张龙
中铁北京工程局集团第一工程有限公司 西安 710000
摘要：随着我国社会化进程的提升，为交通运输的便利修建了很多铁路，其中一些铁路隧道工程施工的地理位置较为复杂，为施工带来诸多不便，基于此，介绍了铁路隧道的分类和我国地貌对其施工造成的不利影响，如何选择合理的技术进行施工，根据施工技术选择合适的机械化配套设施，解决施工中遇到的各种问题，从而提高工程质量及施工安全。以香山隧道为例，香山隧道全长17763.3m，香山隧道位于宁夏省中卫市，采用单洞双线隧道，隧道最大埋深约380m，为本线最长隧道，属重点隧道，共穿越9条断层。
关键词：高速铁路隧道；施工技术；机械化配套
0 引言
在我国铁路隧道的修建中，多是从一个特定的区域内，从地下向着山涧等人员稀少的地方开辟一条可供车辆通行的铁路隧道。我国地形复杂多样，山区面积广大。地形种类齐全，各种地形交错分布，山地约占全国土地面积的33％，高原约占26％，盆地约占19％，平原约占12％，丘陵约占10％。特别是在地势差异大的地区，其铁路隧道的修建需在山岭、丘陵之上，要贯穿不同的岩石层，克服岩溶、软弱破碎带、特殊岩层等施工难题，实现山路间的连通。在此过程中，施工技术稍有不当，将会造成坍塌、岩爆、涌水、突泥等现象，危及施工队伍的安全，给国家带来极大的经济损失。不难看出铁路隧道施工难度及危险性与当地地理位置有着密不可分的关系，地形越复杂的地方，施工风险越大。
1 工程概况
香山隧道位于宁夏中卫市沙坡头区常乐镇水车村至乱井子附近，穿越香山山脉。隧道起讫里程为DK39+990～DK57+753.3，全长17763.3m，采用单洞双线隧道，设计行车速度250公里/小时，线间距4.6m，轨顶以上净空面积92m2，为本线最长隧道，属重点隧道。香山隧道处于卫宁北山东西向构造和陇西旋卷构造体系组成的复合构造体系内，隧道洞身褶皱构造有四个分别为站马营向斜、红柳沟背斜、红柳沟向斜、顾家沟背斜；隧道范围断裂极为发育，纵横交错，与线路相交的断裂主要为北西向，由北向南依次分布有9条断层。
香山隧道主要有危岩、落石和崩塌、岩溶、人为坑洞、流沙、瓦斯及有害气体、高地应力、岩爆、软岩变形和高地温等不良地质。
2 常见的复杂地质状况
2.1 危岩,落石和崩塌
隧址区滑坡不发育，主要表现为小规模的崩塌落石，崩塌体积小。
隧道进出口一般都处于斜坡上，自然边坡较陡，基岩裸露，植被稀疏，地层为寒武系下统变质砂岩夹板岩，千枚岩，岩层产状陡立，节理裂隙发育，风化剥蚀作用强烈，差异风化现象明显，冲沟内有落石分布，落石直径大小不一，对隧道有一定影响。
2.2 岩溶
隧址区可溶岩段落主要发育于石炭系下统前黑山组中段,寒武系香山群狼嘴子组一段,徐家圈组上段,徐家圈组中段等地层,主要为灰岩,呈夹层形式分布在其它地层中,岩溶发育程度徽弱,未发现溶蚀洼地及溶槽。
隧址区地下水埋深较大,推测隧道处于岩溶垂直循环带中，可溶岩与非可溶岩接触带,断层破碎带附近地下岩溶弱发育。
在进行铁路隧道施工过程中，灰岩地区将会出现岩溶地质状况，发生岩溶，将会造成突水、突泥现象，对工程影响较大，造成工期滞后。
2.3 流沙
沙土和粉质砂在水的作用下，丧失内聚力形成的多呈浆糊状态；流沙可引起围岩失稳坍塌，支护变形，造成初支侵限，支护倒塌和破坏。严重影响施工进度、质量及安全。
2.4 断层影响带
在进行铁路隧道施工过程中，大断层的地质状况会为工程带来极大的风险。这是因为大断层是一种复杂的地质状况，是断层破碎造成，从而引发塌方、巷道涌水、高外水压力大等现象。在铁路隧道深挖过程中，遇见大断层高度现象应高度注意。不同地质构造产生的断层数目不同，地质构造复杂，容易造成高外水压力的增加，引发地下水活动剧烈，稍有不慎将会造成涌泥现象，施工技术难度极大，若在施工中出现错误，将会威胁到整个工程。
2.5 岩爆
是指地下开采的深部或构造应力很高的区域，在临空岩体中发生突发式破坏的现象。这种现象也称为岩爆。发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部释放，致使岩体发生像爆炸一样的脆性断裂。冲击地压造成大量岩石崩落，并产生巨大声响和气浪冲击，不但可将矿井破坏，而且震动波可危及地面建筑物。
