田四明，王 偉，唐國榮，黎 旭

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

川藏鐵路自四川省成都市引出，向西行經(jīng)四川省雅安市、甘孜藏族自治州，西藏自治區(qū)昌都、林芝、山南市，終到拉薩市，線路全長約1 570 km，采用分期分段進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。其中，東段——成都至雅安段(成雅鐵路)已于2018年12月28日開通運(yùn)營；西段——拉薩至林芝段(拉林鐵路)于2014年12月19日開工建設(shè)，計(jì)劃2021年6月30日開通運(yùn)營；中段——雅安至林芝段于2020年11月8日開工建設(shè)，該段線路全長約1 011 km，為雙線電氣化Ⅰ級鐵路，設(shè)計(jì)速度200 km/h，沿線地勢起伏跌宕，山高谷深，復(fù)雜特長隧道和大跨高橋眾多，橋隧比高達(dá)94%，最長的易貢隧道長達(dá)42.4 km，特別是隧道工程緊鄰印度板塊與歐亞板塊強(qiáng)烈擠壓的“喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)”，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，穿越新構(gòu)造板塊活動(dòng)強(qiáng)烈的橫斷山區(qū)，地質(zhì)條件極端復(fù)雜，隧道遭遇的高地應(yīng)力軟巖大變形、高地應(yīng)力硬巖巖爆、高地溫、活動(dòng)斷裂、高壓富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)問題十分突出[1]。川藏鐵路沿線地形地勢見圖1。

目前國內(nèi)外學(xué)者對高地應(yīng)力軟巖變形[2-4]、硬巖巖爆[5]、高地溫[6]、活動(dòng)斷裂[7]、高壓富水?dāng)嗔褞8]等不良地質(zhì)從作用機(jī)制、超前預(yù)測預(yù)報(bào)、控制措施等方面開展了系列研究，取得了一定的成果，但從宏觀地質(zhì)背景、不良地質(zhì)危害程度等級等方面遠(yuǎn)不及川藏鐵路。本文在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外大量類似工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)分析各種不良地質(zhì)的工程特征和主要危害，提出了川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程高地應(yīng)力軟巖大變形、高地應(yīng)力硬巖巖爆、高地溫、活動(dòng)斷裂和高壓富水?dāng)鄬拥戎卮蟛涣嫉刭|(zhì)的處置原則和工程對策，以期能為川藏鐵路雅安至林芝段的隧道工程建設(shè)提供參考。

圖1 川藏鐵路沿線地形地勢圖Fig.1 Topographic map along Sichuan-Tibet railway

1 隧道工程概況

川藏鐵路雅安至林芝段共分布隧道69座，總長842 km，隧線比約83%。其中，長度大于10 km的隧道36座，總長729 km(占比87%)；15 km以上的隧道23座，總長563 km(占比67%)；20 km以上的隧道15座，總長423 km(占比50%)；30 km以上的隧道6座，總長207 km(占比25%)。最長的易貢隧道長42.4 km，為目前國內(nèi)鐵路最長隧道。隧道海拔高，其中海拔3 000 m以上隧道46座，總長636 km(占比76%)，最高的果拉山隧道海拔達(dá)4 468 m。隧道最大埋深達(dá)2 080 m。隧道情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 川藏鐵路雅安至林芝段隧道統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of tunnels on Ya′an-Nyingchi section of Sichuan-Tibet railway

川藏鐵路沿線山高谷深、地層巖性混雜多變，深大活動(dòng)斷裂廣泛分布，內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用強(qiáng)烈，強(qiáng)震頻繁，震級大、烈度高。在這種特殊地質(zhì)背景下，隧道工程將遭遇一系列以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的活動(dòng)斷裂、高地應(yīng)力、高地溫、高壓富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)問題，面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括極高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形和硬巖隧道巖爆控制、高地溫隧道熱害防治、活動(dòng)斷裂帶抗減震以及高壓富水?dāng)鄬邮┕ね挥克刂频萚1]。

