山西中南部铁路发鸠山隧道穿越复杂地层关键技术

李 力

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

山西中南部铁路通道工程，起点自山西省吕梁市的瓦塘，终点至山东省日照市，线路全长1 311 km，是国内第一条30 t轴重的重载煤运通道。线路设计为国铁Ⅰ级标准，速度目标值为120 km/h，双线电气化铁路。

发鸠山隧道位于山西省安泽县、长子县境内，隧道进口里程DK440+342，出口里程 DK454+915，全长14.573 km，为单洞双线隧道。隧道处于中低山区，地势起伏较大，地面高程在1 034.2～1 559.2 m之间，隧道进、出口地形坡度在15°～25°之间，洞身最大埋深约382 m，最小埋深约7 m，隧道内纵坡为人字坡，平面位于半径为8 000 m及2 000 m的曲线上。

2 工程地质及水文地质

2.1 地层岩性

隧道主要穿越三叠系和尚沟组泥岩与长石砂岩互层、三叠系下统刘家沟组砂岩(粉砂岩)夹薄层泥岩，中上部间夹多层0.5 cm厚的石膏，中部间夹“同生砾石”。主要地层分述如下。

(1)三叠系和尚沟组

主要为长石砂岩、砂质泥岩、泥岩互层，青灰色、紫红色，强—弱风化，砂岩矿物成分主要为长石，次为石英，砂状结构，层状构造。泥岩矿物成分以黏土类矿物为主，岩体呈中厚层状构造，属软—较软岩，节理裂隙发育。

(2)三叠系下统刘家沟组

主要为浅紫红—淡紫色中薄层夹中厚层状中细粒长石砂岩、长石石英砂岩，层间夹少量紫红色砂质泥岩、薄层泥砾岩，区域地层厚度约338.3～442.50 m，岩性组合中砂岩比例较大，砂岩矿物成分主要为长石，次为石英，胶结物为钙质或泥钙质成分。泥质岩石以砂质泥岩为主，薄层—页状结构，层厚一般10～50 cm。石膏层质软，以薄夹层的形式存在。

2.2 地质构造

隧道区构造属新华夏系，安泽县杜村一带出露三叠系中统，东西两侧岩层为三叠系下统，总体呈北北东向复式向斜构造，内部发育一系列呈北北东走向次级褶皱。

(1)褶皱

沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带为沁水块坳主体，展布于屯留、阳城一线以西，沁源、安泽一线以东广大地带，轴向为北北东向，构造形态为一系列不同级别褶皱组成的复式向斜，其次级褶曲向斜构造较为宽阔，背斜相对较窄，出露地层以三叠系为主，岩性为河湖相砂、泥岩。

隧址区处于沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带内，出口端洞口岩层产状为110°∠7°，进口端洞口岩层产状为314°∠3°，构造形态总体为一复式向斜构造。

(2)断层

隧道内发育三条断层。F1断层发生于三叠系和尚沟组内，断层性质为正断层，断层走向为N9°W～N15°W，倾角70°～85°，与线路相交里程为 DK451+200，断层破碎带宽约50 m，断层影响带宽约150 m。F2断层发生于三叠系和尚沟组内，断层性质为正断层，断层走向为 N8°E ～N12°E，倾角75°～85°，与线路相交里程为DK451+600，断层破碎带宽约30 m，断层影响带宽约100 m。F3断层发生于三叠系刘家沟组内，断层走向为 N50°W，倾角75°～85°，与线路里程相交为DK453+100，断层影响带宽约100 m。

三条断层及影响带内主要成份为角砾岩、糜棱岩，节理裂隙极发育，多呈碎块状，岩体极破碎。

2.3 水文地质

(1)地表水

隧址区地表水主要受大气降水补给，因冲沟发育，易形成地表面流，水量受季节性影响变化较大，自然排泄畅通。

(2)地下水

发鸠山为兰河水系和漳河水系的分水岭，地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，主要依靠大气降水及地下径流补给，排泄方式主要沿泥岩顺坡排泄，形成多层悬挂泉，水量较小。隧道穿越地层为砂、泥岩地层，发育多层地下水，局部具承压性，局部地段裂隙贯通多层含水层，易产生涌水、突泥等地质灾害，水文地质条件一般。