2.6 膨胀岩
在铁路隧道施工过程中，膨胀岩将会出现软弱岩地质状况中，其形状既像土、又像岩石，具有极强的亲水性。当湿度发生变化后，其体积将不断扩大，受到外力的影响，内在的约束力也会产生很大变化。在铁路隧道的修建中，碰到该类地质状况要做好防水设计工作，确保隧洞的湿度不会发生更大变化，从而有效控制膨胀岩发生变化。
2.7 软弱围岩
在进行铁路隧道施工过程中，由于隧道是建立在岩石应力之上，通过支撑岩石整体，确保隧道可以支撑岩石重量。而软弱岩的承载力与强度方面难以匹配围岩的要求，受构造影响岩体破碎，在高地应力作用下，隧道开挖存在较大变形可能。所以在施工中，稍有不慎会出现坍塌、结构破碎等现象，最终造成施工安全受损、围岩周围遭遇水体侵蚀，出现软化围岩、塌方等现象。
2.8瓦斯及有害气体
隧址区石炭系上统太原组地层中分布炭质页岩并夹有多层薄层煤,煤层厚约0.2～3m，根据收集香山隧道进口段华钰煤矿和天银煤业矿井瓦斯等级鉴定报告和经钻探取样鉴定结果，石炭系上统太原组煤层瓦斯含量较低，瓦斯绝对涌出量为0.214～0.234m3/min,为低瓦斯工区。在隧道洞身附近可能存在瓦斯及有害气体富集区，应注意瓦斯监测，加强通风及地质超前预报，确保施工安全。
3 铁路隧道施工技术应用
隧道施工方法根据工程地质和水文地质条件、开挖断面大小、衬砌类型、隧道埋深、隧道长度、工法转换的难易、机械设备的配置、工期要求及环境制约等因素综合研究确定。对地质变化较大的隧道，选用的施工方法应有较大的适应性，当需要变更施工方法时，以工序转换简单和较小影响施工进度为原则，一般不宜选择多种方法，施工方法主要有双侧壁导坑法、CRD法、三台阶临时仰拱法、三台阶临时支撑法、三台阶法、台阶法及全断面法。根据不同的围岩条件推荐采用的施工方法和选用的工法见下表。
施工工法选择表
围岩级别
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注：表中“●”为推荐使用，“☉”为可使用，施工中可根据实际情况作相应的调整。
3.1 全断面开挖技术
根据围岩级别，围岩处于II级或三级围岩可采用全断面开挖，进行测设开挖轮廓线，采用光面爆破，合理布设爆破参数，包括眼间距，装药量，抵抗线等参数，需对隧道进行爆破，该爆破可以沿着隧道轮廓进行操作。爆破后的隧道会出现一个开挖的工作面，通过对该工作面进行支护及衬砌修建，完成后续隧道修建工作。在此过程中，要做好技术施工工作，突破施工难点，确保围岩的稳定性，不断寻找到围岩最有效的支护方式，从全断面开挖完成后续的支护围岩工作，不能仅依靠技术，为增加隧道施工空间，便于大型机械进入隧道，需利用机械化配套设施，提升工作效率，巩固围岩稳定性。
3.2 台阶开挖技术
在进行铁路隧道施工过程中，需运用台阶开挖技术完成支撑面工作，可通过横向几部分分点分段的方式进行开挖工作。该技术在使用过程中适用性很强，可在不同的地质状况、施工条件下开展。只要施工空间广阔、稳定，就可以进行操控。该技术所运用的机械化设备也十分简单，是目前施工过程中常用的一种手段，可以有效提升施工效率。但在施工过程中，因不同分段施工同步开展，将会在工程中出现相互干扰的现象，影响工程的开展。
3.3 分部挖掘技术
随着铁路隧道工程修建范围的扩大，在隧道施工中经常会遇到软弱围岩的地质状况，在此状况下，无法运用大断面开挖技术，需运用部分开挖的施工方式解决软弱围岩的情况。该施工技术可以根据地质条件的不同，运用不同的方式进行分部挖掘，如环形法、双侧壁导坑法、较差中隔离壁法等，每个分部挖掘的效果也不同。首先是环形法，就是利用环形的方式进行隧道的深挖工作，为施工带来极大的安全性与稳定性。其次，双侧壁导坑法可以在隧道的两侧向着中部挖掘，可在隧道两侧架立有效的支护措施，随着挖掘作业的深入，可不断进行支护与开挖工作，有效解决软弱围岩承载力不足的状况，降低隧道中发生危险的可能性。但该技术施工工序复杂，所需建筑成本较高。最后，交叉中隔离壁法，是从上向下进行隧道开挖工作，通过将一个工程以2~3步的方式完成施工技术工作，在每个操控过程后都要进行锚喷、仰拱设置与联结工作，还要对中隔墙的另一侧进行同样的开挖作业。
4 隧道的机械化配套措施