2 高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形應(yīng)對措施

2.1 軟巖大變形隧道概況

川藏鐵路雅安至林芝段軟巖隧道目前實(shí)測的最大水平地應(yīng)力達(dá)44 MPa(高爾寺隧道)，模擬分析預(yù)測的最大水平地應(yīng)力達(dá)62 MPa(多吉隧道)，綜合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和Q/CR 9512—2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定及成蘭、蘭渝等鐵路隧道經(jīng)驗(yàn)[9-10]，川藏鐵路軟巖大變形隧道按表2進(jìn)行判識(shí)與劃分，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)等級。根據(jù)初步勘察成果推測，該段共有39座隧道的局部段落存在不同程度的軟巖變形問題，軟巖大變形段落總長度約159 km，其中，Ⅰ 級變形段93.5 km，Ⅱ 級變形段50.5 km，Ⅲ 級變形段14.5 km，Ⅳ 級變形段0.5 km。

表2 川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道分級Table 2 Classification of high ground stress soft rock tunnel of Sichuan-Tibet railway

2.2 軟巖大變形特征及危害

高地應(yīng)力軟巖大變形的外在表現(xiàn)有著明顯不同于常規(guī)變形的特征，其最主要的表觀特征是變形量大、變形速率高，并常伴有初期支護(hù)開裂、掉塊及鋼架扭曲剪斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致初期支護(hù)失效、洞室坍塌，甚至造成二次襯砌混凝土開裂、壓潰等現(xiàn)象。根據(jù)沿線軟巖隧道地質(zhì)特征，大變形主要可分為擠壓型軟巖大變形和巖層擴(kuò)容彎折型大變形2種，其發(fā)生條件和變形特征見表3。

表3 高地應(yīng)力軟巖大變形分類Table 3 Classification of large deformation of soft rock under high ground stress

2.3 工程對策

目前軟巖大變形隧道比較典型的是蘭渝鐵路和成蘭鐵路，最大水平地應(yīng)力在30 MPa左右，通過科技攻關(guān)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，形成了Q/CR 9512—2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》，對最大水平地應(yīng)力不大于30 MPa的軟巖大變形隧道修建而言，有一定的經(jīng)驗(yàn)積累；而川藏鐵路最大水平地應(yīng)力預(yù)計(jì)達(dá)62 MPa，軟巖隧道變形控制難度更大。為此，在吸取類似工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出遵循“優(yōu)化洞形、主動(dòng)加固、分級控制、強(qiáng)化支護(hù)”的原則，貫徹“快開挖、快支護(hù)、快封閉”的理念，采取優(yōu)化斷面形狀、強(qiáng)化主動(dòng)支護(hù)、機(jī)械化大斷面開挖、適時(shí)施作二次襯砌等綜合防控措施[11]。

2.3.1 優(yōu)化斷面形狀

對大變形隧道，襯砌內(nèi)輪廓應(yīng)結(jié)合建筑限界、跨度、大變形等級等綜合確定，可采用橢圓形、近圓形或圓形內(nèi)輪廓。川藏鐵路軟巖變形隧道內(nèi)輪廓建議如下。

1)單線隧道。Ⅰ、Ⅱ級大變形地段，采用橢圓形輪廓；Ⅲ、Ⅳ級大變形地段，采用圓形輪廓。其中，Ⅰ級大變形地段仰拱矢跨比不宜小于1/8，Ⅱ級大變形地段矢跨比不宜小于1/6，Ⅲ、Ⅳ級大變形地段仰拱宜采用圓形。

2)雙線隧道。Ⅰ、Ⅱ級大變形地段采用近圓形斷面。其中，Ⅰ級大變形地段仰拱矢跨比不宜小于1/10，Ⅱ級大變形地段矢跨比不宜小于1/8，Ⅲ、Ⅳ級大變形地段襯砌采用近圓形或圓形。

2.3.2 強(qiáng)化主動(dòng)支護(hù)體系，充分發(fā)揮圍巖自承能力

在高地應(yīng)力軟弱圍巖地段，可采用主動(dòng)支護(hù)體系，充分發(fā)揮圍巖自承能力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，控制隧道圍巖產(chǎn)生過大變形。支護(hù)體系選用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)、徑向注漿等主動(dòng)支護(hù)配合聯(lián)結(jié)鋼帶、防護(hù)網(wǎng)形成預(yù)應(yīng)力錨固體系。對于Ⅲ、Ⅳ級大變形地段，可采取必要的讓壓釋能設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬，合理確定預(yù)留變形量。川藏鐵路軟巖大變形隧道預(yù)設(shè)計(jì)措施見表4，現(xiàn)場根據(jù)施工地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