第四系孔隙水主要分布于第四系地层中，地下水主要赋存于圆砾土层、砂类土层中，地下水位1～10 m。第四系地层主要以黏性土、圆砾土为主，黏性土起到了隔水的作用。该地下水具有承压性，水量丰富。

隧道区地层主要为碎屑岩，砂岩为相对透水岩层，泥岩和页岩为相对隔水岩层，节理较发育，局部地下水具承压性，岩层、断裂带及向斜核部局部富水。

采用大气降水入渗法计算的隧道涌水量如表1所示。

表1 隧道区段涌水量

3 隧道风险划分

根据隧道所处区域的工程地质、水文地质以及外部环境条件，隧道施工主要存在以下高风险因素。

(1)洞口洞身穿越软弱围岩浅埋段

隧道进、出口段位于低山区，处于浅埋段。进口段为和尚沟组长石砂岩和泥岩互层，发育背斜及宽缓向斜构造，砂泥岩交界地段富集地下水，岩体较破碎，稳定性较差，施工中易产生塌方、涌水。出口段为刘家沟组砂岩夹薄层泥岩，受风化及地表水作用，围岩破碎，裂隙水富集，稳定性较差，易产生塌方冒顶。

隧道洞身DK441+350～DK441+500共150 m处于浅埋段，最小埋深为7 m，上方为宽5 m的村级道路。穿越岩层为和尚沟组砂泥岩互层，发育背斜及宽缓向斜构造，雨量较大时，汇水较多，岩体风化严重，较破碎，稳定性差。

(2)水平岩层

受地质构造影响，隧道范围内大部分区域岩层为水平状产出，岩层多为薄—中厚层状构造，节理裂隙发育，且多为砂泥岩互层，层间结合较差，隧道开挖后，拱顶极易掉块，水量较大地段，易出现拱顶坍塌现象。

(3)断层破碎带

断层及影响带内，围岩极破碎，为富水及导水带，隧道开挖后极易产生塌方、突泥涌水等现象，是隧道施工的重点防范对象。

(4)软弱富水及环境控制区

隧道在DK446+000～DK447+600段近邻横水盆地，受断陷构造影响较重，隧道埋深较浅，地下水富集，地质条件较差。DK443+510～DK443+720及DK446+310～DK446+950段附近隧道顶部为村庄，地形为低洼平地，隧道埋深较浅。以上段落隧道开挖易造成地下水流失，居民用水困难。

根据对发鸠山隧道存在的风险因素进行综合评估，本隧道确定为高风险隧道，按Ⅰ级风险隧道管理。因此，隧道在设计、施工及管理等环节上必须高度重视，对每处风险点必须精心把控，提出切实可行、安全合理的工程措施，才能成功穿越不良复杂地层。

4 隧道风险处理关键技术

4.1 洞口洞身软弱围岩浅埋段处理技术

隧道的洞口、洞身浅埋处，由于埋深浅，受风化作用严重，加上外界环境的影响，地层较为软弱，有的已风化呈碎石土、卵石土或粉土等，隧道开挖后，很难形成压力拱以抵抗围岩压力，若处理不当，极易出现塌方冒顶等事故。

根据本隧道结构的断面尺寸、埋深及地质条件等因素，采取以下综合处理措施。

(1)洞口软弱围岩浅埋段

隧道进暗洞前，采用30 m长的大管棚进行超前支护，利用管棚与钢架的联合作用，形成棚架支护体系，起到控制围岩变形、减少开挖释放应力、扩散围岩压力的作用，以保证隧道施工安全。

