倍进尺。

4）施工防护措施。对施工设备驾驶室设置钢筋网防护罩，采用多功能移动式防护台车，施工人员穿戴钢盔和防护服，见图12—14。

 

图12 三臂台车防护网

 

图13 防护台架

 

图14 作业人员穿戴防爆服

如拉林铁路巴玉隧道最大埋深2 080 m，地应力高，岩爆现象突出，预设计岩爆段落共计12 242 m，占隧道长度的94%。进口DK196+712～+780段为强烈岩爆，采用拱墙喷CF25钢纤维混凝土、φ6钢筋网、4 m长φ25涨壳式预应力中空锚杆、Ⅰ16型钢拱架、掌子面正面锚杆，实行全断面开挖，使用防护台车及人员防护服等，工程进展顺利。

 

5第三系含水砂层

5.1 问题

第三系地层在我国分布范围广泛，由于第三系地层沉积时间短，沉积环境差异较大，成岩作用程度也不尽相同，虽然也称为砂岩、泥岩、砾岩等，但实际上某些第三系岩体状态与黏性土和砂类土相似，富水时围岩稳定性极差。

施工中遇到的主要问题有：

1）干燥时，开挖过程中漏砂、涌砂现象严重，见图15。

 

图15 第三系地层拱部漏砂

2）有水时，围岩迅速软化，开挖后呈流塑状，基底涌水，如兰渝铁路桃树坪隧道、胡麻岭隧道遇第三系未成岩砂层多次塌方，见图16。

 

图16 开挖后呈流塑状

3）地层孔隙率低，降水效果差，注浆难度大。4）隧道围岩和支护变形大，易产生坍塌。

5.2 对策

主要的工程措施为降水、超前支护、加固地层、合理选择开挖工法等。

5.2.1降水

第三系砂层渗透系数较小、降水效果较差，结合埋深条件可采取地表结合洞内降水，达到地表降水后剩余水量不会导致掌子面溜坍、涌水、涌泥，洞内降水后掌子面稳定可快速施工的目的。

5.2.2超前支护

一般采用超前大管棚+小导管，有条件时可采用水平旋喷超前支护和掌子面地层加固，实现大断面开挖。

5.2.3注浆加固地层

没有条件施作水平旋喷的隧道可采用扰动置换压密型地层加固注浆方法。

5.2.4开挖工法

传统开挖工法：采用洞内超前轻型井点降水或地表降水，超前小导管注浆等辅助措施，CRD或双侧壁导坑法开挖。

水平旋喷+大断面开挖工法：水平旋喷桩超前预支护，掌子面使用玻璃纤维锚杆，斜向旋喷桩锁脚；掌子面超前真空降水，仰拱垂直井点降水；微台阶大断面开挖。

如兰渝铁路胡麻岭隧道采用地表+洞内降水（地表深井降水可达220 m）、扰动置换压密型加固注浆技术，克服了第三系含水砂层段施工难题，见图17和图18。

 

图17 洞内降水

 

图18 扰动置换压密型加固注浆

桃树坪隧道全隧为第三系含水砂层，2#、3#、4#斜井工区洞内采用真空轻型井点降水、超前管棚+注浆传统工法施工，见图19；出口采用水平旋喷超前支护与掌子面加固，台阶法开挖，见图20。

图19 传统开挖工法

 

（a）

 

（b）

图20 水平旋喷+台阶法开挖

6高地温

6.1 问题

各类坚硬、致密岩石，由于热导率较低，传热性能差，在岩体中易于聚集热能，因此随着隧道工程埋深的增加，地温一般也逐渐增加。对于地热异常区，可分为3种：岩热型、热水型、混合型。岩热型热源主要来自于上地幔软流圈的热扩散，或者晚期岩浆活动的余热及放射性元素的放射热等；热水型主要由地下热水引起；混合型是既有岩温问题，又有热水问题，热水叠加于岩温之上，形成局部叠加热异常带。

