高速铁路隧道不良地质条件风险防控理论及关键技术

高速铁路隧道不良地质条件风险防控理论及关键技术
发布时间：2021-11-03T02:31:39.795Z 来源：《城镇建设》2021年第18期作者：龙小海[导读] 在高速铁路隧道施工中，经常遇到地质条件复杂、构造活动剧烈、施工工艺精湛
龙小海
渝万铁路有限责任公司重庆渝中区400010摘要：在高速铁路隧道施工中，经常遇到地质条件复杂、构造活动剧烈、施工工艺精湛、风险不可预见等问题。

随着大型山岭隧道的快速发展，其施工技术和管理水平难以跟上。

此外，由于地下工程施工风险评价不客观、风险管理不科学、风险管理投入不足，隧道塌方(包括大变形)、涌水(涌泥、涌水)等灾害频繁发生。

在山岭隧道施工过程中，塌方、涌水等危险事故不仅造成施工延误、设备损坏、投资增加，而且对施工人员的安全构成严重威胁。

因此，通过风险评估和风险管理，对隧道塌方和涌水的机理以及控制风险水平在可接受范围内
的对策进行了大量的研究，本文的研究成果可以提高隧道安全风险评价的理论水平和可靠性，为隧道施工提供参考。

关键词：高速铁路隧道不良地质条件风险防控关键技术分析
引言
目前，我国已成为世界上最大、发展最快的隧道建设国。

在中西部交通建设中，隧道工程有着前所未有的巨大发展机遇。

隧道工程规模大、技术复杂、影响范围广、风险大，给隧道工程建设带来了巨大的挑战。

同时，隧道的勘察、设计和施工过程处于一定程度的分离状态，导致施工信息无法及时获取、传递和反应，从而增加了施工风险和成本。

测量信息、预报信息、监测测量数据的信息水平不足，导致各种施工信息无法及时、有效地交流、分析和反馈。

因此，隧道信息的全面、高效集成和即时反馈对于隧道建设的高效、安全、经济具有重要意义，在不同的发展时期，隧道建设具有不同的内涵和外延。

一．铁路隧道不良地质条件概述隧道掘进机(TBM)的选型是隧道工程设计的一个重要组成部分。

这是因为这个决定几乎是不可逆转的，一旦机器被放置在地面上，几乎没有办法把它拉出来，任何重大的修改和改装都是非常耗时和昂贵的，如果不是不可能的话。

同时，如果机型不适合地面条件，可能会造成重大延误，可能会损害船员和人员的安全，并最终可能使工程陷入停顿。

显然，使用地表和地下调查的精确角色塑造将使设计者能够预见潜在的问题，并选择一台能够应付预期条件的机器。

这通常意味着要选择一台在特定条件下能够提供最佳性能的机器，有时还要增加一些特殊功能和装置，这些功能和装置可以提供灵活性和能力，以减轻不利的地面条件。

简言之，选择具有适当技术规格和功能的适当机器对于确保在合同要求范围内迅速、安全和成功地完成隧道工程至关重要。

然而，就其本质而言，地下调查和地面角色塑造几乎是确定无疑的。

从钻探程序可能漏掉的钻孔、地层或层位的位置、岩性的正确测井和塑造、现场岩石特性的精确测量和实验室测试、地下水及其来源问题、地应力等等开始，地下水的不确定性有多种程度。

这表明在设计和施工阶段需要辅助决策的额外工具。

工程师使用的典型工具包括统计方法、系统风险评估方法，以及最近的人工智能方法，如神经网络和模糊逻辑。

二．高速铁路隧道不良地质条件风险防控相关技术案例分析 2.1 隧道信息化施工技术
在隧道信息化施工的过程中，对于隧道地质条件的预报工作能够提取到十分有效的地质施工信息，本文采用TSP 地质预报技术进行隧道开挖之前的信息采集工作。