表4 川藏鐵路軟巖大變形隧道預(yù)設(shè)計(jì)措施Table 4 Proposed countermeasures for tunnels on Sichuan-Tibet railway subject to large deformation

2.3.3 機(jī)械化大斷面開挖，減少對圍巖多次擾動(dòng)

施工實(shí)踐表明，軟巖隧道采用機(jī)械開挖或鉆爆法大斷面施工工法(見圖2)，可減少對圍巖的擾動(dòng)，且可實(shí)現(xiàn)支護(hù)盡早閉合成環(huán)，有效控制圍巖變形，因此，川藏鐵路軟巖隧道應(yīng)采用機(jī)械開挖或鉆爆法大斷面施工工法。

2.3.4 二次襯砌施作時(shí)機(jī)

高地應(yīng)力軟巖地質(zhì)條件下，特別是圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比極低時(shí)，圍巖壓力大，流變特性顯著，隧道變形持續(xù)時(shí)間長。二次襯砌施作時(shí)機(jī)是否適宜，關(guān)系到二次襯砌承載能力的發(fā)揮、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及運(yùn)營安全。從控制變形角度，二次襯砌施作越早，對控制變形越有利，但受力也就越大，易導(dǎo)致二次襯砌開裂破壞。川藏鐵路軟巖隧道最大水平地應(yīng)力達(dá)62 MPa，國內(nèi)外罕見，對于Ⅰ、Ⅱ級變形二次襯砌施作時(shí)機(jī)可參考表5，對于Ⅲ、Ⅳ級變形目前尚無成功經(jīng)驗(yàn)，建議結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、科研攻關(guān)等進(jìn)一步研究確定。

3 高地應(yīng)力條件下硬巖隧道巖爆應(yīng)對措施

3.1 巖爆隧道概況

川藏鐵路硬巖隧道目前實(shí)測的最大水平地應(yīng)力達(dá)47.7 MPa(格聶山隧道，測深1 316 m)，模擬分析預(yù)測的最大水平地應(yīng)力達(dá)66 MPa(拉月隧道)。根據(jù)初步勘察成果推測，全線有20余座隧道存在不同程度的巖爆問題，嚴(yán)重影響隧道工程施工安全和工期。按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法(見表6)，雅安至林芝段正線隧道高地應(yīng)力硬巖巖爆段落長度約153 km，其中，輕微巖爆段58 km，中等巖爆段76 km，強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈?guī)r爆段19 km。

圖2 鉆爆法大斷面施工現(xiàn)場Fig.2 Construction of large cross-section tunnel by drilling and blasting method

表5 大變形地段二次襯砌施作時(shí)機(jī)Table 5 Timing of secondary lining for large deformation section

3.2 巖爆特征及危害

巖爆是處于較高地應(yīng)力地區(qū)的巖體由于工程開挖等活動(dòng)導(dǎo)致其內(nèi)部儲(chǔ)存的應(yīng)變能突然釋放，或原來處于極限平衡狀態(tài)下的巖體由于外界擾動(dòng)作用，開挖臨空面巖塊體以猛烈的方式突然彈射出來或脫離母巖的一種動(dòng)態(tài)力學(xué)現(xiàn)象，其對隧道施工的影響主要表現(xiàn)在惡化施工環(huán)境，對人員造成傷害，對設(shè)備及隧道初期支護(hù)造成損傷和破壞，增加安全風(fēng)險(xiǎn)，降低施工效率，延長施工工期[12]。

表6 川藏鐵路巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法巖爆分級Table 6 Classification of rockburst along Sichuan-Tibet railway based on rock strength-stress ratio method

3.3 工程對策

針對川藏鐵路巖爆隧道特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外巖爆隧道的調(diào)研及分析，遵循“預(yù)警先行、主動(dòng)控制、多機(jī)少人、保證安全”的總體原則進(jìn)行處理。

3.3.1 加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)警

川藏鐵路巖爆隧道施工中應(yīng)采用地質(zhì)綜合分析、地應(yīng)力測試、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警等方法對設(shè)計(jì)巖爆等級進(jìn)行核對，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和修正，并及時(shí)總結(jié)巖爆規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)施工。

