李 力

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

山西中南部鐵路通道工程，起點自山西省呂梁市的瓦塘，終點至山東省日照市，線路全長1 311 km，是國內(nèi)第一條30 t軸重的重載煤運通道。線路設計為國鐵Ⅰ級標準，速度目標值為120 km/h，雙線電氣化鐵路。

發(fā)鳩山隧道位于山西省安澤縣、長子縣境內(nèi)，隧道進口里程DK440+342，出口里程 DK454+915，全長14.573 km，為單洞雙線隧道。隧道處于中低山區(qū)，地勢起伏較大，地面高程在1 034.2～1 559.2 m之間，隧道進、出口地形坡度在15°～25°之間，洞身最大埋深約382 m，最小埋深約7 m，隧道內(nèi)縱坡為人字坡，平面位于半徑為8 000 m及2 000 m的曲線上。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 地層巖性

隧道主要穿越三疊系和尚溝組泥巖與長石砂巖互層、三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖(粉砂巖)夾薄層泥巖，中上部間夾多層0.5 cm厚的石膏，中部間夾“同生礫石”。主要地層分述如下。

(1)三疊系和尚溝組

主要為長石砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，青灰色、紫紅色，強—弱風化，砂巖礦物成分主要為長石，次為石英，砂狀結構，層狀構造。泥巖礦物成分以黏土類礦物為主，巖體呈中厚層狀構造，屬軟—較軟巖，節(jié)理裂隙發(fā)育。

(2)三疊系下統(tǒng)劉家溝組

主要為淺紫紅—淡紫色中薄層夾中厚層狀中細粒長石砂巖、長石石英砂巖，層間夾少量紫紅色砂質(zhì)泥巖、薄層泥礫巖，區(qū)域地層厚度約338.3～442.50 m，巖性組合中砂巖比例較大，砂巖礦物成分主要為長石，次為石英，膠結物為鈣質(zhì)或泥鈣質(zhì)成分。泥質(zhì)巖石以砂質(zhì)泥巖為主，薄層—頁狀結構，層厚一般10～50 cm。石膏層質(zhì)軟，以薄夾層的形式存在。

2.2 地質(zhì)構造

隧道區(qū)構造屬新華夏系，安澤縣杜村一帶出露三疊系中統(tǒng)，東西兩側(cè)巖層為三疊系下統(tǒng)，總體呈北北東向復式向斜構造，內(nèi)部發(fā)育一系列呈北北東走向次級褶皺。

(1)褶皺

沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶為沁水塊坳主體，展布于屯留、陽城一線以西，沁源、安澤一線以東廣大地帶，軸向為北北東向，構造形態(tài)為一系列不同級別褶皺組成的復式向斜，其次級褶曲向斜構造較為寬闊，背斜相對較窄，出露地層以三疊系為主，巖性為河湖相砂、泥巖。

隧址區(qū)處于沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶內(nèi)，出口端洞口巖層產(chǎn)狀為110°∠7°，進口端洞口巖層產(chǎn)狀為314°∠3°，構造形態(tài)總體為一復式向斜構造。

(2)斷層

隧道內(nèi)發(fā)育三條斷層。F1斷層發(fā)生于三疊系和尚溝組內(nèi)，斷層性質(zhì)為正斷層，斷層走向為N9°W～N15°W，傾角70°～85°，與線路相交里程為 DK451+200，斷層破碎帶寬約50 m，斷層影響帶寬約150 m。F2斷層發(fā)生于三疊系和尚溝組內(nèi)，斷層性質(zhì)為正斷層，斷層走向為 N8°E ～N12°E，傾角75°～85°，與線路相交里程為DK451+600，斷層破碎帶寬約30 m，斷層影響帶寬約100 m。F3斷層發(fā)生于三疊系劉家溝組內(nèi)，斷層走向為 N50°W，傾角75°～85°，與線路里程相交為DK453+100，斷層影響帶寬約100 m。

三條斷層及影響帶內(nèi)主要成份為角礫巖、糜棱巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，多呈碎塊狀，巖體極破碎。

2.3 水文地質(zhì)