在进行地质预报之前，根据前期的地质调查结果进行深入分析能够得出，根据前地质调查，由于泥岩相对是一个隔水层，砂岩层的地下部分形成承压水，多个钻孔排放地下水。

在 DK425 + 981隧道工作面(距铁路进口425公里，距离铁路进口981米)采用 MD-50型潜孔冲击旋挖钻机，累计钻进长度为23.10 m。

常规的 TSP (隧道地震预报)方法主要由三分量检波器、记录单元和起爆装置组成。

三分量地震检波器用于接收地震波信号，记录单元放大接收到的地震波信号，进行模数转换和数据记录，同时控制测量过程，起爆装置用于触发电雷管，起爆炸药，激发地震波。

随着裂缝水的发育，横波速度、纵波速度比、泊松比等参数发生了较大变化，表明岩石条件较前期差，特别是代表段 DK425 + 968 ~ DK425 + 980，反射层较集中。

根据上述分析，推断断层破碎带的存在，建议断面采用 IV 级围岩施工，注意施工中局部坍塌和块体脱落的情况，注意支护处理和施工安全。

在前期地质调查的基础上，通过岩石力学参数的地质预报，以及隧道工作面前方的地下水和岩溶条件，可以预报前期断裂带的宽度、产状和位置。

此外，还进行了地质调查，为数值模拟模型的建立提供了参数保证。

2.2 隧道数值模拟技术
隧道工程数值模拟方法是解决隧道工程问题的有效方法，它在很大程度上依赖于对隧道工程地质条件和岩石性质的研究，并通过参数反映在模拟结果中。

本文利用 FLAC3D 软件对三种主要隧道开挖方式进行了模拟，选择了最佳开挖方式，对隧道围岩稳定性进行了合理的评价和预测，以指导后续施工。

数值试验参数采用《铁路隧道设计规范》(JTG D70-2004) ，结合先进的地质预报方法。

模拟断面的纵断面图可以证明施工前隧道工作面前方的地质条件，先进的地质钻探和 TSP 预测数据表明，试验断面的隧道岩石为品红色和强风化砂岩，松散、软弱，说明隧道整体性和自稳性差。