3.3.2 預(yù)防措施

川藏鐵路巖爆隧道應(yīng)采用大型機(jī)械化配套作業(yè)，積極推行少人化、自動(dòng)化和信息化施工，在強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆等極高風(fēng)險(xiǎn)地段，關(guān)鍵工序力爭實(shí)現(xiàn)智能化無人施工。具體預(yù)防措施見表7。

表7 川藏鐵路巖爆隧道預(yù)防措施Table 7 Preventive measures for tunnels subject to rockburst along Sichuan-Tibet railway

3.3.3 防控措施

巖爆控制應(yīng)以主動(dòng)防控為主，采用低預(yù)應(yīng)力漲殼式中空注漿錨桿或其他適應(yīng)巖爆的特種錨桿；同時(shí)，配合消能防護(hù)網(wǎng)、C30高性能鋼纖維噴射混凝土和局部鋼架形成聯(lián)合防控支護(hù)體系。具體防控措施見表8。

4 高地溫隧道熱害應(yīng)對措施

4.1 高地溫隧道概況

川藏鐵路高地溫隧道具有數(shù)量多、段落長，高原氣候環(huán)境特殊、洞內(nèi)外溫差顯著，地質(zhì)條件復(fù)雜、多種不良地質(zhì)耦合等特點(diǎn)。在區(qū)域上，熱水分布受構(gòu)造控制，沿線活動(dòng)斷裂帶及巖體侵入帶多存在高地溫問題，根據(jù)初步勘察資料預(yù)測，全線存在50余個(gè)對線路有影響的高溫?zé)崛?，主要集中在鮮水河活動(dòng)斷裂帶、理塘活動(dòng)斷裂帶、巴塘活動(dòng)斷裂帶、香堆—洛尼斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、嘉黎斷裂帶、雅江縫合帶等8處斷裂帶，水溫為40～100 ℃，最高達(dá)210 ℃(康定附近榆林宮)。該段預(yù)測中高溫以上(>37 ℃)的高地溫隧道主要分布在瀘定縣地區(qū)和林芝地區(qū)，預(yù)測高地溫段落長48.9 km。川藏鐵路隧道高溫?zé)岷y(tǒng)計(jì)見表9。

表8 川藏鐵路隧道巖爆段防控措施Table 8 Prevention and control measures for rockburst section of Sichuan-Tibet railway tunnel

表9 川藏鐵路隧道高溫?zé)岷y(tǒng)計(jì)Table 9 Statistics of tunnel heat damage by high temperature

4.2 高地溫特征及危害

地?zé)岙惓Ｊ堑厍騼?nèi)部熱活動(dòng)和各種自然、地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果，也是地殼中地?zé)崮芫植考械囊环N表現(xiàn)，地表主要表現(xiàn)為沸泉、溫泉、噴氣孔或鉆孔中揭露地?zé)釤崴?。對隧道工程的危害主要是高巖溫和高水溫，主要表現(xiàn)為：

1)惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，并嚴(yán)重威脅到施工人員的健康和安全。

2)高溫高濕條件下導(dǎo)爆索、雷管等爆破器材性能穩(wěn)定性下降，易出現(xiàn)瞎炮、啞炮等，危及施工安全。

3)混凝土水化熱溢出受困，初期支護(hù)及二次襯砌混凝土早期強(qiáng)度較常溫高，但后期強(qiáng)度明顯倒縮，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力。

4)高溫差條件下產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力引起襯砌結(jié)構(gòu)開裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性和使用安全。

5)運(yùn)營期間洞內(nèi)環(huán)境溫度過高引起隧道養(yǎng)護(hù)維修困難。

4.3 工程對策

根據(jù)川藏鐵路隧道高地溫類型、熱害特征及自然環(huán)境條件，熱害防治遵循“加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)、熱害分級防控、綜合降溫配套、合理適配材料、強(qiáng)化勞動(dòng)保障”的原則，采取通風(fēng)降溫、噴灑低溫水冷卻、局部冰塊降溫或機(jī)械制冷等綜合降溫措施，強(qiáng)化地下高溫?zé)崴乐危⒔⒏邷蒯t(yī)療衛(wèi)生保健和健康監(jiān)護(hù)體系，保障人員健康、安全、高效作業(yè)[11]。