在隧道开挖的工程中，通过机械化配套措施，可在保障施工质量的同时，最大限度提高施工效率。所以在施工过程中，可根据实际的施工情况，进行施工机械化配套工作。要遵循隧道施工要求，以性能好、质量高的施工机械化设备进行作业，发挥设备效能的最大化。
4.1 开挖施工中的机械化配套
在进行隧道开挖的过程中，可运用多功能施工设备对隧道进行钻爆。其机械化配套设施的使用，需判断隧道断面的高度，后利用台架的各作业面，使用人工钻、喷锚支护的方式，完善后续支撑及安全保障工作。在工程开展的过程中，可将风动凿岩机安置在台架上，完成隧道钻进的工作，还可运用液压凿岩台车进行钻孔作业，最后通过人工装药的方式进行爆破与开挖工作。
4.2 装运施工中的机械化配套
在钻爆作业中，出渣运输工作是隧道施工的重点。为提高工作效率，可利用装运机械和配套措施进行运输工作。在当前的机械化配套措施中，对隧道运输工作分为有轨运输和无轨运输，在有轨运输工作中，需在隧道内铺设轻型钢轨，在电瓶车的牵引下，通过自动装岩设备进行岩渣的运输工作。与有轨运输相比，无轨运输所需机械化设备较少，所以管理起来比较容易，但由于该机械化操作属于内燃型，会在隧道内产生尾气，造成污染，在运用该机械时，要做好隧道的通风工作。该类机械化配套设备需侧翻式装载机用于岩渣的装载工作，通过自卸汽车将岩渣运送出隧道。可根据施工工期和隧道坡度进行机械化运输装置设备的选择，较大斜坡处可利用有轨运输的方式完成岩渣的运输倒运工作。
4.3 初期支护的机械化配套
在对隧道进行支护过程中，型钢支护对于大断面隧道可采用拱架安装机，利用锚喷混凝土支护是初期隧道有效的一种手段。需在工作面配备1~2台混凝土湿喷机，通过喷射混凝土的方式满足支护要求。还可以运用强制式搅拌机与喷射混凝土相互搅拌，再运用有轨或无轨运输方式完成混凝土的装载。在隧道支护过程中，还可以运用锚杆支护方式，完成风动凿岩钻孔工作，通过人工方式进行安设，发挥人工与机械相互配合，作用最大化的功效。
4.4 仰拱施工的机械化配套
目前大多数隧道仰拱施工采用半幅施作或简易栈桥的方法进行仰拱施工。适应性、灵活性差、安全性能低,不但仰拱施工质量难以控制,而且开挖、衬砌不能同步进行,导致劳动强度高、安全事故频发，功效非常低，大大影响了隧道施工速度。施工单位为了完成任务,不得不在隧道狭小的空间里密集配备资源,无法很好的兼顾其他作业面的良好进展,导致二次衬砌的跟进难以保证。
采用全自动液压仰拱栈桥，主桥长39.5m、宽3.6m，有效工作长度为34m，可满足仰拱初支及仰拱二衬同时施工，允许荷载为60t，可自行移动，操控便捷。通过全自动液压仰拱栈桥可实现出渣、仰拱清底、仰拱立模、仰拱砼浇筑等多工序平行作业，工序间衔接可更紧密、同时避免车辆通行干扰，从而实现仰拱及仰拱填充的快速施工。
自行式仰拱栈桥控简便,行走灵活,结构稳定,安全可控，实现掌子面开挖与仰拱施工的平行作业,极大地节约了施工时间,采用整体性弧模板保证仰拱砼质量，提高了隧道施工的整体效率。
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图1 全自动液压仰拱栈桥
4.5 防水板挂设的机械化配套
传统的隧道挂布简易台车移动慢，挂设防水板时间长，二次衬砌钢筋绑扎施工难度大、施工精度低，需要的人工多，经济效益低，施工环境安全性能差。
为充分考虑施工便利，提高时效，自行式防水板挂布钢筋绑扎于一体多功能台车，增设操作平台。采用电机驱动系统，移动、转向、定位均由电路统一控制，土工布(无纺布）、防水板均可通过提升系统进行提升，首先将土工布或者防水板安至弧形轨道两侧的小跑车，通过操作跑车从弧形轨道从一侧牵引至另一侧，通过液压系统将无纺布和防水板顶推到工作面；自行式防水板挂布和钢筋绑扎于一体台车的行走系统和提升系统都安装遥控，工人可以通过遥控系统的操作让台车操作更简洁，提升了工作效益。较普通防水板台车更为方便、快捷，可提高工作效率，降低了工人的劳动强度。
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图2 防水板挂设台车
4.6 二次衬砌的机械化配套