管棚采用直径108 mm，壁厚6 mm的热轧无缝钢管，每节4～6 m长，以丝扣连接而成，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%，管棚环向间距0.4 m，钢管轴线与衬砌外缘线夹角按1°～3°布设。管棚设导向墙，采用C20混凝土，截面尺寸为1 m×1 m，为保证长管棚施工精度，导向墙内设两榀I18轻型工字钢钢架，钢架外缘设直径140 mm，壁厚5 mm的导向钢管，钢管与钢架牢固焊接。管棚布置如图1所示。

图1 管棚布置(单位:mm)

隧道施工采用三台阶临时仰拱法开挖，临时仰拱采用I18工字钢，与初期支护的钢架固定连接，同时挂钢筋网，喷射15 cm厚的临时仰拱混凝土，使得隧道断面由大断面化为小断面，步步封闭成环，使支护体系处于较好的受力状态，将开挖扰动土层的范围降至较低的范围。同时，临时仰拱起到了增大结构刚度的作用，有效抑制了结构的变形，改善受力状态。三台阶临时仰拱法如图2所示。

(2)洞身软弱围岩浅埋段

洞身DK441+350～DK441+500共150 m段，围岩较破碎，地表沟谷处隧道埋深7 m，涌水量较大。针对本段地层情况，采用中型管棚配合超前小导管注浆进行超前支护，管棚采用直径89 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管，每节长10 m，两环之间搭接不小于3 m，外插角不大于12°，管棚环向间距0.4 m。

超前小导管采用直径42 mm、壁厚3.5 mm无缝钢管，长4.5 m，钢管上每隔15 cm打设直径10 mm的注浆孔，钢管纵向两榀之间搭接长度不小于1 m，环向间距0.4 m。小导管注浆采用水泥砂浆，注浆压力为0.5～1 MPa。

施工中，管棚、小导管必须和型钢钢架连接紧固，配合使用，以起到加固地层、抵抗围岩压力的作用。

以上洞口、洞身软弱围岩浅埋段均为Ⅴ级围岩，除了以上辅助措施外，在衬砌结构上也相应做了加强处理，初期支护采用25 cm厚喷射混凝土，内设全环I20工字钢钢架，纵向间距0.75 m，二衬采用45 cm厚C35钢筋混凝土。

图2 三台阶临时临时仰拱法施工(单位:m)

4.2 水平岩层处理技术

在水平层状薄—中厚层砂泥岩互层的条件下开挖隧道，拱顶围岩的稳定性是比较突出的问题，对于产状平缓的岩层，由于岩体的卸载作用，使得隧道拱部失去支撑，顶板岩层受重力作用发生弯曲，逐渐与上部岩体发生脱离，形成悬臂式组合梁结构。随着变形的发展，组合梁结构发生失稳，导致隧道拱部岩体坍塌。尤其泥岩成分较高或水量较大时，隧道开挖后极易失稳，引发工程事故。

本隧道在Ⅳ～Ⅴ围岩地段，拱墙均设置有格栅钢架，拱顶失稳现象基本可以控制;Ⅲ级围岩段，常规的初期支护为喷、锚、网系统，无格栅钢架。为克服由于水平岩层给隧道施工带来的一系列问题，对支护体系进行优化，一是锚杆由常规的2.5 m调整为3.0 m，加强其对岩层的悬吊锚固作用，二是对拱部增设格栅钢架，抵抗失稳岩层压力，钢架布设范围为拱部130°，钢架采用四主筋型，主筋直径22 mm，钢架高130 mm。

4.3 断层及破碎带处理技术

断层及破碎带内岩体受构造挤压影响，呈碎石、角砾或泥状，表现为承载力下降、围岩整体性较差，施工中极易产生塌方，同时，断层带是地下水的富集区，极易引起突泥、涌水等灾害。

根据本隧道3条断层及破碎带的围岩条件，采取超前周边预注浆措施，使浆液通过劈裂、渗透等作用对地层孔隙及裂隙进行填充胶结，改善土体的力学性质，起到加固地层及堵水作用。同时配合管棚超前支护、三台阶临时仰拱分部开挖支护及衬砌加强综合措施通过断层。