(1)地表水

隧址區(qū)地表水主要受大氣降水補給，因沖溝發(fā)育，易形成地表面流，水量受季節(jié)性影響變化較大，自然排泄暢通。

(2)地下水

發(fā)鳩山為蘭河水系和漳河水系的分水嶺，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，主要依靠大氣降水及地下徑流補給，排泄方式主要沿泥巖順坡排泄，形成多層懸掛泉，水量較小。隧道穿越地層為砂、泥巖地層，發(fā)育多層地下水，局部具承壓性，局部地段裂隙貫通多層含水層，易產(chǎn)生涌水、突泥等地質(zhì)災害，水文地質(zhì)條件一般。

第四系孔隙水主要分布于第四系地層中，地下水主要賦存于圓礫土層、砂類土層中，地下水位1～10 m。第四系地層主要以黏性土、圓礫土為主，黏性土起到了隔水的作用。該地下水具有承壓性，水量豐富。

隧道區(qū)地層主要為碎屑巖，砂巖為相對透水巖層，泥巖和頁巖為相對隔水巖層，節(jié)理較發(fā)育，局部地下水具承壓性，巖層、斷裂帶及向斜核部局部富水。

采用大氣降水入滲法計算的隧道涌水量如表1所示。

表1 隧道區(qū)段涌水量

3 隧道風險劃分

根據(jù)隧道所處區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及外部環(huán)境條件，隧道施工主要存在以下高風險因素。

(1)洞口洞身穿越軟弱圍巖淺埋段

隧道進、出口段位于低山區(qū)，處于淺埋段。進口段為和尚溝組長石砂巖和泥巖互層，發(fā)育背斜及寬緩向斜構造，砂泥巖交界地段富集地下水，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差，施工中易產(chǎn)生塌方、涌水。出口段為劉家溝組砂巖夾薄層泥巖，受風化及地表水作用，圍巖破碎，裂隙水富集，穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生塌方冒頂。

隧道洞身DK441+350～DK441+500共150 m處于淺埋段，最小埋深為7 m，上方為寬5 m的村級道路。穿越巖層為和尚溝組砂泥巖互層，發(fā)育背斜及寬緩向斜構造，雨量較大時，匯水較多，巖體風化嚴重，較破碎，穩(wěn)定性差。

(2)水平巖層

受地質(zhì)構造影響，隧道范圍內(nèi)大部分區(qū)域巖層為水平狀產(chǎn)出，巖層多為薄—中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，且多為砂泥巖互層，層間結合較差，隧道開挖后，拱頂極易掉塊，水量較大地段，易出現(xiàn)拱頂坍塌現(xiàn)象。

(3)斷層破碎帶

斷層及影響帶內(nèi)，圍巖極破碎，為富水及導水帶，隧道開挖后極易產(chǎn)生塌方、突泥涌水等現(xiàn)象，是隧道施工的重點防范對象。

(4)軟弱富水及環(huán)境控制區(qū)

隧道在DK446+000～DK447+600段近鄰橫水盆地，受斷陷構造影響較重，隧道埋深較淺，地下水富集，地質(zhì)條件較差。DK443+510～DK443+720及DK446+310～DK446+950段附近隧道頂部為村莊，地形為低洼平地，隧道埋深較淺。以上段落隧道開挖易造成地下水流失，居民用水困難。

根據(jù)對發(fā)鳩山隧道存在的風險因素進行綜合評估，本隧道確定為高風險隧道，按Ⅰ級風險隧道管理。因此，隧道在設計、施工及管理等環(huán)節(jié)上必須高度重視，對每處風險點必須精心把控，提出切實可行、安全合理的工程措施，才能成功穿越不良復雜地層。

4 隧道風險處理關鍵技術

4.1 洞口洞身軟弱圍巖淺埋段處理技術

隧道的洞口、洞身淺埋處，由于埋深淺，受風化作用嚴重，加上外界環(huán)境的影響，地層較為軟弱，有的已風化呈碎石土、卵石土或粉土等，隧道開挖后，很難形成壓力拱以抵抗圍巖壓力，若處理不當，極易出現(xiàn)塌方冒頂?shù)仁鹿省?/p>