4.3.1 高溫?zé)崴揽卮胧?/p>

根據(jù)國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)，川藏鐵路高地溫隧道可采取加強(qiáng)通風(fēng)、噴霧灑水、冰塊和機(jī)械制冷等綜合降溫手段，對高溫?zé)崴囟慰刹扇〕靶顾?、注漿封堵、熱水隔熱歸管引排等措施，控制地下熱水涌出，同時(shí)做好施工人員個(gè)人防護(hù)。具體防控措施見表10。

表10 川藏鐵路高地溫隧道防控措施Table 10 Prevention and control measures for high ground temperature of tunnel

4.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)研究成果[6]，高地溫對二次襯砌安全性影響較大，隨著地溫升高，隧道二次襯砌各個(gè)部位的安全系數(shù)呈下降趨勢，特別是當(dāng)巖溫從30 ℃升為50 ℃時(shí)，安全系數(shù)下降明顯；當(dāng)巖溫高于50 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮溫度應(yīng)力作用。川藏鐵路高地溫隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施見表11。

4.3.3 建筑材料選擇

為確保結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)耐久性，高地溫隧道應(yīng)采用耐熱性等指標(biāo)較好的噴射混凝土、模筑混凝土、隔熱層、防排水和封閉隔熱材料等建筑材料。

表11 川藏鐵路高地溫隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施Table 11 Structural design measures of tunnel with high ground temperature

4.3.4 高溫爆破器材選擇

當(dāng)炮孔溫度小于50 ℃時(shí)，采用普通爆破器材；炮孔內(nèi)溫度位于50～70 ℃時(shí)，采用耐80 ℃高溫的導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索；炮孔內(nèi)溫度大于70 ℃時(shí)，采用耐120 ℃高溫的導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索，并改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)，將雷管置于孔口，導(dǎo)爆索與炸藥裝入炮孔，由雷管在炮孔口激發(fā)導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索在孔底反向起爆炸藥。

5 活動(dòng)斷裂帶隧道變形應(yīng)對措施

5.1 沿線活動(dòng)斷裂特征

川藏鐵路雅安至林芝段隧道工程共穿越6條活動(dòng)斷裂帶，主要分布在康定1號、康定2號、康玉和通麥4座隧道，活動(dòng)斷裂帶位錯(cuò)對隧道工程危害極大，如2008年中國四川汶川8.0級大地震，嚴(yán)重處斷層錯(cuò)位達(dá)3.4 m。川藏鐵路雅安至林芝段隧道穿越活動(dòng)斷裂特征見表12。

表12 川藏鐵路雅安至林芝段隧道穿越活動(dòng)斷裂特征Table 12 Characteristics of active faults along Ya′an-Nyingchi section of Sichuan-Tibet railway

5.2 活動(dòng)斷裂對工程的危害

活動(dòng)斷裂對工程的危害主要為斷層錯(cuò)動(dòng)直接破壞隧道結(jié)構(gòu)等方面[13]。斷層錯(cuò)動(dòng)使圍巖直接產(chǎn)生剪切位移，它可以穿過覆蓋層直達(dá)地表。這種剪切變形通常被限制在活動(dòng)斷層周圍一個(gè)狹小的范圍內(nèi)，但這種突然的變位方式引起的隧道破壞是災(zāi)難性的，結(jié)構(gòu)難以抵御，造成隧道主體破壞。

5.3 工程對策

通過調(diào)研分析國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)[14]，川藏鐵路雅安至林芝段隧道活動(dòng)斷裂設(shè)計(jì)按照“小震不壞、中震可修、大震不垮”的總體設(shè)防目標(biāo)，遵循“預(yù)留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計(jì)、運(yùn)營監(jiān)測”的原則，采用圓形襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)段之間設(shè)置寬變形縫，斷面內(nèi)凈空預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間，并采取徑向注漿加固圍巖、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測等抗減震措施。