由于试验段隧道的弱水，围岩计算参数有一定程度的降低。

基于 TSP 预测和地质条件，计算了隧道模型参数，为模型的建立提供了准确的信息。

实测隧道为单洞双线隧道，跨度为13.92 m。

计算模型的尺寸为112米宽，8倍跨度，92米高，52米纵向尺寸。

对于浅埋隧道深度，为了模拟试验断面的实际情况，模型深度为15 m，表面不对称压力角为10度。

由于围岩稳定性好，开挖后没有明显的流变性，地质条件相对稳定。

因此，可以根据弹塑性理论计算数值模型，并采用莫尔-库仑准则来描述岩体的力学行为，其中包括剪切破坏准则和拉伸破坏准则。

该模型的边界条件在底部各个方向固定，法线方向在边界上固定。

水平位移的符号是负(向左变形)或正(向右变形)。

垂直位移的符号是负(向下变形)或正(向上变形)。

本试验模拟了三种开挖方法，即全断面、双台阶断面和三台阶断面，监测模型中点断面的间隙收敛、地表沉降和塑性区破坏。

通过比较不同施工方法下围岩的变形规律，分析围岩的力学行为，选择更适合该工程的开挖支护方案，以实例说明数值模拟技术在隧道信息模型中的作用。

进而对铁路隧道建设的数值实验结果进行深入的分析和研究，首先是间隙收敛性分析，为了比较不同条件下间隙收敛的发展过程，本文以50米长隧道中断面为监测断面。

每隔两米的掘进进尺，我们提取中断面的变形数据。

监测工作的开始是在上层工作台开挖到15米处，随着隧道的开挖而结束。

从结果可以看出，隧道开挖后收敛变形的演变与施工方法密切相关。

由于不对称压力的存在，导致隧道断面发生倾斜，隧道收敛变形趋向于深埋方向。

通过变形结果的比较，发现整个断面的收敛变形相对较小且均匀，受邻近断面开挖的影响，不存在较大的水平位移或垂直位移，变形速率逐渐减小并趋于稳定。

然而，在台阶开挖中，由于前期开挖过程和中上台阶的支护扰动，台阶开挖后的收敛位移不均匀，每个台阶，尤其是拱形台阶，都会产生较大的变形，并趋于稳定。

其中，三台阶法的竖向变形大于双台阶法，施工中应加强超前支护，围岩应及时合拢成环。

此外，本文还考虑了中心线的冠部沉降问题。

从曲线上看，三种方法中，全断面开挖变形最小，且能在较短时间内稳定，这就要求支护必须及时到位，增加了支护的难度和不安全性。

同时，三台阶开挖对桩顶沉降的影响最大，其次为双台阶开挖，累积变形分别为全断面开挖的1.7倍和1.4倍。

其次，对铁路工程隧道的地面沉降进行分析，地面沉降观测主要是研究不同施工方法对地面沉降的影响。

与间隙收敛法一样，本文对中间断面的位移进行了监测，每2米前进一次记录。

在模拟计算中，在选定的断面上设置了7个监测点，地表沉降值扩大了150倍，直接叠加在显示地表节点位置的曲线上。

根据地表位移监测资料，最大沉降值分布在隧道断面中心线附近。

数值分析的结果显示三种开挖方法在监测断面开挖后不会立即引起较大的地表沉降，开挖引起的沉降降低速率随着距隧道面距离的增加基本一致。

随着开挖的进行，地面沉降在38m 进尺处开始显著增加，开挖至46m 时逐渐减小。

在顶部沉降曲线上，在开挖至45 m 进尺范围内，三种方法引起的沉降差异不大。

全断面法趋于稳定，两台阶法和三台阶法的累积变形量约为全断面法的1.6倍，且三台阶法的变形量仍大于两台阶法。

从间隙收敛和地表沉降的变形结果来看，不同的方法具有不同的优点。

进一步的比较需要对塑性区破坏进行分析。

再次，对隧道工作面的位移以及塑性区的破坏程度进行分析和研究，对于软弱围岩而言，防治隧道工作面施工引起的滑坡十分重要。

通过数值模拟可以生动地描述不良地质条件下隧道的破坏机理，从而得出不同条件下隧道施工的潜在风险，对信息化施工具有重要的指导意义。

数值模拟比较了三种方法开挖后隧道面的位移和塑性区的发展，分析了小导管注浆稳定隧道面的效果，确定了不同条件对隧道面位移控制的利弊，为隧道施工提供了指导。

隧道拱腰岩层开挖后出现塑性区，而且由于开挖边界的几何形状引起的应力集中，拱腰底部出现了变形范围较小但应变较大的塑性区。

一般来说，围岩塑性区主要分布在隧道拱腰、边墙和岩层底部。

在全断面开挖中，隧道周围形成了封闭的塑性区，隧道工作面前方塑性区范围较大，逆作施工必须及时可靠，增加了施工难度。