超前周边预注浆加固范围为开挖轮廓线外3 m，每循环注浆长度27 m，开挖22 m，保留5 m作为止浆岩盘。浆液扩散半径为3 m，孔底间距3～4 m，每循环共2环24个注浆孔。注浆孔直径为110 mm，孔口管采用长3 m、直径108 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管。注浆材料为水泥浆液。

4.4 软弱富水及环境控制区处理技术

软弱富水围岩具有变形量大、变形速度快、变形时间长、围岩扰动大及压力增长快等特性，在地下水的作用下，其强度低、整体性差，隧道开挖后，极易出现拱顶坍塌、工作面失稳、突泥涌水及围岩流失等异常现象。隧道开挖改变了地下水的径排条件，造成水位变化，地下水通过隧道集中排泄，造成当地生态环境的破坏，影响居民的生产生活。因此，对地下水贯彻“最大限度保护环境”的理念，遵循“以堵为主，限量排放”的原则，选择合理的施工方案与措施，实现工程与环境的统一。根据隧道经过段落的地质条件及外部环境因素，采取超前周边预注浆或径向注浆进行止水和围岩补强，降低地下水的流动对隧道及周边环境产生的不良影响，同时填充、浸透、固结围岩空隙，增强围岩强度，改善其工程特性。

超前周边预注浆采取开挖轮廓线外3 m加固范围，水量较大处，采取5 m加固范围。径向注浆扩散半径按3 m布设，注浆孔按梅花形布置，孔口环向间距1.8 m，孔底环向间距2.6 m，纵向间距2.6 m。注浆孔采用风钻开孔，孔径为52 mm，孔口管采用直径50 mm、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，长1 m。注浆材料为水泥浆液。

5 隧道施工组织设计

发鸠山隧道长14.573 km，属特长隧道，穿越地质条件复杂，原工期为42个月，为本线的控制性工程。受前期改线的影响，工期滞后了8个月，如何进行施工组织优化，保证隧道安全、高质、如期的完成，成为一大难题。

结合隧道的长度、地质、地形等因素，对辅助坑道进行优化，采取四座斜井方案，6个工区、10个工作面进行隧道掘进。斜井均采用双车道断面，宽7.7 m、高6.2 m，可满足两车辆自由行驶，无需错车、等待。斜井的坡度均小于10%，以利于行车，大大提高了运输效率，同时，双车道断面也有利于隧道通风，改善作业环境。斜井具体参数如表2所示。

表2 斜井设置参数

通过精心设计、施工、合理高效的组织管理，经过各参建方艰辛的努力，本隧道仅用了29个月即完成了贯通，比原定工期提前了5个月，取得了较好的经济和社会效益。

［1］ 王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［M］．北京:人民交通出版社，2010

［2］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．山西中南部铁路通道发鸠山隧道施工图设计［R］．北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2011

［3］ 姜同虎，叶飞，等．浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究［J］．现代隧道技术，2011，48(3):117-121

［4］ 罗选红．包西铁路施工期隧道水平状围岩稳定性评价与支护［J］．铁道勘察，2010(2):43-46

［5］ 杨坚．隧道Ⅲ级围岩水平岩层稳定性及施工方法研究［J］．铁道建筑技术．2010(3):47-65

［6］ 郝文广．水平岩层隧道围岩变形机理研究与有限元分析［J］．铁道建筑技术．2013(6):30-49

［7］ 贾文冬，张健，张一驰．黄沙岭隧道穿越水库富水段及断层破碎带施工技术［J］．公路交通科技．2012(3):171-175

［8］ 关宝树，赵勇．软弱围岩隧道施工技术［M］．北京:人民交通出版社，2011

［9］ 石立新．向莆铁路雪峰山特长隧道辅助坑道优化设计［J］．科技传播．2011(2):56-59