《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）第二部分隧道工程篇《構(gòu)造發(fā)育軟巖富水特長隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究》

完成單位：中鐵五局集團有限公司、中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司、中南大學(xué)

主要完成人：李映群、趙建斌、徐迪明、羅世云、傅鶴林、劉云龍、凌濤、楊錫斌、李強、段磊

項目簡介

　　（一）項目背景

　　大坪山隧道所面臨的環(huán)境很是復(fù)雜，山體坡度陡，巖層陡傾，進口段為低瓦斯隧道工區(qū)，隧道洞身局部段落巖溶發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，且存在大范圍的軟弱夾層、斷裂帶等不良地質(zhì)條件，巖體具有明顯的流變特性，施工過程中極易發(fā)生涌水、突泥、坍塌掉塊現(xiàn)象。

　　（二）技術(shù)概況

　　1、本研究提出方法計算構(gòu)造發(fā)育區(qū)域涌水量效率高，計算準(zhǔn)確，能提前預(yù)算隧道開挖后的涌水量大小，保證了隧道安全施工；總結(jié)了隧道水害防治方法，針對不同的突涌水害類型，應(yīng)采取除堵水防止突涌水和超前預(yù)加固松散軟弱圍巖提高圍巖穩(wěn)定性措施外，還應(yīng)包括超前預(yù)支護、變更施工開挖方法防止圍巖變形失穩(wěn)坍塌，根據(jù)開挖的實際圍巖級別及時調(diào)整隧道初期支護和二次襯砌等措施。

　　2、針對大坪山隧道（四川盆地區(qū)域）的典型軟弱圍巖-泥質(zhì)砂巖，確定了反映其蠕變特性的蠕變模型及參數(shù)。

　　3、本技術(shù)研究了圍巖的蠕變特性，同時考慮高地應(yīng)力及圍巖蠕變的作用，采用位移反分析法測算了大坪山隧道區(qū)域的地應(yīng)力大小，相比國內(nèi)外未考慮圍巖蠕變作用的測算方法，更符合實際開挖情況及圍巖受力模式，數(shù)值模擬情況與現(xiàn)場實際情況的差距更小。

　　4、本技術(shù)相比國內(nèi)外測算平導(dǎo)與正洞間距的技術(shù)，本技術(shù)考慮了圍巖的蠕變作用、高地應(yīng)力作用以及工程的經(jīng)濟性，相比其他技術(shù)，更符合實際開挖情況，綜合考慮的因素更多，測算結(jié)果更符合工程要求。

（三）適范用圍

　　適用西部山嶺重丘地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，且存在大范圍的軟弱夾層、斷裂帶等不良地質(zhì)條件，巖石內(nèi)部一般都存在微觀缺陷，巖質(zhì)隧洞在開挖、卸荷過程中洞周一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，巖石中存在的微觀裂隙在圍巖卸荷蠕變演化中會逐步的孕育、擴展、貫通，使得巖石材料的力學(xué)性能逐漸劣化，最終導(dǎo)致巖體由局部破壞發(fā)展為整體失穩(wěn)。

　　（四）獲獎情況

　　2021年中國交通運輸協(xié)會科技進步獎二等獎。

項目創(chuàng)新點

　　1、構(gòu)建了地應(yīng)力場特征的快速測定方法和技術(shù)，確定了斷層區(qū)域應(yīng)力場的方向、大小，實現(xiàn)了構(gòu)造發(fā)育區(qū)域隧道圍巖的穩(wěn)定性的快速定量分析；

　　2、構(gòu)建了反映泥質(zhì)砂巖流變特征Burgers流變本構(gòu)模型并獲得相應(yīng)流變參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，揭示了隧道開挖引起的變形的時間效應(yīng)，為軟巖大變形控制提供了依據(jù)；

　　3、構(gòu)建了構(gòu)造發(fā)育區(qū)域的地下水預(yù)測模型，預(yù)測了不同地段地下水的水量，確定了富水地段隧道防排水的重點部位，開發(fā)并實施了"及早封閉成環(huán)施做防水二襯并恢復(fù)原水位"防排水技術(shù)，實現(xiàn)了地下水的有效排放與防治；

　　4、優(yōu)化了平導(dǎo)與正洞之間的距離；結(jié)合流固耦合計算和控制爆破手段、平導(dǎo)和正洞協(xié)調(diào)作業(yè)，組合現(xiàn)場施工機械及配套人員，優(yōu)化了泥質(zhì)砂巖段正洞隧道支護參數(shù)和開挖工序。

應(yīng)用案例

　　中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司承建大坪山隧道，基于數(shù)值計算結(jié)果、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)、現(xiàn)場機械化配套情況，提出了符合大坪山隧道開挖情況下，既能保證施工安全，又能穩(wěn)定提高施工效率的方案。確保了隧道施工安全順利地進行，避免了塌方、突涌水等災(zāi)害的發(fā)生，保障了當(dāng)?shù)厣絽^(qū)的水資源安全以及水環(huán)境的生態(tài)平衡；研究了軟巖地段正洞、平導(dǎo)開挖的群洞效應(yīng)，利用正洞、平導(dǎo)開挖的圍巖卸荷特征及群洞效應(yīng)，優(yōu)化了正洞、平導(dǎo)間巖柱的承載體系及安全尺寸，既確保施工安全又高效經(jīng)濟；對多道工序并存施工進行了組織設(shè)計與優(yōu)化，減少了建筑材料的浪費，實現(xiàn)了資源可再生循環(huán)利用。該科研項目不僅為大坪山隧道建設(shè)提供了技術(shù)保障，同時也培養(yǎng)了一批高水平的設(shè)計、科研、施工、管理人才，對于我國鐵路隧道建設(shè)的核心競爭力的提升、隧道的建設(shè)及發(fā)展具有極其深遠(yuǎn)的影響。大坪山隧道大變形段于2019年5月順利通過。

社會效益與經(jīng)濟效益

　　大坪山隧道是成昆鐵路的關(guān)鍵控制工程，構(gòu)造發(fā)育軟巖富水特長隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究成果推廣應(yīng)用，為確成昆鐵路改擴建如期通車，將使成都至昆明的時間從12個多小時縮短為8個多小時將直接促進四川和云南的經(jīng)濟合作與發(fā)展、經(jīng)濟交流與物質(zhì)流通。將產(chǎn)生巨大的社會效益。本研究安全可靠，對大變形隧道災(zāi)害防治及處理都有極大的借鑒意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　優(yōu)化了作業(yè)步距，加快了施工進度，縮短工期4.2月。Ⅲ級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的90m優(yōu)化為150m，IV級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的35m優(yōu)化為120m，V級圍巖仰拱封閉與掌子面距離由原來的35m，優(yōu)化為90m，減少了隧道鉆孔、爆破、撬頂、噴砼、初期支護、防水板安裝、二襯施做等工序間干擾，充分發(fā)揮了機械化作業(yè)效率，開挖效率Ⅲ級圍巖開挖效率由原來月進度110m上升為130m，IV級圍巖由原來70m上升為85m，V級圍巖由原來55m上升為70m，提高了施工進度，縮短開挖工期5.8月，取得經(jīng)濟效益8352萬元。