5.3.1 活動(dòng)斷裂設(shè)防范圍及邊界確定

川藏鐵路隧道設(shè)防范圍為活動(dòng)斷裂帶及兩側(cè)不小于30 m。在施工階段，為提高工程措施的針對性，防止定位不準(zhǔn)影響斷裂帶外兩側(cè)抗錯(cuò)動(dòng)襯砌延伸段長度不足或浪費(fèi)，需準(zhǔn)確定位活動(dòng)斷裂帶的邊界。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的超前取芯鉆孔長度單次不宜小于100 m，在掌子面進(jìn)入設(shè)計(jì)預(yù)測的活動(dòng)斷裂近端邊界前，2次超前取芯鉆孔間的搭接長度不應(yīng)小于50 m。

5.3.2 活動(dòng)斷裂帶隧道內(nèi)輪廓

隧道內(nèi)輪廓在滿足設(shè)計(jì)時(shí)速對應(yīng)的建筑限界基礎(chǔ)上，考慮活動(dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)方向的不確定性，在水平和垂直方向按活動(dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)量預(yù)留不小于30 cm的補(bǔ)強(qiáng)空間(具體尺寸結(jié)合活動(dòng)斷裂深入研究確定)。為改善襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，單線隧道襯砌內(nèi)輪廓采用圓形，雙線隧道襯砌內(nèi)輪廓采用近圓形。川藏鐵路活動(dòng)斷裂帶隧道內(nèi)輪廓見圖3。

5.3.3 活動(dòng)斷裂帶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道的變形特征，川藏鐵路活動(dòng)斷裂帶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用“大剛度環(huán)形襯砌+預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間+組合寬變形縫”的結(jié)構(gòu)體系(具體的結(jié)構(gòu)體系結(jié)合活動(dòng)斷裂深入研究確定)，即盡量減小隧道節(jié)段長度，使斷層帶及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的節(jié)段保持相對獨(dú)立，各剛性隧道節(jié)段間采用剛度相對較小的柔性連接。在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，破壞集中在連接部位或結(jié)構(gòu)的局部，而不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性破壞，隧道節(jié)段設(shè)計(jì)示意圖見圖4。寬變形縫的寬度是常規(guī)變形縫寬度的5～8倍，寬變形縫縱向設(shè)置間距為幾m至十幾m，活動(dòng)斷裂部與普通圍巖分界處前后一定范圍采用大寬度的變形縫(小間距)，其余設(shè)防范圍可適當(dāng)采用小寬度的變形縫(較大間距)。

(a)單線隧道圓形內(nèi)輪廓

目前活動(dòng)斷裂帶隧道錯(cuò)動(dòng)荷載不能準(zhǔn)確計(jì)算，大多采用數(shù)值分析結(jié)合工程類比確定，川藏鐵路活動(dòng)斷裂帶襯砌支護(hù)參數(shù)見表13，在建設(shè)過程中根據(jù)活動(dòng)斷裂施工地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖4 隧道節(jié)段設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Schematic diagram of tunnel section

5.3.4 活動(dòng)斷裂帶軌道結(jié)構(gòu)

在相同的斷層錯(cuò)動(dòng)量下，有砟軌道結(jié)構(gòu)鋼軌所受應(yīng)力明顯小于無砟軌道。鋼軌應(yīng)力過大會(huì)減少其疲勞壽命，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致鋼軌變形、斷裂，甚至脫離軌道，給列車的運(yùn)行帶來巨大的安全隱患。為便于軌道及時(shí)、方便、快捷地調(diào)整，川藏鐵路活動(dòng)斷裂帶及影響段宜采用有砟軌道。

6 富水構(gòu)造帶隧道涌突水應(yīng)對措施

6.1 富水構(gòu)造帶概況

川藏鐵路共通過4個(gè)一級構(gòu)造單元，12個(gè)二級構(gòu)造單元，斷裂、褶皺密集發(fā)育，全線隧道共穿越227條斷層，其中活動(dòng)斷裂帶6條，構(gòu)造條件極為復(fù)雜。沿線隧道富水構(gòu)造帶主要包括：富水?dāng)鄬訋?、富水褶皺帶、富水?jié)理密集帶、火成巖富水蝕變帶、富水巖層接觸帶等，根據(jù)初步勘察資料，富水構(gòu)造帶總長度約29 km，最寬斷層達(dá)700余m。