台阶法的塑性区小于全断面，原因是开挖面前方塑性区边界向工作面塌陷，上下台阶塑性区呈弧形贯通。

结果表明，三台阶开挖法对控制工作面破坏效果最好，塑性区范围最小。

此外，采用双台阶开挖和小孔道开挖形成的塑性区变形范围较小的其他方法，因此采用先进的小孔道注浆加固围岩可以很好地控制围岩破坏。

最后，通过对不同施工方案的数值模拟结果分析，控制围岩变形效果的全断面法优于台阶开挖法，更适合稳定围岩，但对支护时间要求较高，增加了施工难度。

然而，三台阶法对地层和围岩有较大的扰动，及时闭环的难度高于双台阶法。

因此，本文认为双台阶法与预注浆相结合是一种较好的施工方法。

2.3 监控测量反馈
监测作为高速铁路隧道信息化施工的基础，是检验设计参数、模型合理性和施工方法评价的主要依据，其真实性强于数值模拟。

我们采用徕卡 TS09全站仪进行非接触测量，并根据围岩水平、隧道断面尺寸和埋深确定测量频率。

收敛位移测量的频率受其他因素的影响。

隧道开挖完成后，观测桩埋设在隧道的水平墙和拱腰内。

地下深度为450毫米，本文采用2 # 线作为监测对象。

20天的监测过程中，总累计辐合量为32.51 mm，最大日辐合量为6.81 mm。

在上台阶初期开挖中，施工爆破对围岩造成了较大的扰动，使得变形收敛速度明显加快，平均日变形速度约为6.61 mm/d。

随着钢拱、锁脚锚杆等初期支护的及时施工，围岩收敛速度逐渐减小，第6天累计变形量达到总变形量的73.8%，平均变形速度降至1mm/d 以下。

下台阶开挖后，变形量再次增大，7天内平均变形速率为1mm/d。

在此阶段，还应及时施工初期支护，使围岩压力迅速释放到一定程度，从而降低收敛的变形趋势。

地表沉降的观察过程中，地表沉降观测是指从地表沉降点观测，根据位移判断开挖对地表沉降的影响，以及变形对边坡的影响，从而确定隧道支护结构的稳定性。

本工程结合 DK425 + 985断面和10m 间距的三个测量断面，在隧道洞口沿隧道轴线方向建立了浅层地表沉降测量分析。

当测量断面与工作面的距离为30m 时开始测量，当开挖量超过测量断面且沉降稳定时停止测量。

在初始变形过程中，由于施工对地层的扰动，使得原始固结土层变得松散，导致土层隆起或小量沉降。

所有测点的变形不明显，最小为1点和2点，平均变形量约为7毫米。

台阶法采用上部土体充分开挖，使原来平衡的三维土体应力突然破坏，地应力重新分布，造成周围土体变形，并使上部围岩处于自由状态，释放大量内应力。

随着初始支护的发挥作用，围岩的变形速度趋于缓和。

当围岩应力在变形后期全部释放时，倒拱及时施工回填，使围岩稳定，各测点的地表沉降均得到控制。

经过60天的连续观测，所有测量点的最大累积变形是第7点，45.10 mm，趋于稳定。

其中最小日平均沉降速度为0.09 mm/d，最大日平均沉降速度为0.75 mm/d，均在允许范围内，说明所选择的施工方法合理实用，支护方案能有效控制变形。

从信息构造的角度来看，数值模型变形与监测数据的比较可以作为隧道信息模型可靠性的判据。

此外，测量信息的反馈有利于模型参数的优化，如果相关参数合理，数值模型具有实际参考意义，可为后续的建模提供更准确的指导。

通过采用信息化的技术比较三种施工方法的位移变形和塑性区破坏特征，分析了三种施工方法的变形机理。

结果表明，全断面开挖的位移变形小于台阶开挖的位移变形，但需要较好的地质条件。

相比之下，双台阶基坑的位移变形在允许范围内，更适合于选定断面的施工。

三．结束语
高速铁路隧道施工一直受到不确定地质条件和复杂施工环境的困扰。

隧道施工过程中的内在因素和外部因素都可能导致潜在的风险。

所以本研究具有一定的研究意义和研究价值。

参考文献：
[1]杨小玉. 软弱围岩条件下新建隧道换拱施工技术[J]. 福建建材,2020,(08):58-60.
[2]安超. 不良地质条件下铁路隧道开挖掘进的方法与技术[J]. 科技展望,2015,25(17):15+17.
[3]马辉,陈寿根,谭信荣. 岩溶隧道施工综合超前地质预报技术研究[J]. 四川建筑,2011,31(02):167-169.
[4]冯卫星,丁维利,王克丽. 复杂地质条件单线铁路隧道施工技术措施[J]. 岩土力学,2003,(S2):263-266.。