近年来，在拉日、玉蒙、蒙河、大瑞等铁路隧道出现了高地温现象。对隧道工程的不利影响主要表现在4个方面：

1）恶化施工作业环境，降低劳动生产率，并严重威胁施工人员的健康和安全。

2）机械设备的工作条件恶劣、效率降低、故障增多。

3）影响施工及建筑材料的选取，如耐高温器材、隔热材料以及混凝土配合比等。

4）产生的附加温度应力还可能引起衬砌开裂，对衬砌结构的安全及耐久性不利。

6.2 对策

6.2.1开挖爆破

高地温隧道爆破器材和起爆方式按高地温等级进行选择：

炮孔岩温＜50 ℃（I级高地温），采用普通爆破器材，正常连接起爆，即采用非电雷管孔底起爆；

50 ℃≤炮孔岩温＜70 ℃(II、III级高地温)，采用耐80℃的高强导爆管、导爆索，正常连接起爆；

炮孔岩温≥70 ℃（小于100 ℃，IV、V级高地温），采用耐120 ℃高温的高强导爆管、导爆索，改进装药结构，隔热膜包裹炸药等。

6.2.2通风、炮碴洒水降温

隧道放炮后，在炸药爆破、新揭露岩体散热等共同作用下，环境温度急剧上升。必须对炮碴进行洒水，同时延长通风等待时间，待温度降低至目标温度后，再组织人员进行作业，见图21。

 

图21 洒水降温

6.2.3制冷降温

冰块降温是把制作好的冰块分层放置在开挖台车、防水板台车、衬砌台车等作业人员相对集中的地段，见图22。机械制冷是在地面或洞内设置空调系统。

 

图22 冰块降温

6.2.4二次衬砌

岩温≥60℃，正洞采用隔热复合式衬砌，预留30 cm套衬施工空间。

6.2.5劳动保护措施

人员防护措施包括防高温水烫伤、有毒有害气体预防、设置洞内休息室（见图23）、减少作业时间和劳动强度、强化人员健康管控等；机械防护措施包括设备防高温措施、加强保养等。

 

图23 设置洞内休息室

如拉林铁路桑珠岭隧道D1K175+750～+910段穿越沃卡地堑东缘活动断裂F5－2，存在高岩温、高温热水，孔内岩温达到62 ℃，最高时达89.9 ℃，采用高强导爆管、导爆索，加强通风，使用洒水、冰块降温，采取衬砌隔热、预留30 cm套衬空间及劳动保护等措施。

 

7瓦斯等有害气体

7.1 问题

有害气体是指储存在岩体裂隙中的有毒气体、可燃性气体和窒息性气体的总称，常见的有瓦斯（煤层瓦斯、天然气瓦斯）、硫化氢、二氧化硫等，灾害主要表现为中毒、窒息、燃烧、爆炸等。

在隧道施工中存在的主要问题如下：

1）偶发瓦斯爆炸和有害气体爆突事故。如成贵铁路七扇岩隧道进口平导发生瓦斯爆炸事故，造成12人受伤、12人死亡；大临铁路红豆山隧道1＃斜井有害气体爆突，并伴有隧道掌子面岩体呈砂石状涌出，造成洞内作业人员6人遇难。

2）隧底下部溢出型、天然气瓦斯等很难勘察清楚，往往要施工揭示后再变更。

3）低瓦斯隧道不确定性大，往往风险更大。

4）高瓦斯隧道目前基本采用无轨运输，但设备防爆改装无相关标准。

7.2 对策

瓦斯隧道结构（如结构厚度、渗透系数、隔离层、气水分离等）、辅助坑道、运营通风等设计措施按有关规范进行。

施工对策的指导思想是减小瓦斯及有害气体体积分数、避免火源，最关键的防治技术为瓦斯检测监测、超前预报、施工通风及科学安全管理体系几个方面。通过系统完善的瓦斯检测监测，可实时了解洞内各处的瓦斯状况，便于应急处理；通过地质分析和超前探测，掌握瓦斯赋存、运移与地质构造间的关联关系，以便采取针对性的措施；通过有效的通风技术，将隧道内瓦斯体积分数控制在限值以内；建立健全安全管理制度，确保无火源，在技防与管理并重的前提下才能避免瓦斯事故发生，保障施工安全，见图24和图25。

 

（a）

 

（b）

图24 改装设备必须防爆

 

图25 瓦斯监测

1）建立自动监控系统，对所监控地点的有毒、有害气体体积分数实现远距离、定点、长期、连续的自动监测。建立声、光报警系统，监测指标超限时，可实现自动报警和自动断电,发生异常自动报警，人员自动撤离。