6.2 富水構(gòu)造帶特征及危害

結(jié)合地形地貌、氣象水文等特點(diǎn)，川藏鐵路隧道富水構(gòu)造呈現(xiàn)明顯不同于其他鐵路的2大特征：

1)水量大。所處區(qū)域降水豐沛，降水多以積雪形式覆蓋于地表，通過積雪融化下滲補(bǔ)給地下水及地表水，所在區(qū)域被譽(yù)為“亞洲水塔”，地下水豐富，構(gòu)造帶水量大，尤其是與地表連通的構(gòu)造帶水量更大。

2)水壓高。長大深埋隧道眾多，埋深大于500 m段落長達(dá)466 km，其中埋深500～1 000 m的段落長約334 km；埋深大于1 000 m的段落長約132 km。富水環(huán)境下大埋深決定了富水構(gòu)造帶的初始水壓將遠(yuǎn)高于一般地區(qū)。

受水量大、水壓高的影響，川藏鐵路富水構(gòu)造的最大危害是隧道施工中極易發(fā)生突水突泥災(zāi)害，人員傷亡和設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)極高。

6.3 工程對策

根據(jù)川藏鐵路富水構(gòu)造帶水量大、水壓高的特點(diǎn)，隧道設(shè)計(jì)應(yīng)以防治突水突泥等災(zāi)害為重點(diǎn)，遵循“超前長距離預(yù)報(bào)、超前泄水降壓、超前堵水限排、超前圍巖加固、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)監(jiān)測”的原則進(jìn)行處理。川藏鐵路高壓富水構(gòu)造帶隧道工程對策見圖5。

6.3.1 強(qiáng)化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

應(yīng)堅(jiān)持地質(zhì)調(diào)查法、物探法和鉆探法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[15]，遵照“物探先行、鉆探補(bǔ)充驗(yàn)證”的原則。富水構(gòu)造帶建議推廣采用100 m以上長距離超前水平鉆孔，必要時(shí)配置500 m以上超長距離快速水平鉆孔且能取芯的裝備，實(shí)現(xiàn)富水構(gòu)造帶及早發(fā)現(xiàn)，為降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)、超前設(shè)計(jì)防治預(yù)案、保障施工工期提供有力保證。

圖5 川藏鐵路高壓富水構(gòu)造帶隧道工程對策Fig.5 Engineering countermeasures for tunnels in high-pressure water-rich tectonic zone

6.3.2 泄水降壓

考慮川藏鐵路隧道富水構(gòu)造水壓高的特點(diǎn)，一般可利用輔助洞室或鉆孔實(shí)施泄水降壓，降低地下水勢能，減小隧道周圍的水頭高度，減小掌子面涌水量，保證隧道在低水壓條件下安全施工。泄水降壓水量大小應(yīng)根據(jù)隧道區(qū)域環(huán)水保要求確定。

6.3.3 超前注漿加固

對于富水?dāng)鄬印⒐?jié)理密集帶、蝕變帶等可能出現(xiàn)突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)的段落，應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，采用超前帷幕注漿或超前旋噴注漿等工程措施提前對圍巖進(jìn)行加固，形成可靠的掘進(jìn)條件，避免出現(xiàn)塌方、突泥涌水等事故。注漿加固范圍根據(jù)富水構(gòu)造特征分析研究確定。

6.3.4 加強(qiáng)防排水設(shè)計(jì)

高壓富水構(gòu)造帶隧道應(yīng)設(shè)置完善的防排水系統(tǒng)，拱墻可設(shè)置凹凸型防水板，環(huán)向可間隔3～5 m設(shè)置1道1.0 m寬的排水板，加強(qiáng)隧道排水能力，確保進(jìn)入初期支護(hù)與二次襯砌間的地下水能夠及時(shí)通暢排出，避免隧道結(jié)構(gòu)承受過高的水壓力，確保結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全。

6.3.5 加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)

富水構(gòu)造帶隧道承載結(jié)構(gòu)除應(yīng)充分利用圍巖的自承載力外，還需加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌；對地下水豐富地段，為防止隧底水壓增大造成底鼓問題，可對仰拱填充層設(shè)置鋼筋，增大抵抗隧底水壓的能力。