隧道施工中，二次衬砌施工作业是十分必要的。在此环节，通常设置拌合站，运用自动计量拌和强制搅拌设备，用于混凝土的搅拌工作。再通过混凝土罐车或有轨输车将混凝土运输至现场。在进行隧道二次衬砌施工时，利用液压式整体模板台车，给予模板台车配备混凝土输送泵和输送管，混凝土浇筑按照纵向分段、水平分层、两侧对称原则进行浇筑，混凝土采用泵车将混凝土泵送至顶部，采用留管和溜槽将混凝土由底层分级浇筑至顶层，窗口模板台车可以根据有轨运输轨道铺设的方式前行。
4.7 二衬养生的机械化配套使用
长期以来隧道混凝土衬砌浇注后不及时进行养护，混凝土中水分会因为蒸发过快而形成脱水现象，从而导致内部凝胶体的水泥颗粒不能充分水化, 颗粒之间缺乏足够的粘结力,使得混凝土表面出现片状或粉状脱落此外水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹造成强度不够等“通病”，所以混凝土浇筑后的养护非常重要。而目前隧道混凝土浇筑后养护还采用常规人工进行喷水养护，工人劳动强度大，受人为因素影响较大，经常出现养生不及时或漏养现象。采用自动喷淋养生台车，达到既不影响正常的隧道施工，又能满足新浇筑混凝土的养生需求，就显得尤为实用。行走机构由驱动装置为其提供动力，利于二衬台车轨道，能以设定的速度往复行走，到达养护需求位置后，打开喷淋控制泵按钮，调节可调喷头的养护距离及范围，进行二衬面养护，喷淋水源由台车底纵梁上设置的两个水箱提供，通过喷淋泵动力将水箱储水引入主进水管，再通过各分管分流水路，到达喷头进行全面雾化养生混凝土。
横梁上设置的防雨棚可蓄积隧道顶面滴落的水珠，并通过引导管二次流入水箱，经过滤网过滤建筑颗粒，过程中注意水箱水位不能低于警戒线，低于警戒线需及时补充储水。系统一次性喷淋的喷洒时间由人工设定控制，往复行走配有电缆卷筒自动收放电缆，整车控制均为有线按钮控制。喷淋系统喷出的养护水幕较为均匀，养护面避免形成干湿循环，克服了以往混凝土洒水养护不均匀的弊病，较好解决了隧道面混凝土的开裂问题，且水路随隧道面仿形布置，适应于各类隧道断面，具有施工操作简便、节省人力、用水等特点，养护效率高，养护时安全风险低，很大程度上降低了人工作业劳动强度，避免了发生安全事故及提高工程实体质量。
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图3 自动喷淋养生台车
4.8 通风、给水、供电保障系统的机械化配套
隧道的通风装置，对于铁路整体工程来说极为重要，越长的隧道越应做好通风工作。在进行通风系统的机械化配套措施中，可选择长管路机械混合通风压入式通风，通过PVC软管、轴流风机完成通风系统的装配工作。在环境允许的条件下，可利用直径较大的风管进行施工通风的设置，利用轴流风机进行参数的计算，根据隧道的实际长度进行通风设置，为隧道提供有效的施工保障，对于瓦斯隧道需配置双风机，再通风装换设置电控三通阀门，降低因风机故障引发安全事故。隧道供水配置是隧道施工的保障，将蓄水池设置在隧道外，并安装高压水泵，将水资源储存于蓄水池中，当水位显示高位状态，通过铺设水管的方式将水引入隧道中，满足隧道施工过程中的用水需求。隧道供电系统配置是隧道各项技术、机械化配套设施得以使用的前提。可将变压器设置在隧道外，将高压线引入隧道内不同区域，满足隧道在工程施工中的各项要求。在隧道挖掘过程中，对于长距离隧道因电压降严重，为保证电力的正常，利用铠装电缆高压进洞，可实现照明或提供动力两个分支。为确保周边施工都能得到相应的供电力，可以配备1台200kW发电机，作为隧道内紧急供电的备用电源，为隧道工程施工用电提供保障。
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图4 压入式双风机配置
5 结束语
铁路隧道作为我国建设施工的一部分，其施工难度、危险性比其他工程要高，基于此，更应做好技术施工工作，认清施工隧道工程施工中的主要问题，运用有效的技术加以机械化配套设施辅助工作，完成隧道工程的施工工作。同时，还要以科学的方式对施工技术进行分析，做好施工过程中的每一项工作，确保工程的质量及安全，完成我国铁路隧道的建设工作。
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