根據(jù)本隧道結構的斷面尺寸、埋深及地質(zhì)條件等因素，采取以下綜合處理措施。

(1)洞口軟弱圍巖淺埋段

隧道進暗洞前，采用30 m長的大管棚進行超前支護，利用管棚與鋼架的聯(lián)合作用，形成棚架支護體系，起到控制圍巖變形、減少開挖釋放應力、擴散圍巖壓力的作用，以保證隧道施工安全。

管棚采用直徑108 mm，壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，每節(jié)4～6 m長，以絲扣連接而成，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不得超過總鋼管數(shù)的50%，管棚環(huán)向間距0.4 m，鋼管軸線與襯砌外緣線夾角按1°～3°布設。管棚設導向墻，采用C20混凝土，截面尺寸為1 m×1 m，為保證長管棚施工精度，導向墻內(nèi)設兩榀I18輕型工字鋼鋼架，鋼架外緣設直徑140 mm，壁厚5 mm的導向鋼管，鋼管與鋼架牢固焊接。管棚布置如圖1所示。

圖1 管棚布置(單位:mm)

隧道施工采用三臺階臨時仰拱法開挖，臨時仰拱采用I18工字鋼，與初期支護的鋼架固定連接，同時掛鋼筋網(wǎng)，噴射15 cm厚的臨時仰拱混凝土，使得隧道斷面由大斷面化為小斷面，步步封閉成環(huán)，使支護體系處于較好的受力狀態(tài)，將開挖擾動土層的范圍降至較低的范圍。同時，臨時仰拱起到了增大結構剛度的作用，有效抑制了結構的變形，改善受力狀態(tài)。三臺階臨時仰拱法如圖2所示。

(2)洞身軟弱圍巖淺埋段

洞身DK441+350～DK441+500共150 m段，圍巖較破碎，地表溝谷處隧道埋深7 m，涌水量較大。針對本段地層情況，采用中型管棚配合超前小導管注漿進行超前支護，管棚采用直徑89 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，每節(jié)長10 m，兩環(huán)之間搭接不小于3 m，外插角不大于12°，管棚環(huán)向間距0.4 m。

超前小導管采用直徑42 mm、壁厚3.5 mm無縫鋼管，長4.5 m，鋼管上每隔15 cm打設直徑10 mm的注漿孔，鋼管縱向兩榀之間搭接長度不小于1 m，環(huán)向間距0.4 m。小導管注漿采用水泥砂漿，注漿壓力為0.5～1 MPa。

施工中，管棚、小導管必須和型鋼鋼架連接緊固，配合使用，以起到加固地層、抵抗圍巖壓力的作用。

以上洞口、洞身軟弱圍巖淺埋段均為Ⅴ級圍巖，除了以上輔助措施外，在襯砌結構上也相應做了加強處理，初期支護采用25 cm厚噴射混凝土，內(nèi)設全環(huán)I20工字鋼鋼架，縱向間距0.75 m，二襯采用45 cm厚C35鋼筋混凝土。

圖2 三臺階臨時臨時仰拱法施工(單位:m)

4.2 水平巖層處理技術

在水平層狀薄—中厚層砂泥巖互層的條件下開挖隧道，拱頂圍巖的穩(wěn)定性是比較突出的問題，對于產(chǎn)狀平緩的巖層，由于巖體的卸載作用，使得隧道拱部失去支撐，頂板巖層受重力作用發(fā)生彎曲，逐漸與上部巖體發(fā)生脫離，形成懸臂式組合梁結構。隨著變形的發(fā)展，組合梁結構發(fā)生失穩(wěn)，導致隧道拱部巖體坍塌。尤其泥巖成分較高或水量較大時，隧道開挖后極易失穩(wěn)，引發(fā)工程事故。

本隧道在Ⅳ～Ⅴ圍巖地段，拱墻均設置有格柵鋼架，拱頂失穩(wěn)現(xiàn)象基本可以控制;Ⅲ級圍巖段，常規(guī)的初期支護為噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)，無格柵鋼架。為克服由于水平巖層給隧道施工帶來的一系列問題，對支護體系進行優(yōu)化，一是錨桿由常規(guī)的2.5 m調(diào)整為3.0 m，加強其對巖層的懸吊錨固作用，二是對拱部增設格柵鋼架，抵抗失穩(wěn)巖層壓力，鋼架布設范圍為拱部130°，鋼架采用四主筋型，主筋直徑22 mm，鋼架高130 mm。