2）瓦斯地层施工安全措施：①预先对各种有关人员进行专门训练。施工过程中设专职瓦斯检测人员，如瓦斯含量超限，应及时按规定停止作业。②加强隧道通风，风机用电单独供给。③隧道内严禁使用明火照明，不得带入火柴、打火机、手电筒及其他易燃品。④爆破使用矿用安全炸药，并使用防爆型起爆器，严禁反向起爆。⑤洞内电器设备禁止接零，检修和迁移电器设备时，不准带电作业。

3）严格执行“一炮三检制”即在装药前、放炮前、放炮后检测瓦斯。

4）设置专职瓦斯检测人员，进洞时携带光学瓦斯检定器、四合一气体检测仪，对甲烷、一氧化碳、硫化氢、氮氧化合物进行全面检测。

5）洞内电气设备、机械设备、运输设备、照明灯具、通信、自动化装备和仪器、仪表均应选用防爆型或进行防爆改装。

6）在有毒、有害气体含量超标的地段，开挖前采取超前注浆封闭，开挖后喷射混凝土，降低有毒、有害气体涌出量。如成兰铁路跃龙门隧道采用双线分修，左线长19 981 m、右线长20 042 m。辅助坑道采用“1平导+3斜井+2横洞+2泄水洞+1副洞”，均采用无轨运输模式组织施工。其中，3#斜井工区最大独头掘进长达8 km，施工揭示为高瓦斯工区，还存在H₂S有毒气体。在采取相应结构措施的基础上，施工采取自动监控系统、巷道式通风、设备防爆、一炮三检制、专项安全措施等，确保了施工安全。

 

结论与建议

1)主要结论：

①岩溶主要问题为岩溶发育无规律、勘察困难、易产生突水突泥灾害，主要对策为高位选线、维护过水通道、排水泄压，根据揭示和补勘溶洞情况动态设计处治措施。

②富水构造破碎带主要问题为围岩自稳性差、易产生塌方和突水突泥灾害，主要对策为超前探测、超前降排水泄压、超前支护与加固地层。

③高地应力软岩大变形主要问题为影响大变形原因的因素多、机理复杂、提前判识困难，主要对策为减少围岩扰动，主动控制围岩变形，支护宁强勿弱及宁补勿拆，施工快挖、快支、快封闭、少分步，大断面机械化作业等。

④高地应力硬岩岩爆主要问题为无规律性和随机性，主要对策为改善围岩物理力学性能、围岩应力条件、加固围岩、加强设备和人员防护等。

⑤第三系含水砂层主要问题为水稳性差、降水和注浆困难、易产生涌水涌泥和坍塌，主要对策为地表和洞内联合降水、扰动置换压密型注浆加固+大管棚、掌子面加固、初期支护拱脚控沉、水平旋喷超前支护等。

⑥高地温主要问题为恶化作业环境、降低生产率，主要对策为采取洒水、通风、制冷等降温措施，减少作业时间，加强健康检查等劳动保护措施，以及选用爆破器材、衬砌材料等工程措施。

⑦瓦斯等有害气体主要问题为存在气体燃烧、中毒、爆突、爆炸风险，主要对策为超前预报、通风、监测与检测、爆破开挖与支护工程措施、防爆设备配备、应急报警与救援、安全生产管理等。

2）建议：

对于隧道的不良、特殊地质条件地段应加强地质勘查和补勘工作，并进行专项设计。岩溶隧道应进一步丰富勘查手段，研究探测新技术；富水断层破碎带和第三系含水砂层隧道应进一步研究快速有效的洞内降水施工技术，开发超前支护、稳定掌子面的施工装备；高地应力软岩隧道应加强变形机理研究，找出围岩物理力学指标、地应力、岩层构造、支护参数与支护变形之间的定量关系；高地应力硬岩岩爆隧道应加强岩爆机制的研究，探索地应力、围岩物理力学指标、岩层构造、支护参数与岩爆发生的时机、部位、等级之间的关系；高地温隧道加强洞内移动式空调系统的研究与应用；瓦斯等有害气体隧道应加强信息化、自动化安全管理措施，建立和用好监测、检测数据分析、预警、应急管理平台。