6.3.6 加強(qiáng)監(jiān)控量測及安全監(jiān)測

為準(zhǔn)確地掌握施工過程中圍巖變形及穩(wěn)定狀態(tài)，指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)變更，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作；同時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全，必要時(shí)應(yīng)開展隧道結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測。

7 結(jié)論與建議

本文通過分析川藏鐵路區(qū)域特殊的地質(zhì)環(huán)境背景，對隧道工程面臨的活動(dòng)斷裂帶、極高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形和硬巖隧道巖爆、高地溫?zé)岷σ约案邏焊凰當(dāng)鄬拥戎卮蟛涣嫉刭|(zhì)的工程特性和危害進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，提出了川藏鐵路隧道工程重大不良地質(zhì)處置原則和工程對策建議。主要結(jié)論如下：

1)高地應(yīng)力軟巖大變形主要特征是隧道變形量大、變形時(shí)間長，常伴有初期支護(hù)開裂、掉塊及鋼架扭曲剪斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致初期支護(hù)失效、洞室坍塌，甚至造成二次襯砌混凝土開裂、壓潰等問題。川藏鐵路軟巖隧道地應(yīng)力高達(dá)62 MPa，隧道變形控制難度極大，建議遵循“優(yōu)化洞形、主動(dòng)加固、分級控制、強(qiáng)化支護(hù)”的原則，貫徹“快開挖、快支護(hù)、快封閉”的理念，采取優(yōu)化斷面形狀、強(qiáng)化主動(dòng)支護(hù)、機(jī)械化大斷面開挖、適時(shí)施作二次襯砌等工程對策。

2)高地應(yīng)力硬巖巖爆對隧道施工的影響主要表現(xiàn)在惡化施工環(huán)境，對人員、設(shè)備及隧道初期支護(hù)造成損傷和破壞，增加安全風(fēng)險(xiǎn)，降低施工效率，延長施工工期。針對川藏鐵路隧道巖爆等級高、段落長等特點(diǎn)，建議遵循“預(yù)警先行、主動(dòng)控制、多機(jī)少人、保證安全”的原則，采用低預(yù)應(yīng)力錨桿(索)、消能防護(hù)網(wǎng)、C30高性能鋼纖維噴射混凝土和局部鋼架等聯(lián)合防控措施。

3)高地溫及高溫?zé)崴畬λ淼拦こ痰闹饕：κ菒夯┕ぷ鳂I(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，并嚴(yán)重威脅到施工人員的健康和安全，結(jié)合川藏鐵路隧道熱害特征及自然環(huán)境條件，建議遵循“加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)、熱害分級防控、綜合降溫配套、合理適配材料、強(qiáng)化勞動(dòng)保障”的原則進(jìn)行處置，施工過程中可采取超前排放、通風(fēng)降溫、噴灑低溫水冷卻、局部冰塊降溫或機(jī)械制冷等綜合降溫措施。

4)活動(dòng)斷裂對隧道工程的危害主要為斷層錯(cuò)動(dòng)對隧道結(jié)構(gòu)的破壞，川藏鐵路活動(dòng)斷裂建議遵循“預(yù)留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計(jì)、運(yùn)營監(jiān)測”的原則，采用圓形襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)段之間設(shè)置寬變形縫，斷面內(nèi)凈空預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間，并采取徑向注漿加固圍巖、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等抗減震措施。

5)川藏鐵路富水構(gòu)造帶具有水量大、水壓高的特點(diǎn)，應(yīng)以防治突水突泥災(zāi)害為重點(diǎn)，建議遵循“超前長距離預(yù)報(bào)、超前泄水降壓、超前堵水限排、超前圍巖加固、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)監(jiān)測”的原則和措施進(jìn)行處置。

同時(shí)，面對世界第三極、印度板塊和歐亞板塊擠壓碰撞的縫合帶及工程條件極其復(fù)雜的橫斷山脈，本文在總結(jié)國內(nèi)外類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，初步提出了川藏鐵路隧道工程各種不良地質(zhì)的應(yīng)對方案。在建設(shè)過程中，還應(yīng)結(jié)合具體的工程特點(diǎn)和技術(shù)難題，不斷深入開展研究，進(jìn)一步完善應(yīng)對措施。