4.3 斷層及破碎帶處理技術

斷層及破碎帶內(nèi)巖體受構造擠壓影響，呈碎石、角礫或泥狀，表現(xiàn)為承載力下降、圍巖整體性較差，施工中極易產(chǎn)生塌方，同時，斷層帶是地下水的富集區(qū)，極易引起突泥、涌水等災害。

根據(jù)本隧道3條斷層及破碎帶的圍巖條件，采取超前周邊預注漿措施，使?jié){液通過劈裂、滲透等作用對地層孔隙及裂隙進行填充膠結，改善土體的力學性質(zhì)，起到加固地層及堵水作用。同時配合管棚超前支護、三臺階臨時仰拱分部開挖支護及襯砌加強綜合措施通過斷層。

超前周邊預注漿加固范圍為開挖輪廓線外3 m，每循環(huán)注漿長度27 m，開挖22 m，保留5 m作為止?jié){巖盤。漿液擴散半徑為3 m，孔底間距3～4 m，每循環(huán)共2環(huán)24個注漿孔。注漿孔直徑為110 mm，孔口管采用長3 m、直徑108 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管。注漿材料為水泥漿液。

4.4 軟弱富水及環(huán)境控制區(qū)處理技術

軟弱富水圍巖具有變形量大、變形速度快、變形時間長、圍巖擾動大及壓力增長快等特性，在地下水的作用下，其強度低、整體性差，隧道開挖后，極易出現(xiàn)拱頂坍塌、工作面失穩(wěn)、突泥涌水及圍巖流失等異?，F(xiàn)象。隧道開挖改變了地下水的徑排條件，造成水位變化，地下水通過隧道集中排泄，造成當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞，影響居民的生產(chǎn)生活。因此，對地下水貫徹“最大限度保護環(huán)境”的理念，遵循“以堵為主，限量排放”的原則，選擇合理的施工方案與措施，實現(xiàn)工程與環(huán)境的統(tǒng)一。根據(jù)隧道經(jīng)過段落的地質(zhì)條件及外部環(huán)境因素，采取超前周邊預注漿或徑向注漿進行止水和圍巖補強，降低地下水的流動對隧道及周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響，同時填充、浸透、固結圍巖空隙，增強圍巖強度，改善其工程特性。

超前周邊預注漿采取開挖輪廓線外3 m加固范圍，水量較大處，采取5 m加固范圍。徑向注漿擴散半徑按3 m布設，注漿孔按梅花形布置，孔口環(huán)向間距1.8 m，孔底環(huán)向間距2.6 m，縱向間距2.6 m。注漿孔采用風鉆開孔，孔徑為52 mm，孔口管采用直徑50 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，長1 m。注漿材料為水泥漿液。

5 隧道施工組織設計

發(fā)鳩山隧道長14.573 km，屬特長隧道，穿越地質(zhì)條件復雜，原工期為42個月，為本線的控制性工程。受前期改線的影響，工期滯后了8個月，如何進行施工組織優(yōu)化，保證隧道安全、高質(zhì)、如期的完成，成為一大難題。

結合隧道的長度、地質(zhì)、地形等因素，對輔助坑道進行優(yōu)化，采取四座斜井方案，6個工區(qū)、10個工作面進行隧道掘進。斜井均采用雙車道斷面，寬7.7 m、高6.2 m，可滿足兩車輛自由行駛，無需錯車、等待。斜井的坡度均小于10%，以利于行車，大大提高了運輸效率，同時，雙車道斷面也有利于隧道通風，改善作業(yè)環(huán)境。斜井具體參數(shù)如表2所示。

表2 斜井設置參數(shù)

通過精心設計、施工、合理高效的組織管理，經(jīng)過各參建方艱辛的努力，本隧道僅用了29個月即完成了貫通，比原定工期提前了5個月，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

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